Brevet FR2752056A1 — publié le 19980206

DISPOSITIF DE MESURE DES PROPRIETES RADIATIVES DE PRODUITS METALLIOUES, ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE DE CE DISPOSITIF La présente invention concerne la mesure des propriétés radiatives de produits métalliques, notamment de tôles, et s'adresse plus particulièrement à la mesure en ligne de ces propriétés radiatives, lorsque ces produits sont en défilement. Les propriétés radiatives des tôles ou produits similaires peuvent varier fortement en fonction de nombreux paramètres, tels que la longueur d'onde des radiations considérées, la direction de ces radiations, et l'état de la surface du produit (morphologie, rugosité, pollution de surface notamment). . Ainsi, dans le domaine de la fabrication des tôles métalliques, notamment en acier, les propriétés radiatives de la tôle à l'issue des différents traitements tels que laminage à froid, décapage, etc., sont très variables selon la longueur de la tôle, du fait par exemple des irrégularités de refroidissement dues à des stagnations d'eau au contact de la tôle. On admet par contre que les variations de ces propriétés dans le sens de la largeur de la tôle ne sont pas sensibles ni déterminantes. Les propriétés radiatives de ces tôles avant les traitements thermiques subséquents, tels que ceux effectués par les lignes de recuit continu, ne sont donc pas constantes. Ceci peut entraîner des perturbations lors du chauffage des tôles effectué classiquement dans les fours de recuit continu par rayonnement. Les variations d'absorptivité ou, corrélativement, d'émissivité, peuvent ainsi entraîner des surchauffes localisées de la bande de tôle dans le four et des imprécisions sur les mesures de température effectuées par pyrométrie optique. I1 est donc particulièrement important, pour une bonne maîtrise du traitement thermique en recuit continu mais aussi dans de nombreux autres cas tels que par exemple dans des lignes de galvanisation, de connaître les propriétés radiatives des tôles juste avant ces traitements. Or, il n'existe pas actuellement de dispositifs adaptés pour caractériser en ligne de fabrication les propriétés radiatives des tôles. En particulier, lorsque les bandes de tôle sont relativement froides, par exemple à moins de 500C comme c'est le cas à l'entrée des fours de recuit continu, l'énergie émise par le produit luimême est insuffisante pour permettre de mesurer son émissivité. Des mesures directes d'émissivité ne sont donc pas pratiquement utilisable en ligne dans de telles conditions. Les mesures de propriétés radiatives sont dans la pratique effectuées en laboratoire. On connaît ainsi différents dispositifs utilisés pour effectuer des mesures de réflectivité dans les domaines des courtes longueurs d'onde et des basses températures, tels que les systèmes à miroirs hémisphériques, ellipsoïdaux ou paraboliques, ou les systèmes à sphère intégrante. Le principe de base de ces dispositifs consiste à soumettre la surface de l'échantillon à un flux d'énergie radiative et à mesurer l'énergie réfléchie, la surface réfléchissante et incurvée du ou des miroirs utilisés servant soit à créer un flux incident diffus, généralement hémisphérique et le plus isotrope possible, obtenu grâce aux multiples réflections d'un rayonnement incident sur la surface du miroir, soit à concentrer le flux réfléchi plus ou moins diffus sur un détecteur, soit encore les deux effets simultanément. Les dispositifs à miroirs ne peuvent pas en pratique être utilisés pour des mesures de propriétés radiatives en ligne, du fait de la grande ouverture de tels systèmes, qui nécessiterait la réalisation d'un diffuseur suffisamment mince pour être pratiquement coplanaire avec le produit. Comme ce diffuseur devrait être nécessairement en contact avec la surface à étudier, sa réalisation serait pratiquement impossible. Les systèmes à sphère intégrante permettent soit de recueillir sur un détecteur le flux hémisphérique réfléchi par un échantillon, soit plus fréquemment d'éclairer un échantillon avec un flux hémisphérique diffus et isotrope. Dans ce dernier cas, l'échantillon placé à l'intérieur de la sphère, généralement en son centre, est soumis à un flux incident diffus obtenu grâce à un rayonnement infra-rouge qui subit de multiples réflections sur la surface interne réfléchissante de la sphère avant d'atteindre la surface de l'échantillon, et on mesure alors l'énergie réfléchie au moyen d'un détecteur visant la surface de l'échantillon. I1 est clair que les dispositifs connus à sphère intégrante ne peuvent convenir pour la mesure en ligne de fabrication des propriétés radiatives de produits, puisque que l'échantillon doit être placé à l'intérieur de la sphère. