Brevet FR2768510A1 — publié le 19990319

PROCEDE ET DISPOSITIF D'IMAGERIE DES TEMPERATURES D'UN CORPS OPAQUE TRES CHAUD DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne l'étude et la surveillance des températures d'un corps très chaud et inaccessible pour des moyens de mesure et de surveillance habituels. On pense, en particulier, à la surveillance d'un bain de fusion, par exemple un bain fondu de soudage par faisceau laser ou faisceau d'électrons, ou d'une pièce métallique chauffée par induction, dans une enceinte polluée, ou dans des conditions polluantes. Art antérieur et problème posé Dans le cadre de l'étude et de la surveillance des températures de pièces ou de scènes à hautes températures, il est connu d'utiliser des systèmes monochromes de visualisation ou de mesure de température utilisant des caméras monochromes infrarouges, mais, en général, ces caméras fonctionnent dans des bandes de fréquences de 3 à 5 um et de 8 à 12 um, bandes adaptées à la mesure de températures inférieures à 300"C. Mais, les détecteurs matriciels de ces caméras sont de dimensions limitées. De plus, ils nécessitent un refroidissement et sont très onéreux. En outre, on signale qu'il n'existe pas de faisceaux de fibres optiques transmettant à ces longueurs d'ondes. On connaît également des systèmes utilisant une seule caméra et un système mécanique faisant passer différents filtres devant l'objectif de la caméra. Le changement des filtres optiques n'autorise pas la simultanéité des mesures. On connaît également des systèmes à une seule caméra, donc monochromes, qui sont utilisés, en particulier, dans les systèmes endoscopiques, et qui nécessitent l'apport d'un éclairage. Dans ce cas, le transport de l'image se fait par faisceaux de fibres optiques. Enfin, par le brevet français, publié sous le numéro FR-A-2 726 081, on connaît un pyromètre bichrome destiné à la mesure en un point de la température d'un gaz ou d'une surface en mouvement. Ce pyromètre comprend - une sonde pour capter le rayonnement thermique - une fibre optique pour transmettre le rayonnement - un bloc optique pour délivrer le rayonnement - un circuit de détection pour délivrer des tensions caractéristiques de la mesure ; et - un circuit de traitement de ces signaux de tension. Le bloc optique comprend des moyens de séparation formés d'une lame dichroide pour séparer le rayonnement transmis, selon deux bandes spectrales distinctes. Le but de l'invention est de réaliser la surveillance, ou d'établir la cartographie, avec une image de 200 x 200 pixels par exemple, de température d'un bain de fusion se trouvant dans une enceinte polluante, toxique et inaccessible pour des opérateurs et pour des matériels habituellement utilisés pour ce genre de travaux de visualisation. On cherche, en outre, à s' affranchir de certaines composantes physiques qui affectent l'image de mesure, sans apporter d'indications particulières concernant les températures. Résumé de l'invention A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé d'imagerie des températures d'un corps opaque très chaud, consistant à visualiser ledit corps à l'aide de deux caméras, à deux fréquences différentes pour fournir une image par superposition en éliminant un paramètre physique dudit corps indésirable pour l'exploitation de l'image. Lorsque ledit corps est placé dans un endroit inaccessible pour deux caméras, le procédé consiste à focaliser sur une première extrémité d'un faisceau de fibres optiques, l'image du corps à analyser et à focaliser l'image ainsi transportée issue de la deuxième extrémité du faisceau de fibres optiques sur les deux caméras, au moyen d'une lame séparatrice. De plus, lorsque le milieu où se trouve ledit corps opaque est susceptible de détériorer l'élément optique en amont du faisceau de fibres optiques, le procédé consiste à utiliser un dispositif de protection d'optique constitué d'un film déroulant devant l'élément optique à protéger. Le deuxième objet, élément principal de l'invention, est un dispositif d'imagerie des températures d'un corps opaque très chaud, comprenant - un premier élément optique pour focaliser l'image dudit corps - un faisceau de fibres optiques sur une première extrémité duquel l'image du corps est focalisée par le premier élément optique - un deuxième élément optique pour focaliser l'image dudit corps restituée à la deuxième extrémité du faisceau de fibres optiques - une lame séparatrice qui partage le faisceau en deux faisceaux ; et - deux caméras placées en aval de la lame séparatrice et recevant chacune l'image restituée par un des deux faisceaux, les deux caméras visualisant l'image à des différentes longueurs d'ondes. Dans sa réalisation principale, les deux caméras sont identiques et sont équipées chacune d'un filtre de longueurs d'ondes différentes. Il est très avantageux d'utiliser une plaque d'absorption sur chacun des deux faisceaux, en aval de la lame séparatrice. Les caméras sont, de préférence, des systèmes du type à éléments photosensibles à transfert de charges à matrice de silicium. Un diaphragme peut avantageusement entre intercalé entre le deuxième élément optique et la lame séparatrice. Dans le cas où le corps à visualiser se trouve dans un lieu pollué, ou susceptible de détériorer le premier élément optique, on utilise un dispositif de protection des éléments optiques constitué principalement d'un film déroulant placé dans une cassette, placée elle-même dans un boitier dérouleur. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, d'une réalisation possible de l'invention. Elle est accompagnée de trois figures qui représentent respectivement - figure 1, le dispositif selon l'invention ; - figure 2, un schéma relatif à l'imagerie obtenue avec le dispositif selon l'invention ; et - figure 3, le dispositif de protection du premier élément optique utilisé dans le dispositif selon l'invention. Description détaillée d'une réalisation de l'invention Sur la figure 1, on peut distinguer tous les éléments essentiels du dispositif d'imagerie selon l'invention. Un bain de fusion symbolisant un corps opaque très chaud 1 est représenté à droite de cette figure 1. Le bain de fusion peut être celui d'un soudage par faisceau d'électrons, ou faisceau laser. Il se trouve, en particulier, confiné ou difficilement accessible. Ce confinement est symbolisé par une cloison 30 séparant le corps 1 des appareils de visualisation du système selon l'invention. La scène visualisée peut également être celle d'une pièce métallique chauffée par induction. Dans le but de protéger tous les appareils optiques et, en particulier, le miroir réfléchissant 3 et le premier élément optique 4, on utilise un dispositif de protection 2 placé entre le corps 1 et un élément optique réfléchissant 3. Ce dispositif sera décrit plus loin en considérant la figure 3. Le miroir réfléchissant 3 renvoie l'image du corps 1 sur un premier élément optique 4, qui focalise l'image de ce corps 1 sur la première extrémité 5A d'un faisceau de fibres optiques 5. Ce premier élément optique est, de préférence, une optique de focalisation de 50 mm de distance focale. Le faisceau peut comporter 40 000 fibres optiques ordonnées à ses deux extrémités 5A et 5B. Il transmet donc une image d'environ 200 points sur 200. La deuxième extrémité 5B de ce faisceau de fibres optiques restitue donc l'image du corps 1 à travers un orifice 6A de la cloison. En regard de cette deuxième extrémité 5B, on place un deuxième élément optique 6 dont le but est de focaliser l'image restituée par cette deuxième extrémité 5B du faisceau de fibres optiques 5. Ce deuxième élément optique est, par exemple, du type PETZVAL, de distance focale de 100 mm, corrigée des aberrations optiques. Un diaphragme 7 peut être intercalé en aval de ce deuxième élément optique 6 pour limiter la densité de lumière de l'image. Il est ainsi possible de déplacer la plage de températures mesurable, par exemple de 1 500 à 2 000"C, au lieu de 800 à 1 300"C. L'image focalisée par le deuxième élément optique 6 est envoyée vers une lame séparatrice 8, qui partage en deux, à densités de flux égales, l'image ainsi focalisée. Cette dernière est donc envoyée vers deux caméras 10A et 10B qui captent donc cette image focalisée. On intercale entre la lame séparatrice 8 et les deux caméras 10A et 10B deux filtres 9A et 9B, respectivement sur les deux faisceaux ainsi partagés. Ces filtres 9A et 9B ont des bandes passantes différentes, de sorte que les deux caméras 10A et lOB perçoivent des images de longueurs d'ondes différentes. Ces deux filtres 9A et 9B peuvent être des filtres interférentiels de bandes passantes de 10 nm à 20 nm et de longueurs d'ondes pouvant varier entre 750 et 1 100 nm. La lame séparatrice est, de ce fait, optimisée à 800 nm. Des plaques d'absorption de lumière, appelées des densités neutres en optique llA et llB peuvent être intercalées au niveau des filtres 9A et 9B pour atténuer des flux de lumière transmis aux