COMMENT CLASSER LES THERMOMÈTRES SANS CONTACT ?
- Thermomètres/pyromètres à rayonnement à large bande
- Thermomètres/pyromètres à rayonnement à bande étroite pyromètres à bande étroite
- Thermomètres/pyromètres à rayonnement à rapport
- Pyromètres optiques
- Thermomètres/pyromètres à rayonnement à FIBRE OPTIQUE
Ces classifications ne sont pas rigides. Par exemple, les pyromètres optiques peuvent être considérés comme un sous-ensemble des appareils à bande étroite. Les thermomètres à rayonnement à fibre optique, qui seront abordés en détail dans une autre section, peuvent être classés comme des appareils à large bande, à bande étroite ou à rapport. De même, les thermomètres à infrarouges peuvent être considérés comme des sous-ensembles de plusieurs de ces classes. Historiquement, un thermomètre à infrarouge sans contact se composait d'un système optique pour collecter l'énergie émise par la cible, d'un détecteur pour convertir cette énergie en un signal électrique, d'un réglage de l'émissivité pour adapter l'étalonnage du thermomètre aux caractéristiques d'émission spécifiques de la cible, et d'un circuit de compensation de la température ambiante, afin de garantir que les variations de température à l'intérieur du thermomètre dues aux conditions ambiantes n'affectaient pas la précision.
Le thermomètre infrarouge moderne repose toujours sur ce concept. Cependant, la technologie s'est sophistiquée afin d'élargir le champ d'application des appareils. Par exemple, le nombre de détecteurs IR disponibles a considérablement augmenté et, grâce à des capacités de filtrage sélectif, ces détecteurs peuvent être adaptés plus efficacement à des applications spécifiques, améliorant ainsi les performances de mesure.
La mesure de température sans contact est la technique privilégiée pour les objets petits, mobiles ou inaccessibles, les processus dynamiques qui nécessitent une réponse rapide et les températures supérieures à 1 000 °C (1 832 °F). Pour choisir le meilleur appareil de mesure de température sans contact pour une application particulière, il est essentiel de comprendre les principes de base de la technologie de mesure de température, les paramètres de mesure de température et les caractéristiques offertes par les différents systèmes de mesure actuellement disponibles.
Capteurs de température à rayonnement large bande Les thermomètres sans contact à large bande sont généralement les appareils les plus simples, les moins coûteux et peuvent avoir une réponse allant d'une longueur d'onde de 0,3 micron à une limite supérieure de 2,5 à 20 microns. Les limites inférieure et supérieure du thermomètre à large bande dépendent du système optique spécifique utilisé. Ils sont appelés « à large bande » car ils mesurent une fraction significative du rayonnement thermique émis par l'objet, dans les plages de température d'utilisation normales.
Les thermomètres à infrarouges à large bande dépendent de l'émissivité totale de la surface mesurée. La figure 3-2 montre l'erreur de lecture pour différentes émissivités et températures lors de l'étalonnage d'un appareil à large bande pour un corps noir. Un contrôle de l'émissivité permet à l'utilisateur de compenser ces erreurs, tant que l'émissivité ne change pas.
Le chemin vers la cible doit être dégagé. La vapeur d'eau, la poussière, la fumée, la vapeur et les gaz absorbant le rayonnement présents dans l'atmosphère peuvent atténuer le rayonnement émis par la cible et entraîner une mesure trop basse du thermomètre. 
Titre de la légende de l'image Le système optique doit être maintenu propre et la fenêtre de visée protégée contre tout agent corrosif présent dans l'environnement.
Les plages standard vont de 0 à 1 000 °C (32 à 1 832 °F) et de 500 à 900 °C (932 à 1 652 °F). La précision standard est de 0,5 à 1 % de la pleine échelle.
