Brevet FR2518745A1 — publié le 19830624

Dispositif pour mesurer la température d'un objet à partir du rayonnement infrarouge qu'émet celui-ci. La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la température d'un objet à partir du rayonne- ment infrarouge (IR) qu'émet celui-ci, en détectant le rayonnement émis par l'objet et en le comparant à celui émis par une source de référence à une température connue. On fabrique déjà divers dispositifs-assurant cette fonction, certains faisant appel à deux sources de référence pour étalonner le gain du système amplificateur- détecteur, d'autres comparant les valeurs des signaux cor- respondant au rayonnement reçu à deux ou plusieurs lon- gueurs d'onde, d'autres utilisant une référence de tempéra- ture unique et se basant sur la stabilité de la sensibilité du système, et enfin un autre appareil contrôlant la tempé- rature de la source de référence à nartir de la sortie du détecteur, jusqu'à ce que le signal différentiel entre la source de référence et l'objet soumis à la mesure soit nul, la température de la référence étant à cet instant égale à celle de l'objet, la température de ce dernier (le plus souvent non mesurable) étant déterminée par la mesure de la température de la référence Tous ces types de dispositifs ont un fonctionnement satisfaisant sous des conditions idéales, mais de sérieux problèmes apparaissent lorsque, en pratique, le dispositif doit être utilisé dans un envi- ronnement hostile, de sorte qu'il faut faire appel à une fenêtre pour isoler de cet environnement les composants très sensibles du dispositif Dans ce cas, la surface de la fenêtre tend à être contaminée par des dépôts de pous- sière, de matières chimiques, d'eau ou autres, et cette contamination modifie la valeur du rayonnement émis par l'objet avant sa réception par le détecteur, le rayonnement modifié étant alors comparé à celui émis par la source de référence, la mesure ne donnant par conséquent plus la température exacte de l'objet. L'influence de -la contamination d'une fenêtre peut être partiellement amoindrie en disposant la référence de température à l'extérieur de la fenêtre, à une certaine distance de celle-ci, le rayonnement émis Dar la référence étant ainsi atténué dans la même proportion que le rayonne ment émis par l'objet Cependant, dans cet agencement, la surface de la référence de température tend à devenir con- taminée, ce qui modifie l'êmissivité de sa surface-et al- tère l'étalonnage du dispositif. Un des objets de l'invention est de proposer un dispositif pour mesurer la température d'un objet à partir du rayonnement IR émis par celui-ci, qui ne soit pas in- fluencé par les contaminations légères dues à la poussière, aux matières chimiques, à l'eau, etc x A cet effet, l'invention concerne un dispositif pour mesurer la température d'un objet à partir du rayonne- ment infrarouge (IR) qu'émet celui-ci, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison -20 un bâti muni d'une ouverture destinée à recevoir le rayonnement IR à partir dudit objet, un corps en un matériau transparent aux IR, fixé audit bâti dans ladite ouverture, ledit corps comportant une première partie non recouverte traversée par le rayon- nement IR de l'objet, et une seconde partie recouverte qui ne peut être traversée par-le rayonnement IR de l'objet, des moyens pour faire varier la température dudit corps et pour ainsi faire varier le rayonnement infrarouge-émis Dar celui-ci, un détecteur d'IR et des moyens pour observer l'objet à travers ladite première partie du corps et pour guider le rayoinement IR vers ledit détecteur alternative- ment à partir de la première et de la seconde partie dudit corps, des moyens d'entraînement asservis reliés entre la sortie du détecteur et les moyens pour faire varier la température, destinés à agir sur la température dudit corps jusqu'à ce que le signal de sortie différentiel fourni par le détecteur soit nul, et des moyens pour déterminer la température dudit corps en mesurant la