Brevet FR2497343A1 — publié le 19820702

L'invention concerne un procédé et un appareil destinés à mesurer, sans contact, et indépendamment du taux d'émission de chaleur, la température de la surface de l'objet qui doit subir la mesure, à base de pyrométrie:p&r rayonnement> l'invention pouvant être utilisée dans des opérations techno- logiques, en particulier dans des travaux de recherche et lors d'examens préalables pour la mise en service de dispositifs de mesure de la température. On connaît déjà un procédé et un appareil dans lesquels on utilise pour mesurer la température véritable de l'objet, plusieurs zones spectrales fixes d'opération. Ce procédé et cet appareil sont très appropriés à cet effet si l'on dis- pose d'informations préalables sur la courbe du taux d'émission de la surface de l'objet qui doit subir la mesure en fonction des longueurs d'onde, et sur les conditions de rayonnement de la chambre o se trouve l'objet à mesurer. Ils ne conviennent pas si l'on ne possède aucune information préalable. L'invention a pour objet de permettre l'examen sans contact, par des moyens purement pyrométriques, de surfaces et de chambres d'objets à mesurer, dans la recherche et pour des études pour la mise en service d'appareils de mesure de températures, dans des opérations technologiques. L'effet utile obtenu par l'utilisation de l'invention réside en ce que l'on peut tirer parti des avantages connus de la mesure de tempéz - tures sans contact même dans des domaines d'utilisation o ceèl n'était pas possible jusqu'ici en raison de la complication des conditions de mesure. D'autre part, l'invention permet de dimi- nuer sensiblement le coût des recherches préalables pour la mise en service d'appareils de mesure de températures. L'invention doit, en conséquence, rendre pos- sible la détermination sans contact de la température véritable de la surface et de la chambre o se trouve l'objet qui doit subir la mesure, sans que l'on dispose d'informations préalables sur la courbe du taux d'émission de la surface de l'objet à mesurer, en fonction des longueurs d'onde, et sur les conditions de rayonnement de la chambre o se trouve l'objet à mesurer. De plus, on doit ici recueillir et mettre en mémoire des infor- mations qui permettent de mettre en service des procédés connus. A cet effet, l'invention propose que l'on capte et évalue tout le spectre de rayonnement thermique de la surface de l'objet qui subit la mesuwle, y compris le rayonne- ment ambiant qui est réfléchi par lui. On utilise comme organe auxiliaire, un émetteur auxiliaire de rayonnement, dont on connaît la composition spectrale, et dont le spectre est capté après réflexion sur la surface de l'objet à mesurer et est compris dans l'évaluation. S'il existe, dans le champ des basses températures (50... 3000C), une chambre de mesures préparée (rayonnement ambiant noir) il est possible de se passer d'émetteur auxiliaire, et utiliser le rayonnement ambiant réfléchi par la surface de l'objet à mesurer dans l'appareil de mesure, de la façon connue, comme grandeur d'entrée pour le traitement des informations. L'évaluation s'opère dans des conditions o au moyen d'un algorithme de recherche, une calculatrice combine les valeurs mesurées du rayonnement en bande de tout le domaine spectral du spectre capté jusqu'à ce que l'évaluation'de deux combinaisons différentes de domaine spectral conduise à des valeurs égales de la température pour une combinaison des taux d'émission admise arbitrairement. Ces valeurs sont alors aussi identiques à la température vraie de la surface de l'objet qui subit la mesure. Les taux d'émission spectrale sont déterminés et mis en mémoire, comme on l'a déjà proposé à l'aide des mesures des rapports dé réflexion. Suivant l'invention, on pcurra déterminer avec le procédé décrit, les domaines spectraux du spectre du rayonnement de chaleur de l'objet à mesurer dans lesquels son rayonnement est gris ou neutre, o les domaines dans lesquels la courbe du taux d'émission est linéaire, en fonction de la longueur d'onde. Le rapport entre les taux d'émission JO des domaines spectraux déterminés peut ici être quelconque. La calculatrice évalue le rayonnement de l'émetteur auxiliaire et de l'environnement de l'objet à mesurer réfléchie par la bTLrface de cet objet de façon telle que soilt déterminés les domaines spectraux o l'environnement de l'objet à mesurer rayonne en gris et o son influence peut être déterminée ou éliminée. L'appareil pour l'exécution du procédé est caractérisé suivant l'invention, en ce que, pour mesurer le spectre de rayonnement thermique de la surface de l'objet à mesurer, on met en oeuvre un montage constituant un interféromètre. Celui-ci est caractérisé en ce que l'on monte, pour limiter le domaine spectral à évaluer, soit un miroir mobile sur un vibrateur piézoélectrique, et après le détecteur de rayonnement, un filtre électronique, qui agit comme un filtre qui se trou- verait sur un canal optique, soit que l'on dispose un miroir fixe obliquement par rapport à la direction du rayonnement et que l'on mette en oeuvre une ligne détectrice pour la définition du spectre. L'invention sera expliquée plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation. L'appareil de mesure destiné à mesurer la température véritable de l'objet, est constitué d'un interféromètre Fourier pour la zone infrarouge de 3 à 15 microns (domaine des basses températures de 50 à 3000C), avec une définition spectrale de t2 = 2 microns et une définition de température supérieure à 0,05 K pour t = 10 microns. L'interféromètre de Fourier est construit de façon connue. Différant ainsi des procédés connus, le miroir mobile de l'interféromètre est mis en mouvement par un vibrateur piézo- électrique et le signal détecteur est traité au moyen d'un