Rayonnement à bande étroite Comme leur nom l'indique, les thermomètres IR à rayonnement à bande étroite fonctionnent sur une gamme étroite de longueurs d'onde. Les appareils à bande étroite peuvent également être appelés pyromètres monochromatiques. Le détecteur spécifique utilisé détermine la réponse spectrale de l'appareil en question. Par exemple, un thermomètre sans contact utilisant un détecteur à cellule en silicium aura une réponse qui atteint son maximum à environ 0,9 micron, la limite supérieure d'utilité étant d'environ 1,1 micron. Un tel appareil est utile pour mesurer des températures supérieures à 1102 °F (600 °C). Les thermomètres à bande étroite ont généralement une réponse spectrale inférieure à 1 micron.
Les thermomètres sans contact à bande étroite utilisent des filtres pour limiter la réponse à une longueur d'onde sélectionnée. L'avancée la plus importante dans le domaine de la thermométrie par rayonnement a probablement été l'introduction du filtrage sélectif du rayonnement entrant, qui permet d'adapter un instrument à une application particulière afin d'obtenir une plus grande précision de mesure. Cela a été rendu possible grâce à la disponibilité de détecteurs plus sensibles et aux progrès réalisés dans le domaine des amplificateurs de signal.
Parmi les exemples courants de réponses spectrales sélectives, on peut citer 8 à 14 microns, qui évite les interférences de l'humidité atmosphérique sur de longues distances ; 7,9 microns, utilisé pour la mesure de certains plastiques à couche mince ; 5 microns, utilisé pour la mesure des surfaces en verre ; et 3,86 microns, qui évite les interférences du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau dans les flammes et les gaz de combustion.
Titre de la légende de l'image
Les plages de température standard varient d'un fabricant à l'autre, mais voici quelques exemples : -36 à 1112 °F (-37,78 à 600 °C), 32 à 1832 °F (0 à 1000 °C), 1112 à 5432 °F (600 à 3000 °C) et 932 à 3632 °F (500 à 2000 °C). La précision standard est de 0,25 % à 2 % de la pleine échelle.
Appareils IR à rayonnement proportionnel Également appelés thermomètres infrarouges sans contact à deux couleurs, ces appareils mesurent l'énergie rayonnée par un objet entre deux bandes de longueur d'onde étroites et calculent le rapport entre les deux énergies, qui est fonction de la température de l'objet. À l'origine, ils étaient appelés pyromètres à deux couleurs, car les deux longueurs d'onde correspondaient à des couleurs différentes dans le spectre visible (par exemple, le rouge et le vert). Beaucoup de gens utilisent encore aujourd'hui le terme « pyromètres bicolores », en élargissant le terme pour inclure les longueurs d'onde dans l'infrarouge.
Les thermomètres sans contact dépendent uniquement du rapport entre les deux énergies mesurées, et non de leurs valeurs absolues, comme le montre la figure 3-4. Tout paramètre, tel que la taille de la cible, qui affecte la quantité d'énergie dans chaque bande d'un pourcentage égal, n'a aucun effet sur l'indication de température. Cela rend le thermomètre à rapport intrinsèquement plus précis. (Cependant, une certaine précision est perdue lorsque vous mesurez de petites différences dans des signaux importants).
La technique du rapport peut éliminer ou réduire les erreurs de mesure de température causées par les changements d'émissivité, de finition de surface et de matériaux absorbant l'énergie, tels que la vapeur d'eau, entre le thermomètre et la cible. Ces changements dynamiques doivent être perçus de manière identique par le détecteur aux deux longueurs d'onde utilisées.
L'émissivité de tous les matériaux ne change pas de la même manière à différentes longueurs d'onde. Les matériaux dont l'émissivité change de la même manière à différentes longueurs d'onde sont appelés corps gris. Les matériaux pour lesquels ce n'est pas le cas sont appelés corps non gris. De plus, toutes les formes d'obstruction du champ de vision n'atténuent pas les longueurs d'onde du rapport de la même manière. Par exemple, si le champ de vision contient des particules de la même taille que l'une des longueurs d'onde, le rapport peut devenir déséquilibré.
Titre de la légende de l'image
Les thermomètres sans contact à deux couleurs doivent être sérieusement envisagés pour les applications où la précision, et pas seulement la répétabilité, est essentielle, ou si l'objet cible subit un changement physique ou chimique.
