Brevet FR2663740A1 — publié le 19911227

PROCEDE D'EXPLOITATION DES SIGNAUX FOURNIS PAR UN PYROMETRE OPTIQUE, NOTAMMENT POUR MESURER AVEC PRECISION LA TEMPERATURE DE CORPS EN MOUVENENT ET A TEMPERATURE RAPIDEMENT EVOLUTIVE La présente invention se rapporte au domaine des appareils de mesure de températures par voie optique, connus généralement sous le nom de pyromètres optiques Ces appareils possèdent une tête d'observation optique des corps dont on veut mesurer la température et qui se compose essentiellement d'un capteur photoélectrique ou détecteur, apte à transformer en signal électrique tension ou courant le flux de photons énergétiques reçu du corps C'est donc cette grandeur électrique dont le physicien dispose pour en déduire des renseignements sur la température du corps L'invention concerne plus spécialement l'exploitation de ces signaux électriques. On commencera d'abord par rappeler le principe connu du fonctionnement de tels appareils. Les plus utilisés de ces appareils, parce que jusqu'à ce jour les plus précis, sont les pyromètres dits "monochromatiques" parce qu'ils travaillent sur une partie très étroite du spectre des longueurs d'ondes, pratiquement réduite à une radiation de longueur d'onde X Ils s'appuient sur la propriété commune à tous les corps d'émettre un rayonnement thermique, fonction de la température et qui, pour une longueur d'onde donnée X et pour le corps noir (corps émettant par définition toutes les radiations monochromatiques quand il est chauffé) s'exprime par la loi de Planck: L(^T) = C 1 5 exp C 2 -1)-1 T 35 formule dans laquelle formule dans laquelle: L(,T)est la luminance spectrique du corps noir à la température absolue T et pour la longueur d'onde À; C 1 est une constante égale à 2 hc 2, avec h constante de Planck, et c vitesse de la lumière C 1 a la valeur 11,9 10-17 W m 2; C 2 est une constante égale à hc/k, avec k constante de Boltzmann C 2 a la valeur 14 387/Am K. T est la température absolue du corps. Par souci de simplification, on désignera dans la suite du présent texte, la relation de Planck précédente sous la forme: L = f(A, T) Depuis le siècle précédent, on a utilisé cette propriété des corps pour réaliser des pyromètres optiques en assimilant de façon approximative tous les corps au corps noir qui sert de référence Si l'on observe le rayonnement d'un corps pour une longueur d'onde A en le comparant à celui d'un corps noir de référence pour la même longueur d'onde, ceci permet, par recherche de la température T 1 telle que L (mesurée) = f(X, T 1) de déterminer T 1 Comme la mesure directe de L par le détecteur du pyromètre n'est pas directement accessible puisque celui-ci a pour fonction de convertir les énergies en tensions électriques, on s'y prend de la façon suivante, décrite en se référant aux figures 1 et 2 ci-jointes. Sur la figure 1, on a représenté pour différentes températures T 1, T 2 Tn les courbes représentant la fonction L = (k,T) pour un corps noir étalon En chauffant par ailleurs un tel corps noir étalon aux différentes températures T 1, T 2 Tn, on note à chaque fois les tensions électriques V 1, V 2, Vn délivrées par le détecteur du pyromètre pour une même radiation, et on les reporte sur le graphique de la figure 2 qui montre la fonction V = g(L) pour A= X 1 Cette fonction est linéaire et l'on a ainsi étalonné l'appareil en luminances Lorsqu'au cours de l'observation à la longueur d'onde > 1 d'un corps de température inconnue, le pyromètre affiche une tension V, la figure 2 permet d'en déduire la luminance L du corps observé pour la longueur d'onde >l- En plaçant le point correspondant sur le graphique de la figure 1, on en déduit celle des courbes de Planck qui passe par ce point, et, par conséquent, la température. Une telle méthode est néanmoins très approximative car l'hypothèse faite assimilation de tous les corps rayonnant au corps noir est, dans certains cas, grossièrement inexacte. En effet, pour un corps quelconque, la loi de Planck s'écrit L = f C(,T), ú étant un facteur sans dimension, appelé émissivité, qui traduit l'écart entre la luminance idéale et la luminance réelle et qui dépend de certaines caractéristiques du corps émissif, comme, entre autres, la nature du corps, sa température, son état de surface, la longueur d'onde d'observation, l'angle d'incidence sous