Brevet FR2572523A1 — publié le 19860502

Procédé et dispositif pyrométriques pour déterminer à distance, par voie optique, la température et/ou I'émissivité d'un corps ou milieu quelconque. L'invention concerne un procédé et un dispositif pyrométriques pour déterminer à distance, par voie optique, la température et/ou llémissivité d'un corps ou milieu quelconque émettant un rayonnement thermique multispectral. On connaît déjà des pyromètres à plusieurs couleurs ou plusieurs longueurs d'onde, qui permettent de mesurer simultanément la température et l'émissivité d'un corps émettant un rayonnement thermique. Toutefois, ces pyromètres sont destinés à des applications spécifiques et comprennent en général des filtres interférentiels appropriés pour sélectionner des longueurs d'onde prédéterminées et faire des mesures de luminance énergétique pources longueurs d'onde. Par ailleurs, le pyromètre décrit par K. L. CASHDOLLAR et M. HERTZBERG dans "Temperature" pages 453 à 463, American Institute of Physics, 1982 et dans le Brevet US No 4 142 417, est un pyromètre à plusieurs longueurs d'onde pour la mesure en temps réel (sans filtre interférentiel) de la luminance énergétique et qui utilise-un spectromètre à balayage rapide. Ce pyromètre est destiné à mesurer des températures de flamme. L'invention a pour objet un pyromètre qui soit robuste, compact, qui présente un temps de réponse très faible et une très grande adaptabilité, en permettant des mesures différentes dans une gamme de températures très-large, à partir de 7500K. Elle a également pour objet un procédé de détermination pyrométrique de la température et/ou de l'émissivité d'un corps, qui ne soit pas soumis aux limitations des procédés antérieurement connus. L'invention propose à cet effet un procédé pour déterminer à distance, par voie optique, la température et/ou l'émissivité d'un corps ou milieu quelconque émettant un rayonnement thermique à longueurs d'onde multiples, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à - collecter le rayonnement émis dans une direction donnée par un élément de surface du corps, - disperser le rayonnement collecté pour en former un spectre, - convertir le niveau relatif de luminance de n composantes discrètes du spectre en signaux électriques élémentaires, - sélectionner un nombre p Q n de ces signaux en fonction de la température et/ou de llémissivité présumées du corps, - et exploiter ces p signaux pour reconstituer la courbe de Planck correspondant au rayonnement collecté et en déduire la température vraie et/ou l'émissivité du corps. Grâce à cette sélection d'un certain nombre des signaux électriques élémentaires correspondant aux niveaux relatifs de luminance de n composantes du spectre du rayonnement thermique émis, le procédé selon l'invention permet de mesurer la température et/ou l'émissivité d'un corps ou d'un milieu quelconque dans une gamme de températures beaucoup plus large que dans la technique antérieure. Selon une autre caractéristique de l'invention, chacun des p signaux sélectionnés est corrigé en fonction de la position relative de la composante correspondante du spectre pour compenser les différences de comportement, notamment optique et photoélectrique 7 selon la longueur d'onde. De préférence, les p signaux sélectionnés font l'objet d'une conversion analogique-numérique pour faciliter leur exploitation et/ou leur correction par traitement informatique. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, (p-l) des signaux sélectionnés sont exploités pour reconstituer par itération la courbe de Planck du rayonnement qui, par association avec le p ième signal, sert à déterminer la température vraie du corps. On admet pour cela que l'émissivité est une fonction polynomiale d'ordre (p-l) de la longueur d'onde. L'invention propose également un dispositif pyrométrique pour déterminer à distance, par voie optique, la température et/ou l'émissivité d'un corps ou d'un milieu quelconque émettant un rayonnement thermique multispectral, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens optiques pour collecter le rayonnement émis dans une direction donnée par un élément de surface du corps, - des moyens pour disperser le rayonnement collecté pour en former un spectre, - des moyens photoélectriques, comprenant un récepteur multi éléments, pour convertir le niveau- relatif de luminance de n composantes discrètes du spectre en signaux électriques élémentaires, - des