Les thermomètres à rapport couvrent de larges plages de température. Les plages typiques disponibles dans le commerce sont comprises entre 1652 et 5432* °F (900 à 3000 °C) et entre 120 et 6692 °F (50 à 3700 °C). La précision typique est de 0,5 % de la lecture sur des plages étroites, jusqu'à 2 % de la pleine échelle.
Pyromètres optiques Les pyromètres optiques mesurent le rayonnement de la cible dans une bande étroite de longueurs d'onde du spectre thermique. Les appareils les plus anciens utilisent le principe de la luminosité optique dans le spectre rouge visible autour de 0,65 micron. Ces instruments sont également appelés pyromètres monochromatiques. Les pyromètres optiques sont désormais disponibles pour mesurer sans contact les longueurs d'onde énergétiques qui s'étendent dans la région infrarouge. Le terme « pyromètres monochromatiques » a été élargi par certains auteurs pour inclure également les thermomètres à rayonnement à bande étroite.
Titre de la légende de l'image
Certaines conceptions optiques sont actionnées manuellement, comme le montre la figure 3-8. L'opérateur vise la cible avec le pyromètre. En même temps, il/elle peut voir l'image d'un filament de lampe interne dans l'oculaire. Dans une conception, l'opérateur ajuste l'alimentation du filament, en modifiant sa couleur, jusqu'à ce qu'elle corresponde à la couleur de la cible. La température de la cible est mesurée en fonction de l'alimentation utilisée par le filament interne. Une autre conception maintient un courant constant vers le filament et modifie la luminosité de la cible au moyen d'un coin optique rotatif absorbant l'énergie. La température de l'objet est liée à la quantité d'énergie absorbée par le coin, qui est fonction de sa position annulaire.
Il existe également des pyromètres infrarouges automatiques, sensibilisés pour mesurer dans le domaine infrarouge. Ces instruments utilisent un détecteur de rayonnement électrique plutôt que l'œil humain. Ce dispositif fonctionne en comparant la quantité de rayonnement émise par la cible à celle émise par une source de référence contrôlée en interne. La sortie de l'instrument est proportionnelle à la différence de rayonnement entre la cible et la référence.
Rayonnement par FIBRE OPTIQUE
Bien qu'ils ne constituent pas à proprement parler une catégorie à part entière, ces appareils utilisent un guide de lumière, tel qu'une fibre transparente flexible, pour diriger le rayonnement vers le détecteur. Ils sont décrits plus en détail dans le chapitre qui commence à la page 43. La réponse spectrale de ces fibres s'étend jusqu'à environ 2 microns et peut être utile pour mesurer la température d'objets jusqu'à 210 °F (100 °C). Ces appareils sont évidemment particulièrement utiles lors de difficultés importantes ou impossibilités à obtenir une ligne de visée claire vers la cible, comme dans une chambre de pression.
Définition des termes
Glossaire général des thermomètres sans contact Rayonnement IR. L'infrarouge est la partie du spectre électromagnétique située au-delà de la réponse visible (du bleu au rouge, 0,4-0,75 µm) de l'œil humain. Les longueurs d'onde IR s'étendent de 0,75 µm à 1000 µm, où commencent les micro-ondes les plus courtes (radar). Comme le rayonnement IR est principalement généré par la chaleur, on l'appelle rayonnement thermique.
Pour les thermomètres sans contact, seules certaines parties du spectre infrarouge sont importantes. Le spectre est souvent divisé en « fenêtres atmosphériques » qui permettent une transmission maximale sans perte à travers la vapeur d'eau présente dans l'air : 0,7-1,3 µm ; 1,4-1,8 µm ; 2,0-2,5 µm ; 3,2-4,3 µm ; 4,8-5,3 µm ; 8-14 µm
Émissivité. Cette qualité définit la fraction du rayonnement émis par un objet par rapport à celui émis par un radiateur parfait (corps noir) à la même température. L'émissivité est déterminée en partie par le type de matériau et l'état de sa surface, et peut varier de près de zéro (pour un miroir hautement réfléchissant) à presque 1 (pour un simulateur de corps noir). L'émissivité est utilisée pour calculer la température réelle d'un objet à partir de la luminosité ou du rayonnement spectral mesurés. Étant donné que l'émissivité d'un objet peut également varier en fonction de la longueur d'onde, il convient de choisir un thermomètre à rayonnement dont la réponse spectrale correspond aux régions à haute émissivité pour une application spécifique. Les valeurs d'émissivité sont répertoriées dans la littérature pour divers matériaux et bandes spectrales, ou peuvent être déterminées empiriquement.
