Brevet FR2518744A1 — publié le 19830624

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, pour la mesure sans contact de la température, indépendamment du pouvoir émissif, par pyrométrie à radiatior, l'invention trouvant une application dans toutes les branches ue l'économie. Alors que l'indication des modifications relatives de température au moyen de dispositifs de mesure pyronvé- triques pose rarement un problème, la détermination de la température absolue par des moyens purement pyrométriques se heurte encore à des difficultés considérables, qui sont en particulier occasionnées par le fait que l'on ne dispose d'aucune connaissance ou seulement de connaissances imprécises, sur le pouvoir émissif de l'objet de la mesure, dans des conditions de mesure données.Alors qu'avec un pyromètre global, à bande ou à spectre, on ne peut déterminer la température réelle que si le pouvoir émissif est connu et constant dans le temps, par eorrection appropriée des grandeurs de mesure, avec des pyromètres proportionnels ou pyromètres chromatiques la température réelle peut être déterminée également à la surface d'objets à pouvoir émissif variable, pour autant qu'il s'agisse d'un "corps gris". Or, on ne rencontre ce dernier cas que de façon exceptionnelle (Lieneweg : Handbuch, Technische Temperaturmessung, Vieweg Verlag 1976, pages 314-318). On connaît en outre des dispositifs de mesure pyromètriques, qui déterminent la température réelle au moyen de la projection d'un émetteur auxiliaire par l'intermédiaire de la mesure du taux de réflexion. Il est nécessaire, en ce cas, de disposer d'une réflexion régulière et d'une disposition géomètrique fixe déterminée entre le dispositif de mesure pyrome trique, l'émetteur auxiliaire et la surface de objet à mesurer. Or, ceci n'arrive que dans quelques cas spéciaux (Tingwaldt, C: Ein einfaches optisches Verfahren zur direkten Ermittlung wahrer Temperaturen glühender Metalle, Z. Metallkunde 51 (1960) 2, pages 116 - 119; Xellsall, D. : An Automatic emissivity compensated radiation pyrometer J.Sci. instar. 40 (1963) pages 1 - 4, Preisleben, R. : Pyrometrische Messungen an GltSkatoden mit poroser Oberflàche, Int. Xolloquium der TR Ilmenau (1965), Vortragsreihe Messtechnik, R. 9, pages 17 - 23); Svet (Offenlegungsschrift 1648233, 1972, 42 i, 8/60) et nécessite l'emploi de diverses grandeurs invariables avec la température, pour la compensation de l'influence du pouvoir émissif et du pouvoir de transmission, plusieurs zones spectrales devant être utilisées. Le procédé proposé par Svet n'est approprié que pour le domaine des températures élevées, lorsque l'approgima- tion de Wien est valable, et lorsqu'on dispose d'informations préalables suffisantes concernant la variation du pouvoir émissif en fonction de la longueur d'onde. Les informations préalables doivent être vérifiées sur l'objet, car autrement il peut se produire des mesures erronnées, dont on ne pourrait se rendre compte (Svet : IMEEO VIII pages 13 - 5 bis 13 - 11, Die Probleme ~der Strahlungs-Pyrometrie und einige neue Môglicbkeîten ihrer lbsung, 1979). L'invention a pour objectif d'éliminer les in- convénients cités des solutions techniques mentionnées. L'avantage qugapporte l'utilisation de l'invention consiste en particulier en ce quelle peut être mise en oeuvre dans des zones de basses et de hautes températures. -De plus, il n'est plus nécessaire de remplir les diverses-condi- tions posées lors de l'utilisation des procédés et diapositifs connus. Ainsi, par exemple, il n'est pas nécessaire de disposer d'une réflexion régulière et d'une disposition géomètrique fixe entre le dispositif de mesure pyromètrique, l'émetteur auxiliai re et la surface de l'objet de la mesure. De plus, on n'a pas besoin de vérifier sur l'objet les informations préalables con- cernant l'évolution du pouvoir émissif afin d'obtenir des résultats de mesure univoques.On peut, en outre, utiliser l'invention en dehors du domaine de validité de l'approximation de Wien, de sorte que le procédé selon I'invention, peut être considéré comme le plus universel que lton puisse mettre en service à ce jour. L'invention a pour objectif de permettre une détermination de la température réelle-d'un objet dont le pouvoir émissif est connu avec peu de précision et/ou est variable, avec allure monotone du pouvoir émissif, sans installation géomètrique fixe entre l'objet, le dispositif de mesure pyromètrique et l'émetteur auxiliaire, aussi bien dans les zones de températures élevées que dans les zones de basses températures. A cet effet, l'invention propose un procédé caractérisé en ce que, au moyen d'un dispositif pyromètrique sensible dans plusieurs zones spectrales) on peut utiliser non seulement les signaux de bandes de la surface de l'objet mesuré comme signaux d'entrée pour une