Erreurs métrologiques dans la pratique de la mesure de température sans contact

La mesure de température sans contact ou pyrométrie est considérée avec scepticisme par de nombreux praticiens de la mesure de température. Les données techniques des fabricants montrent que les pyromètres sont des appareils de mesure très précis et exacts. Outre le choix correct d'un pyromètre adapté à l'application, il est surtout décisif de tenir compte des propriétés des matériaux et des influences environnementales sur place.

Une utilisation professionnelle permet d'éviter les erreurs de mesure. Les causes d'erreurs les plus fréquentes et les possibilités de les réduire sont expliquées ci-dessous.

Les pyromètres mesurent le rayonnement thermique émis par un objet. Le rayonnement infrarouge émis par l'objet dépend des propriétés de son matériau et de sa surface. Cette propriété d'émission est décrite par l'émissivité ε. Pour une mesure précise de la température, l'émissivité doit être réglée sur l'appareil. Une émissivité mal réglée peut entraîner des erreurs considérables. La figure 1 montre, en fonction de la longueur d'onde, l'écart de température (ΔT) pour trois valeurs de mesure lorsqu'un degré d'émission de 80% est réglé sur l'appareil au lieu d'un degré d'émission de 90%. Cette erreur augmente avec une longueur d'onde de mesure plus grande ou une température plus élevée. Il convient donc de choisir la plage de longueurs d'onde la plus courte possible disponible pour la plage de mesure souhaitée.

Lors de la mesure de surfaces métalliques dont l'émissivité est inconnue ou très variable, le choix d'une longueur d'onde de mesure plus courte permet de réduire considérablement l'erreur de mesure. L'émissivité des métaux augmente avec des longueurs d'onde plus courtes. En même temps, l'influence de l'erreur est moindre en cas de mauvais réglage de l'émissivité.

Les conditions sont optimales lorsque le pyromètre a un champ de vision libre sur l'objet. Si des milieux tels que la poussière, les gaz, la fumée, les vitres de protection ou des matériaux opaques se trouvent dans le trajet optique du pyromètre, ils provoquent une diminution du rayonnement thermique de l'objet.

Si les pertes par transmission sont connues, par ex. en cas de mesure à travers un verre de protection (τ=0,95), elles peuvent être compensées par une adaptation de l'émissivité sur l'appareil.

_εAppareil= _εObjet - _τCourse des rayons

_εAppareil = émissivité à régler sur l'appareil
_εObjet = émissivité de l'objet
_τCourse des rayons = transmissivité des objets dans la course des rayons

La situation est plus problématique si, au fil du temps, de la poussière, de l'huile ou des matériaux évaporés s'accumulent sur les lentilles ou les fenêtres de protection. Le pyromètre mesure alors une température plus faible au fur et à mesure de l'encrassement. Un nettoyage régulier des lentilles est donc nécessaire. Des dispositifs de soufflage libre prolongent le cycle de nettoyage. Depuis peu, on trouve sur le marché des pyromètres qui disposent d'un indicateur de degré d'encrassement intégré. Lorsque la lentille est encrassée, un signal d'alarme est généré.

La puissance de rayonnement ΦΣ qui atteint le détecteur du pyromètre est déterminante pour la température de l'objet affichée_.

Conformément à la formule suivante, elle comprend, outre la part d'émission de l'objet à mesurer, une part de rayonnement de fond, composée de la part de réflexion et de transmission du rayonnement ambiant.

_ΦΣ= _Φε+ _Φτ+_Φρ

ε = taux d'émission de la surface de mesure
τ = taux de transmission de l'objet à mesurer
ρ = taux de réflexion de la surface de mesureche

L'influence des erreurs dues au rayonnement de fond se réduit d'autant plus que l'émissivité de l'objet est grande et que la température de l'objet est élevée par rapport à la température ambiante.Cette influence est problématique, par exemple, lors de l'utilisation de pyromètres à la sortie de fours continus. L'erreur de mesure peut être réduite si l'orientation de l'optique empêche la réflexion du rayonnement thermique du four sur la surface de l'objet à mesurer. Les sources de rayonnement dans le domaine infrarouge, telles que les lampes à incandescence, les radiateurs ou les lasers, provoquent parfois de forts rayonnements infrarouges qui sont sous-estimés dans la pratique.

