Les thermomètres à infrarouges pour la mesure de température sans contact sont des capteurs hautement développés qui trouvent de nombreuses applications dans le domaine de la recherche et des processus industriels. Cet article décrit, en termes non mathématiques, la théorie sur laquelle repose cette technologie de mesure et comment celle-ci est utilisée pour traiter les différents paramètres d'application auxquels est confronté l'utilisateur potentiel.
Présentation
Les conceptions de thermomètres à infrarouges (IRT) existent depuis au moins la fin du XIXe siècle, et divers concepts ont été présentés par Charles A. Darling (1) dans son ouvrage « Pyrometry », publié en 1911. Cependant, ce n'est que dans les années 1930 que la technologie permettant de transformer ces concepts en instruments de mesure pratiques est devenue disponible. Depuis lors, la conception a considérablement évolué et une grande expertise en matière de mesure et d'application s'est accumulée. À l'heure actuelle, cette technique est largement acceptée et utilisée dans l'industrie et la recherche.
Principes de mesure
Comme indiqué précédemment, l'énergie IR est émise par tous les matériaux dont la température est supérieure à 0 °K. Le rayonnement infrarouge fait partie du spectre électromagnétique et occupe des fréquences situées entre la lumière visible et les ondes radio. La partie IR du spectre couvre des longueurs d'onde comprises entre 0,7 micromètre et 1 000 micromètres (microns). Figure 1. Dans cette bande de fréquences, seules les fréquences comprises entre 0,7 micromètre et 20 micromètres sont utilisées pour la mesure pratique et quotidienne de la température. En effet, les détecteurs IR actuellement disponibles dans l'industrie ne sont pas assez sensibles pour détecter les très faibles quantités d'énergie disponibles à des longueurs d'onde supérieures à 20 micromètres.
SPECTRE INFRAROUGE DE 0,7 À 1000 MICROMÈTRES (MICRONS) Spectre électromagnétique Bien que le rayonnement infrarouge ne soit pas visible à l'œil nu, il est utile de l'imaginer comme étant visible lorsqu'on aborde les principes de mesure et qu'on examine ses applications, car à bien des égards, il se comporte de la même manière que la lumière visible. L'énergie infrarouge se propage en ligne droite à partir de sa source et peut être réfléchie et absorbée par les surfaces des matériaux qui se trouvent sur son trajet. Dans le cas de la plupart des objets solides opaques à l'œil humain, une partie de l'énergie infrarouge qui frappe la surface de l'objet sera absorbée et une autre partie sera réfléchie. Une partie de l'énergie absorbée par l'objet sera réémise et une autre partie sera réfléchie à l'intérieur. Cela s'applique également aux matériaux transparents à l'œil, tels que le verre, les gaz et les plastiques fins et clairs, mais en outre, une partie de l'énergie infrarouge traversera également l'objet. Ce qui précède est illustré à la figure 2. Ces phénomènes contribuent collectivement à ce que l'on appelle l'émissivité de l'objet ou du matériau.
ÉCHANGE THERMIQUE PAR RAYONNEMENT Les matériaux qui ne réfléchissent ni ne transmettent aucune énergie infrarouge sont appelés « Corps noirs » et n'existent pas à l'état naturel. Cependant, à des fins de calcul théorique, un corps noir réel se voit attribuer une valeur de 1,0. L'approximation la plus proche d'une émissivité de corps noir de 1,0, qui peut être obtenue dans la vie réelle, est une cavité sphérique opaque aux infrarouges avec une petite entrée tubulaire, comme le montre la figure 3. La surface interne d'une telle sphère aura une émissivité de 0,998.
ÉMISSIVITÉ Différents types de matériaux et de gaz ont des émissivités différentes et émettent donc des infrarouges à des intensités différentes pour une température donnée. L'émissivité d'un matériau ou d'un gaz dépend de sa structure moléculaire et des caractéristiques de sa surface. Elle ne dépend généralement pas de la couleur, sauf si la source de la couleur est une substance radicalement différente du corps principal du matériau. Les peintures métalliques qui contiennent des quantités importantes d'aluminium en sont un exemple pratique. La plupart des peintures ont la même émissivité quelle que soit leur couleur, mais l'aluminium a une émissivité très différente qui modifie donc l'émissivité des peintures métallisées.
