Définition et influence de l'émissivité dans la mesure de température sans contact

Lors de la mesure de température sans contact, le rayonnement infrarouge ou le rayonnement thermique émis par l'objet à mesurer est détecté par un pyromètre. Le pyromètre calcule la température à partir du rayonnement reçu selon l'équation de rayonnement de Planck. Celle-ci dépend en grande partie de l'émissivité de l'objet à mesurer. Mais qu'est-ce que l'émissivité et comment se traduit-elle dans la pratique ? Comment l'émissivité peut-elle être déterminée et de quoi dépend-elle ? Quelles erreurs peuvent survenir en cas de mauvais réglage de l'émissivité et comment minimiser les erreurs de mesure. Ces questions et d'autres sont abordées dans le présent article.

Le niveau de rayonnement infrarouge/chaleur dépend non seulement de la température, mais aussi de l'objet de mesure lui-même. La capacité d'un objet de mesure à restituer le rayonnement thermique qu'il a absorbé (absorbé) est décrite par l'émissivité. Un émetteur idéal ou "noir" émet la totalité du rayonnement qu'il reçoit. Un émetteur réel émet, à température égale, un rayonnement plus faible qu'un "émetteur noir". L'émissivité ε est le rapport entre le rayonnement infrarouge d'un objet réel à mesurer Φr et le rayonnement d'un "radiateur noir" Φs.

ε = Φr / Φs

Ainsi, l'émissivité est une grandeur physique sans dimension comprise entre 0 et 1 ou 0 et 100 %.

Le rayonnement qui atteint un objet de mesure depuis l'environnement est plus ou moins fortement réfléchi en fonction du degré de réflexion de l'objet de mesure. Le rayonnement thermique suit les mêmes lois de rayonnement que la lumière visible. Dans le cas d'objets transparents (verre, films), un rayonnement thermique supplémentaire peut provenir de l'intérieur de l'objet à mesurer et de l'arrière-plan. La transmittance indique le pourcentage de rayonnement qui traverse un objet. Le rayonnement total ΦΣ détecté par un pyromètre se compose comme suit.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = émissivité
ρ = réflectance
τ = transmittance
ΦO = rayonnement de l'objet
ΦU = rayonnement ambiant
ΦH = rayonnement de fond

Les coefficients de rayonnement sont liés par la formule :

1 = ε + ρ + τ

Pour les objets non transparents, la part de transmission est supprimée.

1 = ε + ρ

L'émissivité d'un objet à mesurer dépend en grande partie du matériau ou de la surface du matériau. Les objets non métalliques et non transparents sont généralement de bons émetteurs de chaleur avec une émissivité > 80 %. Pour les métaux, l'émissivité peut varier entre 5 et 90 %. Plus un métal est brillant, plus son émissivité est faible.

En outre, l'émissivité peut varier en fonction de la longueur d'onde. Cette propriété est particulièrement marquée pour les métaux. La capacité de rayonnement des métaux augmente lorsque la longueur d'onde diminue. Lors de la sélection, il est donc recommandé d'utiliser un pyromètre mesurant les ondes courtes.

Les objets transparents comme le verre, le plastique ou les gaz ont des plages de longueurs d'onde spécifiques dans lesquelles ils possèdent de bonnes propriétés de rayonnement. Pour mesurer la température de ces matériaux, il faut choisir des pyromètres avec des capteurs et des filtres spéciaux qui sont sensibles à cette longueur d'onde.

Pour les métaux et le verre, le comportement au rayonnement change en outre en fonction de la température. C'est précisément l'oxydation de la surface des métaux et le passage de l'état solide à l'état liquide qui modifient considérablement l'émissivité.

L'émissivité des métaux augmente avec la température. Dans le cas du verre, la profondeur de vision du pyromètre augmente avec la température, et donc la part de rayonnement provenant de la zone interne.

Dans la pratique, il peut y avoir des radiations externes provenant de l'environnement. L'exemple classique est la mesure d'une tôle froide à l'intérieur d'un four de chauffage chaud. Le pyromètre détecte, en plus du rayonnement de l'objet, le rayonnement de la paroi du four qui se réfléchit sur la tôle. Plus la température de l'objet se rapproche de celle du four, plus l'erreur de mesure diminue.