lequel on l'observe etc Ce facteur, qui est égal à 1 pour le corps noir, varie dans la pratique, de O à 1 A titre d'exemple, les corps isolants ont des émissivités > 0,6, les métaux de la pyrométrie dite "bichromatique". Cette méthode connue consiste à recueillir les signaux optiques d'un examen pyrométrique sur deux longueurs d'onde X 1 et > 2 suffisamment voisines pour que l'on puisse supposer que l'émissivité ú est la même pour ces deux radiations On rappelera rapidement le principe ci-après en se référant aux figures 3 et 4. A partir d'un corps noir de référence, que l'on chauffe à différentes températures, on trace les courbes d'éta Lonnage V = f(L) pour chacune des deux Longueurs d'onde de travail X 1 et A 2 (figure 3) en procédant comme précédemment pour la figure 2. L'appareil est ainsi étalonné On mesure ensuite, pour les mêmes Longueurs d'onde X 1 et > 2 les tensions électriques V 1 et V 2 émises par le photodétecteur du spectromètre lors de l'observation d'un corps de température inconnue A partir de V 1 et V 2 reportées sur la figure 3, on déduit les luminances correspondantes L 1 et L 2 pour chaque radiation monochromatique)1 et X 2 On connaît alors deux points A(A 1, L 1) et B(À 2, L 2) de la courbe de Planck et il est possible à un calculateur d'identifier cette courbe de façon précise, c'est-à-dire en fin de compte la température T 3 du corps observé (figure 4). Bien qu'en progrès important par rapport à la précédente, cette méthode de mesure présente encore un certain nombre de défauts systématiques et de contraintes pour sa mise en oeuvre. En effet, l'hypothèse selon laquelle il existe une émissivité propre pour chaque longueur d'onde est invérifiable Par ailleurs, la précision de la mesure est limitée par la proximité nécessaire des deux points A et B (A 1 et> 2 voisins par hypothèse) qui conduit à une imprécision sur l'identification de la courbe de Planck passant par ces deux points. De plus, le demandeur a pu mettre en évidence que cette méthode nécessitait que les valeurs choisies pour \ 1 et A 2 soient toutes deux inférieures à la valeur >max correspondant au sommet de la courbe de Planck Or, ce sommet est a priori inconnu au moment de la mesure Cette nécessité découle de l'obligation de respecter certaines hypothèses mathématiques, telles que produit X T supérieures à un seuil qui varie avec l'étalonnage. Ces conditions limitent l'utilisation du pyromètre à l'étude des matériaux fortement émissifs mais dont la température est également inférieure à un certain seuil (T électriques (émissivité souvent supérieure à 0,6). De plus, la condition 1 et A 2 de détection de l'appareil. Enfin, les mesures monochromatiques nécessitent des signaux de grande amplitude et des températures ou émissivité élevées, et elles sont lentes La méthode de pyrométrie bichromatique est donc pratiquement inapplicable à la mesure de la température de corps en mouvement à vitesse élevée et/ou à température rapidement évolutive. On trouvera d'ailleurs une description détaillée de cet état de l'art en matière de pyrométrie bichromatique dans la publication "Bouriannes, Moreau, Un pyromètre rapide à plusieurs couleurs", Revue de Physique Appliquée, tome 12, page 893, Mai 1977. La présente invention a précisément pour objet un procédé d'exploitation des signaux fournis par un pyromètre optique qui permet de s'affranchir de l'émissivité et de mesurer la température de corps en mouvement et/ou à température rapidement évolutive, en effectuant les mesures non plus sur la luminance spectrique recueillie autour de deux radiations monochromatiques voisines, mais en recourant à des mesures de Luminances énergétiques. Ce procédé d'exploitation des signaux fournis par un pyromètre optique à deux voies 1 et 2, se caractérise en ce que: on définit pour chaque voie une bande passante optique large, au moins égale à 0,5 Am, à savoir, pour la voie 1, La partie du spectre lumineux comprise entre les longueurs d'onde '\A 1 et A 2 et, pour la voie 2, La partie de ce même spectre Lumineux comprise entre les Longueurs d'onde ÀB 1 et AB 2; on prend en compte, aussi bien pour L'éta Lonnage de L'apparei L que pour La mesure, la Luminance énergétique du spectre reçu respectivement dans La première et dans la deuxième bande optique; on étalonne le photodétecteur en se référant à un