Pyromètre bichromatique

Les pyromètres bichromatiques   sont devenus incontournables dans les applications actuelles de thermométrie infrarouge. L'article suivant explique les principes physiques, les avantages, les possibilités fonctionnelles et analytiques ainsi que les limites de la pyrométrie bichromatique. Des domaines d'application typiques sont présentés à l'aide d'applications pratiques.

Un pyromètre bichromatique détecte le rayonnement thermique d'un objet à mesurer dans deux plages de longueurs d'onde différentes. Le quotient des deux luminances énergétiques monochromatiques change à peu près proportionnellement à la température. L'émissivité ε de la surface de mesure pour les deux longueurs d'onde est liée aux luminances énergétiques monochromatiques (figure 1).

Afin de réduire l'influence de l'émissivité de la surface de mesure en fonction de la longueur d'onde, des plages de longueurs d'onde proches les unes des autres sont sélectionnées. D'autre part, cela signifie que les deux luminances diffèrent à peine. Le quotient de deux valeurs presque identiques ne change que très peu en fonction de la température de l'objet. Par conséquent, la plus petite température mesurable d'un pyromètre bichromatique est limitée à 300 °C environ. Pour pouvoir évaluer ces petits changements de signal, il faut une amplification considérable. La qualité des capteurs, des amplificateurs électroniques et des convertisseurs A/N est donc soumise aux exigences les plus élevées afin d'obtenir un rapport signal/bruit élevé ou un petit NETD (Noise Equivalent Temperature Difference/ différence de température équivalente de bruit) et donc la résolution de température élevée requise pour une mesure précise. Pour contrôler le NETD, il faut utiliser l’appareil au début de la plage de mesure avec le temps de réglage le plus court et il faut vérifier la stabilité du signal de mesure.

Le grand avantage de la méthode de mesure bichromatique est que la température correcte est déterminée en cas d'affaiblissement du signal indépendant de la longueur d'onde. Si, par exemple, un verre de regard sale ou de la vapeur, de la fumée et de la poussière dans le champ de vision du pyromètre entraîne une diminution du signal, le quotient et donc la température affichée restent constants.

Avec les mêmes émissivités ε1 = ε2 (émetteur gris) pour les deux longueurs d'onde, le terme de l'émissivité se raccourcit dans l'équation et le pyromètre bichromatique indique la température réelle indépendamment de l'émissivité de l'objet à mesurer. Même si l'émissivité de l'objet varie de la même manière pour les deux plages d'ondes, ceci n’influence aucunement le résultat de la mesure. Les écarts par rapport à la température réelle dus aux différences constantes des deux émissivités peuvent être corrigés en ajustant le rapport d'émissivité sur le pyromètre.

Cependant, comment se comporte un pyromètre bichromatique si, lors de la mesure sur un émetteur dit coloré, l'émissivité varie considérablement en raison de la surface ou en fonction de la température pour les deux longueurs d'onde ?

Le même effet sélectif se produit lorsque la transmission du verre de regard varie en fonction de la longueur d'onde en raison de dépôts en couches minces (par exemple des films d'huile ou des évaporations). La méthode bichromatique n'est pas non plus totalement indépendante des propriétés de rayonnement de l'objet à mesurer, comme on peut parfois le lire dans la littérature.

Sur la base des trois exemples du tableau 1, l'influence différente d'un affaiblissement dépendant de l’émissivité pour la méthode de mesure mono- et bichromatique est évidente. Par rapport à une température de 800 °C d'un « corps noir » avec un émissivité ε = 1, les valeurs de température suivantes résultent de la loi de Planck pour un pyromètre bichromatique avec λ1 = 0,95 μm et λ2 = 1,05 μm avec une variation différente des émissivités liées à la longueur d'onde (voir tableau 1).

L'affichage inférieur des températures monochromatique pour le verre de protection (1) est clairement visible. En revanche, la valeur bichromatique reste presque constante. Dans le cas du verre feuilleté de qualité inférieure (2), les spectrales diminuent encore plus fortement et à des degrés divers. Cela entraîne également un écart de mesure important pour le quotient.

Pour les pyromètres bichromatiques, il est donc important de s'assurer que les verres de regard ont une courbe de transmission neutre dans la plage de longueurs d'onde du pyromètre. Il est possible de le vérifier très facilement en tenant un disque devant le pyromètre pendant la mesure. La température bichromatique ne doit changer que de manière insignifiante.