moyens de multiplexage associés à des moyens de traite ment pour exploiter certains au moins desdits signaux, de manière à reconstituer la courbe de Planck correspondant au rayonnement collecté et en déduire la température vraie et/ou l'émissivité du corps. Selon une autre caractéristique de Ifinvention, ce dispositif comprend également des moyens pour sélectionner un nombre n des signaux électriques élémentaires issus des moyens convertisseurs, en fonction de la température et/ou de l'émissivité présumées du corps. Avantageusement, les moyens précités de dispersion du rayonnement collecté sont essentiellement constitués par un prisme formant un spectre linéaire. Selon un mode de réalisation préféré de 11 invention, les moyens précités de conversion comprennent essentiellement une barrette d'éléments photoélectriques couvrant toute la longueur du spectre, ou bien plusieurs barrettes identiques juxtaposées latéralement pour occuper sensiblement toute la largeur du spectre émis. De préférence, les barrettes précitées sont des récepteurs multi-éléments du type Hg-Cd-Te qui sont refroidis à environ -400C. Pour améliorer le comportement dynamique des récepteurs multiéléments, on prévoit avantageusement que les moyens pour collecter le rayonnement sont associés à un modulateur destiné à hacher le rayonnement collecté. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un pyromètre selon l'invention; la figure 2 est une vue plus détaillée de la partie optique de ce dispositif. Sur la figure 1, on a représenté un corps ou milieu quelconque M dont on veut analyser un élément de surface 10. Un dispositif optique Oi ' O2 permet de collecter le rayonnement émis par cet élément de surface 10 pour envoyer le faisceau collecté sur un prisme P qui le disperse pour en former le spectre sur une ou plusieurs barrettes 12 d'éléments photoélectriques. Chaque barrette comprend n éléments photoélectriques et couvre de préférence toute la longueur du spectre. On peut également prévoir plusieurs barrettes 12 qui sont alors juxtaposées latéralement pour occuper sensiblement toute la largeur du spectre, de façon à recevoir le maximum du rayonnement collecté. Les n signaux électriques produits par les n éléments récepteurs d'une barrette 12 sont transmis à un sélecteur 14 dont la fonction est de transmettre, parmi les n signaux qu'il reçoit, un nombre p de ces derniers, p étant inférieur ou égal à n. La sélection des p signaux transmis parmi les n signaux reçus est effectuée en fonction de la nature de la mesure à réaliser (c'est-à-dire en fonction de la température et de l'émissivité présumées), de façon à pouvoir reconstituer au mieux la courbe de Planck. Les p signaux sélectionnés sont transmis à des moyens 16 d'amplification et de mise en forme qui sont eux-mêmes associés à un multiplexeur 18. La sortie du multiplexeur est reliée à une entrée d'un convertisseur analogique-numérique 20 dont la sortie est reliée à une entrée d'un circuit de traitement 22, tel qu'un calculateur par exemple, qui va permettre d'exploiter les p signaux sélectionnés pour reconstituer la courbe de Planck correspondant au rayonnement collecté et en déduire la température vraie et/ou l'émissivité du corps ou milieu M. Ce circuit de traitement ou calculateur 22 comprend une horloge 24 reliée au multiplexeur 18 par une liaison 26 et au convertisseur analogique-numérique 20 par une liaison 28. Une sortie du calculateur 22 est également reliée par une liaison 30 à une entrée de commande du sélecteur 14. Deux autres entrées 32 et 34 du circuit de traitement ou calculateur 22 permettent la sélection d'une gamme de températures présumées et d'une gamme d'émissivités présumées du corps ou milieu M. Des sorties du circuit de traitement ou calculateur 22 sont reliées à des moyens d'impression ou d'affichage 36 et 38, respectivement, de la température vraie T et de l'émissivité e du corps ou milieu M. On va maintenant décrire le fonctionnement de ce dispositif. On sait que la luminance spectrale énergétique d'un corps noir idéal est donnée par la loi de Planck en : en W/m2.sr.m h : constante de Planck longueur d'onde k : constante de Boltzman T : température d'équilibre moyenne du système visé Pour des systèmes non gris, la luminance spectrale est donnée par la loi : où (X,T) est l'érnissivité du système à la longueur d'onde X et à la température T. On a donc la relation suivante H(S,T) (A,T) = L(A) Le procédé selon 11 