Brevet FR2724726A1 — publié le 19960322

PROCEDE DE MESURE D'UNE TEMPERATURE A GRANDE DISTANCE DESCRIPTION Domaine technique de 'invention La présente se rapporte aux domaines des mesures de températures à grande distance. De telles mesures à grande distance sont parfois nécessaires, notamment lorsqu'on veut mesurer la température sur un objet dont la nature ne permet pas d'aller disposer des capteurs à son contact direct. C'est le cas pour les manchons de jonction de lignes haute tension, pour lesquels les .mesures de température doivent être réalisées à une distance de 15 à 30 m, dans un environnement hostile, c'est-à-dire dans un environnement qui est susceptible de fortement perturber ia température ou les paramètres à mesurer. En outre, et dans le cas d'objets tels que les lignes à haute tension, les mesures sont souvent faites à partir de capteurs embarqués à bord, par exemple, d'un hélicoptère qui doit s'approcher à proximité des câbles électriques ou de toute autre zone portée à une très haute tension. I1 est donc nécessaire, pour des raisons de sécurité, de minimiser l'intervalle de temps au cours duquel l'hélicoptère se trouve à proche distance du câble ou des zones à très haute tension. En outre le cout, par unité de temps, d'un vol d'hélicoptère est extrêmement élevé et il importe d'autant plus de développer des méthodes qui permettent de minimiser la durée du vol. Exposé de l' nvention La présente invention a justement pour objet de résoudre ces problèmes. Plus préclsémert, elle a pour objet un procédé de mesure à distance de la température d'un objet, caractérisé en zen ce tue - on visualise une image ~infrarouge IR de l'objet, à l'aide d'une caméra infrarouge ayant des caractéristiques photoélectriques et des caractéristiques géométriques, une tension V étant associée à chaque pixel de l'image, - on mémorise ladite image infrarouge IR, - on sélectionne, à l1intérieur de cette image - une zone de référence et un point R de référence à l'-ntérieur ce cette zone, - un point M dont on veut mesurer la température, - on calcule une température GM du point M, à partir d'une tension VM correspondant à la moyenne de la tension de n pixels de l'image associés au point M, d'une tension VR correspondant à la moyenne de la tension de q pixels de l'image associés au point R, des caractéristiques photoélectriques et des caractéristiques géométriques de la caméra et de la température ambiante T1. Ainsi, avec un procédé tel que celui exposé cidessus, des signaux lssus d'un capteur infrarouge, par exemple une caméra infrarouge, sont numérisés, mémorisées puis traités. La température d'un point chaud observé avec la caméra ou le capteur est calculée en onction de la température d'un objet "sain" pris pour référence. Dans le cas d'un capteur embarqué à bord d'un appareil volant tel qu'un hélicoptère, ce procédé permet de prendre un ensemble de clichés de la zone dans laquelle on va mesurer la ou les températures, de stocker ces clichés en mémoire, et de traiter les informations mémorisées lorsque l'appareil s'est éloigné des zones de mesure ou est revenu à terre.Les conditions de sécurité en sont donc nettement améliorées, en même temps que les conditions de coût, puisque le temps ce vo eut être diminué. Du =ait que les données ont été mémorisées, on peut leur appliquer tout tite de traitement plus ou moins sophistiqué, et prendre en compte des paramètres extérieurs relevés pendant le vol, tels que les conditions d'ensoleillement et/ou la vitesse du vent, que l'on ne peut pas forcément prendre en compte lorsque le traitement des images ou des données est réalisé au cours du vol de l'hélicoptère. Ainsi, selon un mode particulier de réalisation, le procédé comporte en outre - une étape de calcul de la température théorique TRt du point de référence R, à l'aide d'une formule dite de Kuipers et Brown, - une étape de comparaison de la température mesurée ffi du point M avec la température TRt. D'autres variantes et modes de réalisation apparaîtront dans les autres revendications dépendantes. 3rève description des figures. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un ensemble de caméras pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 représente comment un ensemble de caméras est embarqué à bord d'un hélicoptère pour réaliser une mesure de température, - a figure 3 représente les superpositions d'une image vidéo visible, d'angle de visée large, et d'une image infrarouge d'angle de visée plus restreint, - la figure 4 est un schéma synoptique illustrant les fonctions des différents éléments d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention Le procédé selon la présente invention peut être mis en oeuvre à l'aide de l'ensemble l des détecteurs illustrés sur la figure 1. L'ensemble 1 est composé de deux parties, dont l'une (désignée par la