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes indiqués ci-dessus et vise en particulier à permettre la mesure des propriétés radiatives de produits métalliques, tels que des tôles, directement dans les installations industrielles de fabrication ou de traitement de ces produits, et en particulier sur les lignes de fabrication lors du défilement en continu de tels produits. L'invention a aussi pour but de permettre ces mesures sur des produits à température relativement basse qui, de ce fait, ne présentent pas une émission radiative propre suffisante pour être directement mesurée par des dispositifs de mesure utilisables dans des conditions industrielle. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif de mesure des propriétés radiatives de produits métalliques, notamment de tôles, comportant une première sphère intégrante comprenant une enveloppe sphérique ayant une paroi présentant une surface intérieure réfléchissante, une source infra-rouge disposée de manière à émettre un rayonnement infra-rouge incident qui se diffuse par réflection sur la dite surface intérieure, et un détecteur de mesure de rayonnement infra-rouge, ce dispositif étant caractérisé en ce que - une fenêtre d'irradiation, devant laquelle le produit à inspecter peut passer, est ménagée dans la paroi de l'enveloppe sphérique, - le dit détecteur de mesure est situé dans une position sensiblement diamétralement opposée à la dite fenêtre d'irradiation et a une première direction de visée passant par la dite fenêtre d'irradiation. Le dispositif selon l'invention permet d'irradier le produit par un flux énergétique diffus et isotrope, généré à l'intérieur de la sphère à partir de la source infra-rouge, et qui parvient sur la surface du produit en passant par la dite fenêtre. Le détecteur dirigé vers cette fenêtre capte le flux réfléchi par le produit situé devant cette fenêtre à l'extérieur de la sphère, permettant ainsi de mesurer la réflectivité de ce dernier et donc d'en déduire son absorptivité et son émissivité. Préférentiellement, le dispositif comporte un détecteur de contrôle ayant une deuxième direction de visée transversale à la direction incidente du rayonnement infra-rouge incident et à la dite première direction de visée. Ce détecteur de contrôle, constitué par exemple d'un capteur infrarouge placé sur la paroi de la sphère, vise une portion de la paroi interne de la sphère située à distance des zones susceptibles d'être soumise à une irradiation directe tant par le rayonnement incident que par le rayonnement réfléchi, c'est à dire une zone représentative du flux diffus isotrope généré à l'intérieur de la sphère. Il permet de mesurer en continu le flux isotrope interne de la sphère intégrante, et permet de vérifier que l'énergie émise par la source et que les propriétés de réflection du revêtement interne de la paroi de la sphère restent constantes, ou permet de corriger la valeur mesurée en fonction d'éventuelles variations de ces paramètres. Pour que le flux atteignant le produit soit le plus diffus et isotrope possible, le rayonnement infra-rouge incident a une direction incidente générale transversale à la dite première direction de visée, c'est à dire que le rayonnement issu de la source infra-rouge n'est pas dirigé ni vers la fenêtre d'irradiation, ni vers le détecteur. Comme on le verra par la suite, diverses sources infra-rouge peuvent être utilisées, tel que par exemple une lampe infra-rouge ou halogène ou un filament de platine qui peuvent être soit disposées directement sur la paroi de la sphère et éventuellement pénétrer légèrement à l'intérieur de celle-ci, soit placées à l'extérieur de la sphère, le rayonnement y pénétrant alors par une seconde fenêtre ménagée dans la paroi de la sphère à distance, par exemple à 900, de la fenêtre d'irradiation. On peut par exemple utiliser une deuxième sphère intégrante pourvue d'un générateur de rayonnement infra-rouge et d'une fenêtre de sortie du rayonnement disposée face à une fenêtre d'entrée de rayonnement ménagée dans la paroi de la première sphère intégrante. Dans ce cas, le rayonnement pénétrant dans la première sphère intégrante est déjà le plus homogène et isotrope possible dés son entrée dans la dite première sphère. Préférentiellement encore, quelque soit le type de source infra-rouge utilisé, au moins un écran réflecteur est placé dans la sphère intégrante de manière à empêcher le rayonnement infra-rouge incident de parvenir directement sur la fenêtre d'irradiation et/ou sur les détecteurs. Selon une disposition particulière, le rayonnement infra-rouge incident peut être modulé, par exemple par un modulateur placé sur son chemin entre la source infrarouge et la sphère intégrante, de manière à annuler périodiquement le flux irradiant le produit. Cette disposition permet, en particulier dans le cas d'une utilisation du dispositif pour mesurer les propriétés radiatives d'un produit en défilement, de tenir compte de l'éventuel rayonnement