invention consiste à observer le corps ou milieu M dans n fenêtres de longueurs d'onde centrées sur les longueurs d'onde X1, 8 On suppose que l'émissivité E (#) dans ces domaines de longueurs d'onde est une fonction continue ou polynomiale de la longueur d'onde, soit = = a0 + aulx + a2X2 + ,,, + ak (2) avec k Lorsque les mesures de luminance sont faites, on obtient, pour chaque longueur d'onde HXj = Ij V#j = &alpha;;#(X)j.L#j pour une température moyenne T donnée, où H . est la valeur de la luminance, V#j. est la tension de sortie d'un élément détecteur mesurant autour de la longueur d'onde #j, -3 b#j est un facteur d'étalonnage du pyromètre, a est une constante fonction des caractéristiques optiques du pyromètre visant le corps ou milieu M à la température moyenne T et de l'atténuation du rayonnement entre le corps M et le détecteur. On suppose que a ne dépend ni de la longueur d'onde, ni de température, ce qui est en général vrai. On procède ensuite à un lissage au sens des moindres carrés de la courbe de Planck,ayant fait l'hypothèse d'une variation del'émissivité donnéepar la relation (2). Pour (k+1} paramètres a. et la température, on prend n > (k+2) pour obtenir simulta 3 nément les valeurs de la température T et des paramètres aO ...., ak qui sont caractéristiques du corps ou milieu M. Le dispositif de la figure 1 permet de sélectionner et de traiter un nombre p des n signaux produits par les récepteurs de la barrette 12. Ces signaux sélectionnés peuvent être corrigés par le circuit de traitement ou calculateur 22 en fonction de la position relative de la composante correspondante du spectre, afin de compenser les différences de comportement optique et photoélectrique en fonction de la longueur d'onde. Par ailleurs, la conversion analogique-numérique de ces signaux permet de faciliter l'exploitation et la correction des signaux par le circuit de traitement ou calculateur 22. L'exploitation des p signaux sélectionnés se fait comme indiqué précédemment. Parmi ces signaux, (p-1) signaux sont utilisés pour reconstituer par itération la courbe de Planck du rayonnement. Cette courbe permet, par association au p ième signal, de déterminer la température vraie du corps ou milieu M (l'emissivité étant une'fonction polynomiale d'ordre (p-1) de la longueur d1onde, comme indiqué plus haut). Pour fixer les idées, on précisera que l'on peut utiliser des barrettes 12 comprenant de 25 à 30 éléments récepteurs, et que l'on sélectionne un nombre p égal à 4 ou 5 des signaux émis par ces récepteurs, pour les transmettre aux circuits de traitement . - De façon avantageuse, le dispositif de la figure 1 ne comprend pas, dans son principe, de pièces en mouvement, ce qui permet des vitesses de mesure relativement élevées. On a représenté dans la figure 2 une réalisation de la partie optique du dispositif selon l'invention. Dans cette figure, le dispositif optique Oî i 2 est associé à un diaphragme de champ 40 permettant de sélectionner l'élément de surface 10 à analyser. Eventuellement, un modulateur 42, par exemple une plaque perforée entraînée en rotation, est disposé juste après le diaphragme 40, de façon à hacher le faisceau collecté, pour améliorer le comportement des éléments récepteurs d'une barrette 12 en haute fréquence. Une optique 44 peut également être disposée en aval-du prisme P, pour former le spectre sur la barrette 12 d'éléments récepteurs. Ces éléments récepteurs sont de préférence des détecteurs du type Hg-Cd-Te qui fonctionnent à une température de -400C, leur refroidissement étant assuré par un élément Peltier représenté schématiquement en 46. En outre, des moyens de visée 48,50 permettent de placer le pyromètre en position appropriée par rapport à l'élément de surface 10 du corps ou milieu M. Les caractéristiques d'un pyromètre selon l'invention sont données ci-dessous, à titre d'exemple non limitatif - gamme de longueurs d'onde utiles : 1-3 ssm - intervalle spectral sélectionné : 0,048 à 0,080 pm, - température minimale mesurable : 7500K, - fréquence de mesure (hors traitement) : supérieure à 500 Hz, - fréquence de modulation : supérieure à 500 Hz, - longueur dlonde du maximum de sensibilité des détecteurs 2,2 ssm - résolvante moyenne du système disperseur : 35. Avec un pyromètre de ce type, on obtient une précision relative sur la mesure de la température de l'ordre de + 20%, un temps de réponse qui est de l'ordre de 4.10-3 secondes, une distance de visée qui peut varier de 0,5 à 3 mètres, un angle de mesure qui est de 5.10 3 rd pour 500 mm, et un angle de visée précis à + 5%. Revendications 1.