Brevet FR2987121A1 — publié le 20130823

Dispositif de mesure de l'émissivité ou de la réflectivité d'une surface Le domaine de l'invention est celui des dispositifs permettant 5 d'effectuer des mesures de l'émissivité ou de la réflectivité de tout type de surface, homogène ou hétérogène. Une des applications visées peut être notamment de concevoir un dispositif permettant de réaliser des mesures d'émissivité totale à température ambiante sur des matériaux inhomogènes et ce par exemple 10 pour permettre la réalisation de mesures in-situ sur différents types de surfaces, pouvant aussi bien être des revêtements de chaussée, que des surfaces utilisées dans le bâtiment. Ces mesures d'émissivité permettent ainsi notamment d'étudier l'influence du bilan d'énergie sur la température de chaussée en vue de prévoir leur température et ainsi d'optimiser par exemple 15 leur salage et plus généralement d'appréhender certains facteurs influençant l'émissivité de certains matériaux, notamment l'effet de la granulométrie et de l'usure de la surface. Pour ce type d'applications, des appareils de mesure ont déjà été proposés consistant à mesurer le flux thermique global (flux propre à 20 l'échantillon et flux réfléchi par l'échantillon). Le flux propre à l'échantillon peut varier en fonction de la température, néanmoins l'échantillon et les étalons d'émissivité doivent être à la même température. Dans le cas contraire la mesure est faussée. En cas de variation de la température de la source, il peut être proposé une correction automatique grâce à un détecteur 25 secondaire qui mesure le flux émis par l'appareil, néanmoins le coût de tels appareils reste élevé. Dans ce contexte, la présente invention propose un nouveau dispositif de mesure de l'émissivité ou de la réflectivité, facilement transportable et déplaçable simple de conception générant par la même des 30 coûts de fabrication relativement faibles et permettant par exemple de sonder en différents endroits une surface de grande dimension. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface, comprenant une enceinte, des moyens pour élever la température de ladite enceinte de 35 manière à ce qu'elle émette un flux de rayonnement infrarouge en direction de ladite surface pouvant être réfléchi par ladite surface, caractérisé en ce que : - l'enceinte présente une symétrie de révolution et une ouverture dite de mesure, située dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe de symétrie, ladite ouverture étant destinée à être positionnée en regard de ladite surface ; - un premier écran interne à ladite enceinte et présentant des premières parties pleines et des premières ouvertures ; - un second écran interne à ladite enceinte présentant des secondes parties pleines et des secondes ouvertures ; - des moyens de mise en rotation d'au moins un desdits écrans de manière à moduler le flux réfléchi par ladite surface ; - des moyens de détection du flux émis par ladite paroi, dirigés de manière sensiblement radiale en direction de ladite paroi ; - des moyens de détection du flux réfléchi par ladite surface dirigés en direction dudit plan sensiblement perpendiculaire audit axe de symétrie ; - des moyens d'analyse dudit flux réfléchi. Selon une variante de l'invention, le premier écran est un écran 20 mobile couplé à des moyens de mise en mouvement, le second écran étant fixe. Selon une variante de l'invention, le second écran fixe est situé entre l'enceinte et le premier écran mobile. Selon une variante de l'invention, le premier écran mobile est situé 25 entre l'enceinte et le second écran fixe. Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend en outre des moyens de refroidissement dudit second écran fixe. Il est à noter que l'un ou les écrans peuvent être mis en rotation dans un sens unique de rotation ou alternativement dans un sens de rotation et 30 dans un sens opposé. Selon une variante de l'invention, l'écran mobile présente des ouvertures en trois dimensions, permettant la caractérisation de surface à réflectivité spéculaire. Selon une variante de l'invention, le premier écran mobile possède 35 une succession de séries d'ouvertures, une ième série étant située dans un ième plan perpendiculaire à l'axe de symétrie et présentant un nombre Ni d'ouvertures différent du nombre Ni+1 d'ouvertures de la (i+1)ème série située dans un (i+1)ème plan. Typiquement, les ouvertures des deux écrans peuvent être complémentaires ou partiellement complémentaires. Selon une variante de l'invention, l'écran mobile comporte en outre des ouvertures opposées à l'ouverture de mesure. Selon une variante de l'invention, les moyens de détection du flux émis et les moyens de détection du flux réfléchi sont des thermopiles. Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend une série de 1 0 moyens de détection du flux réfléchi, fonctionnant dans une série de gammes de longueurs d'onde. Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend une série de moyens de détection du flux émis par ladite enceinte, fonctionnant dans une série de gammes de longueurs d'onde. 15 Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend : - un système d'entrainement dudit écran mobile, comportant : o un premier disque solidaire dudit écran mobile; o un roulement ; o un second disque auquel est fixé ledit roulement et solidaire 20 de ladite enceinte ; o un axe, traversant les deux disques, le second disque étant solidarisé audit axe via ledit roulement ; - des moyens de liaison entre ledit système d'entrainement et un moteur permettant de mettre en rotation l'écran mobile. 25 Selon une variante de l'invention, les moyens de liaison comprennent un galet souple coopérant avec un troisième disque solidaire dudit axe. Selon une variante de l'invention, le dispositif comporte en outre un fourreau tubulaire solidaire du disque fixe et passant dans ledit axe, permettant d'isoler un câble de commande et de détection, des moyens de 30 mise en rotation de l'écran mobile. Selon une variante de l'invention, les moyens de chauffage comprennent des résistances chauffantes situées en périphérie de ladite enceinte. L'invention a aussi pour objet l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'un revêtement de chaussée. L'invention a encore pour objet l'utilisation d'un dispositif selon 5 l'invention pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface de bâtiment. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce 10 aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre une vue en coupe d'une première variante du dispositif de l'invention ; - les figures 2a et 2b illustrent deux configurations possibles dans le cadre d'une vue en coupe dans le plan XX de la première 15 variante selon l'invention ; - la figure 3 illustre une vue éclatée de la première variante du dispositif de l'invention ; - la figure 4 illustre un exemple d'écran utilisé dans un exemple de dispositif selon l'invention compatible avec une structure 20 d'enceinte de type hémisphérique ; - la figure 5 illustre un exemple de dispositif selon l'invention et ses moyens détaillés de mise en rotation de l'écran mobile ; - la figure 6 illustre une vue en perspective d'un exemple de dispositif selon l'invention équipé de moyens externes de 25 chauffage de l'enceinte ; - la figure 7 illustre un exemple de structure d'écran utilisée dans un dispositif de l'invention et comportant différentes périodicités de motifs permettant d'accéder à différentes informations relatives à la modulation à différentes fréquences du flux 30 infrarouge en fonction de l'angle d'incidence ; - la figure 8 illustre le signal mesuré par une thermopile de référence, correspondant au flux émis au niveau de la paroi de l'enceinte dans un exemple de dispositif selon l'invention ; - les figures 9a et 9b illustrent respectivement le flux réfléchi 35 mesuré par une thermopile fonctionnant en bande large en fonction du temps et les flux émis et réfléchis en fonction de la fréquence obtenus par transformées de Fourier avec des thermopiles fonctionnant dans deux bandes spectrales différentes dans le cas d'une surface partiellement diffusante et partiellement spéculaire ; - les figures 10a et 10b illustrent respectivement le flux réfléchi mesuré par une thermopile fonctionnant en bande large en fonction du temps et les flux émis et réfléchis en fonction de la fréquence obtenus par transformées de Fourier avec des thermopiles fonctionnant dans deux bandes spectrales différentes dans le cas d'une surface diffusante ; - les figures 11a et 11 b illustrent respectivement le flux réfléchi mesuré par une thermopile fonctionnant en bande large en fonction du temps et les flux émis et réfléchis en fonction de la fréquence obtenus par transformées de Fourier avec des thermopiles fonctionnant dans deux bandes spectrales différentes le cas d'une surface spéculaire. Le dispositif de la présente invention repose sur une mesure par réflectométrie utilisant un flux incident généré au niveau d'une enceinte présentant une symétrie de révolution et couplée à des moyens de chauffage permettant d'élever par exemple de quelques degrés la température de ladite enceinte pour produire un flux incident infra-rouge. Le dispositif comporte une ouverture dite de mesure au niveau de laquelle est positionnée la surface à analyser dont on cherche à mesurer l'émissivité. Cette ouverture permet de réaliser une mesure à l'approche d'une surface sans nécessité de prélèvement d'échantillon. La mesure du flux réfléchi par une surface permet de concevoir un dispositif facilement transportable et utilisable sur un matériau, sans nécessité de prélever un échantillon. Le principe de la présente invention repose sur le fait d'utiliser des moyens de mise en rotation permettant de moduler le flux réfléchi par la surface concernée en raison de la modulation du flux infra-rouge incident vu par ladite surface, grâce à la combinaison et la complémentarité modulable de deux écrans