corps noir que L'on porte successivement à au moins deux températures connues, de La façon suivante pour chacune d'elles: a) on mesure les tensions électriques V 1 et V 2 fournies par chaque voie du pyromètre, qui correspondent respectivement aux luminances énergétiques LA et LB inconnues émises dans chaque bande optique du pyromètre; b) on calcule théoriquement ces Luminances énergétiques à L'aide d'un ordinateur qui, à partir de la formule de Planck L = f(>) effectue Les intégrales, P Ldk et J Ld> A 1 1. pour chaque bande passante optique, ce qui fournit Les valeurs vraies de LA et LB; c) on détermine ensuite les fonctions V = g(L) pour chacune des deux voies du pyromètre; puis, à l'aide du pyromètre ainsi éta Lonné, on effectue Les mesures de La température inconnue d'un corps à examiner en mettant en oeuvre Les étapes suivantes: d) on mesure Les tensions électriques V; et Vj fournies par La voie 1 et par La voie 2 du pyromètre Lors de l'examen optique du corps; e) on en déduit, par Les fonctions V = g(L), Les valeurs LA et LB de La Luminance énergétique réellement reçue par chaque voie; f) on recherche par itération S à l'aide d'un ordinateur celle des courbes de Planck L = f(A) dont les intégrales J Le I a A Lf 1, Ai sont précisément égales à LA et LB, ladite courbe correspondant précisément à La température recherchée. Comme on le comprend de ce qui précède, le procédé objet de l'invention, qui s'applique à des pyromètres optiques à deux voies de mesure, d'un type en soi connu, a son originalité et trouve la source de ses performances dans le fait que Les deux voies de mesure, au lieu de travailler comme dans l'art connu de façon quasi monochromatique sur une longueur d'onde déterminée, sont rég Lées à l'aide de filtres et d'un miroir dichroique dont l'emp Loi est à La portée de L'homme de métier pour recevoir l'énergie transmise par Les photons lumineux dans deux bandes optiques Larges, de Largeurs au moins égales par exemple à 0,5 am Il en résulte par conséquent que Le procédé selon l'invention est sensible, dans chacune de ses deux voies, non plus à la luminance spectrique (correspondant idéalement à une raie monochromatique) mais à la luminance énergétique qui correspond dans chaque bande à l'intégrale de la luminance spectrique entre XA 1 et AA 2 pour la voie I et AB 1 et ÀB 2 pour la voie 2 Cette luminance énergétique s'évalue en watts par unité de surface et par unité d'angle solide et elle est représentée, dans le graphique L = f(A) des courbes de Planck (figure 1) par la surface comprise entre la courbe correspondant à la température d'émission du corps, l'axe des abscisses et les deux droites d'abscisses XA 1 et AA 2 ou XB 1 et AB 2. Dans ce procédé, le photodétecteur du pyromètre travaille sur des énergies, c'est-à-dire sur des grandeurs physiques réellement accessibles, et non plus sur des longueurs d'onde monochromatiques qui n'ont pas vraiment d'existence réelle. De plus, le procédé décrit permet de s'affranchir de l'émissivité du corps examiné, ce qui peut s'expliquer de la manière simplifiée suivante. L'étape du procédé qui consiste à rechercher la courbe de Planck L = f(A) que la théorie indique comme étant unique pour laquelle les deux intégrales A 2 Àah- f LdÀ e: L 4 A sont égales aux valeurs LA et LB déduites de la mesure, se déroule selon des séquences itératives convergentes qui comparent Les luminances mesurées et les luminances calculées pour chaque voie Il en résulte à chaque instant la nécessité d'établir des comparaisons de luminances sous forme de rapports au cours desquels le coefficient ú de la formule de Planck s'élimine automatiquement. Enfin, à condition d'employer un photodétecteur approprié, le procédé objet de l'invention permet d'étendre la technique pyrométrique, autrefois réservée aux températures élevées (> 1000 C) à des températures plus basses, voisines par exemple de 250 C. