Brevet FR2602590A1 — publié le 19880212

PROCEDE DE MESURE DE LA TEMPERATURE D'UN CORPS PAR DETECTION OPTIQUE ET ECHAUFFEMENT MODULE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procédé de mesure de la température d'un corps par détection optique et échauffement modulé. Le procédé de l'invention relève de la pyrométrie, qui est une technique de mesure de température à distance. Le procédé de l'invention permet d'étendre l'utilisation de la pyrométrie aux corps réfléchissants et aux corps placés dans des environnements rayonnants. Des cas d'utilisation typiques sont: - les mesures de température d'objets placés dans des fours, - les mesures de température de corps réfléchissants (métaux polis, par exemple). La pyrométrie classique se heurte à deux difficultés qui sont les suivantes: a) le rayonnement partant du corps dont on désire mesurer la 20 température est la somme du rayonnement émis par ce corps et du rayonnement réfléchi par celui-ci. Seul le rayonnement émis par le corps dépend de la température. On est donc lié par une première condition: il faut que le flux réfléchi soit négligeable devant le flux émis. IL est impossible, par 25 exemple, de mesurer la température d'un corps très réfléchissant ou d'un corps placé dans un environnement qui rayonne fortement. C'est le cas par exemple pour les métaux polis ou les matériaux placés dans un four; b) en supposant ce premier problème résolu, il en demeure un 30 second qui est que la quantité de rayonnement détectée est proportionnelle au flux émis, lequel est le produit d'une fonction connue de la température (qui est la luminance du corps noir idéal) et de l'émissivité du corps étudié, qui est une caractéristique de l'échantillon. Or, cette quantité est 2 2602590 en général inconnue et dépend en particulier de l'état de surface dans Le cas des corps solides. La présente invention a pour but de surmonter ces deux difficultés. Selon l'invention, on surchauffe localement ou non le corps à mesurer, par exemple à l'aide d'un faisceau lumineux focalisé sur la surface de ce corps. Dans ce cas il en résulte un échauffement local qui est un effet connu appelé effet photothermique. Le faisceau excitateur est modulé en intensité, 10 ce qui crée une modulation de la température. Le rayonnement partant du corps étudié est alors la somme d'un flux émis qui est modulé dans le temps, d'un flux émis constant et d'un flux réfléchi qui est lui aussi constant. Il est alors aisé de se débarrasser de ces deux derniers flux en ne traitant que le 15 premier qui est le seul modulé. On évite ainsi le premier écueil mentionné plus haut. Quant au second, il est également évité par un traitement de signal approprié qui permet de s'affranchir de l'émissivité du corps, qui reste inconnue. De manière plus précise, la présente invention a pour 20 objet un procédé de mesure de la température d'un corps, qui est caractérisé par le fait que l'on effectue les opérations suivantes: - on provoque un échauffement modulé de la zone du corps dont on veut mesurer la température, - on détecte le rayonnement thermique provenant de cette zone, dans au moins une plage de longueur d'onde ce qui fournit un signal électrique ayant une composante continue et une composante de modulation, - on extrait du signal électrique la composante de modulation, 30 cette composante étant une fonction de l'émissivité de l'objet à la longueur d'onde de détection et de la température du corps par l'intermédiaire d'une fonction de luminance qui dépend de la température, - par un traitement de signal approprié, on extrait de la 35 composante de modulation la température de l'objet. 2 6 0 2 t t L'échauffement modulé peut être produit par un rayonnement optique que l'on module en intensité et que l'on dirige sur la zone à mesurer. Mais l'échauffement peut être également produit par un four à induction dont on module le courant d'alimentation. Dans une première variante: - on détecte le rayonnement thermique à une première longueur d'onde et à une seconde longueur d'onde, - pour chacune de ces longueurs d'onde, on extrait du signal la composante de modulation qui a la même fréquence que la fréquence de modulation de l'échauffement, cette composante étant proportionnelle au produit de l'émissivité monochromatique de l'objet et de la dérivée de la luminance par rapport à la température, - on calcule le rapport des deux composantes ainsi obtenues pour ces deux longueurs d'onde, ce rapport étant supposé indépendant de l'émissivité de l'objet et n'étant plus fonction que de la température du corps par l'intermédiaire d'une