température de l'objet lorsque le si- gnal de sortie différentiel du détecteur est nul. On comprendra que, dans la présente invention, la seconde partie recouverte du corps en un matériau trans- parent aux IR tient lieu de référence de température, tan- dis que la première partie non recouverte du corps tient lieu de fenêtre pour le rayonnement émis par l'objet En outre, le dispositif selon laprésente invention n'est pas influencé Dar la contamination de la fenêtre puisque la partie du rayonnement émis par l'objet absorbée par la fe- nêtre et par sa contamination est exactement compensée par une émission à partir de la fenêtre et de sa contamination, les deux étant effectivement contrôlés en température lors- que le signal différentiel de sortie du détecteur est nul. Il faut noter que l'amplitude de ce signal différentiel, lorsqu'elle n'est pas nulle, est fonction du degré de con- tamination de la fenêtre et de la dérive de la sensibilité du détecteur, mais aucun de ces facteurs n'agit sur la tem- pérature du corps pour laquelle le signal différentiel de sortie du détecteur est annulé. La présente invention est basée sur l'hypothèse que toute contamination adhérente à la fefietre est rapide- ment amenée à la même température que la fenêtre grâce à- la conduction thermique à partir de celle-ci, ce qui est effectivement le cas pour des contaminations légères et lorsque la contamination est d'une épaisseur réduite, comme avec des gouttes d'eau, seule la surface de la matière con- taminatrice en contact avec la fenêtre devant être à la température de la fenêtre Il est clair que si l'importance de la contamination de la fenêtre est telle qu'aucun rayon- nement-ne peut la traverser, on obtiendra un signal de sor- tie différentiel nul quelle que soit la température de l'objet, et il peut s'avérer nécessaire pour éviter ceci de nettoyer périodiquement la surface extérieure de la fe- nêtre, par exemple à l'aide d'un balayage automatique Avec un tel agencement, le rayonnement émis par le dispositif de balayage, lorsqu'il est détecté par le détecteur, peut être utilisé comme test de fiabilité Le même dispositif de ba- layage peut être utilisé pour éliminer les principales sources de problèmes de fonctionnement du dispositif dûs à la présence de matières contaminatrices à faible émissi- vité, c'est-à-dire de matières soit très transparentes, soit très réfléchissantes Les premières peuvent induire des réfractions indésirables provoquant sur le détecteur la réception de rayonnements émis par des objetsnoe ccncernés, et les dernières la réception par-le détecteur de rayonne- ments indésirables émis à l'intérieur du dispositif Cepen- dant, si le détecteur n'est sensible qu'aux rayonnements dont la longueur d'onde est comprise entre 8 et 14 i, ces difficultés sont considérablement atténuées, voire élimi- nées, car dans cette bande spectrale, la plupart des con- taminants sont très émissifs. Le présent dispositif procure une compensation précise de la contamination lorsque les quatre sources de rayonnement (c'est-à-dire l'objet, le contaminant, la fe- netre et la source de référence) présentent chacune la même émissivité ou sont chacune une source de rayonnement de corps noir, mais une compensation acceptable peut être réalisée même si ces conditions ne sont pas remplies. En ce qui concerne les gradients de température dans le corps en un matériau transparent aux IR, il est tout à fait souhaitable qu'aucun tel gradient n'existe, comme entre les première et seconde parties de ce corps, ce qui peut être réalisé en choisissant pour les moyens destinés-à faire varier la température une capacité calo- rifique suffisamment importante, les gradients de tempéra- ture à travers l'épaisseur de ces parties n'influençant cependant pas le fonctionnement du dispositif De façon appropriée, le corps est en germanium, mais l'on peut faire appel à divers autres matériaux transparents aux IR connus, les moyens de mesure de la température du corps peuvent consister en un