présentant des ouvertures. La figure 1 schématise une enceinte B qui renferme un écran mobile C et un écran fixe D et met évidence des moyens de détection DFe du flux émis par l'enceinte B chauffée ainsi que des moyens de détection DFr du flux émis et réfléchi par la surface A, avantageusement les moyens de détection peuvent être des thermopiles. Ils peuvent également être démultipliés en différents moyens agissant dans différentes gammes de longueurs d'onde. Les figures 2a et 2b schématisent en coupe selon le plan XX représenté en figure 1, et vue de dessus, l'enceinte équipée en interne des deux écrans qui coopèrent. Plus précisément, l'enceinte B comporte un premier écran C présentant des ouvertures et un second écran D présentant également des ouvertures. Une surface A est placée dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie de ladite enceinte. Par chauffage de l'enceinte B, celle-ci émet un flux incident en direction notamment de ladite surface A. Selon cette configuration l'écran fixe est positionné entre la paroi interne de l'enceinte et l'écran mobile. La figure 2a est relative à une configuration dans laquelle, la surface est éclairée par un flux provenant de l'écran mobile C et de l'écran fixe D, et donc génère un flux réfléchi minimal au niveau de la surface A qui ne « voit » pas directement le flux provenant de l'enceinte chauffée. La figure 2b est relative à une configuration dans laquelle, la surface est éclairée par un flux provenant de l'enceinte B et de l'écran D, et donc génère un flux réfléchi maximal au niveau de ladite surface A. Un capteur positionné de telle façon qu'il puisse enregistrer le flux provenant de ladite surface, peut recevoir le flux émis par ladite surface et le flux réfléchi par ladite surface ; en procédant à des mesures fréquentielles, il est possible d'éliminer le flux directement émis par la surface et de mesurer le flux réfléchi par cette surface. Le dispositif selon l'invention est destiné à pouvoir être positionné à proximité d'une surface pouvant typiquement être un revêtement routier correspondant à la surface A. Il comprend l'enceinte B, portée à une température supérieure à la température ambiante, cela peut notamment être réalisé par des résistances chauffantes placées en périphérie de ladite enceinte. Une élévation de quelques degrés suffit à permettre la réalisation des mesures. Un système de mise en mouvement en rotation dudit écran mobile C sera détaillé dans la suite de la description, la figure éclatée 3 illustrant néanmoins une partie des moyens dédiés à cette mise en rotation à savoir : un axe G, un roulement H et deux disques F et N respectivement solidaires de l'écran C et de l'enceinte B. Un anneau souple DB, peut être prévu pour solidariser l'écran D à l'enceinte B. La figure 4 illustre un exemple de configuration d'écran C pouvant avantageusement être utilisée dans la mesure de l'émissivité ou de la réflectivité de surface spéculaire à réflexion dirigée (contrairement aux 1 0 matériaux diffusants). Pour ce type de matériaux, l'écran présente avantageusement des ouvertures Oi ayant une surface dirigée en regard de ladite surface à analyser de manière à intercepter un flux fortement réfléchi à incidence normale avec ladite surface. 15 Les figures 5 et 6 illustrent plus en détails, un exemple de moyens de mise en rotation de l'écran mobile dans un dispositif de l'invention. L'écran mobile C tournant entre la source de chaleur constituée par l'enceinte B et l'écran fixe D, est maintenu par un premier disque F interne (non représenté) lui-même solidaire d'un axe G et tournant grâce à un 20 roulement H. Le roulement H est fixé à un second disque fixe N, lui-même solidaire de l'enceinte cylindrique B. L'axe G est un tube creux permettant de laisser passer un câble reliant le boitier électronique de conditionnement du signal aux thermopiles qui se trouvent à l'intérieur de la cavité de mesure. Le système d'entrainement en rotation de l'ensemble G-C-F peut 25 être à courroie souple ou crantée, à engrenages, ou comme représenté en figure 5, fonctionner grâce à un galet d'entrainement solidaire d'un moteur K. Dans la réalisation en exemple, le galet I en matériau souple entraine par friction le groupe G-C-F grâce à un troisième disque J solidaire de l'axe G. L'ensemble en rotation est donc G-C-F-J. Le moteur est un moteur pas à 30 pas K muni d'une électronique, piloté par une horloge à quartz assurant une grande régularité de la vitesse de rotation. Pour assurer qu'un câble puisse être introduit sans toucher les parties en rotation, on peut faire passer ce câble au travers d'un fourreau tubulaire M. Ce fourreau est maintenu solidaire du disque fixe N grâce à une pièce métallique L. Un câble non représenté peut ainsi passer dans le tube M et être relié à un boitier électronique. La figure 6, met en évidence des moyens de chauffage RC de type résistance, disposés en périphérie de l'enceinte afin de pouvoir générer le 5 flux