Tout comme pour la lumière visible, plus certaines surfaces sont polies, plus elles réfléchissent l'énergie infrarouge. Les caractéristiques de surface d'un matériau influencent donc également son émissivité. Dans la mesure de la température, cela est particulièrement important dans le cas des matériaux opaques aux infrarouges qui ont une émissivité intrinsèquement basse. Ainsi, une pièce en acier inoxydable très polie aura une émissivité beaucoup plus faible que la même pièce avec une surface rugueuse et usinée. En effet, les rainures créées par l'usinage empêchent une grande partie de l'énergie infrarouge d'être réfléchie. Outre la structure moléculaire et l'état de la surface, un troisième facteur affectant l'émissivité apparente d'un matériau ou d'un gaz est la sensibilité à la longueur d'onde du capteur, connue sous le nom de réponse spectrale du capteur. Comme indiqué précédemment, seules les longueurs d'onde IR comprises entre 0,7 micron et 20 microns sont utilisées pour la mesure pratique de la température. Au sein de cette bande globale, les capteurs individuels peuvent fonctionner uniquement dans une partie étroite de la bande, par exemple entre 0,78 et 1,06 ou entre 4,8 et 5,2 microns, pour des motifs qui seront expliqués plus loin.
Base théorique de la mesure de température infrarouge
Les formules sur lesquelles repose la mesure de température infrarouge sont anciennes, établies et éprouvées. Il est peu probable que la plupart des utilisateurs d'IRT aient besoin d'utiliser ces formules, mais leur connaissance permet de comprendre l'interdépendance de certaines variables et sert à clarifier le texte précédent. Les formules importantes sont les suivantes :
- Loi de Kirchoff Lorsqu'un objet est en équilibre thermique, la quantité d'absorption est égale à la quantité d'émission.
- Loi de Stephan-Boltzmann Plus un objet est chaud, plus il émet d'énergie infrarouge.
- Loi de Wien sur le décalage La longueur d'onde à laquelle la quantité maximale d'énergie est émise devient plus courte à mesure que la température augmente.
- Équation de Planck Décrit la relation entre l'émissivité spectrale, la température et l'énergie rayonnante.
Conception et construction d'un thermomètre à infrarouge
Un thermomètre infrarouge (IRT) de conception basique comprend une lentille pour collecter l'énergie émise par la cible, un détecteur pour convertir l'énergie en un signal électrique, un réglage de l'émissivité pour adapter l'étalonnage de l'IRT aux caractéristiques d'émission de l'objet mesuré, et un circuit de compensation de la température ambiante pour garantir que les variations de température à l'intérieur de l'IRT, dues aux changements ambiants, ne sont pas transférées à la sortie finale. Pendant de nombreuses années, la plupart des IRT disponibles dans le commerce ont suivi ce concept. Leur application était extrêmement limitée et, rétrospectivement, ils ne fournissaient pas de mesures satisfaisantes dans la plupart des cas, même s'ils étaient très durables et adaptés aux normes de l'époque. Ce concept est illustré à la figure 4.
Mesure de température infrarouge L'IRT moderne repose sur ce concept, mais est plus sophistiqué sur le plan technologique afin d'élargir son champ d'application. Les principales différences résident dans l'utilisation d'une plus grande variété de détecteurs, le filtrage sélectif du signal IR, la linéarité et l'amplification de la sortie du détecteur, et la fourniture de sorties finales standard telles que 4 à 20 mA, 0-10 Vcc, etc. La figure 5 montre une représentation schématique d'un IRT contemporain typique. L'avancée la plus importante en matière de thermométrie infrarouge est probablement l'introduction du filtrage sélectif du signal IR entrant, rendu possible par la disponibilité de détecteurs plus sensibles et d'amplificateurs de signal plus stables. Alors que les premiers IRT nécessitaient une large bande spectrale IR pour obtenir une sortie de détecteur exploitable, les IRT modernes ont généralement des réponses spectrales de seulement 1 micron. La nécessité d'avoir des réponses spectrales sélectionnées et étroites découle du fait qu'il est souvent nécessaire soit de voir à travers une forme d'interférence atmosphérique ou autre dans le champ de vision, soit d'obtenir une mesure d'un gaz ou d'une autre substance qui est transparente à une large bande d'énergie IR.