référence 5) est fixe, alors que l'autre (référence 2) est mobile. La partie mobile 2 continent, installées côte à côte, une caméra infrarouge 4, et une caméra vidéo couleur 6. La partie flxe 5 renferme l'ensemble des éléments mécaniques nécessaires aux déplacements de la tête mobile (moteurs, freins, engrenages, boîtier électrique de commande, capteurs de position de la partie mobile). La partie mobile est reliée à la partie fixe par un tube balancé qui lui transmet les mouvements imposés par les commandes. L'étanchéité est assurée par un joint soufflet 7 maintenu par un collier. La partie mobile 2 comporte des hublots étanches 9, il permettant aux deux objectifs de jouer leur rôle. La matière du hublot situé devant la caméra infrarouge 4 dépend des longueurs d'onde du rayonnement capté par cette caméra : ce peut être de la fluorine, du sélénieure de zinc, du silicium pur, du germanium, etc.. Le hublot situé devant la caméra vidéo 6 peut être un vitrage scecia type VDR, -- permet le passage du rayonnement vi La caméra infrarouge 4 peu comporter en outre un objectif qui focalise le flux de rayonnement infrarouge reçu, un détecteur qui transforme ce flux en impulsions électroniques, et un refroidisseur du détecteur (de type Peltier ou Sterling, ou à détente d'argon, ou à azote liquide...etc.). La largeur du spectre infrarouge ar.alysé dépend de tous les éléments mentionnés ci-dessus et peut varier de 2 à 14 m ou plus. L'ensemble 1 composé de la partie fixe 5 et de la partie mobile 2 est fixé par exemple à l'extérieur d'un hélicoptère, comme illustré sur la figure 2, afin de pouvoir visualiser les parties de l'objet (une ligne à haute tension sur la figure 2) dont on veut mesurer la température. La tete mobile dans laquelle sont logées les deux caméras, offre par exemple les possibilités de déplacements suivants - 1500 dans le plan horizontal, - 60 dans le plan vertical, - vitesse angulaires * lente 300/seconde, * rapide 600/seccnde. L'adjorcz-vn de freins électriques sur les moteurs de commande permet un cadrage précis. Cet ensemble permet donc de suivre en permanence le profil de l'ouvrage visité, quelque soit a configuration géographique du terrain et indépendamment du pilotage de l'hélicoptère. Le pilote n'a qu'à suivre une trajectoire parallèle à la ligne à une vitesse variable pouvant aller de 20 à 120 Km/h. La caméra colLeur présente un angle de visée plus mportant nue celui fourni par la caméra infrarouge. rec permet, lors de la visualisation de image infrarouge, de superposer à celle-ci une image visible plus large, ainsi qu'illustré sur la figure 3 où la référence l2 représente les contours de l'image infrarouge et la référence 14 les contours de l'image visible. L'image 14 fournie par la caméra vidéo couleur, au standard télévision CCIR classique permet le repérage géographique en visible des différentes scènes observées sur le eu de travail. n effet, les objets visés apparaissant sur l'image infrarouge sont souvent difficilement repérable par rapport à l'environnement dans lequel ils sont situés, compte tenu de leur forme ou de la dimension de ceux-ci et du fort gradient de température par rapport à cet environnement. Le plan image vidéo 14, grâce à un angle de visé plus important que celui fourni par la caméra IR vient se superposer et par là même couvrir entièrement a scène thermique 12 explorée (figure 3). La localisation exacte du point chaud détecté sur une ligne, par exemple, devient alors plus aisée. Pour éviter toute surbrillance ou réflexion solaire sur l'écran, l'objectif de la caméra vidéo 6 peut être équipé d'un filtre type Polaroid ("Sensitive") ainsi que d'un diaphragme automatique. Par conséquent, quand on a détecté un point chaud sur l'image infrarouge, on superpose à cette dernière l'image visible, afin de repérer exactement la position de ce point. La figure 4 illustre les différentes unités employées dans un appareil pour la mesure des températures, et la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le boffiter 2 conte t les caméras 4 et 6 déjà décrites ci-de sus. Chaque caméra est montée en liaison avec un mc ur électro , les moteurs étant pilotés par un orateur a paIr d'une ta;e de commande 10. Sur un écran 20, cet opérateur peut visualiser les images visible 14 et infrarouge 12 et obtenir des images superposées, tel que décrit cidessus, en liaison avec la figure 2. Les signaux obtenus par la caméra visible et la caméra infrarouge sont transmis à une unité de traitement 16 comportant un micro-ordinateur, ainsi que différents éléments tels que - une carte de conversion pour convertir les données infrarouges du standard infrarouge en standard CCIR (standard de la caméra vidéo), - une carte d'extraction de gammes et de niveaux de température, - une carte incrustation de texte pour insertion des données, - une carte