infrarouge au niveau de l'enceinte B. Selon une variante de l'invention, l'écran mobile peut avantageusement être un écran 3D présentant un nombre d'ouvertures variables en fonction de la hauteur dans l'écran C et permettant de moduler à 10 différentes fréquences le flux infrarouge en fonction de l'angle d'incidence. L'écran mobile C possède un nombre d'ouvertures qui différent sur sa circonférence en fonction des différentes hauteurs. Cela permet de moduler le flux produit à des fréquences différentes, de connaître l'influence de l'angle d'incidence sur la réflectivité et de discriminer les matériaux en 15 fonction de leur propriété spéculaire (réflexion géométrique ou diffusion), sans nécessiter plusieurs mesures consécutives. Un exemple de configuration possible est illustrée en figure 7 qui représente selon d'une part un plan parallèle au plan (X,Y) dans lequel est positionnée la surface à analyser, la partie supérieure de l'écran C 20 présentant des ouvertures supérieures Osk et d'autre part, une vue éclatée de la partie cylindrique de l'écran mobile 3D présentant une périodicité différente d'ouvertures latérales 01; j selon la position desdites ouvertures selon l'axe Z représenté. 25 Exemple de mesures obtenues avec un dispositif selon l'invention et avec différents types de surfaces à analyser : Les mesures ont été effectuées avec un dispositif présentant six ouvertures latérales et trois ouvertures opposées à l'ouverture de mesure 30 positionnée en regard de la surface à analyser, la vitesse du moteur étant de 1,5 tours /seconde. La figure 8 illustre un exemple de signal mesuré par une thermopile de référence placée dans l'enceinte (l'allure de la vitesse du moteur alimentant l'écran mobile est indiquée également sur la figure 8). Elle concerne la paroi et ne possède qu'une seule harmonique car le flux infrarouge n'est modulé qu'à 9.2Hz. Ce signal donne la référence du flux émis par l'émissomètre. La valeur efficace de ce signal est donnée par l'amplitude du pic correspondant à la fréquence de modulation sur le spectre en fréquence 5 obtenu par transformée de Fourier. On mesure par ailleurs la valeur efficace des signaux réfléchis en fonction de l'incidence en mesurant les différents pics aux différentes fréquences. Dans l'exemple présenté, il y a deux fréquences 4,6Hz et 9,2Hz. De manière générale, on peut déterminer deux coefficients de 10 réflexion : - un coefficient de réflexion diffuse o K1 = (signal à 9,2Hz)/(signal de référence) ; - un coefficient de réflexion spéculaire o K2 = (signal à 4,6Hz)/(signal de référence). 15 Après étalonnage avec des matériaux de référence on peut calculer la réflectivité par combinaison linéaire de K1 et K2, ou tout autre procédé de calcul, soit par exemple un coefficient de réflectivité : Coefficient de réflectivité = a*K1+b*K2 On peut également déduire un coefficient d'émissivité : 20 Coefficient d'émissivité = 1 - Coefficient de réflectivité Trois types de surfaces ont été testés : une première surface avec des propriétés intermédiaires : partiellement spéculaire et partiellement diffusante, une seconde surface diffusante et une troisième surface 25 spéculaire. Dans le cas d'une surface partiellement spéculaire et partiellement diffusante pouvant typiquement être en alumine, on obtient les courbes illustrées sur les figures 9a et 9b. La figure 9a met en évidence le signal 30 délivré par la thermopile (mesurant le flux réfléchi en large bande) en fonction du temps, échantillonné sur 1000 points (l'allure de la variation de tension de la thermopile est indiquée également sur la figure 9a). Sur la figure 9b, les courbes C9b1, C9b2 et C9b3 sont relatives respectivement au flux en fonction de la fréquence obtenu par transformée 35 de Fourier : - pour le flux incident ; - pour les flux réfléchis détectés en bande large (1- 40 pm) et en bande III (8-14 pm). On peut observer que le signal mesuré est la somme de deux 5 sinusoïdes à deux fréquences différentes, aussi bien sur la représentation temporelle que sur la représentation fréquentielle. Dans le cas d'une surface diffusante, pouvant être une chaussée routière en béton granulaire, on obtient les courbes illustrées en figure 10a 10 et 10b. La figure 10a met en évidence le signal délivré par la thermopile (mesurant le flux réfléchi en large bande) en fonction du temps, échantillonné sur 1000 points (l'allure de variation de tension de la thermopile est indiquée également sur la figure 10a). Sur la figure 10b, les courbes Cl Obi, C1 0b2 et C1 0b3 sont relatives 15 respectivement au flux en fonction de la fréquence obtenu par transformée de Fourier : - pour le flux incident ; - pour les flux réfléchis détectés en bande large et en bande III. On constate que le signal à 4,6Hz est inexistant car il n'y a pas de 20 réflexion spéculaire. Dans le cas d'une surface spéculaire (de type miroir en aluminium), on obtient les courbes illustrées en figure 11 a et 11b. La figure 11 a met en évidence le signal délivré par la thermopile (mesurant le flux réfléchi en large 25 bande) en fonction du temps, échantillonné sur 1000 points. Sur la figure 11 b, les courbes C11 b1, C11 b2 et C11 b3 sont relatives respectivement au flux en fonction de la fréquence obtenu par transformée de Fourier : - pour le flux incident ; 30 - pour les flux réfléchis détectés en bande large et en bande III. On constate que le signal à 4,6Hz est beaucoup plus important qu'à 9,2Hz. REVENDICATIONS1. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface (A), comprenant une enceinte (B), des moyens pour élever la température de ladite enceinte de manière à ce qu'elle émette un flux de rayonnement infrarouge en direction de ladite surface pouvant être réfléchi par ladite surface, caractérisé en ce que : - l'enceinte présente une symétrie de révolution et une ouverture dite de mesure, située dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe de symétrie, ladite ouverture étant destinée à être positionnée en regard de ladite surface ; - un premier écran interne (C) à ladite enceinte et présentant des premières parties pleines et des premières ouvertures ; - un second écran interne (D) à ladite enceinte présentant des secondes parties pleines et des secondes ouvertures ; - des moyens de mise en rotation d'au moins un desdits écrans de manière à moduler le flux réfléchi par ladite surface ; - des moyens de détection du flux (DFe) émis par ladite paroi, dirigés de manière sensiblement radiale en direction de ladite paroi ; - des moyens de détection du flux réfléchi (DFr) par ladite surface dirigés en direction dudit plan sensiblement perpendiculaire audit axe de symétrie ; - des moyens d'analyse dudit flux réfléchi. 2. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier écran est un écran mobile couplé à des moyens de mis en mouvement, le second écran étant fixe. 3. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second écran fixe est situé entre l'enceinte et le premier écran mobile. 4. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier écran mobile est situé entre l'enceinte et le second écran fixe. 5. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de refroidissement dudit second écran fixe. 6. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une 10 surface selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'écran mobile présente des ouvertures en trois dimensions, permettant la caractérisation de surface à réflectivité spéculaire. 7. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une 15 surface selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier écran mobile (C) possède une succession de séries d'ouvertures (01i,i), une ième série étant située dans un ième plan perpendiculaire à l'axe de symétrie et présentant un nombre Ni d'ouvertures différent du nombre Ni+1 d'ouvertures (0141, i) de la (i+1)ème série située dans un (i+1)ème plan. 20 8. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'écran mobile comporte en outre des ouvertures opposées (Osk) à l'ouverture de mesure. 25 9. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détection du flux émis et les moyens de détection du flux réfléchi sont des thermopiles. 30 10. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une série de moyens de détection du flux réfléchi, fonctionnant dans une série de gammes de longueurs d'onde. 11. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une série de moyens de détection du flux émis par ladite enceinte, fonctionnant dans une série de gammes de longueurs d'onde. 12. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : - un système d'entrainement dudit écran mobile, comportant : o un premier disque solidaire (F) dudit écran mobile (C) ; o un roulement (H) ; o un second disque (N) auquel est fixé ledit roulement et solidaire de ladite enceinte ; o un axe (G), traversant les deux disques le second disque étant solidarisé audit axe via ledit roulement ; - des moyens de liaison entre ledit système d'entrainement et un moteur (K) permettant de mettre en rotation l'écran mobile. 13. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une 20 surface selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent un galet souple (I) coopérant avec un troisième disque (J) solidaire dudit axe. 14. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une 25 surface selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un fourreau tubulaire (M) solidaire du disque fixe (F) et passant dans ledit axe (G) permettant d'isoler un câble de commande et de détection, des moyens de mise en rotation de l'écran mobile. 30 15. Dispositif pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent des résistances chauffantes (RC) situées en périphérie de ladite enceinte. 16. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'un revêtement de sol pouvant être une chaussée. 17. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes pour mesurer l'émissivité ou la réflectivité d'une surface de bâtiment.