filtre électronique, y compris un redresseur et un enregistreur des valeurs de crête. Le filtre électronique a pratiquement le même effet qu'un filtre sur un canal optique, On monte par exemple six filtres en parallèle et relève les valeurs de mesures en multiplex pour une course Au miroir. Supplémentaire- ment, on forme la moyenne des valeurs sur plusieurs courses du miroir, ce qui augmente sensiblement la précision du procédé. La compensation des températures de l'enceinte est faite au moyen de la calculatrice qui assure en même temps la combinai- son des valeursspectrales mesurées, et calcule la température vraie de l'objet. La combinaison s'opère du fait que la calcula- trice pose, en rapport, chaque fois deux valeurs de mesure de l'intensité du rayonnement des différents domaines spectraux, et détermine au moyen d'un algorithme de recherche, les points o l'évaluation de la formation des rapports donne des valeurs égales pour la température de l'objet. Cela concerne seulement les domaines spectraux oh la surface de l'objet à mesurer présente les mêmes taux d'émission spectrale, c'est-à-dire o elle agit en émetteur gris. La température de l'objet ainsi déterminée est identique à la température vraie de l'objet. Il est toutefois aussi possible d'utiliser un 4 2497343 miroir fixe posé obliquement par rapport à la direction du rayonnement, de sorte que la définition du spectre peut se faire dans les différents domaines spectraux au moyen d'une ligne détectrice. La combinaison des valeurs mesurées du rayon- nement en barde peut aussi s'opérer de façon que la calculatrice combine chaque fois trois valeurs mesurées de l'intensité du rayonnement des différents domaines spectraux pour que la solution du système d'équation non linéraires U1= f ( ' D Tu U = f (- 2'ú22 To' TD) U3 = f (? 3' 3' To, Tu) t1 = a * i2 =a 2 ú 3 = a 3 donne la température de l'objets, On déterminera, au moyen d'un algorithme de recherche, les combinaisons de domaines spectraux pour lesquels on obtient des températures semblables de l'objet. Ces combinaisons de domaines spectraux ont des taux d'émission spectrale qui changent linéairement avec les longueurs d'onde. La température de l'objet communiquée est la température vraie. Dans le domaine des hautes températures ou si l'on ne connaît pas les conditions de rayonnement dans le domaine des basses températures dans la chambre de mesure de l'objet, on emploiera supplémentairement un émetteur auxiliaire de rayonnement. L'appareil de mesure mesurera le rayonnement spectral de l'objet à mesurer avec et sans le rayonnement auxi- liaire réfléchi par la surface de l'objet. La calculatrice déter- mine, au moyen d'un algorithme de recherche, les domaines spectraux dans lesquels la surface de l'objet et l'environnement de cet objet donnent un rayonnement gris et permettent par suite de déterminer la température vraie de l'objet. REVENDICATIONS ) Procédé destiné à mesurer des températures indépendamment du taux d'émission d'un objet, caractérisé en ce que l'on capte tout le spectre mfra-rouge de la surface d'un objet soumis à la mesure y compris le rayonnement de l'environ- nement d'une chambre de mesure préparée, réfléchi par cet objet, et l'évalue de façon telle qu'une calculatrice comprend, d'une façon connue, dans l'évaluation, le rayonnement de l'environnement, et combine ensemble, en utilisant un algorithme de recherche, les valeurs mesurées du rayonnement en bandes dans les différents domaines spectraux, jusqu'à ce que l'évaluation arrive aux mêmes valeurs de température pour au moins deux combinaisons différentes de domaines spectraux et une combinaison de taux d'émission adoptée arbitrairement, et que soit donnés ainsi la véritable température de l'objet et le taux d'émission inconnu. ) Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on capte supplémentairement le spectre d'un émetteur auxiliaire, dont la composition spectrale est connue, après réflexion sur la surface de l'objet qui subit la mesure, et l'utilise comme grandeur d'entrée pour le traitement des informations, les domaines spectraux étant déterminés par la calculatrice et le rayonnement thermique de l'environnement étant inconnu, on obtient la température vraie de l'objet. ) Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la calculatrice établit le rapport des valeurs mesurées du rayonnement des bandes de deux domaines spectraux du spectre infrarouge, et cherche les domaines o6 l'évaluation donne les mêmes valeurs de température et, par suite, les mêmes taux d'émission. 40) Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la calculatrice combine chaque fois les valeurs mesurées du rayonnement en bande de trois domaines spectraux du spectre infra rouge, et cherche les domaines qui donnent les mêmes valeurs de température et un tracé linéaire du taux d'émis- sion en fonction des longueurs d'onde. ) Procédésuivant l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que la calculatrice cherche les domaines spectraux du spectre infra-rouge o l'environnement de l'objet soumis à la mesure et la surface de cet objet donnent un rayonnement gris. 6 ) Appareil pour l'exécution duprocédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose un miroir mobile faisant partie du dispositif formant interféro- mètre sur un vibrateur piézo-éleetrique, et monte après le détecteur de rayonnement, pour limiter les domaines spectraux à évaluer, des filtres électroniques qui agisent comme des filtres se trouvant dans un canal optique. - 7 ) Appareil pour l'exécution du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on place dans le dispositif formant interféromètre, obliquement par rapport à la direction du rayonnement, un miroir fixe et met en service une ligne détectrice pour la définition du spectrice infra-rouge.