Brevet FR2508637A1 — publié le 19821231

it 08637 Perfectionnements apportés aux procédés de mesure à distance de l'émissivité et/ou de la température vraie d'un corps à surface relativement lisse La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux procédés de mesure à distance de l'émissivité et/ou de la température vraie d'un corps possédant une surface relativement lisse. On connait déjà un tel procédé de mesure à-distance selon lequel on procède tout d'abord à une mesure de lumi- nance normale C en un point unique de la surface du corps, puis on effectue successivement deux mesures polarisées A et B sous un angle d'émission G, toujours au meme point de la surface du corps L'émissivité normale, ou facteur d'é- mission normal, E, peut alors 8 tre facilement calculé à partir de la formule suivante, déduite des formules de Fresnel: ;\,normal A A La température vraie T du corps au point de mesure peut également 9 tre calculée à partir de la formule: .kl g k -5 e-k 2/AT -5 (ek 2/AT 1) dans laquelle k 1 et k 2 sont des constantes connues E est l'émissivité précédemment déterminée A est la longueur d'onde du rayonnement C est la luminance normale précédemment mesurée T est la température vraie. Ce procédé connu donne toute satisfaction car il per- met d'obtenir des résultats sensiblement plus précis que par les autres procédés connus Toutefois, il présente un inconvénient important dd à cette nécessité que, du fait que la mesure C et les mesures A et B doivent 9 tre effec- tuées au même point de la surface du corps et respective- ment sous des angles fixes par rapport à cette surface, l'appareillage de mesure doit être placé à distance fixe de la surface du corps La précision du résultat final repose, en partie au moins, sur la conservation de cette distance fixe entre l'appareillage et la surface du corps. Si cela est relativement facilement réalisable en labora- toire, il n'en est plus de m 9 me dans les conditions prati- ques de mesure industrielle, par exemple pour la détermi- nation de la température vraie d'une bande d'acier laminée défilant à grande vitesse. L'invention a donc essentiellement pour but de per- fectionner ce procédé connu pour faire en sorte qu'il pro- cure, dans des conditions de mesures industrielles, les mêmes avantages, et notamment la même précision, qu'en la- boratoire; autrement dit, l'invention a essentiellement pour but de rendre le procédé connu susmentionn 6 à la fois plus simple et plus rapide à mettre en oeuvre pour faire en sorte qu'il donne toute satisfaction aux diverses exi- gences de la pratique, en particulier dans le domaine in- dustriel. A ces fins, le procédé de mesure à distance de l'émis- sivité d'un corps à surface relativement lisse se caracté- rise, conformément à l'invention, en ce qu'il comprend la succession des étapes consistant: à effectuer une première mesure A de la luminance en un point de la surface du corps sous un angle d'émission 0, le rayonnement thermique sur lequel est effectuée la me- sure étant polarisé dans une première direction par rap- port au plan d'émission, puis à effectuer une seconde mesure B de la luminance au même point et sous le même angle d'émission 0, le rayon- nement thermique sur lequel est effectuée la mesure étanrt polarisé dans une seconde direction par rapport au plan d'émission, cette seconde direction étant différente de la susdite première direction, enfin, à déterminer l'émissivité e du corps à l'aide de la fonction suivante: E= a 1 + ( 1,05 A) ( 9,3332 10-8 05 2,6666 10-5 4 + 2,9883 10-3 g 3 0,16243 g 2 + 4,18573 G 38,49) ( 0,82 C a 1 750 étant l'angle de l'axe du polariseur pour la mesure A par rapport à une polarisation perpendiculaire au plan d'émission, et Q 2 étant l'angle de l'axe du polariseur pour la mesure B par rapport à une polarisation perpendiculaire au plan d'émission. Dans le procédé de l'invention, il n'est plus néces- saire de procéder à la mesure de la luminance normale C au point considéré de la surface du corps, et seules sont à effectuer les mesures A et B sous le m 9 me angle d'émission 0 Il en résulte que la distance entre l'appareillage de mesure et le point de la surface du corps o sont effec- tuées les mesures n'est plus critique et que la valeur de l'émissivité déterminée conformément à l'invention reste indépendante de cette distance Un tel procédé peut alors être mis en oeuvre dans des conditions industrielles, ce qui ne serait pas le cas avec le procédé connu en raison de l'impossibilité pratique de maintenir constante la dis- tance précitée. Par ailleurs, cette simplification du procédé conduit à une simplification corrélative de l'appareillage de me- sure, puisque ledit appareillage n'a plus besoin de com- porter les différents miroirs et éléments optiques néces- saires, pour la mise en oeuvre du procédé antérieur, pour faire parvenir sur le polariseur