Pour détecter la vraie température de l'objet, il faut utiliser des tubes de visée refroidis à l'eau. Ceux-ci servent à masquer le rayonnement parasite des parois du four. Pour cela, le diamètre du tube doit être au moins 6 fois supérieur à la distance de mesure par rapport à l'objet afin de former une ombre suffisamment grande.

Dans la littérature ou les modes d'emploi, on trouve des indications sur l'émissivité de différentes substances. Toutefois, ces données doivent être prises avec précaution. Il est important de savoir pour quelle longueur d'onde et quelle température la valeur indiquée est valable. De plus, il s'agit de valeurs valables dans des conditions de mesure idéales.

Dans des conditions réelles, le rayonnement détecté par le pyromètre peut en outre résulter du rayonnement ambiant qui se réfléchit sur l'objet ou qui est translucide. Si le pyromètre était réglé sur la valeur idéalisée de la littérature, il indiquerait une température trop élevée.

Pour indiquer la bonne température, il faut régler l'émissivité du pyromètre sur une valeur plus élevée. On parle alors d'une augmentation artificielle de l'émissivité. Une mesure comparative avec un thermomètre de contact permet de déterminer l'émissivité réelle à régler. Bien entendu, l'erreur de mesure dépend alors également de la précision de la mesure par contact.

Une alternative consiste à coller un autocollant avec une émissivité définie sur l'objet à mesurer pour des températures jusqu'à 250 °C environ.

On détermine d'abord la température réelle sur l'autocollant (image 2). Ensuite, une mesure comparative est effectuée juste à côté de l'autocollant et l'émissivité est réglée sur le pyromètre de manière à ce que la valeur mesurée précédemment soit à nouveau affichée. Comme l'influence de l'émissivité augmente avec la température, cette mesure comparative doit être effectuée à des températures élevées.

Lorsque la température de l'objet est élevée ou que les objets à mesurer sont inaccessibles, comme par ex. dans un four à vide, il est recommandé d'effectuer une mesure comparative avec un pyromètre mesurant les ondes très courtes, car, pour des raisons physiques, l'erreur de mesure diminue avec une longueur d'onde de mesure plus courte.

Un pyromètre comparateur d'intensité (figure 3) est idéal pour cela. Le principe de mesure de ces appareils est basé sur une comparaison optique des couleurs à une longueur d'onde de 0,67 μm. De plus, le principe de mesure fonctionne indépendamment de la taille de l'objet à mesurer.

Les effets d'une modification de l'émissivité ou d'un mauvais réglage du pyromètre sont représentés dans le graphique de la figure 4.

Il y a quelques années sont apparus sur le marché des pyromètres qui détectent simultanément le rayonnement à deux longueurs d'onde. Le quotient de ces deux rayonnements est proportionnel à la température. Si la modification de l'émissivité modifie le rayonnement reçu par les deux canaux de mesure, le quotient et donc la température restent malgré tout constants. Cela n'est toutefois valable que si la modification de l'émissivité est identique pour les deux canaux. Dans la pratique, une modification n'est pas constante pour les métaux. Les pyromètres à quotient peuvent alors produire des erreurs de mesure nettement plus importantes que les pyromètres à un canal. Il faut donc se méfier de la mesure "indépendante du degré d'émission" souvent citée avec les pyromètres à quotient.

Un pyromètre à quotient présente des avantages techniques de mesure lorsque, par exemple, des hublots encrassés ou de la poussière dans le champ de vision affaiblissent l'énergie de rayonnement des deux canaux dans la même mesure. La température reste affichée correctement.

Dans des conditions de mesure critiques, il est recommandé d'observer en parallèle les deux valeurs spectrales de température et la température quotient. Selon le résultat, le pyromètre peut être réglé sur la meilleure méthode de mesure.

Lors du choix d'un pyromètre, on accorde une grande attention à l'incertitude de mesure spécifiée dans le prospectus. Pourtant, en mesure de température sans contact, l'erreur de mesure dépend essentiellement des caractéristiques métrologiques de l'objet à mesurer et des conditions ambiantes. L'erreur de mesure spécifique à l'appareil n'a qu'une influence mineure. C'est pourquoi il faut tenir compte des relations décrites ci-dessus, tant lors du choix du pyromètre que lors de la détermination du point de mesure.