Pyromètre à luminosité/monochrome. Ces appareils mesurent et évaluent l'intensité, ou la luminosité, du rayonnement thermique intercepté. L'intensité, ou plus généralement la radiance spectrale, est mesurée dans une bande de longueur d'onde étroite du spectre thermique. Le choix de la bande est dicté par la plage de température et le type de matériau à mesurer.
Pyromètre à rapport/deux couleurs. Ce thermomètre sans contact mesure les températures sur la base de deux (ou plusieurs) longueurs d'onde distinctes. Le rapport entre les luminosités dans des longueurs d'onde distinctes correspond à la couleur dans le spectre visible. L'utilisation de deux couleurs distinctes et visibles, généralement le rouge et le vert, est depuis longtemps courante pour déduire les températures de couleur.
Détection du rayonnement
Réglage de l'Émissivité. La précision de la lecture de la température dépend du réglage correct de l'instrument en fonction de l'Émissivité de la cible. Des valeurs d'émissivité prédéfinies peuvent être utilisées pour les capteurs en ligne afin de surveiller des cibles à émissivité constante. Les mesures sur des matériaux dont l'émissivité varie nécessitent un réglage précis et reproductible de l'émissivité.
Température de la zone environnante. Le rayonnement thermique de la cible contient toujours un rayonnement parasite émis par l'environnement entourant la zone cible et réfléchi par la surface de la cible. Dans la pratique, la température ambiante est souvent supposée être la même que la température du capteur. Si la cible est exposée à un environnement thermique différent, par exemple à l'intérieur d'un Four chauffé, d'une chambre refroidie ou à l'extérieur à ciel ouvert, des réglages sont nécessaires pour obtenir une mesure précise. Des capteurs séparés pour la zone entourant la cible peuvent être utilisés pour le calcul automatique de la température.
Titre de la légende de l'image Obscurcissement du champ de vision. Les gaz, la vapeur d'eau, la poussière et autres aérosols présents dans le champ de vision d'un capteur peuvent affecter la lecture de la température. L'utilisation d'une des « fenêtres atmosphériques » dans la région IR réduit considérablement les erreurs de mesure. Comme les deux canaux optiques sont atténués de manière égale, les pyromètres à rapport sont généralement insensibles à l'obscurcissement du champ de vision, et le rapport de couleur du signal reste inchangé.
Dérive de la température ambiante. De par leur conception, les thermomètres sans contact sont fortement affectés par les variations de température ambiante. Pour maintenir une grande précision de mesure, une compensation précise de cette dérive de température est obligatoire. La dérive de température est spécifiée en erreur/°C ou erreur/°F de variation de la température ambiante. Systèmes optiques Optique. Les thermomètres sans contact utilisent des optiques réfléchissantes (miroirs) et réfractives (lentilles) pour isoler et définir le rayonnement provenant de la cible mesurée.
Champ de vue. Le champ de vue (FOV) est exprimé en degrés d'angle solide ou en radians. Le FOV permet de calculer facilement la taille minimale de la cible pour chaque distance de travail. Une mesure pratique est le rapport distance/cible, par exemple 20:1, indiquant une cible minimale de 1 pouce à une distance de mesure de 20 pouces.
Mise au point sur la cible. Les optiques des capteurs de température sans contact sont généralement de type à focale fixe. La mise au point à des distances de mesure plus longues n'est pas obligatoire si la zone cible est plus petite que l'ouverture d'entrée (diamètre de la lentille) de l'instrument.
FIBRE OPTIQUE. La fibre optique permet de séparer physiquement l'ensemble de lentilles du détecteur et des composants électroniques de traitement du signal dans des espaces restreints ou des environnements hostiles. La plage de mesure utile de la fibre optique commence à 400 °C (750 °F). Les zones cibles minimales sont celles définies ci-dessus.