et le pyromètre des rayonnements émis sous des angles de 450 et 00. De préférence, le coefficient a 1 est choisi égal à 1,02. Avantageusement, on peut avoir recours à une forme simplifiée de mise en oeuvre du procédé, en déterminant l'émissivité S à partir de la formule E= 1,02 + ( 1,05)( 1,6267 îcr 3 G 2 _ o,22463 G+ 7,934) pour 40 avec une erreur inférieure à 3 % - Dans la pratique, on peut de préférence concevoir, et notamment régler et étalonner, l'appareillage de mesure pour que les mesures soient effectuées sous un angle d'é- mission de 450 et pour déterminer alors l'émissivité à l'aide de la formule réduite suivante B E= 2,21 1,13 A Selon un autre aspect de l'invention, il est possible de mesurer à distance la température vraie du corps: en déterminant l'émissivité E du corps comme précédemment indiqué, en déterminant la luminance normale C au point de la sur- face du corps o ont été effectuées les mesures A et B à partir de la formule suivante A 2 + B = ( 2,9418 10-1296-7,6505 10-1095 + 7,046 10-894 'ÀÀ 4,080 10-693 + 1,8053 10-492 1,9213 10-39 + 0,012133) B-3,8119 10-11 G 6 + 1,2025 10-895 1,6018 10-694 + 1,13695 10-493 -4,6068 10-3 Q 2 + 0,09692 G + a 2 avec 0,132 0,1420. Avantageusement, dans la pratique, on peut effectuer les mesures sous un angle d'émission voisin de 450 et uti- liser la formule réduite suivante: A+ B O 092 + 0,87 Grâce à l'invention, il est possible de mesurer à distance une valeur caractéristique d'un corps (soit son émissivité, soit sa température vraie) d'une façon simple et facile à mettre en oeuvre dans des conditions indus- trielles, tout en conservant une précision de mesure bien supérieure à celle obtenue par mise en oeuvre de procédés de mesure classiques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, dans laquelle on se réfère au dessin annexé sur lequel la figure illustre, de façon schématique, un exemple d'appareillage pour la mise en oeuvre du procé- dé de l'invention. Conformément au but de l'invention, on se propose de déterminer les caractéristiques (émissivité, température vraie) d'un corps 1 à partir de l'analyse du rayonnement 2 émis par ledit corps sous un angle d'émission Q, c'est-à- dire sous l'angles d'inclinaison du rayonnement 2 par rapport à la normale 3 à la surface du corps 1, au point de mesure M. La surface du corps 1 soumis à la mesure est supposée 9 tre relativement lisse. Le rayonnement 2 traverse tout d'abord un polariseur dichrolque 4 susceptible de tourner par exemple d'un quart de tour entre deux mesures A et B correspondant donc à des polarisations différentes du rayonnement. Un filtre interférentiel 5, placé en arrière du pola- riseur 4, ne laisse passer que les longueurs d'onde; re- quises. Le rayonnement polarisé et filtré parvient alors sur un dispositif détecteur 6, qui peut être par exemple cons- titué par une cellule photoélectrique au sulfure de plomb 8, dont la température est stabilisée, -fournissant run si- gnal qui est traité par un modulateur 7. Un dispositif convertisseur 9 lui succède, qui comprend un amplificateur sélectif 10, puis un convertis- seur analogique-numérique 11. Les signaux ainsi obtenus sont ensuite appliqués à l'entrée d'undispositif de traitement de données 12, qui peut être un microprocesseur (par exemple du type 6502) ou un microordinateur (par exemple APPLE II), qui traite les signaux correspondant aux mesures A et B pour déterminer la valeur de l'émissivité 6 et/ou la valeur de la tempéra- ture vraie T au point M du corps 1 o Les signaux correspondant au résultat ou aux résul- tats obtenus sont finalement appliqués à un dispositif af- ficheur 13 o ils sont présentés sous forme appropriée. Pour effectuer les mesures, on procède de la manière suivante, conformément à l'invention. On effectue une première mesure A de la luminance au point M de la surface du corps 1, sous l'angle d'émission 9 et pour une première direction de polarisation faisant un angle 91 par rapport à une polarisation perpendiculaire au plan d'émission. On fait ensuite tourner le polariseur d'un angle 92 par rapport à la polarisation perpendiculaire, et on procè- de à une seconde mesure B de la luminance au même point M de la surface du corps 1, sous le même angle d'émission. On calcule alors la valeur de l'émissivité ú à l'aide de la formule 6 = a 1 + ( 1,05) ( 9,3332 10-8 05 2,6666 10-5 g 4 + 2,9883 10-3 3 0,16243 Q 2 + 4,18573 9 38,49) dans le cas o: o préférence égal à 1,02. En pratique, un taux d'erreur acceptable, inférieur à 3 %, est obtenu pour des valeurs de l'angle d'émission 9 comprises entre 400 et 75 ; l'émissivité E peut alors être calculée à partir de la formule plus simple: E= 1,02 +( 1,05 à) ( 1,6267 10-322 0,22463 O + 7,934) Pour les applications industrielles, l'angle d'émis- sion O pourra 8 tre choisi toujours le même et égal à 45 et les angles G,1 et 92 choisis respectivement