Brevet FR2629201A1 — publié le 19890929

PROCEDE ET PYROMETRE POUR MESURER. SANS CONTACT ET A DISTANCE. LA TEMPERATURE DE SURFACE D'UN CORPS La présente invention concerne, d'une façon générale, le domaine de la pyrométrie et elle vise plus particulièrement à accroître la sensibilité des mesures pyrométriques. L & pyrométrie est une technique qui permet d'obtenir la température d'une surface par la mesure du rayonnement thermique émis par cette surface. L'avantage principal de cette technique réside dans le fait que les mesures sont faites sans contact et à distance. Les mesures sur des matériaux en déplacement rapide sont donc possibles (par exemple laminoirs ou verreries) et ont, d'une façon générale, l'avantage de ne pas perturber la température que l'on désire connaitre. Il semble aussi que ce soit actuellement la seule technique de mesure utilisable pour les très hautes températures. Les pyromètres mesurent une luminance ou température apparente que l'on peut corriger pour obtenir la température vraie par la formule 1 = 1 + ÀLog s T vraie T apparente C2 dans laquelle C2 est une constante. L'erreur entre la température vraie et la température apparente peut être très importante en fonction de la valeur du terme correctif (A/C2) Log t. Le domaine actuel d'application de la pyrométrie est assez restreint, mais pourrait être étendu, d'une part, en corrigeant ou diminuant i'erreur principale dûe à l'incertitude sur le facteur d'émission t et, d'autre part, en étendant la méthode aux températures relativement basses tout en conservant une précision acceptable de mesure. L'erreur principale de la pyrométrie est dûe au facteur d'émission d'un matériau constitutif du corps dont on souhaite connaitre la température. Ce facteur d'émission e est une propriété caractéristique du matériau : il a une valeur comprise entre O et 1 et dépend de la température, de la longueur d'onde, de l'angle d'émission et de l'état de surface du matériau. Ces raisons multiples font qu'en général la valeur de ce' facteur était v inconnue et laissée au choix des utilisateurs des pyromètres. Toutefois, de par la demande de brevet FR 2 508 637; on connaît maintenant un procédé et un appareil pyromètre-émissivimètre qui permettent de déterminer E et d'en déduire la température vraie.Deux conditions sont cependant nécessaires pour utiliser cet appareillage r qui en compliquent les conditions d'emploi - la surface de mesure doit pouvoir être visée sous un angle supérieur à 30 - la surface de mesure doit être relativement lisse (rugosité inférieure à 1). Or, les industriels ou les laboratoires ont aussi besoin d'un appareil qui soit utilisable dans n'importe quelles conditions et avec lequel l'erreur globale sur la température reste minime quel que soit l'opérateur. On peut donc concevoir de tenter de diminuer l'écart entre la température vraie et la température apparente en empruntant une voie de recherche autre que celle visant à une détermination aussi exacte que possible du facteur e et d'essayer alors de réduire au minimum l'influence du facteur correctif (A/C2)Log t, autrement dit, puisque E et C2 sont des constantes imposées par les conditions de la mesure, d'essayer de réduire la longueur d'onde A de mesure. La figure 1. ci-annexée représente la variation relative du niveau L du signal pour une variation AT de 1-C de la température de la surface du corps KL/L #T (portée en ordonnées) en fonction de la longueur d'onde A de mesure (en abscisses), pour diverses valeurs de la température de la surface du corps. D'après ces courbes, à titre d'exemple, pour un corps, à 500 C et pour une variation de 1"C de la température la variation relative du signal est de 0,5% pour A = 4 m 1% pour A = 2pm 3% pour A = O r 8 pm 68 pour A = 0,4 m On constate donc que la sensibilité de la mesure augmente de façon considérable lorsque la longueur d'onde diminue.On notera en outre à ce sujet que, pour la plupart des matériaux industriels tels que les métaux, le facteur d'émission E augmente lorsque la làn- gueur d'onde diminue, c'est-à-dire que le terme correctif Log t diminue lorsque A diminue, ce qui contribue à remplacer