Le mot « pyromètre » vient du grec pyro, qui signifie « feu ». À l'origine, le terme « pyromètre » désignait un appareil capable de mesurer la température d'objets incandescents, c'est-à-dire d'objets brillants à l'œil nu. Les premiers pyromètres infrarouges étaient des appareils optiques sans contact qui interceptaient et évaluaient le rayonnement visible émis par les objets incandescents.
Une définition moderne et plus correcte serait tout appareil sans contact interceptant et mesurant le rayonnement thermique émis par un objet afin de déterminer la température de surface. Le thermomètre, également issu du grec thermos, qui signifie chaud, est utilisé pour décrire un large éventail d'appareils servant à mesurer la température. Ainsi, un pyromètre est un type de thermomètre infrarouge. La désignation « thermomètre à rayonnement » a évolué au cours de la dernière décennie pour remplacer celle de « pyromètre optique ». Par conséquent, les termes « pyromètre infrarouge » et « thermomètre à rayonnement » sont utilisés de manière interchangeable dans de nombreuses références.
En termes très simples, un thermomètre à rayonnement se compose d'un système optique et d'un détecteur. Le système optique concentre l'énergie émise par un objet sur le détecteur, qui est sensible au rayonnement. La sortie du détecteur est proportionnelle à la quantité d'énergie rayonnée par l'objet cible (moins la quantité absorbée par le système optique) et à la réponse du détecteur aux longueurs d'onde spécifiques du rayonnement. Cette sortie peut être utilisée pour déduire la température de l'objet. L'émissivité, ou émittance, de l'objet est une variable importante pour convertir la sortie du détecteur en un signal de température précis.
Les pyromètres infrarouges, qui mesurent spécifiquement l'énergie rayonnée par un objet dans la gamme de longueurs d'onde de 0,7 à 20 microns, sont un sous-ensemble des thermomètres à rayonnement. Ces appareils peuvent mesurer ce rayonnement à distance. Il n'est pas nécessaire d'établir un contact direct entre le thermomètre à rayonnement et l'objet, comme c'est le cas avec les Thermocouples et les Détecteurs de température à résistance (RTD). Les pyromètres à rayonnement sont particulièrement adaptés à la mesure d'objets en mouvement ou de toute surface inaccessible ou intouchable.
Mais les avantages de la thermométrie par rayonnement ont un prix. Même les appareils les plus simples sont plus chers qu'un thermocouple standard ou un ensemble de détecteurs de température à résistance (RTD), et le coût d'installation peut dépasser celui d'une sonde thermométrique standard. Les appareils sont robustes, mais nécessitent un entretien régulier afin de maintenir la ligne de visée dégagée et les éléments optiques propres. Les systèmes pyrométriques utilisés pour des applications plus difficiles peuvent avoir des optiques plus complexes, éventuellement des pièces rotatives ou mobiles, et des composants électroniques à Microprocesseur. Il n'existe pas de courbes d'étalonnage reconnues par l'industrie pour les thermomètres à rayonnement, contrairement aux thermocouples et aux RTD. De plus, l'utilisateur peut être amené à étudier sérieusement l'application afin de sélectionner la technologie optimale, la méthode d'installation et la compensation nécessaire pour le signal mesuré, afin d'obtenir les performances souhaitées.
Que sont l'émissivité, l'émittance et le facteur N ?
Dans un chapitre précédent, l'émittance a été identifiée comme un paramètre essentiel pour convertir avec précision la sortie du détecteur utilisé dans un thermomètre à rayonnement en une valeur représentant la température d'un objet. V (T) = e K TN
Les termes « émittance » et « émissivité » sont souvent utilisés de manière interchangeable. Il existe cependant une distinction technique entre les deux. L'émissivité fait référence aux propriétés d'un matériau, tandis que l'émittance fait référence aux propriétés d'un objet particulier. Dans ce dernier sens, l'émissivité n'est qu'un élément parmi d'autres qui déterminent l'émittance. D'autres facteurs, notamment la forme de l'objet, l'oxydation et la finition de la surface, doivent être pris en compte.
L'émittance apparente d'un matériau dépend également de la température à laquelle elle est déterminée et de la longueur d'onde à laquelle la mesure est effectuée. L'état de la surface influe sur la valeur de l'émittance d'un objet, les surfaces polies ayant des valeurs plus faibles et les surfaces rugueuses ou mates des valeurs plus élevées. De plus, à mesure que les matériaux s'oxydent, l'émittance a tendance à augmenter et la dépendance à l'état de la surface diminue. Les valeurs d'émissivité représentatives d'une gamme de métaux et de non-métaux courants à différentes températures sont indiquées dans les tableaux à partir de la page 72.
