Brevet FR2466014A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne un dispositif de mesure du coefficient d'émission dans l'infrarouge dlune surface. Cette invention s'applique notamment à la caractérisation des surfaces sélectives pour la conversion thermique de l'énergie solaire. On sait que le rendement de conversion thermique d'un capteur solaire est fortement influencé par les pertes radiatives qui augmentent proportionnellement à la puissance quatrième de la température. I1 en résulte que l'augmentation du rendement d'un capteur, pour une température donnée, nécessite la mise au point d'une surface sélective qui présente, pour un coefficient d'absorption solaire maximum, une émissivité aussi faible que possible à la température donnée. La caractérisation de ces surfaces sélectives se fait à l'aide de dispositifs de mesures du coefficient d'émission dans l'infrarouge. Actuellement, les absorbeurs solaires les plus utilisés sont constitués par des supports de cuivre ou d'acier, revêtus électrolytiquement d'une couche de noir de chrome.Le coefficient d'émission de ces revêtements est particulièrement sensible aux variations des paramètres opératoires et il est donc indispensable de contrôler les absorbeurs ainsi constitués. Ce contrôle, notamment au cours de la fabrication des absorbeurs, nécessite des mesures rapides et non destructives du coefficient d'émission. Ces mesures doivent pouvoir être réalisées, même sur des surfaces non planes telles que par exemple, des surfaces gaufrées, alvéolées ou nervurées. Les caractéristiques du rayonnement d'un corps réel sont définies par rapport aux propriétés du corps noir parfait, présentant un coefficient d'absorption égal à l'unité, pour toutes les longueurs d'onde du rayonnement incident. C'est ainsi que l'on définit a) - L'émittance spectrale d'un corps noir porté à la tempé rature T, qui est donnée par la relation de PLANER : Dans cette relation, x désigne la longueur d'onde du rayonnement auquel est soumis le corps noir, C1 et C2 sont des constantes. b) - L'émittance totale d'un corps noir, à la température T, obtenue par intégration de la relation précédente : (relation de Stefan-Boltzmann). Dans cette relation, o désigne la constante de Stefan-Boltzmann ; cette relation montre que l'émit tance totale d'un corps noir à la température T, est proportionnelle à la puissance quatrième de cette tem pérature. c) - Le coefficient d'émission (E) d'un corps réel, qui est le rapport des émittances du corps réel et du corps noir portés à la même température. On distingue - le coefficient d'émission totale M (T) désignant les sens du corps réel et MO (T) désignant l'émittance du corps noir, à la tempéra ture T. - le coefficient d'émission spectrale : Dans cette relation, M(A,T) désigne l'émittance spectrale du corps réel, et M (A,T) désigne l'émittance spectrale du corps noir. La loi de Kirchoff permet d'établir une relation entre le coefficient d'émission e et le coefficient de réflexion p d'un corps. A la température T, le coefficient d'émission spectrale e(A,T) est lié au coefficient de réflexion spectrale p(A,T) par la relation = = 1 - P(A,T) De la même manière, le coefficient d'émission to tale E e(T) est lié au coefficient de réflexion totale P(e) par la relation:: (T) 1 - P(T) "' (A,T) P(A dX (T) = - (T) = - M0 (T > Dans cette relation, P(T) désigne le coefficient de réflexion totale hémisphérique. I1 est à remarquer que la plupart des corps ne sont pas isotropes et que leur coefficient de réflexion varie avec l'angle d'incidence. Pour une incidence donnée, le rayonnement réfléchi peut être spéculaire, diffus ou même présenter un angle de réflexion privilégié. I1 en résulte que le coefficient d'émission varie en fonction de l'angle de réflexion et que l'on peut distinguer les coefficients d'émission suivants - le coefficient d'émission spectrale angulaire sT(A 9) - le coefficient d'émission spectrale hémisphérique eT(A, 2u)' - le coefficient d'émission totale hémisphérique : E (TI 2R) D'une manière générale, on désignera le coefficient d'émission totale hémisphérique à la température T par le terme e(T). I1 résulte de ces différentes relations que les coefficients d 'émission et de réflexion, pour les corps réels, sont liés par la relation = 1 1 La