vidéo permettant de traiter l'image vidéo fournie par le capteur, - une carte compression-décompression permettant la réduction de la taille mémoire nécessaire au stockage d'une image visuelle sans détérioration, - une carte dite "unité centrale", qui est en fait un processeur de gestion de l'application, - une unité de mémoire de masse et de disquettes pour le stockage de l'ensemble des informations et données infrarouges et visibles, - une carte de visualisation-incrustation des images et des textes pour gérer la taille et la position des images sur l'écran de visualisation et les intitulés des paramètres sur chacune des images, - un ensemble électronique permettant la commande du boitier 2 par l'intermédiaire de la table 10. A l'aide d'un ensemble 18 écran-clavier, relié à l'unité de traitement 16, l'opérateur peut enregistrer des informations, introduire des valeurs de certains paramètres, donner des noms aux fichiers et traiter ces derniers. Dans le cas d'une application telle que celle illustrée sur la figure 2, l'ensemble des éléments 10, 16, 18, 20 est embarqué à bord de l'hélicoptère. Il permet à un opérateur de visualiser les parties intéressantes de la ligne à haute-tension et de mémoriser les images correspondantes. Le procédé selon l'invention permet de calculer la température d'un point chaud à partir d'une image infrarouge, et ceci par référence à la température d'un autre point situé sur cette même image, dit point de référence. Il faut d'abord signaler que ce procédé est valable quel que soit le capteur IR utilisé. Des paramètres relatifs au capteur utilisé doivent être introduits, qui peuvent différer d'un capteur à l'autre ; néanmoins, la méthode proposée permet d'obtenir des résultats équivalents, aux différences près de qualité intrinsèque entre ces différents capteurs. Les mesures peuvent être effectuées sur des images que l'on vient de figer et/ou sur des images précédemment stockées dans la mémoire de masse que l'on restitue à l'écran. On va supposer qu'on a repéré, sur une image, un point M dit "point chaud" et un point R sain, dit point "de référence". Dans une première étape, on peut d'abord calculer une température de référence théorique TRt au point i, ceci à partir de la formule de Kuipers et 3rown, obtenue par l'écriture du bilan des puissances échangées par un conducteur à l'équilibre thermique. Cette formule permet de prendre en compte des paramètres relatifs à l'environnement dans lequel les mesures infrarouges sont faites. Ces paramètres sont - le rayonnement solaire (Si en watt/m2), - la vitesse du vent transversal à l'objet mesuré (V en m/s), - la température ambiante (T1 en Kelvin). Des paramètres relatifs à l'objet de référence lui-même, au point R, sont également pris en compte - le coefficient d'absorption solaire (a), - le pouvoir émissif par rapport au corps noir (E). Si l'objet est un corps conducteur, on notera, en outre - I l'intensité du courant dans le conducteur (en Ampères), - R20 la résistance du conducteur en courant continu, à 200C, en ohms/mètre, - K le coefficient de température de la résistance à masse constante, soit a) 0,0040/"C pour l'aluminium, ) 0,0036/OC pour l'almelec, - d le diamètre du conducteur au point R, mesuré en mètre. Les valeurs des paramètres a, Si, Tl, V peuvent être estimées, ou mesurées par des équipements ou des procédures complémentaires, et mises en mémoire par l'opérateur au cours de la mesure. Les valeurs de I, R20, d sont connues par les données de construction et de fonctionnement du conducteur. E est connu par référence à une liste d'émissivité de certains matériaux. Tous ces paramètres permettent de calculer la température de référence TRt, par la formule de Kuipers et Brown: |R20(1+K(TRt-293))+aSid=8.55(TRt-T1)(Vd)0.448+ES#d(TRt4-T14) Tm4-T14) où S est la constante de Stéphan (=5,7xl0-8 watt/m2). Dans une deuxième étape, on calcule un coefficient de distance Cd avec la table de réponse à une fente de l'ensemble capteur-objectif. Cd correspond en fait à la dégradation des caractéristiques de la caméra pour la mesure de petits objets et à l'influence grandissante des perturbations apportées par l'environnement et est donné par la formule Cd= k capteur + Ca où - k capteur est un facteur de transmission (en *), donné par le constructeur sous forme de courbe et est fonction de l'angle sous lequel est vu l'objet (exprimé en milliradians) ; et - Ca est le coefficient d'absorption du rayonnement infrarouge dans l'atmosphère, fonction en particulier de la longueur d'onde du rayonnement analysé et de l'humidité de l'air. Dans une troisième étape, on calcule la température du point chaud sélectionné sur l'image infrarouge. On calcule d'abord la réponse point chaud en unité thermique (UI), à partir de la tension correspondant au pixel de l'image, associés au point chaud M. En