L'ÉQUATION DE BASE UTILISÉE POUR DÉCRIRE LA SORTIE D'UN THERMOMÈTRE À RADIATION EST LA SUIVANTE :
Où :
Il convient de choisir un thermomètre à rayonnement présentant la valeur N la plus élevée (longueur d'onde équivalente la plus courte possible) afin d'obtenir la moindre dépendance possible aux variations d'émissivité de la cible. Les avantages d'un appareil présentant une valeur N élevée s'étendent à tous les paramètres qui influent sur la sortie V. Un système optique sale ou l'absorption d'énergie par les gaz présents dans le champ de vision ont moins d'effet sur la température indiquée si N a une valeur élevée.
Les valeurs d'émissivité de surface de presque toutes les substances sont connues et publiées dans la littérature de référence.
Cependant, l'émissivité déterminée dans des conditions de laboratoire correspond rarement à l'émissivité réelle d'un objet dans des conditions de fonctionnement réelles. C'est pourquoi on a tendance à utiliser les données d'émissivité publiées lorsque les valeurs sont élevées.
En règle générale, la plupart des matériaux non métalliques opaques ont une émissivité élevée et stable (0,85 à 0,90). La plupart des matériaux métalliques non oxydés ont une valeur d'émissivité faible à moyenne (0,2 à 0,5). L'or, l'argent et l'aluminium font exception, avec des valeurs d'émissivité comprises entre 0,02 et 0,04. La température de ces métaux est très difficile à mesurer avec un thermomètre à rayonnement.
Une façon de déterminer expérimentalement l'émissivité de surface consiste à comparer la mesure du thermomètre à rayonnement d'une cible avec la mesure simultanée obtenue à l'aide d'un thermocouple ou d'un RTD. La différence entre les lectures est due à l'émissivité, qui est bien sûr inférieure à un. Pour des températures allant jusqu'à 500 °F (260 °C), les valeurs d'émissivité peuvent être déterminées expérimentalement en plaçant un morceau de ruban adhésif noir sur la surface cible. À l'aide d'un pyromètre à rayonnement réglé sur une émissivité de 0,95, mesurez la température de la surface du ruban (en laissant le temps à celui-ci d'atteindre l'équilibre thermique). Mesurez ensuite la température de la surface cible sans le ruban. La différence entre les deux mesures détermine la valeur réelle de l'émissivité de la cible.
De nombreux instruments disposent désormais de réglages d'émissivité calibrés. Le réglage peut être défini sur une valeur d'émissivité déterminée à partir de tableaux ou expérimentalement, comme décrit dans le paragraphe précédent. Pour une précision optimale, il peut être nécessaire de déterminer de manière indépendante l'émissivité en laboratoire à la longueur d'onde à laquelle le thermomètre effectue ses mesures, et si possible à la température prévue de la cible.
Les valeurs d'émissivité indiquées dans les tableaux ont été déterminées à l'aide d'un pyromètre placé perpendiculairement à la cible. Si l'angle de visée réel est supérieur à 30 ou 40 degrés par rapport à la normale à la cible, la mesure de l'émissivité en laboratoire peut être obligatoire.
De plus, si le pyromètre à rayonnement vise à travers une fenêtre, une correction de l'émissivité doit être apportée pour tenir compte de l'énergie perdue par réflexion sur les deux surfaces de la fenêtre, ainsi que de l'absorption dans la fenêtre. Par exemple, environ 4 % du rayonnement est réfléchi par les surfaces en verre dans les gammes infrarouges, de sorte que la transmittance effective est de 0,92. La perte à travers d'autres matériaux peut être déterminée à partir de l'indice de réfraction du matériau à la longueur d'onde de mesure.
Les incertitudes concernant l'émissivité peuvent être réduites en utilisant des thermomètres à rayonnement à courte longueur d'onde ou à rapport. Les longueurs d'onde courtes, autour de 0,7 micron, sont utiles car le gain du signal est élevé dans cette région. La réponse plus élevée aux courtes longueurs d'onde tend à masquer les effets des variations d'émissivité. Le gain élevé de l'énergie rayonnée tend également à masquer les effets d'absorption de la vapeur, de la poussière ou de la vapeur d'eau dans le champ de vision vers la cible. Par exemple, le réglage de la longueur d'onde sur une telle bande permettra au capteur de lire une température absolue comprise entre +/-5 et +/-10 degrés lorsque le matériau a une émissivité de 0,9 (+/-0,05). Cela représente une précision d'environ 1 % à 2 %.
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