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture qui suit de la description de plusieurs exemples d'application, description qui sera faite à titre non limitatif et en ce qui concerne la théorie du fonctionnement, en se référant aux figures à 8 ci-jointes, sur lesquelles: la figure 5 montre le schéma connu du convertisseur photoélectrique d'un pyromètre à deux voies d'un type connu; la figure 6 montre la disposition des deux bandes passantes optiques; la figure 7 illustre la construction des fonctions V(L) pendant la phase d'étalonnage; la figure 8 illustre la phase de mesure et la recherche par l'ordinateur de la courbe L = f(A) correspondant à la température du corps examiné. Sur la figure 5, on a représenté schématiquement une réalisation connue du convertisseur photoélectrique d'un pyromètre optique à deux voies 1 et 2 Sur cette figure 5, l'information optique en provenance du capteur optique, non représenté, du pyromètre, est véhiculée par la fibre optique 2 Une première lentille 4 dirige le faisceau vers un miroir dichroîque 6 à 45 qui le divise en deux parties alimentant respectivement la voie 1 et la voie 2 Chaque voie comprend une lentille 8, un filtre passe-bande 10, un détecteur 12 apte à traduire en signal électrique l'énergie reçue par chaque voie, puis un amplificateur 14 à la sortie duquel sont disponibles les signaux de tension V dont il est question par ailleurs. Le procédé selon l'invention qui met en oeuvre un convertisseur photoélectrique de même nature que celui de la figure 5, comporte d'abord une phase d'étalonnage du pyromètre ainsi constitué qui le met à même d'aborder la phase de mesure proprement dite ultérieure. La phase d'étalonnage consiste d'abord, par le choix ou le réglage du miroir 6 et des filtres , à fixer les quatre longueurs d'onde XA 1, XA 2, ÀB 1 et XB 2 qui déterminent les bandes passantes larges, AXA = >A 2 >A 1 et &XB = XB 2 AB 1- centrées sur les longueurs d'onde XA et XB, qui constituent les domaines d'activité en longueurs d'ondes des voies 1 et 2 du pyromètre A titre d'exemple, AXA et &AB sont de l'ordre de 0,6 à 1 /m La figure 6 montre une position possible de ces deux bandes passantes optiques 4 ÀA et AAB en fonction de la longueur d'onde A Ce réglage étant effectué, on examine à l'aide du pyromètre un corps noir étalon porté à une température T 1 Sous l'influence du rayonnement de ce corps noir, les voies 1 et 2 délivrent les tensions V 1 (T 1) et V 2 (T 1) Ces tensions correspondent aux luminances énergétiques LA(T 1) et LB(T 1) inconnues émises par le corps noir dans les bandes optiques AA et A B A l'aide d'un ordinateur, spécialement programmé à cet effet, on calcule alors ces deux luminances inconnues en effectuant les intégrales suivantes de la fonction L = f(A) de Planck: j X&z LA(T 1) = Ld Aet LB(T 1) = LdÀ j At A B 1 1 Parvenu à ce stade de l'étalonnage, on porte les corps noirs étalons à une température T 2 et l'on recommence les mêmes opérations, ce qui fournit VI(T 2) et V 2 (T 2) ainsi que LA(T 2) et LB(T 2) Le but de la phase d'étalonnage étant la détermination des fonctions V = g(L) pour chaque voie, il y a à ce stade deux possibilités Ou bien on admet, ce qui se trouve vérifié dans la majorité des cas, que ces fonctions sont linéaires et on peut alors tracer les droites correspondantes dans le plan (V, L) à partir des autres données précédentes, ou bien par souci de perfection, on trace complètement les deux courbes à partir d'un plus grand nombre de points en portant successivement le corps noir étalon à plusieurs températures différentes. La figure 7 montre la construction des deux fonctions V = g(L) dans la première hypothèse. La phase d'étalonnage est alors terminée et l'appareil est prêt à effectuer une mesure. Pour effectuer ensuite la mesure de la température d'un corps de nature et de température inconnues, on s'y prend de la façon suivante. On examine avec le pyromètre ainsi réglé le rayonnement thermique du corps en question Ce rayonnement correspond aux tensions électriques Vi et Vj fournies par la voie 1 et la voie 2 du pyromètre. En reportant ces valeurs sur les courbes d'étalonnage V = g(L) de la figure 7, on obtient les valeurs LA et LB de la luminance énergétique effectivement reçue par chacune des voies 1 et 2 de l'appareil. IL suffit enfin de rechercher, par itérations successives à l'aide d'un ordinateur programmé à cet effet, dans le plan (L,>) de la figure 8, celle des courbes de planck L = f() telle que les intégrales 82 r^B. et Ld soient J Ld X respectivement égales à LA et LB La température T correspondant à cette courbe de la famille est précisément la température du corps examiné. Ceci revient à dire que les deux surfaces 51 et 52 de la figure 8, délimitées par la courbe de Planck