fait, plutôt que de considérer uniquement ce point, on préfère plutôt considérer un certain nombre (par exemple 10) de points autour du point M. Les tensions correspondant aux pixels de l'image associée à chacun de ces points sont moyennées en une valeur VM. Le capteur infrarouge possède une certaine gamme G de mesures pleine échelle, exprimée en unités thermiques par volt. Cette gamme est connue par les données du constructeur du capteur et par étalonnage. La réponse du point chaud, en unité thermique, est égale à TM(UI)=GxVM + niveau de décalage De même, la réponse du point de référence TR(UI) est obcenue à partir de la moyenne VR des tensions d'un certain nombre de pixels (par exemple 5) autour du point de référence TR(UI)=GxVR + niveau de décalage La température du point chaud M, mesurée en unités thermiques, est égale à où EM est l'émissivité du point chaud M, et E est l'émissivité du point de référence R. Dans une quatrième étape, on peut convertir la température du point chaud en OC. Dans le cas du capteur infrarouge pris en exemple, à partir de coefficients d'étalonnage B, F, R, donnés par le constructeur pour chaque type de caméra infrarouge, on peut utiliser la relation Dans une cinquième étape, on calcule l'écart de température entre M et la température théorique TRt calculée pour le point R A TRt Il peut être intéressant de ramener cette valeur de A au cas où une intensité maximale admissible 1max circule dans le conducteur #max=#(Imax/I)2V0,448 où V et I ont déjà été définis plus haut comme étant respectivement la composante transversale de la vitesse du vent, et l'intensité du courant circulant dans le conducteur au moment de la mesure. A partir de cette valeur Amaxt une classification est attribuée au point chaud mesuré, qui entraine l'établissement d'un certain diagnostic et, éventuellement, une prise de décision quant à la nécessité d'une intervention, ou pas, à cet endroit des installations. Cinq étapes successives ont été décrites. Mais, d'une part, l'ordre des étapes n'est pas nécessairement celui qui vient d'être décrit (par exemple, le calcul de TRt peut être fait après le calcul de #M ou de OM) d'autre part, on peut se limiter à la mesure de eM et ne pas calculer TRt ni réaliser la comparaison avec TRt. Dans ce dernier cas, en effet, meme si on n' utilise pas la possibilité qu'offre la présente méthode de pouvoir introduire des paramètres extérieurs vSi, a, V, etc.) dans les termes d'une comparaison entre GM et une température théorique TRt qui prend justement en compte ces paramètres, on obtient néanmoins le premier résultat que constitue la mesure de GM. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure à distance de la température d'un objet, caractérisé en ce que - on visualise une image infrarouge IR de l'objet, à l'aide d'une caméra infrarouge ayant des caractéristiques photoélectriques et des caractéristiques géométriques, une tension V étant associée à chaque pixel de l'image, - on mémorise ladite image infrarouge IR, - on sélectionne, à l'intérieur de cette image - une zone de référence et un point R de référence à l'intérieur de cette zone, - un point M dont on veut mesurer la température, - on calcule une température GM du point M, à partir d'une tension VM correspondant à la moyenne de la tension de n pixels de l'image associés au point M, d'une tension VR correspondant à la moyenne de la tension de q pixels de l'image associés au point R, des caractéristiques photoélectriques et géométriques de la caméra et de la température ambiante Tl. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que n=10. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que q=5. 4. Procédé selon l'une des revendications l à 3, caractérisé en ce qu'on réalise en outre - une étape de calcul de la température théorique TRt du point de référence R, à l'aide de la formule dite de Kuipers et Brown. - une étape de comparaison de la température mesurée ffi du point M avec la température TRt. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on classe le point M en une catégorie d'une série de catégories prédéterminées. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'objet dont on veut mesurer une température est un conducteur électrique, la température TRt étant aiors calculée par la formule |2R20(1+K(TRt-293))+aSid=8,55(TRt-T1)(Vd)0,448+ES#d(TRt4-T14) ou S est la constante de Stéphan (5,7xl0~8W/m2), Si est ie rayonnement solaire au point R (en W/m2), V la vitesse du vent, transversal au conducteur (m/s) T1 la température ambiante (en K), a le coefficient d'absorption solaire de l'objet, E le pouvoir émissif de l'objet par rapport au corps noir, I l'intensité du courant dans le conducteur (en A), R20 la résistance du conducteur en courant continu, à 200C, en Q/m et K le coefficient de température de la résistance à masse constante.