détermination du coefficient d'émission peut s'effectuer soit par détermination directe par la mesure de l'émittance M(T) de la surface étudiée, soit par-détermination indirecte, par la mesure du coefficient de réflexion PT(2 2n) puis intégration sur le spectre du corps noir à la température T. La détermination directe du coefficient d'émission est réalisée par une mesure calorimétrique de l'émittance de la surface de l'échantillon, généralement effectuée sous vide, pour annuler les transferts de chaleur par conduction et par convection dans l'air. Cette détermination directe est difficile à mettre en oeuvre et très longue à réaliser. La détermination indirecte du coefficient d'émission d'une surface quelconque, à partir d'une mesure du coefficient de réflexion (T,) (2n,2Tc) est généralement très difficile à l'aide des appareils connus car elle nécessite l'utilisation d'un spectrophotomètre à infrarouge, équipé d'une sphère d'intégration pouvant travailler sur des échantillons chauffés. Cette technique est donc elle aussi difficile à mettre en oeuvre. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de réaliser un dispositif de mesures du coefficient d'émission dans l'infrarouge d'une surface, utilisant une technique de mesures indirectes, sans qu'il soit nécessaire de mettre en oeuvre un spectrophotomètre infrarouge et grâce auquel la durée des mesures est très réduite. L'invention a pour objet un dispositif de mesure du coefficient d'émission d'une surface absorbant un rayonnement énergétique, caractérisé en ce qu'il comprend : - une calotte hémisphérique réfléchissante et diffusante pour les longueurs d'ondes de rayonnement considéré, cette calotte présentant une ouverture en regard de la surface et son axe étant normal à cette surface, - un filament présentant un revêtement à propriétés de corps noir pour les longueurs d'ondes du rayonnement considéré, situé à l'intérieur de la calotte, dans biaxe de celle-ci, - une source électrique de courant alimentant le filament, - des moyens pour régler l'intensité du courant en fonction de l'énergie du rayonnement, - un détecteur du rayonnement réfléchi sur la surface, situé dans l'axe de la calotte, - des moyens de mesure du rayonnement réfléchi détecté. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure de l'invention, le filament est situé à la partie supérieure de la calotte, ce filament présentant une forme annulaire et le détecteur étant mobile en translation dans l'axe de la calotte. Selon une autre caractéristique, les moyens pour régler l'intensité du courant en fonction de l'énergie du rayonnement sont constitués par des moyens pour asservir l'intensité du courant de la source à la température du filament. Selon une autre caractéristique, le détecteur est une thermopile sensible au rayonnement considéré, lesdits moyens de mesure étant constitués par un appareil de mesure de la tension aux bornes de la thermopile. Selon une autre caractéristique, le filament présente des propriétés de corps noir dans l'infrarouge, le détecteur étant sensible dans l'infrarouge. Selon une autre caractéristique, le filament est constitué par un fil d'alliage de nickel et de chrome présentant un revêtement noir dans l'infrarouge. Enfin, selon une autre caractéristique, l'ouverture de la calotte est munie d'une fenêtre transparente dans l'infrarouge. D'autres caractéristiques et avantages de llin- vention ressortiront encore de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement et en coupe un dispositif de mesure, conforme à l'invention, - la figure 2 est un diagramme illustrant en exemple les variations de la température T du filament, en fonction de l'intensité I du courant qui le traverse, - la figure 3 est un diagramme illustrant en exemple les valeurs du coefficient d'émission e d'une surface, en fonction de la tension mV aux bornes de la photopile du dispositif. La figure 1 représente un dispositif conforme à l'invention, permettant la mesure du coefficient d'émission douce surface S, absorbant un rayonnement énergétique. Ce dispositif comprend une calotte hémisphérique 2, en aluminium par exemple et dont la partie interne 3 est réfléchissante et diffusante, pour les longueurs d'ondes du rayonnement considéré. Cette calotte hémisphérique présente une