propre du produit ou de ses variations, en mesurant l'intensité de ce rayonnement propre lors des périodes d'annulation du rayonnement incident, pour déterminer par différence la part effective du flux réfléchi par le produit irradié par rapport à la totalité du flux mesuré. Selon une autre disposition encore, un filtre interférentiel peut être placé devant le détecteur de mesure, de manière à ne mesurer l'énergie radiative du produit que dans une fourchette prédéterminée de longueurs d'onde. L'invention a aussi pour objet un procédé de mesure des propriétés radiatives d'un produit métallique, caractérisé en ce que on place le dispositif selon l'invention à proximité du dit produit, la fenêtre d'irradiation étant placée face à la surface du produit de manière à irradier la zone de surface située face à la dite fenêtre d'irradiation par le rayonnement infra-rouge sortant de la sphère par la dite fenêtre, et on mesure au moyen du détecteur de mesure l'énergie réfléchie par le produit dans la direction du dit détecteur. Une application particulière de ce procédé est la mesure en ligne des propriétés radiatives d'une tôle en défilement dans une installation de traitement thermique de la dite tôle. Une autre application du procédé, pour la mesure de la température d'un produit métallique au moyen d'un pyromètre optique, est caractérisée en ce que on mesure les propriétés radiatives du produit à des longueurs d'onde correspondant aux longueurs d'onde du pyromètre, et on corrige la valeur de la température fournie par le dit pyromètre en fonction de la valeur mesurée de la réflectivité du produit aux dites longueurs d'onde. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite, à titre d'exemple, de deux variantes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, destiné à la mesure en ligne des propriétés radiatives de tôles en défilement. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation en coupe d'une première variante de réalisation, - la figure 2 est une vue d'une deuxième variante, - la figure 3 est un graphique montrant les résultats de mesures obtenus par l'utilisation du dispositif selon l'invention, comparativement à des mesures d'émission directe effectuées en laboratoire. Le dessin de la figure 1 représente un dispositif 1 conforme à l'invention, utilisé pour la mesure des propriétés radiatives de tôles 2 en défilement dans le sens de la flèche F. Le dispositif 1 comporte un caisson 10 à l'intérieur duquel est placé une sphère intégrante 12 dont la paroi 14 est revêtue intérieurement par un matériau présentant une réflectivité isotrope élevée, (par exemple Spectralon 8 ou Infragold &commat;). Une fenêtre d'irradiation 16 est ménagée dans la paroi de la sphère 12 et dans la paroi du caisson 1. Cette fenêtre présente une ouverture de diamètre 30 mm par exemple, et elle est obturée par un hublot transparent aux rayonnements infrarouge, par exemple en ZnSe ou KBr si l'on souhaite effectuer des mesures sur la totalité du spectre infrarouge, ou en quartz si l'on souhaite faire des mesures sur des bandes de fréquences plus limitées. Sensiblement diamétralement opposé à la fenêtre d'irradiation, est placé un détecteur infra-rouge 18, par exemple une thermo-pile, ayant une direction de visée dirigée vers la dite fenêtre d'irradiation et relié à une unité 20 de traitement des signaux fournis par le détecteur. Dans l'exemple representé, le détecteur 18 est dans une position exactement diamétralement opposée à la fenêtre d'irradiation 16. Il pourrait toutefois être décalé latéralement de sorte que la direction de visée fasse par exemple un angle d'environ 80 par rapport à la normale à la surface de la tôle. Le dispositif comporte par ailleurs une source infra-rouge 22, comportant par exemple une lampe infrarouge ou un filament de platine, délivrant un faisceau infra-rouge collimaté. La source infra-rouge 22 est située sensiblement dans un plan orthogonal à la direction diamétrale passant par la fenêtre d'irradiation 16 et le détecteur 18, face à une ouverture 24 ménagée dans la paroi 14 de la sphère 12. Un écran réflecteur 26 est placé à l'intérieur de la sphère en face de l'ouverture 24 pour réfléchir et diffuser le rayonnement 28, fourni par la source 22 et pénétrant dans la sphère, vers la surface interne de la paroi 14 de la sphère, comme on le voit sur la figure 1. L'écran 26 sert aussi à éviter que une partie du rayonnement incident 28 ne parvienne directement sur le détecteur 18 ou sur la surface de la tôle 2 au travers de la fenêtre d'irradiation 16. Le rayonnement ainsi réfléchi sur la surface interne de la sphère subit ensuite des réflections multiples qui génèrent à l'intérieur de la sphère un flux diffus quasiment parfaitement isotrope qui irradie (flèches 30) la zone de surface de la tôle situé en face de la fenêtre d'irradiation. Le rayonnement