Il existe des appareils dotés de filtres de blocage spécialement conçus pour les applications laser, afin de supprimer l'influence du rayonnement laser à haute énergie par rapport au très faible rayonnement infrarouge.

Les erreurs de représentation de l'optique, la lumière diffusée et la réflexion sur les composants optiques et les parties du boîtier ainsi que la diffraction due à la nature ondulatoire de la lumière ont pour conséquence qu'une partie du rayonnement détecté parvient sur le capteur en dehors du champ de mesure spécifié. L'optique reçoit une partie du rayonnement en dehors du champ de mesure. Cette influence de l'optique est appelée "Size of Source Effect". Le fabricant peut minimiser cette influence en corrigeant soigneusement les erreurs de représentation optique, en utilisant des composants optiques antireflets et en évitant les réflexions dans l'appareil. Une optique de haute qualité réduit cette influence des erreurs. C'est au foyer de l'optique que le "Size of Source Effect" est le plus faible. Pour les pyromètres équipés d'optiques focalisables, cet effet peut donc être considérablement réduit si la distance de mesure est correctement réglée.

Pour des raisons physiques, l'erreur optique augmente avec la longueur d'onde. C'est pourquoi les appareils de mesure à ondes longues et donc les appareils pour les plages de mesure basses nécessitent un effort encore plus important pour corriger les erreurs optiques. Pour les pyromètres moins chers, qui mesurent à partir de la température ambiante, cela se traduit par le fait que la valeur de mesure affichée dépend fortement de la distance de mesure choisie.

Si l'objet est nettement plus grand que le spot de mesure du pyromètre et que la surface est à un niveau de température presque identique, cet effet peut être presque négligé. Dans le cas contraire, l'erreur peut être réduite en utilisant un appareil avec une optique focalisable et en l'orientant précisément vers l'objet. Pour aligner le pyromètre avec précision, il est recommandé d'utiliser une lumière pilote, une visée par transparence ou une caméra vidéo intégrée.

Dans un pyromètre à quotient, le rapport des densités de rayonnement de deux domaines spectraux différents est évalué. Pour simplifier, la formule suivante s'applique à la température mesurée avec les deux longueurs d'onde centrales _λ1 et _λ2.

1÷ _TM = (1 ÷ _TW) + ((_λ1 - _λ2) ÷ (_C2 - (_λ1 - _λ2)) - (ln _{ε1÷_ε2})

_TM = émissivité de la surface de mesure
_TW = transmittance de l'objet mesuré
_C2 = réflectance de la surface de mesure

Si les émissivités _ε1 et _ε2 sont identiques pour les deux longueurs d'onde, la température mesurée correspond à la température de l'objet. Un pyromètre à quotient mesure donc indépendamment de l'émissivité de la surface, à condition que les émissivités _ε1 et _ε2 soient identiques. En théorie, les pyromètres à quotient sont recommandés lorsque l'émissivité de l'objet à mesurer varie. Dans la pratique, on constate toutefois que cela dépend de l'application concernée et que c'est rarement le cas. En raison de la formation du rapport, l'erreur de mesure d'un pyromètre à quotient peut être beaucoup plus importante que celle d'un pyromètre spectral lorsque l'émissivité des deux longueurs d'onde de mesure varie et diffère. Les métaux, en particulier les métaux non ferreux, présentent une variation de l'émissivité en fonction de la longueur d'onde.

En revanche, les pertes par transmission telles que la poussière, la vapeur ou la fumée provoquent souvent une atténuation homogène de l'intensité du rayonnement. Dans ces conditions, la valeur mesurée par les pyromètres à quotient reste constante par rapport aux pyromètres spectraux.

Les pyromètres à quotient innovants permettent de mesurer et de calculer simultanément la température aux deux longueurs d'onde spectrales et la température du quotient. Il est ainsi possible de décider lors de la mise en service si, pour l'ensemble de la plage de mesure, la mesure avec un pyromètre spectral ou avec un pyromètre à quotient fournit des valeurs de mesure plus reproductibles et plus précises.