fonction qui est le rapport des dérivées de la luminance par rapport à la 20 température, - à partir de la valeur de ce rapport, on calcule la température du corps par inversion de la fonction en question. Dans une seconde variante: - on fait varier l'intensité de l'échauffement modulé, - on relève la variation de la composante de modulation du signal électrique, variation qui comprend un terme linéaire et un terme quadratique par rapport à l'intensité de l'échauffement modulé, - on forme le rapport de ces deux termes, qui ne dépend plus de 30 l'émissivité du corps, de façon rigoureuse dans cette variante, mais de la température du corps, - en travaillant à deux longueurs d'onde on obtient deux rapports R1, R2 dont on forme le rapport R' qui ne dépend plus que de la température. Naturellement on peut imaginer d'autres variantes. Par exemple on pourrait détecter dans le signal modulé non pas la 4 2602590 composante ayant la fréquence de modulation, mais la composante ayant une fréquence double. Quant à la modulation du faisceau lumineux, en pratique on utilisera une modulation par tout ou rien par commodité, mais 5 on peut imaginer des modulations plus sophistiquées ou des techniques utilisant un chauffage impulsionnel. On peut préciser davantage toutes ces questions de la manière suivante. La luminance d'un corps noir idéal est une fonction de la température T de ce corps que l'on notera L(T). 10 Cette fonction est connue sous le nom de fonction de Planck. Dans l'invention, la température T est la somme de la température To du corps et d'un terme d'échauffement dû à l'apport énergétique provenant du faisceau lumineux. On peut noter, en se limitant aux premiers termes du développement: 15 T = To + DTo + DT1 exp (jwt) o DTo est une composante continue de l'échauffement, DT1 est une composante liée à la modulation et w la pulsation de la 20 modulation du faisceau (c'est-à-dire en pratique, le premier harmonique correspondant à l'occultation du faisceau). Par ailleurs, il existe un flux réfléchi par l'objet, que l'on peut noter Lr. Le flux provenant du corps est donc de la forme 25 E.L(T)+Lr, o E est l'émissivité monochromatique du corps. On peut faire l'hypothèse, bien vérifiée dans la pratique, que l'émissivité E et la réflectivité varient beaucoup plus doucement avec la température que la fonction L(T). La dépendance du flux vis-à-vis de T tient donc uniquement dans la 30 fonction L(T) en ce qui concerne les faibles variations qui nous occupent. Finalement, le signal détecté sera de la forme: S = k.E.[L(To+DTo) + Lr] + k.E (--) DT1 exp(jwt) o k est une constante dépendante de La longueur d'onde et caractéristique du dispositif expérimental et ou a- représente la dérivée partielle de la fonction de luminance L par rapport à La température T, cette dérivée devant être prise à la 5 température To. Le premier terme est un terme constant. Le second seul est variable dans le temps. L'extraction de la partie modulée correspondant à ce second terme peut se faire par un filtre passe-haut, ou par un simple condensateur de liaison, ou par détection synchrone. On 10 obtient donc finalement une quantité s de la forme: s = kE(--).DT1, T To o DT1 dépend de la puissance du rayonnement lumineux envoyé sur 15 le corps. L'extraction de la température To à partir de cette quantité s n'est pas possible, car on ignore la valeur de l'émissivité monochromatique E. Pour résoudre cette difficulté, on effectue la mesure à deux longueurs d'onde différentes, comme 20 en pyrométrie bichromatique. On obtient alors deux signaux sl et s2 o interviennent les deux émissivités El, E2 aux deux longueurs d'onde en question. Si l'on suppose que ces deux quantités sont égales pour des longueurs d'onde appropriées, le rapport sl/s2 est une quantité R o n'apparait plus l'émissivité: à Ll àT To R=à R = ----------(L2 c---) aT To o L1 et L2 désignent les luminances respectivement aux deux longueurs d'onde utilisées. Un tel rapport est une fonction de la seule température, fonction que l'on connaÂt théoriquement et que l'on sait inverser, ce qui signifie que l'on sait trouver la 6 2602590 température To connaissant la valeur du rapport R. De façon plus précise, à partir de la fonction de Planck traduisant la luminance en fonction de la température, on peut montrer que le rapport en question peut s'écrire: -6 R =A--2) exp [ - (_ - 2) Ai To Al A2 o A1 et A2 sont les deux longueurs d'onde utilisées et ou C est égal à -- o h est la constante de Planck, c la vitesse de k la lumière dans le vide et k la constante de Boltzman. Ainsi, connaissant R, et les deux