réfléchi par la tôle (flèche 32) en direction du détecteur de mesure 18 est capté par ce détecteur et transformé en un signal représentatif de l'énergie radiative réfléchie par la tôle qui est transmis à l'unité de traitement 20. Un second détecteur infra-rouge 34 est placé sur la paroi de la sphère 12 et disposé de manière à viser une zone de la paroi non soumise à une irradiation directe par le rayonnement incident 28. Ce détecteur 34, qui est également relié à l'unité de traitement 20 mesure sert à déterminer l'intensité du flux isotrope interne de la sphère et permet donc de détecter d'éventuelles variations de l'énergie émise par la source ou de la réflectivité du revêtement interne de la sphère. Il peut également servir à réguler l'intensité de la source 22, via une unité de commande 36. Le dispositif comporte optionnellement un modulateur 38, placé entre la source infra-rouge et l'ouverture 24 de la sphère et commandé par un circuit de modulation synchrone 40, qui permet de faire varier cycliquement l'intensité du rayonnement incident 28, de manière à pouvoir tenir compte, comme expliqué précédemment, de l'énergie émise par la tôle elle-même. Le caisson 10 est préférentiellement refroidi intérieurement pour éviter un échauffement excessif de la sphère intégrante. La cavité de la sphère peut aussi être mise en légère surpression et/ou inertée afin d'éviter que le revêtement intérieur de sa paroi soit dégradé par des poussières ou pollutions diverses qui pénétreraient dans la sphère. Du fait que la tôle est en défilement, une distance minimale est nécessaire entre la tôle et le caisson, et plus particulièrement entre la tôle et la fenêtre d'irradiation. Des moyens 42 de mesure de distance entre le caisson et la tôle, tels que par exemple un capteur inductif ou des moyens de mesure de distance par triangulation laser, sont fixés sur le caisson dans le but de maintenir la dite distance constante. Ceci permet d'éviter des perturbations de la mesure de réflectivité qui seraient provoquées par des variations des conditions d'irradiation et de réflection dues à des variations d'écartement entre la fenêtre d'irradiation et la tôle. Dans la variante de réalisation représentée figure 2, les éléments ayant la même fonction que dans la première variante sont indiqués par les même repères, et le caisson n'a pas été représenté. On notera en particulier que le détecteur 18 est placé dans une position telle que sa direction de visée soit légèrement inclinée. De plus, le détecteur 18 est équipé d'un filtre interférentiel 19 permettant de définir la gamme spectrale de mesure. Par ailleurs, dans cette variante, la source infrarouge est constituée d'une deuxième sphère intégrante 44 dans laquelle est placée une lampe infrarouge ou halogène 46. La deuxième sphère intégrante 44 est reliée à la première sphère 12 et comporte une fenêtre 48 de sortie du rayonnement disposée face à la fenêtre d'entrée 24 ménagée dans la première sphère. La deuxième sphère intégrante permet de générer un flux diffus. Le rayonnement 29 qui pénètre dans la première sphère par les dites fenêtres 48 et 24 est donc plus homogène et isotrope que dans la première variante. Dans ce cas, au lieu de l'écran réflecteur 26 placé face au rayonnement incident de la première variante, on pourra utiliser un ou plusieurs écrans 27, servant uniquement à éviter que le rayonnement parvienne directement sur le détecteur de mesure 18 ou le détecteur de contrôle 34. De plus, on pourra placer entre la fenêtre de sortie de la seconde sphère et la fenêtre d'entrée de la première sphère un dispositif à diaphragme 50 permettant de faire varier le flux entrant dans la première sphère intégrante. Le principe de base utilisé lors de la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention est de soumettre la tôle en défilement à un flux d'énergie radiative hémisphérique parfaitement isotrope et à mesurer l'énergie réfléchie par la bande. On mesure ainsi la réflectivité hémisphérique directionnelle isotrope notée #iso'(#,#). Le principe de réciprocité de Helmholtz permet d'écrire l'égalité suivante #iso'(#,#) = p' (O, , où p' (O,(p) est la réflectivité directionnelle hémisphérique. La mesure de la réflectivité hémisphérique directionnelle isotrope permet donc de déterminer la réflectivité directionnelle hémisphérique de la tôle et donc finalement l'absorptivité ou l'émissivité dans le cas de mesure monochromatique et pour des matériaux opaques aux rayonnements infrarouge.S En effet, pour un matériau opaque qui ne transmet aucun flux, la conservation de l'énergie entre le rayonnement incident, dune part, et les fractions réfléchies et absorbées, d'autre part, conduit à: #'##(#,#) + '(H,) = 1 , où a'(0,(p) est l'absorptivité monochromatique directionnelle à la longueur d'onde X. L'égalité de Kirchhoff conduit également à