calculatrice, mais aussi les radiations de l'environnement de objet mesuré ou une grandeur les caractérisant, comme par exemple la température environnante. Si le rayonnement environnant est négligeable par rapport au rayonnement de l'objet, on utilise une radiation auxiliaire de composition spectrale connue, qui sera réfléchie également, comme le rayonnement environnant, par l'objet mesuré, dans le dispositif de mesure pyromètrique. Contrairement aux procédés connus, qui utilisent des émetteurs auxiliaires, on ne détermine que le rapport du pouvoir de réflexion des zones spectrales individuelles, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'avoir une disposition géomètrique fixe,- ni une réflexion régulière. Dans le cas de mesure de radiations multispectrales, il apparaît pour chaque valeur de mesure spectrale ou de bande, une nouvelle inconnue, le pouvoir émissif spectral ou de bande. Un gain d';nformations n'est obtenu que s'il exis- te des données concernant la combinaison des pouvoirs émissives dans les différentes zones spectrales ou si leur variation en fonction de la longueur d'onde est connue. Le cas spécial à cet effet est constitué par le simple pyromètre proportionnel, avec #1 = #2. Le principe de la pyromètrie proportionnelle peut hêtre appréhendé comme la solution d'un système d'équations non linéaire de la forme t dans lequel, à partir des grandeurs U (signal de bande), (lon gtieur d'onde effective) et Tu (température environnante) connues, on peut déterminer la température inconnue X0 de l'objet et le pouvoir émissif # (deux équations à deux inconnues). La formation habituelle de la proportionnalité ne permet pas d'atteindre le but dans les zones des basses tem pératures, car le signal de proportionnalité ne peut Qtre éta lonné selon la température de l'objet, indépendamment du pouvoir émissif et de la température environnante. De ce fait, il faut résoudre le système d'équations non linéaire. Le principe de la pyrqmètrie proportionnelle peut être élargi à M mesures spectrales ou de bande. On peut alors déterminer N N inconnues: les températures des objets et une dépendance de la longueur d'onde, que l'on peut représenter avec (N - 1) paramètres, du pouvoir émissif (par exemple a a + b + c 2 + ..,.. x N 2). La chambre de mesure pré- parée peut être conçue comme la projection d'un rayonnement connu. Si les mesures se font dans trois zones spectrales, l'information est ainsi possible, si l'objet dans ces zones rayonne en "gris" et dans quatre zones spectrales, s'il existe une allure linéaire du pouvoir émissif. Si les mesures se font avec un rayonnement auxiliaire projeté, dans deux zones spectrales, le rapport des pouvoirs de réflexion V = #1/#2 peut Entre déterminé. Si les mesures se font sans rayonnement auxiliaire, on peut déterminer les temperatures de l'objet (3 équations à 3 inconnues). La disposition géométrique et le pouvoir de réflexion dépendent uniquement de ce qu'une partie, mesurable avec une précision suffisante, du rayonnement auxiliaire puisse être perçue par le dispositif de mesure pyromètrique. Des mesures de rapport des pouvoirs de réfle zion dans 3 zones spectrales permettent que la température environnante soit admise comme inconnue, c'est-å-dire que la pré- paration de la chambre de mesure soit vérifiée. Le traitement des signaux (solution du système d'équation non linéaire) s'effectue selon le procédé dtitération et nécessite la mise en oeuvre d'une technique de microcalcul à grand rendement, où doit exister une possibilité de mémorisation des caractéristiques de signal de bande définies sur le corps noir". De plus, on a avantage à introduire manuellement les pouvoirs émissifs spectraux ou dé bandes et les rapports de pouvoirs émissifs. On détermine au moyen du procédé d'itération, la température réelle de l'objet et le pouvoir émissif, par combinaison des valeurs de mesure des signaux de bande avec la v leur mise en mémoire des caractéristiques de signal de bande. D'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple décrit ci-dessous : exemple de réalisation Le dispositif pyromètrique comporte trois zones spectrales fixes. Comme détecteur, on utilise un détecteur mul- tispectral sensible dans trois zones spectrales, composé par exemple de groupes de raies Hg, Cd, Te, au moyen de quoi s'effec- tue l'articulation des zones spectrales. Pour focaliser le rayonnement infrarouge, on utilise un objectif à lentille ou à miroir. Le traitement de l'information s'effectue au moyen d'un microprocesseur. Par commutation appropriée, l'affichage et la correction des signaux de bande individuels sont également possibles.L'exploitation de deux zones spectrales seulement est possible en présence de "corps gris". Si l'on connait l'allure théorique du pouvoir émissif spectral, la température réelle de l'objet peut être déterminée par résolution du système d'équations non linéaire. On peut introduire dans une mémoire les grandeurs connues, comme par exemple les pouvoirs émissifs, ainsi que leurs rapports et leurs allures. De plus, les pouvoirs émissifs évalués peuvent entrer automatiquement en mémoire. La calculatrice est utilisée en outre pour la compensation de l'inÎluence des pouvoirs émissifs. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif pyromètrique comporte quatre zones spectrales fixes. On admet ici une allure linéaire de pouvoir émissif, et avec la quatrième zone spectrale, on peut obtenir la confirmation par concordance des températures d'objet évaluées, Il est en outre possible que le dispositif pyromètrique comporte trois zones spectrales fixes et qu'en plus, il soit prévu l'utilisation d'un émetteur auxiliaire. La température environnante est admise ici comme inconnue. Lorsqu'on nte}caloite que deux zones spectrales, la température environnante doit être connue. L'émetteur auxiliaire permet, en outres un post-étalonnage automatique. R V E N D I C A T 1 O N S 1 ' Procédé et dispositif pour la réalisation de ce procédé, pour la mesure de températures, sans contact, indépendamment du pouvoir émissif, caractérisés en ce qu'avec un dispositif pyromètrique sensible dans plusieurs zones spectrales, on recueille les uns après les autres comme grandeurs d'entrée, les signaux de bande d'un rayonnement d'objet mesuré avec ou sans rayonnement auxiliaire de composition spectrale connue, réfléchi par la surface de l'objet mesure, et les introduit dans une calculatrice, où une combinaison s'effectue de sorte que les rapports des pouvoirs de reflexion spectraux de la surface des objets à mesurer, sont calculés et sont utilisés comme grandeurs connues d'un système d'équations non li néaire, en commun avec tous les signaux de bande, ainsi que les caractéristiques de signaux de bande des zones spectrales individuelles introduites en mémoire, qui ont été déterminées sur le rayonnement noir, la résolution du système d'équations s'ef- fectuant au moyen d'un procédé d'itération, et les grandeurs inconnues, comme la température réelle des objets, et les pouvoirs émissifs spectraux étant ainsi déterminés. 2.- Procédé selon la revendication 1, caråcté- risé en ce qutà la place d'un rayonnement auxiliaire spécial, on utilise le rayonnement de l'environnement de l'objet mesuré et utilise une grandeur le caractérisant, comme par exemple la température environnante, pour la calculatrice comme grandeur d'entrée, et que dans la calculatrice on détermine par des algorithmes de combinaison semblables les grandeurs inconnues comme la température d'objet et le pouvoir émissif spectral. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grandeurs connues, comme par exemple le pouvoir émissif, ainsi que les rapports et l'allure des pouvoirs émissifs, sont introduits dans le calculateur. 4.- Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la combinaison steffectue par le calculateur, de telle sorte que les rapports d'intensité sont évalués et comparés chaque fois, c'est-à-dire pour deux signaux de bande, et qu'en~cas de températures d'objets identiques, on puisse conclure à l'existence d'un "corps gris" et à la température ruelle d'objet. 5.- Procédé selon la revendication 1, caracté risé en ce que la dalculatrice du dispositif pyromètrique est utilisée, outre la compensation de l'influence des températures de bottier, et en liaison avec le rayonnement auxiliaire, qui est exploité pour la détermination de la température d'objet, pour le post-étalonnage automatique du dispositif pyromètrique et permet la mise en mémoire de pouvoirs émissif s connus et mesurés. 6.- Dispositif pour la réalisation du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif pyromètrique sensible dans plusieurs zones spectrales, renferme un dispositif pour la sélection de zones spectrales, qui est constitué par exemple de filtres ou de prismes ou d'un monochromateur à grille, le dispositif présentant un détecteur de rayonnement sous forme d'un ou de plusieurs canaux, ou contenant un détecteur de rayonnement sélectif dans une ou plusieurs zones spectrales, comme par exemple un détecteur des raies de Rg, Cd, Te, et étant connecté avec une calculatrice, un émetteur aussi liarde étant disposé de façon que le dispositif pyromètrique détecte, outre le rayonnement de l'objet à mesurer, également le rayonnement de l'émetteur auxiliaire réfléchi par ltòbjet. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'indication des signaux de bandes individuels ou des températures de rayonnement qui leur correspondent, ainsi que leur correction, sont contenus dans le dispositif pyromètrique, de façon facultative et commutable, au moyen d'un ajustement du pouvoir émissif.