ouverture, en regard de la surface S, et son axe X'X est normal à la surface S. Un filament 4, constitué d'un alliage de nickel et de chrome, revêtu d'une couche à propriété de corps noir est relié à une source électrique de courant 5, qui est associée à des moyens 6 permettant de régler llin- tensité du courant dans le filament, en fonction de lléner- gie du rayonnement à obtenir. Le dispositif représenté sur la figure est plus particulièrement destiné à la mesure du coefficient d'émission infrarouge d'une surface sélective pour la conversion thermique de l'énergie solaire. Le dispositif comprend également un détecteur 8 du rayonnement réfléchi sur la surface, à la suite de l'émission d'un rayonnement infrarouge vers cette surface, par le filament à propriété de corps noir. Le filamnt a une forme annulaire, il est situé dans l'axe de la calotte, tandis que le détecteur, lui aussi situé dans l'axe de la calotte, est mobile en translation le long de l'axe de cette calotte. Cette mobilité est assurée à l'aide d'un montage représenté schématiquement sur la figure et comprenant un bouton molleté 9, coopérant avec une extrémité filetée 10 d'une tige 11, dont une autre extrémité 12 supporte le détecteur 8.Enfin, le dispositif comprend des moyens de mesure 13, qui permettent de mesurer le rayonnement réfléchi détecté. Les moyens 6 qui permettent de régler l'intensité du courant de la source, en fonction de l'énergie du rayonnement sont reliés à une thermistance 14 par exemple, qui permet de déterminer la température au voisinage du filament 4. Le détecteur 8 est une thermopile qui est sensible au rayonnement considéré et, dans l'exemple de réalisation décrit, cette thermopile est sensible au rayonnement infrarouge. Ses bornes de sortie sont reliées au moyen de mesures 13 qui sont constituées par un appareil de mesure de tension.Afin de protéger l'intérieur de la calotte de toute dégradation et également pour éviter l'établissement de courants de convection pouvant faire varier la température du filament et la réponse du détecteur, une fenêtre transparente 15 est disposée sur l'ouverture de la calotte ; cette fenêtre est transparente au rayonnement infrarouge dans l'exemple de réalisation décrit, et elle peut être constituée par exemple, par un film de polypropylène. L'ensemble de la calotte et des différents éléments du dispositif peuvent être maintenus dans un bottier 16. I1 est bien évident que la fenêtre 15 qui est, dans l'exemple de réalisation décrit de forme plane, peut présenter une forme adaptée à la forme des échantillons à étudier. Ce dispositif permet de déterminer de manière indirecte le coefficient d'émission (T)=1 PtT) de la surface S. Il permet de mesurer le coefficient de réflexion totale hémisphérique (T) (2,2Tt) vis-à-vis du rayonnement émis par le filament à propriétés de corps noir, à une température T, et ainsi de déterminer le coefficient d'émission totale E (T). La mesure consiste à éclairer l'échantillon de manière homogène par le rayonnement infrarouge émis par le filament 4, à propriété de corps noir, stabilisé à une température T, grâce aux moyens 6 de réglage de l'intensité du courant de la source 5. On mesure tout d'abord le coefficient de réflexion totale hémisphérique P(T) à la température T stabilisée, puis on détermine le coefficient d'émission totale e(T) à partir de ce coefficient de réflexion totale sur une courbe d'étalonnage obtenue par exemple par des mesures calorimétriques, sur des échantillons de référence. Le cycle de mesures se déroule de la manière suivante : on place le dispositif de mesures sur la surface S dont on veut mesurer le coefficient d'émission totale et on attend un temps suffisant pour obtenir l'équilibre thermique entre la surface S et la thermopile 8.Lorsque cet équilibre est obtenu, on règle les moyens de mesure 13 de manière que ceuxci affichent une tension nulle. On alimente alors le filament 4 jusqu'à sa température d'équilibre T, puis on lit la valeur de la tension aux bornes de la thermopile. L'équilibre thermique est obtenu grâce aux moyens 6 de réglage de l'intensité de la source 5, commandés eux-mêmes par la ther mistance 14. La tension qui est indiquée par les moyens de mesure 13 est proportionnelle au coefficient de réflexion totale P(T) de la surface S.Des courbes d'étalonnage obte- nues par des mesures calorimétriques à partir d'échantillons de référence permettent de déterminer le coefficient d'émission totale émisphérique #T(2#,2#) à partir de la valeur mesurée du coefficient de réflexion totale (T) (2,2Tt) La température dséquilibre du filamentdétermine l'éclairement spectral énergétique de la surface S et constitue donc un paramètre important de la mesure.Cette température, pour une intensité de courant constante, dépend des pertes par émission, par conduction et par convection dans l'air et donc, de la température ambiante.