caméras 10A et 10B, en fonction de la scène à visualiser et, plus précisément, de la densité de lumière qui est transmise par l'image. Les deux caméras 10A et 1CB sont, de préférence, des caméras CCD de silicium, c'est-à-dire du type à éléments photosensibles à transfert de charges, utilisant une matrice au silicium. Les longueurs d'ondes sont relativement courtes, par exemple dans le visible, proches de l'infrarouge. De telles caméras sont classiques et se trouvent dans le commerce à des prix relativement peu élevés. La figure 2 montre, d'une part, à gauche, les deux écrans respectifs 12A et 12B des deux caméras 10A et 10B de la figure 1, utilisées dans le dispositif selon l'invention. Compte tenu du fait que les longueurs d'ondes captées par les caméras sont différentes, les images visualisées le sont également. On peut ainsi, par superposition, supprimer une grandeur physique indésirable, telle que l'émissivité du corps visionné, c'est-à-dire du bain de fusion. L'image résultant de cette superposition est schématisée par l'écran de droite 13, qui est une combinaison des deux images visualisées par les deux premiers écrans 12A et 12B. La figure 3 montre en détail le dispositif de protection 2 placé en amont de l'élément réfléchissant 13 en regard du corps 1 à visualiser. Il est destiné à protéger physiquement cet élément optique réfléchissant 3, qui peut être soumis à des projections de particules solides, liquides, ou sous forme de vapeur, à très hautes températures. Il est constitué d'un film déroulant, non représenté, devant être déroulé à vitesse à peu près constante et placé devant l'élément à protéger. Il s'applique dans différentes circonstances, telles que les milieux présentant de très fortes vaporisations, comme le soudage par faisceaux d'électrons, ou le brasage sous vide. Il se présente sous la forme d'un boîtier dérouleur 14, 16 comprenant lui-même un boîtier moteur 14, à l'intérieur duquel est logé un moteur d'entraînement 15. L'autre partie constitue le corps 16 du boitier dérouleur et est destinée à recevoir une cassette 20 contenant le film transparent. La première bobine 21A de la cassette 20 est entraînée par une roue d'entrainement 19 débouchant dans le corps 16 du boîtier dérouleur. La cassette 20 est donc introduite dans ce corps 16 du boîtier dérouleur et y est maintenue à l'intérieur par une porte 17 fermée par un dispositif de verrouillage 18. Cette cassette 20 a une structure analogue aux cassettes contenant les films photographiques. Elle comprend deux bobines 21A et 213 placées de part et d'autre d'un orifice 22, en regard duquel le film transparent est déroulé. Ce dernier peut être un film en Mylar, susceptible de fondre seulement au-dessus de 250"C. La vitesse de déroulement du film est variable. Il est néanmoins possible de concevoir des cassettes dont la durée maximale de fonctionnement est de l'ordre de 6 min pour une vitesse de 15 mm/s. Il est ainsi facile de créer un dispositif de protection permettant de protéger un élément optique s' inscrivant dans un carré de 30 mm de côté. En jouant sur le diaphragme 7, qui est de préférence un diaphragme à iris, et sur les plaques d'absorption de densité de lumière llA et llB, il est possible de décaler la plage de mesures des températures susceptibles d'être mesurée. Ainsi, le montage peut être réglé habituellement pour une plage de températures allant d'environ 900 à 1 200"C. En outre, il est possible de faire des mesures de 1 200 à 1 400OC. La température maximale n'est, a priori, pas limitée, tandis que la température minimale est de l'ordre de 800"C. Il est possible de réaliser le calcul de températures à partir des deux images ainsi visualisées. Cette procédure est composée de trois phases qui sont, l'étalonnage, le recalage des deux images, le calcul de températures en chaque point de l'image. Concernant l'étalonnage, une caméra délivre, pour chaque pixel, une tension électrique proportionnelle à l'éclairement intégré pendant la durée de l'acquisition. Cet éclairement est proportionnel à la luminance du corps à mesurer ou à observer, grâce au système optique. Il existe donc une relation de proportionnalité entre la luminance de l'objet observé et la tension délivrée par la caméra. Pour de nombreuses applications, il est impératif de connaître ce coefficient. C'est pourquoi, il est préférable d'étalonner le dispositif selon l'invention, sur un corps noir. On peut donc en déduire le coefficient respectif de chacune des