THERMOMÈTRE INFRAROUGE MODERNE Parmi les exemples courants de réponses spectrales sélectives, on peut citer 8-14 microns, qui évite les interférences de l'humidité atmosphérique lors de mesures sur de longues distances ; 7,9 microns, qui est utilisé pour la mesure de certains plastiques à couche mince ; et 3,86 microns, qui évite les interférences du CO2 et de la vapeur d'H2O dans les flammes et les gaz de combustion. Le choix entre une réponse spectrale à longueur d'onde plus courte ou plus longue est également dicté par la plage de température car, comme le montre l'équation de Planck, l'énergie maximale se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes à mesure que la température augmente. Le graphique de la figure 6 illustre ce phénomène. Les applications qui ne nécessitent pas de filtrage sélectif pour les motifs susmentionnés peuvent souvent bénéficier d'une réponse spectrale étroite aussi proche que possible de 0,7 micron. En effet, l'émissivité effective d'un matériau est la plus élevée aux longueurs d'onde courtes et la précision des capteurs à réponse spectrale étroite est moins affectée par les variations d'émissivité de la surface cible.
Il ressort clairement des informations ci-dessus que l'émissivité est un facteur très important dans la mesure de la température infrarouge. À moins de connaître l'émissivité du matériau mesuré et de l'intégrer à la mesure, il est peu probable d'obtenir des données précises. Il existe deux méthodes pour obtenir l'émissivité d'un matériau :
a) en se référant à des tableaux publiés et b) en comparant la mesure IRT avec une mesure simultanée obtenue à l'aide d'un thermocouple ou d'un thermomètre à résistance et en ajustant le réglage de l'émissivité jusqu'à ce que l'IRT affiche la même valeur. Heureusement, les données publiées par les fabricants d'IRT et certains organismes de recherche sont très complètes, de sorte qu'il est rarement nécessaire de procéder à des expériences. En règle générale, la plupart des matériaux opaques et non métalliques ont une émissivité élevée et stable comprise entre 0,85 et 9,0 ; et la plupart des matériaux métalliques non oxydés ont une émissivité faible à moyenne comprise entre 0,2 et 0,5, à l'exception de l'or, de l'argent et de l'aluminium qui ont des émissivités de l'ordre de 0,02 à 0,04 et sont, par conséquent, très difficiles à mesurer avec un IRT. S'il est presque toujours possible de déterminer l'émissivité du matériau de base mesuré, une complication survient dans le cas des matériaux dont l'émissivité varie en fonction de la température, comme la plupart des métaux et d'autres matériaux tels que le silicium et les céramiques monocristallines de haute pureté. Certaines applications présentant ce phénomène peuvent être résolues à l'aide de la méthode du rapport bicolore.
Thermométrie à deux couleurs
Étant donné que l'émissivité joue un rôle si important dans l'obtention de données de température précises à partir des thermomètres à infrarouges, il n'est pas surprenant que des tentatives aient été faites pour concevoir des capteurs qui mesureraient indépendamment de cette variable. Le plus connu et le plus couramment utilisé de ces modèles est le thermomètre à deux couleurs. Cette technique n'est pas très différente de celle des thermomètres à infrarouges décrits jusqu'à présent, mais elle mesure le rapport entre l'énergie infrarouge émise par le matériau à deux longueurs d'onde, plutôt que l'énergie absolue à une seule longueur d'onde ou bande d'ondes. L'utilisation du mot « couleur » dans ce contexte est quelque peu dépassée, mais n'a néanmoins pas été remplacée. Elle trouve son origine dans l'ancienne pratique consistant à relier la couleur visible à la température, d'où le terme « température de couleur ».