l'efficacité du procédé. Par ailleurs, le rayonnement solaire et les éclairages ambiants peuvent perturber les mesures pyrométriques effectuées pour des - longueurs d'onde supérieures à 0,4 m (longueur d'onde du bleu), c'est-à-dire pour les longueurs d'onde des rayonnements visibles et infra-rouges. Les considérations précédentes conduisent donc à penser qu'il serait judicieux d'effectuer les mesures pyrométriques dans le domaine des longueurs d'onde courtes, c'est-à-dire dans le domaine de llultra-violet. Or, il est connu que l'énergie émise par un rayonnement décroît très rapidement lorsque la longueur d'onde de ce rayonnement diminue et devient très faible dans le cas des rayonnements ultra-violets. De plus, lorsque le rayonnement émis par la surface dont on souhaite mesurer la température devient de l'ordre de grandeur de l'éclairage ambiant, naturel ou artificiel, le rayonnement réfléchi perturbe complètement la mesure. Il en résulte que les détecteurs habituellement utilisés en pyrométrie sont inaptes à détecter un signal utile trop faible noyé dans un bruit important, et la voie d'une mesure pyrométrique effectuée dans le domaine des courtes longueurs d'onde (ultra-violet en particulier) n'a jamais été exploitée industriellement. L'invention a donc essentiellement pour but de proposer un appareil pyrométrique original qui soit apte à fonctionner dans le domaine des courtes longueurs d'onde de manière à accroitre la sensibilité des mesures et permettant d'effectuer des mesures de températures plus précises dans le domaine des valeurs élevées (par exemple 1000vu ou plus). A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour mesurer, sans contact et à distance, la température de la surface d'un corps, selon lequel, en tant que détecteur thermique, on utilise un photomultiplicateur ayant un seuil inférieur ou égal à une longueur d'onde d'environ 0,4 pm. Selon un second aspect de l'invention, il est proposé un pyromètre pour la mesure sans contact et à distance de la température de la surface d'un corps, dans lequel le détecteur thermique est un photomultiplicateur ayant un seuil égal ou inférieur à une longueur d'onde d'environ 0,4 ijm. Conformément à l'invention, on met en oeuvre une caractéristique connue, propre aux photomultiplicateurs, qui est que leur courbe caractéristique en fonction de la longueur d'onde présente un seuil très abrupte, pratiquement vertical : le photomultiplicateur se comporte donc comme un filtre passe-bas à pente très raide qui élimine les rayonnements de longueurs d'onde supérieures au seuil sans introduire d'atténuation sensible pour les rayonnements ayant des longueurs d'onde inférieures à ce seuil. Un procédé et un pyromètre conformes à l'invention autorisent donc des mesures dans un domaine de rayonnement que les pyromètres classiques ne permettent pas d'explorer, et donc d'obtenir une sensibilité de mesure très supérieure à celle procurée par les pyromètres classiques, alors même que leur coût de fabrication et leurs conditions d'emploi peuvent ne pas être moins défavorables que ceux' des pyromètres classiques compte tenu du stade de développement actuel des photomultiplicateurs. En se référant à la figure 2 du dessin ci-annexé, on va maintenant décrire un mode de réalisation particulier d'un pyromètre conforme à l'invention, mode de réalisation qui est donné uniquement à titre illustratif, sans aucun caractère limitatif. Sur la figure 2, le pyromètre, représenté très schématiquement sous forme de blocs, comporte, conformément à l'invention, un photomultiplicateur i ayant un seuil inférieur à 0,4 pm, ou de préférence inférieur à 0,34 pm pour éviter l'influence perturbatrice du rayonnement solaire et des éclairages ambiants à lampes fluorescentes. Il peut par exemple être utilisé un photomultiplicateur du type R 427 (Solar Blind Response) de la firme japonaise HAMAMATSU équipé d'une photocathode en CsTe ayant un seuil de coupure à 0,320 pm ou bien, pour la mesure des très hautes t.empératures, équipé - d'une photocathode en CsI ayant un seuil de coupure à 0,195 pm. Pour les mesures effectuées à une température inférieure à 800-C, on pourra