longueurs d'onde A1 etA2, on en déduit aisément To par inversion de la fonction exponentielle. Dans une seconde variante permettant de s'affranchir de l'hypothèse bichromatrique, on pousse le développement de la 15 fonction de luminance jusqu'au terme quadratique qui suit le terme linéaire. Ce terme s' est de la forme: kE (I--) DTo.DT1 exp jwt à 2 To T Si l'on fait le rapport de ce terme s' du second degré au terme s du premier degré déjà évoqué, on obtient un rapport d'o a été éliminée l'émissivité E, mais de façon exacte cette fois-ci. Afin d'éliminer DTo on forme le rapport R' des deux 25 rapports R1 et R2 obtenus à deux longueurs d'onde différentes. La mise en oeuvre du procédé de l'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, qui se réfère à des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 représente un exemple de réalisation d'un 30 dispositif de mesure de température, - la figure 2 montre des courbes de variation du signal détecté en fonction de la puissance de la source lumineuse. Sur la figure 1, on voit un laser 10, par exemple à argon ionisé, émettant un faisceau lumineaux 12 renvoyé par des miroirs M1, M2 sur une première lentille L1, un hacheur constitué 7 2602590 par un disque 14 actionné en rotation par un moteur 16, un troisième miroir M3 et une seconde lentille L2 qui focalise le faisceau lumineux sur l'objet 20 dont on veut mesurer la température. Dans L'exemple de réalisation illustré, cet objet est placé dans un four 22. Une troisième lentille L3, par exemple en CaF2, collecte le flux émis par l'objet. Des filtres interférentiels sont montés sur un support 24 et peuvent être mis en place dans le faisceau au moyen d'un moteur 26. Ces filtres peuvent travailler par exemple à 1,71; 1,97; 2,1 et 2,2 Mm. 10 Une quatrième lentille L4 focalise le faisceau ainsi filtré sur un photodétecteur 28, qui peut être par exemple en InSb. Un amplificateur 30 amplifie la partie modulée du signal détecté. Le signal amplifié est appliqué à un circuit 32 de démodulation dit "Lock-in amplifier", qui reçoit par ailleurs un signal de 15 référence du hacheur 14. Le circuit 32 extrait du signal reçu la partie qui est à la fréquence d'occultation du faisceau, par exemple au moyen d'une démodulation synchrone. Le circuit 32 comprend par ailleurs un microprocesseur qui est capable de commander la mise en place du filtre interférentiel approprié 24 20 par action sur le moteur 26 et la puissance émise par le laser 10. Par ailleurs, le dispositif représenté comprend une diode 34, par exemple au silicium, qui permet de contrôler la puissance émise par le laser. L'information correspondante est 25 transmise au circuit 32. Un ordinateur 40, par exemple un APPLE II, commande la variation de puissance du laser, et effectue le traitement de signal permettant d'inverser la fonction mesurée pour trouver la température de l'échantillon, comme expliqué plus haut. 30 L'ordinateur 40 est relié au circuit 32 par un bus 42, par exemple du type IEEE 488. La figure 2 montre un exemple de résultats obtenus à l'aide de ce dispositif. L'amplitude s du signal photothermique est représentée en fonction de la puissance P du laser. Ces deux 35 grandeurs étant portées en unités arbitraires. On voit trois 8 2602590 séries de points de mesure correspondant à trois longueurs d'onde transmises par trois filtres interférentiels différents travaillant respectivement à 1,71; 1,97 et 2,10 Mm. Les droites montrent la pente de la courbe à faible puissance. L'écart entre les points et les droites traduit, à forte puissance, l'apparition d'un terme quadratique. Ce sont ces deux termes (Linéaire ou quadratique) qui sont mis en oeuvre dans les deux variantes décrites plus haut. Naturellement, il va de soi qu'on peut utiliser un 10 laser autre qu'un laser à argon ionisé, par exemple un laser à CO émettant à 10,6 pm. On peut aussi renoncer au laser et utiliser une simple lampe, par exemple au xénon, ou au mercure, ou au sodium. On peut aussi guider le faisceau lumineux vers l'objet à mesurer par une fibre optique et reprendre le flux émis 15 par une autre fibre optique. Tout autre mode de chauffage, local ou non et périodique peut être utilisé. Les mesures effectuées par les Demandeurs avec une telle installation sur un échantillon en acier se sont avérées 20 exactes à + 2% près, sur une gamme de températures allant de 600 à 1200 K. La température réelle de l'échantillon était mesurée directement par un thermocouple. On peut observer pour finir qu'il est déjà connu d'envoyer sur un objet un faisceau lumineux modulé et de détecter 25 le