écrire que: a'(0,(p) = #'#(#,#), 8'(0,(p) étant l'émissivité monochromatique directionnelle. Cette égalité ne peut être étendue aux grandeurs hémisphériques ou totales que dans des cas très particuliers (matériaux gris, Lambertiens). Une approximation de cette égalité pourra être effectuée dans le cas d'intégration spectrale ## étroite, ainsi: a'##(#,#) = E'A(O,(p) Ainsi, une mesure de réflectivité totale sera utilisée, pour des applications de contrôle du traitement thermique du produit, pour mesurer en ligne les propriétés radiatives d'une tôle en défilement, par exemple avant son entrée dans un four de recuit continu. Une mesure de réflectivité spectrale permettra par contre de mesurer les propriétés radiatives dans la gamme de mesure des pyromètres optiques et donc de contrôler et d'optimiser la mesure de température au niveau des lignes de traitement des tôles. D'autres applications sont envisageables, par exemple le suivi de l'alliation pour des tôles revêtues ou zinguées, la suralliation ou la sous-alliation étant corrélée à des valeurs précises d'émissivité. La figure 3 illustre des résultats d'essais comparatifs de la détermination d'émissivité d'un échantillon de tôle graphitée (tracés 51, 52) et d'un échantillon d'AlUSi (tracés 53, 54), obtenus d'une part au moyen du dispositif selon l'invention (tracés 51, 53) et d'autre part par une méthode de mesure directe de l'énergie émise par l'échantillon (tracés 52, 54). On constate une très bonne correspondance entre les résultats obtenus par ces deux techniques de mesure, et ceci quelle que soit llémissivité de l'échantillon testé et sur toute la gamme infra-rouge. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure des propriétés radiatives de produits métalliques (2), notamment de tôles, comportant une première sphère intégrante (12) comprenant une enveloppe sphérique ayant une paroi (14) présentant une surface intérieure réfléchissante, une source infrarouge (22) disposée de manière à émettre un rayonnement infra-rouge incident (28) qui se diffuse par réflection sur la dite surface intérieure, et un détecteur (18) de mesure de rayonnement infra-rouge, caractérisé en ce que - une fenêtre d'irradiation (16), devant laquelle le produit métallique (2) est susceptible de passer, est ménagée dans la paroi (14) de l'enveloppe sphérique, - le dit détecteur de mesure (18) est situé dans une position sensiblement diamétralement opposée à la dite fenêtre d'irradiation (16) et a une première direction de visée passant par la dite fenêtre d'irradiation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur de contrôle (34) ayant une deuxième direction de visée transversale à la dite première direction de visée. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un écran (26) placé de manière à empêcher le rayonnement infrarouge incident de parvenir directement sur la fenêtre d'irradiation et/ou sur les détecteurs. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur (38) placé sur le rayonnement infra-rouge incident. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre interférentiel (19) placé devant le détecteur de mesure. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source infra-rouge est placée à l'extérieur de la première sphère intégrante et comporte une deuxième sphère intégrante (44) pourvue d'un générateur de rayonnement infra-rouge (46) et d'une fenêtre (48) de sortie du rayonnement disposée face à une fenêtre (24) d'entrée de rayonnement ménagée dans la paroi de la première sphère intégrante (12). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la sphère intégrante (12) est placée dans un caisson (10) refroidi intérieurement. 8. Procédé de mesure des propriétés radiatives d'un produit métallique (2) , caractérisé en ce que on place le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à proximité du dit produit, la fenêtre d'irradiation (16) étant placée face à la surface du produit de manière à irradier la zone de surface située face à la dite fenêtre d'irradiation par le rayonnement infra-rouge (30) sortant de la sphère par la dite fenêtre, et on mesure au moyen du détecteur de mesure (18) l'énergie (32) réfléchie par le produit dans la direction du dit détecteur. 9. Application du procédé selon la revendication 8 à la mesure en ligne des propriétés radiatives d'une tôle (2) en défilement dans une installation de traitement thermique de la dite tôle. 10. Application du procédé selon la revendication 8 à la mesure de la température d'un produit métallique au moyen d'un pyromètre optique, caractérisée en ce que on mesure les propriétés radiatives du produit à des longueurs d'onde correspondant aux longueurs d'onde du pyromètre, et on corrige la valeur de la température fournie par le dit pyromètre en fonction de la valeur mesurée de la réflectivité du produit aux dites longueurs d'onde.