capteur de température encastré dans celui- ci, par exemple en un fil résistif en platine. Une forme de réalisation de l'invention est dé- crite ci-dessous à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement le dis- positif selon l'invention, et la figure 2 représente une modification d'un détail du dispositif de la figure 1. Le fonctionnement de cette forme de réalisation sera mieux compris si l'on considère que le détecteur 1 est la source de rayonnement plutôt que le récepteur du rayon- nement, comme c'est réellement le cas Le détecteur est disposé au foyer d'un premier miroir concave 2 focalisant le rayonnement et un second miroir concave 3 est agencé de façon à ce que l'image réelle du détecteur soit située à proximité de la surface extérieure d'un corps ou d'un bloc de matériau 4 dont la température est contrôlée par un ap- pareil à effet Peltier 6 La zone angulaire contenant l'ob- jet 12 sur lequel la mesure est effectuée est déterminée par l'angle du cône résultant du miroir concave 3 Lorsque l'on fait basculer le miroir 2 autour de son axe de rota- tion 9, l'image du détecteur est déviée de la moitié droite 4 A du corps 4, qui tient lieu de fenêtre, vers la moitié gauche 4 B du corps 4 qui a été traitée en 5 par un dépôt le rendant opaque et hautement émissif, de façon à ce qu'elle agisse comme référence de température. La surface du miroir oscillant 2 est située sen- siblement au foyer du miroir 3, de façon à ce que le cône de rayonnement arrivant du détecteur sur le corps 4 se dé- place de façon télécentrique (c'est-à-dire sans modifica- tion de l'angle du cône) lors-ne le miroir 2 oscille L'os- cillation du miroir 2 fait alors apparaitre sur le détecteur 1 un signal différentiel de sortie dont l'amplitude est fonc- tion de la différence de températul -ntre la référence 5 et l'objet Ce signal est dirigé à l'entrée d'un entraine- ment asservi électronique 10, ainsi qu'un signal de phase provenant d'un appareil de mesure 11 de l'angle du miroir oscillant 2, ce dernier signal étant nécessaire pour déter- miner le signe du signal différentiel L'entraînement 10 contrôle alors l'appareil à effet Peltier 6 jusqu'à l'annu- lation du signal de sortie différentiel du détecteur La température de la référence est alors lue à partir d'un capteur (non représenté) fixé sur le corps 4 Le capteur peut être quelconque parmi plusieurs appareils connus (par exemple un thermocouple, une thermistance) et doit permet- tre un étalonnage précis Pour éviter les gradients de tem- pérature, la fenêtre doit présenter une conductivité ther- mique élevée, le germanium étant probablement le meilleur choix pour la plupart des applications. On notera que, lors d'une variation rapide de la temnrratur 3 ie l'objet soumis à la mesure, la constante de temps thenmique du corps contrôlé 4 sera telle que le système as- servi sera incapable de maintenir à zéro le signal diffé- rentiel, pendant un certain temps pendant et après cette variation Pour de nombreuses applications, ceci n'est pas un inconvénient, mais si l'on mesure le niveau du signal de sortie du détecteur, on obtient une indication de l'er- reur de température qui peut être utilisée pour corriger la lecture Ce signal de correction est proportionnel à la sensibilité et à la transmittance du corps 4 mais, dans la mesure o, pour la plupart des applications, la correction est faible, les erreurs sur le signal de correction n'ont qu'une influence réduite sur la température estimée de l'objet soumis à la mesure. La présente invention n'est en aucun cas res- treinte à la configuration représentée sur la figure 1. Par exemple, l'image du détecteur 1 peut être obtenue par une ou plusieurs lentilles plutôt que par des miroirs, et l'on peut effectuer la déviation périodique de l'image du - détecteur par la rotation ou par la translation d'un compo-, sant réfléchissant ou réfracteur, ou même Dar la transla- tion du détecteur lui-même ou de la fenêtre 7. Bien que-le dispositif représenté soit de type "fixe" et mesure la température moyenne d'une zone relati- vement importante, le même principe peut être appliqué à un instrument de balayage Dans ce dernier cas, on dispose la pupille d'entrée du système sur la fenêtre, et la réfé- rence thermique consiste en un schéma d'émission sur la fenêtre Cette rérérence sera réglée de façon à ce que le signal moyen du détecteur sur tout le balayage soit nul, les signaux d'erreur obtenus pour les différentes parties du champ balayé fournissant une représentation de l'écart par rapport à la température moyenne Ce signal d'erreur sera bien entendu influencé par la perturbation due à la fenêtre, mais l'on connaîtra néanmoins avec précision la température moyenne. La figure 2 représente plus en détail une forme de réalisation modifiée du corps 4 Ici, le bâti 8 est mu- ni d'une ouverture 16 dans laquelle est mis en place le corps 4, entouré par un isolant thermique 17 (par exemple du polytétrafluoréthylène) Le corps 4 est relié thermi- quement à deux appareils à effet Peltier 6 A, 6 B, a moyen de conducteurs en cuivre 17 A, 17 B La référence de tempé- rature 5 est constituée d'un revêtement ou dépôt noir sur la surface extérieure du corps 4, qui est constitué de germanium. REVENDICATIONS - 1 Dispositif pour mesurer la température d'un objet à partir du rayonnement infrarouge (IR) qu'émet celui- ci, caractérisé par le fait qu'il comprend en combinaison: un bâti ( 8) muni d'une ouverture destinée à'recevoir le rayonnement IR à partir dudit objet, un corps ( 4) en un matériau transparent aux IR, fixé audit bâti ( 8) dans ladite ouverture, ledit corps ( 4) comportant une première partie non recouverte ( 4 A) traver- sée par le rayonnement IR de l'objet ( 12), et une seconde partie recouverte ( 4 B) qui ne peut être, traversée par le rayonnement de l'objet ( 12), des moyens ( 6) pour faire varier la température du- dit corps ( 4) et pour ainsi faire varier le rayonnement in- frarouge émis par celui-ci, un détecteur d'IR ( 1) et des moyens ( 2, 3) pour observer l'objet ( 12) à travers ladite première partie du corps ( 4 A) et pour guider le rayonnement IR vers ledit dé- tecteur ( 1) alternativement à partir de la première ( 4 A) et de la seconde ( 4 B) partie dudit corps, des moyens d'entrafnement asservis ( 10),reliés entre la sortie du détecteur et les moyens ( 6) pour faire varier la température, destinés à agir sur la température dudit corps ( 4) jusqu'à ce que le signal de sortie différentiel fourni par le détecteur ( 1) soit nul, et des moyens pour déterminer la température dudit corps ( 4) en mesurant la température de l'objet ( 1-2) lors- que le signal de sortie différentiel du détecteur est nul. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le corps ( 4) et le revêtement ( 5) définissant la seconde partie recouverte ( 4 B) de celui-ci présentent des caractéristiques d'émissivité sensiblement identiques. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens ( 6) pour faire varier la température présentent une capacité calorifi- que suffisante pour qu'aucun gradient de température n'existe entre les premières ( 4 A) et seconde ( 4 B)parties du corps. 4 Dispositif selon l'une quelconque des précéden- tes revendications, caractérisé en ce que le détecteur d'IR ( 1) n'est sensible qu'aux rayonnements dont la longueur d'onde est comprise entre 8 et 14 p. Dispositif selon l'une quelconque des précéden- tes revendications, caractérisé en ce que les moyens ( 2, 3) pour alternativement guider le rayonnement vers le détecteur ( 1) comprennent un organe pivotant ( 2) associé à un capteur de position angulaire ( 11) dont la sortie est dirigée vers les moyens d'entraînement asservis ( 10) afin de déterminer le signe de tout signal différentiel non nul fourni par le détecteur ( 1). 6 Dispositif selon l'une quelconque des précéden- tes revendications, caractérisé en ce que le détecteur ( 1) et le corps ( 4) sont disposés aux foyers conjugués des moyens ( 2, 3) pour guider le rayonnement de façon alternée. I