L'efficacité de la thermométrie à deux couleurs repose sur le fait que tout changement dans les propriétés d'émission de la surface du matériau mesuré ou dans le trajet optique entre le capteur et le matériau sera « vu » de manière identique par les deux détecteurs, et que le rapport et donc la sortie du capteur ne changeront pas en conséquence. La figure 7 montre une représentation schématique d'un thermomètre à deux couleurs simplifié.
THERMOMÉTRIE À DEUX COULEURS (Thermométrie par rapport) Étant donné que la méthode du rapport permet, dans certaines circonstances, d'éviter les imprécisions résultant d'une Émissivité variable ou inconnue, d'un obscurcissement du champ de vision et de la mesure d'objets qui ne remplissent pas le champ de vision, elle est très utile pour résoudre certains problèmes d'application difficiles. Parmi celles-ci, on peut citer le chauffage rapide par induction des métaux, la température de la zone de combustion des fours à ciment et les mesures à travers des fenêtres qui s'obscurcissent progressivement, comme la fusion sous vide des métaux. Il convient toutefois de noter que ces changements dynamiques doivent être « vus » de manière identique par le capteur aux deux longueurs d'onde utilisées pour le rapport, ce qui n'est pas toujours le cas. L'émissivité de tous les matériaux ne change pas de la même manière à deux longueurs d'onde différentes. Les matériaux qui changent de la même manière sont appelés « corps gris ». Ceux qui ne changent pas de la même manière sont appelés « corps non gris ». Toutes les formes d'obscurcissement du champ de vision n'atténuent pas non plus les longueurs d'onde du rapport de la même manière. La prédominance de particules dans le champ de vision qui ont la même taille en microns que l'une des longueurs d'onde utilisées déséquilibrera évidemment le rapport. Les phénomènes de nature non dynamique, tels que les matériaux « non gris », peuvent être traités en modifiant le rapport, un ajustement appelé « pente ». Cependant, le réglage approprié de la pente doit généralement être déterminé de manière expérimentale. Malgré ces limites, la méthode du rapport fonctionne bien dans un certain nombre d'applications bien établies, et dans d'autres, elle est la meilleure solution, sinon la plus préférée.
Résumé
La thermométrie infrarouge est une technologie mature mais dynamique qui a gagné le respect de nombreuses industries et institutions. C'est une technique indispensable pour de nombreuses applications de mesure de température, et la méthode préférée pour certaines autres. Lorsque la technologie est bien comprise par l'utilisateur et que tous les paramètres d'application pertinents sont correctement pris en compte, l'application est généralement couronnée de succès, à condition que l'équipement soit soigneusement installé. Une installation soignée signifie s'assurer que le capteur fonctionne dans les limites environnementales spécifiées et que des mesures adéquates sont prises pour garder les optiques propres et exemptes d'obstacles. Lors du choix d'un fabricant, il convient de tenir compte de la disponibilité d'accessoires de protection et d'installation, ainsi que de la mesure dans laquelle ces accessoires permettent un retrait et un remplacement rapides du capteur à des fins d'entretien & service. Si ces directives sont respectées, le thermomètre à infrarouge moderne fonctionnera de manière plus fiable que les thermocouples ou les thermomètres à résistance dans de nombreux cas.
Références
Darling, Charles R. ; « Pyrometry. A Practical Treatise on the Measurement of High Temperatures. » Publié par E.&F.N. Spon Ltd. Londres. 1911.
Auteur et présentateur : John Merchant, directeur commercial, Mikron Instrument Company Inc.
Qu'est-ce qu'un thermoplongeur ? Types d'éléments chauffants à immersion Qu'est-ce qu'un thermoplongeur ?
Qu'est-ce qu'un chauffage électrique industriel ? Qu'est-ce qu'un appareil de chauffage industriel ?