L = f( AT) référencée 16, et l'axe des abscisses sont uniques On peut d'ailleurs rappeler que la théorie indique l'unicité de cette courbe. Comme expliqué précédemment, le résultat ainsi trouvé est indépendant de l'émissivité du corps observé et est beaucoup plus précis que celui qu'aurait fourni la méthode antérieure de la pyrométrie "bichromatique". Les performances d'un pyromètre optique mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention sont également remarquables en fonction du facteur temps, car la rapidité du procédé n'étant limitée que par le temps de calcul de l'ordinateur, il est possible d'atteindre une résolution temporelle de quelques nanosecondes, notamment si l'on emploie, en outre, des détecteurs dont la sensibilité spectrale est telle qu'elle permet le traitement à cette échelle de temps de bandes passantes optiques relativement larges (A > 0,5 Am) Cette particularité permet par conséquent la mesure de l'évolution en température d'un corps, éventuellement même en mouvement rapide, et à évolution thermique également rapide. A titre d'exemple d'application, on a pu étudier, grâce au procédé objet de l'invention, la mesure du couple température-émissivité d'un objet en aluminium poli se déplaçant à une vitesse voisine de 2500 mètres par seconde et dont l'élévation brutale de température est provoquée par un choc intense. L'analyse spectrale, faite dans les bandes optiques de 2 à 2,6,Um et 3,4 à 4 /Dm, montre que la température : atteint un palier au bout de 800 nanosecondes à une valeur de 4450 C, l'émissivité ú atteignant la valeur 0,15. Lorsque le pyromètre utilisant le procédé de l'invention est utilisé dans le domaine du rayonnement infrarouge, il peut fonctionner avec les performances suivantes: un temps de réponse minimum de 10 nanosecondes; une distance entre l'objet en mouvement et le pyromètre pouvant être supérieure à 15 mètres; une surface d'analyse minimum de 10 millimètres de côté; une durée minimum d'observation de 5 microsecondes, une vitesse de l'objet de quelques milliers de mètres par seconde, deux bandes passantes optiques d'étude comprises entre 2 et 4 micromètres (selon le choix des filtres infrarouges), une température de luminance minimum mesurable approximative de 225 +/-25 C (selon le choix de la largeur des filtres infrarouges). REVENDICATION 1 procédé d'exploitation des signaux fournis par un pyromètre optique à deux voies 1 et 2, caractérise" en ce que on définit pour chaque voie une bande passante optique large, au moins égale à 0,5,Am, à savoir, pour la voie 1, la partie du spectre lumineux comprise entre Les Longueurs d'onde XA 1 et AA 2 et' pour la voie 2, la partie de ce même spectre lumineux comprise entre Les longueurs d'onde AB 1 et AB 2; on prend en compte, aussi bien pour l'étalonnage de l'appareil que pour la mesure, La luminance énergétique du spectre reçu respectivement dans la première et dans La deuxième bande optique; on étalonne le photodétecteur en se référant à un corps noir que l'on porte successivement à au moins deux températures connues, de la façon suivante pour chacune d'elles: a) on mesure Les tensions électriques V 1 et V 2 fournies par chaque voie du pyromètre, qui correspondent respectivement aux luminances énergétiques LA et LB inconnues émises dans chaque bande optique du pyromètre; b) on calcule théoriquement ces luminances énergétiques à l'aide d'un ordinateur qui, à partir de la formule de P Lanck L = f(A) effectue les intégrales, Ld A et J Ld A A 1. pour chaque bande passante optique, ce qui fournit les valeurs vraies de LA et LB; c) on détermine ensuite les fonctions V = g(L) pour chacune des deux voies du pyromètre; puis, à l'aide du pyromètre ainsi étalonné, on effectue les mesures de la température inconnue d'un corps à examiner en mettant en oeuvre les étapes suivantes: d) on mesure les tensions électriques Vi et Vj fournies par la voie 1 et par la voie 2 du pyromètre Lors de l'examen optique du corps; e) on en déduit, par les fonctions V = g(L), les valeurs LA et LB de la luminance énergétique réellement reçue par chaque voie; f) on recherche par itération S à l'aide d'un ordinateur celle des courbes de Planck L = f( A), dont les intégrales j A Ld e Ag sont précisément égales à LA et L, ladite courbe correspondant précisément à la température recherchée.