- Procédé pour déterminer à distance par voie optique la température et/ou l'émissivité d'un corps ou milieu quelconque (M) émettant un rayonnement thermique à longueurs d'onde multiples, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à - collecter le rayonnement émis dans une direction donnée par un élément de surface (10) du corps (M), - disperser le rayonnement collecté pour en former un spectrale, - convertir le niveau relatif de luminance de n-composantes discrètes du spectre en signaux électriques élémentaires, - sélectionner un nombre (pn n) daces signaux en fonction de la température et/ou de l'émissivité présumées du corps (M), et - exploiter ces p signaux pour reconstituer la courbe de Planck correspondant au rayonnement collecté et en-déduire la température vraie et/ou l'émissivité du corps (M). 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des p signaux sélectionnés est corrigé en fonction de la position relative de la composante correspondante du spectre pour compenser les différences de comportement, en particulier optique et photoélectrique, selon la longueur d'onde correspondante. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les p signaux sélectionnés font l'objet d'une conversion analogique-numérique pour faciliter leur exploitation et/ou leur correction par traitement informatique. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, parmi les p signaux sélectionnés, (p-1) signaux sont exploités pour reconstituer par itération la courbe de Planck du rayonnement qui, associée au p ième signal, sert à déterminer la température vraie du corps (M). 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on admet que llémissivité est une fonction polynomiale d'ordre (p-i) de la longueur d'onde. 6.- Dispositif pour déterminer à distance, par voie optique, la température et/ou l'émissivité d'un corps ou milieu qutel- conque (M) émettant un rayonnement thermique à longueurs d'onde multiples, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens optiques (01 > 02) pour collecter le rayonnement émis dans une direction donnée par un élément de surface (10) du corps (M), - des moyens (P) pour disperser le rayonnement collecté pour en former un spectrale, - des moyens photoélectriques, comprenant au moins un récep teur (12) multi-éléments, pour convertir le niveau relatif de luminance de n composantes discrètes du spectre en signaux électriques élémentaires, - des moyens (18) de multiplexage associés à des moyens de traitement (22) pour exploiter certains au moins desdits signaux de manière à reconstituer la courbe de Planck correspondant au rayonnement collecté et en déduire la température vraie et/ou l'émissivité du corps (M). 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (14) pour sélectionner un nombre (pn) des signaux électriques élémentaires issus des moyens convertisseurs (12), en fonction de la température et/ou de l'émissivité présumées du corps (M). 8.- Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de dispersion précités sont essentiellement constitués par un prisme (P) formant avec l'ensemble du rayonnement collecté un spectre linéaire. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de conversion précités comprennent essentiellement une barrette (12) d'éléments photoélectriques couvrant toute la longueur du spectre, ou plusieurs barrettes identiques juxtaposées latéralement, pour occuper sensiblement toute la largeur du spectre. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les barrettes (12) précitées sont des récepteurs multiéléments du type (Hg-Cd-Te) refroidis à environ -400C. 11.- Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que les moyens optiques pour collecter le rayonnement comprennent un objectif (01,02) associé à un diaphragme de champ (40) destiné à sélectionner l'élément de surface (10) à analyser. 12.- Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens (01 > 02) pour collecter le rayonnement sont associés à un modulateur (42) destiné à hacher le rayonnement collecté en fonction du comportement dynamique des récepteurs multi-éléments (12). 13.- Dispositif selon llune des revendications 6 à 12, caractérisé en ce qu1il comprend des moyens (20) de conversion analogique-numérique interposés entre les moyens de multiplexage (18) et les moyens de traitement (22).