placer devant le photomultiplicateur un filtre passe-bas laissant passer uniquement les rayonnements ultraviolets. Le rayonnement émis par l'échantillon 2 à analyser parvient au photomultiplicateur 1 après avoir traversé une optique de focalisation 3 avec lentilles en quartz et un modulateur de rayonnements électromagnétiques 4, notamment du type élastooptique (par exemple modèle de la firme MICROCONTROLE) ou mécanique. Le signal de sortie du 'photomultiplicateur 1 est appliqué à une entrée d'un dispositif de détection synchrone 5 dont une autre entrée reçoit un signal de référence provenant du modulateur 4. Le signal de sortie du dispositif de détection synchrone 5 est ensuite appliqué à des moyens de linéarisation et des moyens d'affichage 6, qui peuvent consister en un ordinateur de type PC. Le signal de sortie du photomultiplicateur 1 peut ainsi être appliqué directement à un dispositif compteur de photons (tel que par exemple l'appareil SR 400 de la Société STANFORD). Dans ce cas, on pourra soit conserver le dispositif de traitement du signal par détection synchrone avec un modulateur, soit compter directement les photons ultraviolets émis pendant un intervalle de temps donné. Pour fixer les idées, on va maintenant fournir des données comparatives de mesures réalisées à l'aide d'un pyromètre conforme à l'invention fonctionnant sur une longueur d'onde A = 0,32 pm et d'un pyromètre classique monochromatique fonctionnant sur une longueur d'onde A = 1 pm, avec-un facteur d'émission du matériau supposé être égal à 1. Pour ces mesures comparatives, la température vraie des échantillons était de 1.000in, mesurée A l'aide d'un thermo-couple.Les valeurs de tA ont été déterminées par le calcul et correspondent sensiblement aux valeurs connues de l'homme de l'art. Echantillon : pyromètre de : pyromètre l'invention : classique : T mesurée = 983 C : T mesurée = 906-C : Erreur = -17*C : Erreur = -94*C Tungstène Tungst = 0,55 : Tungst. = 0,33 : T mesurée = 990 C : T mesurée = 787eC Or : Erreur = -10 C : Erreur = -213*C t or = 0,70: tor = 0,06 On constate donc que les mesures effectuées à l'aide du pyromètre de l'invention sont beaucoup plus précises que celles effectuées avec le pyromètre classique ou un dispositif de comptage de photons : erreur de 1,7 % et 1,0 % pour les températures des échantillons de tungstène et d'or respectivement avec le pyromètre de l'invention, contre 9,4 a et 21,3 % respectivement avec le pyromètre classique. En outre, la sensibilité relative pour une augmentation de 1'C à une température vraie de 1000.C est de + 1,5 % pour le pyromètre de l'invention, et seulement de + 0,75 % pour le pyromètre classique. 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 particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer, sans contact et à distance1 la température de la surface d'un Corps, caractérisé en ce qu'en tant que détecteur thermique, on utilise un photomultiplicateur ayant un seuil inférieur ou égal à une longueur d'onde d'environ 0,4 pm, ce gråce à quoi, en raison de l'utilisation de courtes longueurs d'onde, et notamment de longueurs d'onde situées dans le domaine de l'ultra-violet, procurant un bon rapport signal/bruit, il est possible d'effectuer une mesure de température dans un domaine de valeurs élevées de tçmpé- ratures, à distance et sans contact, avec une grande précision. 2. Pyromètre pour la mesure sans contact et à distance de la température de la surface d'un corps, caractérisé en ce que le détecteur thermique est un photomultiplicateur (1) ayant un seuil inférieur ou égal à une longueur d'onde d'environ 0,4 pm, ce grâce à quoi le pyromètre est apte à fonctionner dans les courtes longueurs d'onde, et notamment dans le domaine ultraviolet, avec un bon rapport signal/bruit. 3. Pyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, en amont du photomultiplicateur (1), un dispositif de modulation de rayonnement électromagnétique (4) et, en aval du photomultiplicateur (1), un dispositif de détection synchrone (5) recevant le signal de sortie du photomultiplicateur et un signal de synchronisation en provenance- du dispositif de modulation.