deux caméras. Concernant le recalage, il faut remarquer que l'image délivrée par la deuxième caméra 10B est l'image symétrique de celle délivrée par l'image 10A. En effet, la première caméra 10A fournit une image qui n' a subi qu'une seule réflexion, alors que la deuxième caméra 10B délivre une image qui a subi deux réflexions. Le recalage se fait donc en observant un point particulier dans le plan des fibres optiques du faisceau. Ce point doit etre exactement le même pour les deux images fournies par les deux caméras 10A et 10B. Concernant le calcul de températures en chaque point, on définit un niveau numérique compris entre 0 et N, par exemple entre 0 et 255, et noté respectivement PA(i, j) et PA(i, j) et relatif aux caméras 10A et 10B. Ainsi, si L est la luminance de l'objet à la longueur d'onde XA et à la température T et si CA est le coefficient de proportionnalité déterminé à l'étalonnage de la caméra 10A, on obtient PA(i, j) = CA . L (#A, T). La luminance de l'objet à observer à la longueur d'onde 1 est de la forme où - c est la célérité de la lumière dans le vide ; - h la constante de PLANCK ; - k la constante de BOLTZMANN - E est l'émissivité du corps observé. En combinant ces deux équations, on obtient le système suivant Nous choisissons des longueurs d'ondes assez proches pour pouvoir supposer que l'émissivité est la même aux deux longueurs d'ondes #(#A) = # (#B). On obtient alors l'expression de la température On constate que le dispositif et le procédé, selon l'invention, sont utilisables en dehors de tout contexte de pollution. Le procédé est, d'autre part, utilisé avantageusement, aussi bien pour la mesure de température que pour la visualisation et le contrôle. REVENDICATIONS 1. Procédé d'imagerie des températures d'un corps opaque très chaud (1), consistant à visualiser ledit corps (1) à l'aide de deux caméras (lOA) et (10B) à deux fréquences différentes, pour fournir une image par superposition en éliminant un paramètre physique dudit corps (1) indésirable pour l'exploitation de l'image. 2. Procédé selon la revendication 1, ledit corps (1) étant placé dans un endroit inaccessible pour les deux caméras (10A, 10B), caractérisé en ce qu'il consiste à focaliser, sur une première extrémité (5A) d'un faisceau de fibres optiques (5), l'image du corps à analyser et à focaliser l'image ainsi transportée, issue de la deuxième extrémité (5B) du faisceau de fibres optiques (5) sur les deux caméras (10.R, 10B), au moyen d'une lame séparatrice (8). 3. Procédé selon la revendication 2, le nilieu où se trouve ledit corps (1) étant susceptible de détériorer un élément optique (4) placé en amont du faisceau de fibres optiques (5), caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un dispositif de protection d'optique (2) constitué d'un film déroulant devant l'élément optique à protéger (4). 4. Dispositif d'imagerie de températures d'un corps opaque très chaud (1), comprenant - un premier élément optique (4) pour focaliser l'image dudit corps (1) - un faisceau de fibres optiques (5) sur une première extrémité (5A) duquel l'image dudit corps (1) est focalisée - un deuxième élément optique (6) pour focaliser l'image dudit corps restituée à une deuxième extrémité (5B) du faisceau de fibres optiques (5) - une lame séparatrice (8) pour partager le faisceau en deux faisceaux ; et - deux caméras (lOA, 10B) placées en aval de la lame séparatrice (8) et recevant chacune l'image restituée par un des deux faisceaux, ces deux caméras (10A, 10B) visualisant le corps (1) à des différentes longueurs d'ondes. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux caméras (lOA, 10B) sont identiques et équipées chacune d'un filtre de longueurs d'ondes différentes (9A, 9B). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque d'absorption (île, 11B) sur chacun des deux faisceaux, en aval de la lame séparatrice (8). 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de protection (2) des éléments optiques (3, 4) comprenant un film déroulant placé dans une cassette (20) placée elle-même dans un boîtier dérouleur (14, 16). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le film est transparent et en Mylar. 9. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux caméras (lOA, lOB) sont du type à éléments photosensibles à transfert de charges à matrice de silicium. 10. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un diaphragme (7) placé entre le deuxième élément optique (6) et la lame séparatrice (8).