-Une courbe d'étalonnage qui sera décrite plus loin en détail permet de déterminer la variation de la température d'équilibre du filament, en fonction de l'intensité du courant réglable qui le parcourt pour une température ambiante donnée. Pour maintenir un éclairement énergétique constant, lorsque la température ambiante varie, on ajuste le courant de chauffage grace aux moyens 6, commandés par la thermistance 14. L'étalonnage du dispositif est effectué à partir d'échantillons dont le coefficient d'émission totale e(T)(2 2z) a été déterminé par mesure calorimétrique, à une température identique à celle du filament. Pour un coefficient de réflexion P(T)(2 2n) de la surface S, la tension aux bornes de la thermopile est proportionnelle à la puissance quatrième de la température du filament. La figure 2 représente en exemple la variation de la température T d'un filament, en fonction de l'intensité du courant qui parcourt celui-ci, à une température ambiante de 200C. Ainsi, grâce au réglage de l'intensité du courant délivrée par la source 5, il est possible de déterminer la température T du filament. La figure 3 représente en exemple,- pour un échantillon donné, les variations en mV de la tension aux bornes de la thermopile 8, en fonction du coefficient d'émission total hémisphérique Le dispositif qui vient d'être décrit permet d'effectuer des mesures rapides et non destructives, reproductibles. I1 est facilement adaptable à des surfaces de géométrie particulière et il peut fonctionner de manière autonome grâce à une alimentation électrique propre. Il est insensible aux variations de la température ambiante ainsi qu'à la corrosion atmosphérique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du coefficient d'émission dans l'infrarouge, d'une surface, caractérisé en ce qu'il comprend - une calotte hémisphérique réfléchissante et diffusante pour les longueurs d'ondes de rayonnement considéré, cette calotte présentant une ouverture en regard de la surface et son axe étant normal à cette surface, - un filament présentant un revêtement à propriétés de corps noir pour les longueurs d'ondes du rayonnement considéré, situé à l'intérieur de la calotte, dans l'axe de celle-ci, - une source électrique de courant alimentant le filament, - des moyens pour régler l'intensité du courant en fonction de l'énergie du rayonnement, - un détecteur du rayonnement réfléchi sur la surface, situé dans l'axe de la calotte, - des moyens de mesure du rayonnement réfléchi détecté. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filament est situé à la partie supérieure de la calotte, ce filament présentant une forme annulaire et le détecteur étant mobile en translation, dans l'axe de la calotte. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour régler l'intensité du courant en fonction de l'énergie du rayonnement sont constitués par des moyens pour asservir l'intensité du courant de la source, à la température du filament. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le détecteur est une thermopile sensible au rayonnement considéré, lesdits moyens de mesure étant constitués par un appareil de mesure de la tension aux bornes de la thermopile. 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le filament pré sente des propriétés de corps noir dans l'infrarouge, le détecteur étant sensible dans l'infrarouge. 6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que le filament est constitué par un fil d'alliage de nickel et de chrome présentant un revêtement noir dans l'infrarouge. 7. Dispositif de mesure selon la revendication ó, caractérisé en ce que l'ouverture de la calotte est munie d'une fenêtre transparente dans l'infrarouge.