Visée sur la cible. Diverses techniques de visée optique sont utilisées avec les thermomètres sans contact :
- Viseurs simples à guidon et cran de mire
- Viseurs optiques intégrés ou amovibles
- Viseurs à travers l'objectif
- Marqueurs lumineux intégrés ou amovibles
Titre de la légende de l'image Traitement du signal Sortie directe. Les thermomètres sans contact convertissent le rayonnement thermique intercepté en un signal électrique proportionnel à la radiance spectrale émise par la surface cible.
Sortie linéarisée. Un réseau électronique convertit le signal de radiance thermique en un courant/une tension électrique proportionnel(le) à la température.
Échantillonnage et maintien. La lecture de température instantanée, sélectionnée par un déclencheur externe, est maintenue (gelée) jusqu'à ce qu'elle soit remplacée par une nouvelle valeur lors du cycle d'échantillonnage suivant.
Valeur maximale ou maintien de crête. La lecture de température la plus élevée sur la période de mesure spécifique est affichée. La réinitialisation est déclenchée par un signal externe.
Maintien de la valeur minimale ou creux. La température minimale relevée pendant une période de mesure spécifique est affichée. La réinitialisation est déclenchée par un signal externe.
Crête à crête. La différence entre les températures maximales et minimales relevées pendant une période de mesure spécifique est affichée.
Vitesse de réponse. Un temps de réponse court est nécessaire pour suivre les processus de température dynamiques qui changent rapidement. Un temps de réponse long intègre toutes les variations de signal pendant une période de mesure spécifique et améliore la résolution de la température afin de calculer la moyenne des valeurs changeantes ou d'améliorer la précision de la mesure.
Déclenchement automatique (fonction d'onde). La température la plus élevée est détectée et affichée. La réinitialisation est déclenchée automatiquement lorsque le signal atteint un seuil réglable, mais la dernière valeur maximale reste affichée jusqu'à ce qu'elle soit remplacée par la valeur maximale suivante. Cette technique est appropriée pour l'échantillonnage et l'analyse rapides de valeurs cibles intermittentes, sans utiliser de signaux de déclenchement externes.
Alarmes. Un signal de sortie (relais) est activé lorsque le signal atteint une valeur de température préréglée. Deux points de consigne indépendants – HI/LO – sont généralement fournis.
Accessoires pour thermomètres sans contact Chemises refroidissables à l'eau. Le refroidissement à l'eau étend la plage de température ambiante du capteur jusqu'à 400 °C (752 °F) ou plus.
Raccords de purge d'air. Les barillets ou accessoires pour lentilles avec raccords pour air comprimé sont conçus pour diriger un flux d'air propre sur la surface de la lentille. Ils maintiennent les chemins optiques exempts de vapeurs, de fumées et de poussière.
Calibrateurs pour thermomètres sans contact Des cavités profondes contrôlées à une température homogène servent de simulateurs de corps noir pour l'étalonnage des thermomètres à rayonnement. Afin de s'adapter à la diversité des instruments, ils offrent une ouverture effective d'environ 25 mm (1 pouce) et sont optimisés pour leur plage de température de fonctionnement :
- Bain-marie agité : 30-100 °C (86-212 °F)
- Noyau en aluminium : 50-400 °C (122-752 °F)
- Noyau en acier inoxydable : 350-1000 °C (662-1832 °F )
- Calibrateur de terrain portable fonctionnant sur batterie : choix de températures fixes comprises entre 40 °C et 100 °C (104-212 °F)
Instruments en ligne. Ces appareils sont généralement utilisés pour la surveillance et le contrôle continus des processus. Ils sont disponibles en modèles basse et haute température, chacun avec ses propres spécifications de fonctionnement (voir tableau 1).
Instruments portables. Les appareils portables sont généralement préférés pour les contrôles de processus, l’entretien & service préventif/prédictif, les études thermiques, la R&D et la surveillance temporaire de la température. Les versions basse et haute température diffèrent en termes de performances, comme le montre le tableau 2.
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 ?