égaux à O o et- avec la formule = 2,21 1,13 correspondant à une rotation d'un quart de tour du polari- seur, autrement dit à des directions de polarisation ortho- gonales pour les mesures A et B. Bien entendu, si la valeur pratique O = 45 est celle qui semble correspondre aux conditions de mesure les plus favorables, il est tout à fait possible de choisir, pour l'angle d'émission, une autre valeur comprise dans les li- mites ci-dessus mentionnées et de déterminer une formule simplifiée correspondante. Le dispositif 12 de traitement de données, dans l'exemple d'appareillage représenté à la figure, est agen- cé (programmé) pour effectuer automatiquement le calcul de à partir de l'une ou l'autre des formules ci-dessus, en fonction de la précision recherchée sur la valeur de l'é- missivité. Une fois connue la valeur de l'émissivité E il est possible de déterminer la luminance normale C au point M à partir de la formule A +B ( 2,60 1 2 B ( 2,9418 10 126-7,6505 Ào 10 G 5 + 7,046 1084 4,080 1 O-G 693 + 1, 8053 10-402 _ 1,9213 10 o 3 G 0,0113)B -il 6 5 + 0,012133) -3,8119 10 11 G 6 + 1,2025 À 10-85 1,6018 10-64 + 1,13695 1043 -4,6068 10-302 + 0,09692 Q + a 2 le coefficient a 2 étant compris entre 0,132 et 0,152, et de préférence égal à 0,142. En se plaçant dans le cas pratique précédemment envi- sagé o l'angle d'émission est de l'ordre de 450, on peut calculer C à l'aide de la formule simplifiée 2 +B = 0,092 + 0,87 + Connaissant les valeurs ú et C, on peut calculer la température vraie du corps 1 au point M à partir de la formule classique 6 k A.5 (ek 2/T 1) dans laquelle k 1 et k 2 sont des constantes connues ou à partir de la formule approchée C ' k 1 A 5 e-k 2/AT Bien entendtu, là encore, le calcul de la température vraie T du corps 1 au point M peut être effectué de façon automatique par le dispositif 12 de traitement de données convenablement agencé (programmé). Le procédé de l'invention trouve par exemple, mais non exclusivement, une application particulièrement inté- ressante dans le domaine de l'industrie métallurgique, en permettant de contrôler de façon continue, dans un lami- noir à froid, la température (relativement basse, de l'or- dre de 1000 C) d'une bande d'acier laminé (matériau de fai- ble émissivité, de l'ordre de 0,1 à 0,3) défilant à grande vitesse. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure à distance de l'érissivité d'un corps à surface relativement lisse, caractérisé en ce qu'1 l comprend la succession des étapes consistant: à effectuer une première mesure A de la luminance en un point de la surface du corps sous un angle d'émission Q, le rayonnement thermique sur lequel est effectuée la me- sure étant polarisé dans une première direction par rap- port au plan d'émission, puis à effectuer une seconde mesure B de la luminance au même point et sous le même angle d'émission 0, le rayon- nement thermique sur lequel est effectuée la mesure étant polarisé dans une seconde direction par rapport au plan d'émission, cette seconde direction étant différente de la susdite première direction, enfin, à déterminer l'émissivité E du corps à l'aide de la fonction suivante: E= a 1 + ( 1,05 B) ( 9,3332 10-8 05 2,6666 10-5 g 4 + 2,9883 10-3 Q 3 0,16243 02 + 4,18573 Q 38,49) 0,82 z a 1 61 étant l'angle de l'axe du polariseur pour la mesure A par rapport à une polarisation perpendiculaire au plan d'émission, et Q 2 étant l'angle de l'axe du polariseur pour la mesure 530 B par rapport à une polarisation perpendiculaire au plan d'émission. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient a 1 est choisi égal à 1,02. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour des valeurs de l'angle d'émission O comprises entre 40 et 75 , on détermine l'émissivité a partir de la formule approchée E 1,02 + ( 1,05 -) ( 1,6267 o 10-3 G 2 _ 0,22463 @+ 7,934) avec une erreur inférieure à 3 %o 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pour O = 45 , on détermine l'émissivité à partir de la formule approchée suivante: = 2,21 1,13 Procédé de mesure à distance de la température vraie d'un corps à surface relativement lisse, caractérisé en ce qu'il comprend la succession des étapes consistant: à déterminer l'émissivité E du corps selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, à déterminer la luminance normale O au point de la sur- face du corps o ont été effectuées les mesures A et B à partir de la formule suivante A + B ( 2,9418 10 1206-7,6505 01015 + 7,046 10-894 4,080 10 o-6 o 3 + 1,805310-492 1,9213 10 39 + 0,012133) B-3,8119 10 1106 + 1,2025 10895 1,6018 10604 + 1,13695 410 43 -4,6068 10-302 + 0,09692 O + a 2 avec 0,132 ce que le coefficient a 2 est choisi égal à 0,1420. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on détermine la luminance normale C à l'aide de la formule approchée suivante A + B = 0,092 B + 0,87 pour G voisin de 450.