rayonnement infrarouge provenant de cet objet. "Ces techniques et leurs applications sont passées en revue dans les articles de MM Nordal et aL. "New Developments in Photothermal Radiometry", Infrared Phys., vol25, 1985 et de A.C.Tam" Pulsed Photothermal Radiometry for nonconstant spectroscopy, material testing and 30 inspection measurements", Infrared Phys., vol25, 1985. Mais dans de telles techniques, il s'agit avant tout dé contrôler de manière non destructive un échantillon. Si celui-ci comporte des défauts internes ou des inhomogénéités affectant suffisamment les propriétés optiques et/ou les conditions de propagation thermique 35 au voisinage de la surface, ceux-ci peuvent être détectés par 9 2602590 observation des modifications du signaL périodique infrarouge émis par la surface excitée. Il ne s'agit donc en aucun cas d'un procédé permettant de mesurer une température. Cette possibilité d'atteindre la 5 température d'un corps résulte des travaux théoriques et expérimentaux des Demandeurs exposés plus haut. Cette mesure nécessite un traitement de signal original (utilisation du premier terme linéaire ou des deux premiers termes linéaire et quadratique), traitement qui n'est pas enseigné dans le document 10 cité. On peut par ailleurs souligner le côté paradoxal de l'invention qui tient à ce que l'on modifie la grandeur que l'on veut mesurer (la température) par un apport extérieur de chaleur. Dans la technique antérieure connue mettant en oeuvre des "ondes 15 thermiques", cet aspect paradoxal n'apparaissait pas puisque ce qu'il était question de contrôler consistait en une qualité d'une pièce, qualité n'ayant rien à voir avec la température. En d'autres termes, dans l'art antérieur, il s'agissait d'une radiométrie photothermique alors que, dans L'invention, il s'agit 20 d'une pyrométrie photothermique. 2602590 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la température d'un corps, qui est caractérisé par le fait que l'on effectue les opérations suivantes: - on provoque un échauffement modulé de la zone du corps (20) dont on veut mesurer la température, - on détecte le rayonnement thermique provenant de cette zone, dans au moins une plage de longueur d'onde, ce qui fournit un signal électrique ayant une composante continue et 10 une composante de modulation, - on extrait du signal électrique la composante de modulation, cette composante étant une fonction de l'émissivité (E) de l'objet à la longueur d'onde de détection et de la température du corps par l'intermédiaire d'une fonction de 15 luminance (L(T)) qui dépend de la température, - par un traitement de signal approprié (40), on extrait de la composante de modulation la température de l'objet. 2. Procéddé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que: - on détecte le rayonnement thermique à une première longueur d'onde et à une seconde longueur d'onde, - pour chacune de ces longueurs d'onde, on extrait du signal la composante de modulation qui a la même fréquence que la fréquence de modulation de l'échauffement, cette composante 25 étant proportionnelle au produit de l'émissivité monochromatique de l'objet et de la dérivée de la luminance par rapport à la température, - on calcule le rapport des deux composantes ainsi obtenues pour ces deux longueurs d'onde, ce rapport devenant indépendant de 30 l'émissivité de l'objet pour des longueurs d'onde choisies de manière appropriées et n'étant plus fonction que de la température du corps par l'intermédiaire d'une fonction qui est le rapport des dérivées de la luminance par rapport à la température, 11 2602590 - à partir de la valeur de ce rapport, on calcule la te erat-e du corps par irversion de la fonction en question. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérise par le fait que: - on fait varier l'intensité de l'échauffement modulé, - on relève la variation de la composante de modulation du signal électrique, variation qui comprend un terme linéaire et un terme quadratique par rapport à l'intensité de l'échauffement modulé, - on forme le rapport de ces deux termes, qui ne dépend plus de l'émissivité du corps mais de la température du corps et de l'échauffement produit, - on forme deux tels rapports pour deux longueurs d'onde différentes et l'on forme le rapport de ces rapports, ce qui 15 fournit une quantité qui ne dépend plus que de la température. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'échauffement modulé est produit par un rayonnement optique (12) modulé en intensité, ce rayonnement étant dirigé sur la zone du corps (20) dont on veut mesurer la température.