Un autre grand avantage de la pyrométrie bichromatique est que les objets à mesurer peuvent également être plus petits que le champ de mesure. Dans le cas d'un pyromètre monochromatique, l'objet doit toujours être plus grand que le champ de mesure, car un pyromètre monochromatique enregistre la valeur moyenne du rayonnement dans l'ensemble du champ de mesure. Sinon, un petit objet mesuré sur un fond froid donnera toujours une température trop basse.

Si, avec un pyromètre bichromatique, le champ de mesure de l'objet à mesurer n'est pas complètement éclairé (effet d'éclairage partiel), ceci agit comme un affaiblissement neutre du rayonnement infrarouge. Par conséquent, un pyromètre bichromatique fournit également des valeurs mesurées correctes si l'objet est jusqu'à 80 % plus petit que le champ de mesure du pyromètre. Le degré d'éclairage partiel minimal dépend de l'émissivité et de la température de l'objet à mesurer. Idéalement, la position de l'objet dans le champ de mesure doit être arbitraire et ne doit pas affecter la valeur de température affichée. Cependant, il existe de grandes différences de qualité entre les appareils proposés sur le marché à cet égard. Pour les pyromètres avec un système optique simple, une correction plus faible des erreurs d'imagerie optique de la lentille d’objectif et des capteurs avec une distribution de sensibilité non homogène, la valeur mesurée peut augmenter jusqu'à 20 - 30 °C à température constante de l'objet, par exemple si un fil chaud se trouve dans la zone périphérique du champ de mesure (figure 5).

Un autre avantage de la mesure sur de petits objets est qu'un pyromètre bichromatique est beaucoup moins sensible à l'alignement optique et à une focalisation correcte. En revanche, un pyromètre monochromatique doit être aligné et focalisé très précisément sur l'objet à mesurer afin d'éviter les erreurs de mesure lorsque l'objet est à peine plus grand que le champ de mesure.

La courbe de mesure suivante (figure 6) a été enregistrée via un pyromètre bichromatique avec un champ de mesure de Ø8 mm sur un objet de Ø8 mm. Parallèlement, une température monochromatique a été enregistrée. La distance focale fixe était de 500 mm (point de mesure 1). Ensuite, la distance de mesure a été réduite à 250 mm (point de mesure 2). La défocalisation n'a qu'une influence mineure sur la température bichromatique, tandis que la température monochromatique présente un écart d'environ 20 °C. La distance de mesure a ensuite été réglée à 1000 mm (point de mesure 3). Le champ de mesure du pyromètre est deux fois plus grand que l'objet de la mesure. Encore une fois, la température bichromatique reste presque au même niveau. En revanche, la valeur monochromatique diminue fortement en raison de la défocalisation et de l'éclairage partiel.

Lors de la mesure de la température des tôles et des brames dans la cage de laminoir, la question de la méthode de mesure mono- ou bichromatique à recommander se pose toujours en raison des conditions extrêmes (figure 7).

Pour des raisons thermotechniques de conception, les appareils sont montés à une grande distance de mesure de plusieurs mètres. En utilisant une lentille standard avec une résolution optique de 100:1, par exemple, il en résulte un diamètre de champ de mesure à une distance de 20 mètres de 200 mm. La répartition de la température sur la brame est extrêmement hétérogène en raison de la calamine. Dans le cas d'un pyromètre monochromatique, la température est déterminée à partir de la valeur moyenne du rayonnement total reçu dans le champ de mesure. La valeur mesurée dépend donc de la répartition de la température et de la calamine. Comme la brame se déplace sur le convoyeur à rouleaux, le résultat serait une valeur mesurée fluctuante si le signal n'était pas filtré. Les fabricants de pyromètres recommandent donc d'utiliser un pyromètre avec une très haute résolution optique> 200 : 1 dans ces conditions afin d'obtenir un champ de mesure le plus petit possible. La température la plus élevée aux endroits exempts de calamine est enregistrée à l'aide de la mémoire de valeur maximale. 

Cependant, comment un pyromètre bichromatique réagit-il à une distribution de température non homogène dans le champ de mesure ? Le comportement d'un pyromètre bichromatique est plus complexe avec une distribution de température non homogène. Cela dépend de la surface totale des « spots chauds  » et des différences de température entre les points chauds et froids du champ de mesure. En raison de l'effet d'éclairage partiel décrit, un pyromètre bichromatique détermine la température de l'endroit le plus chaud du champ de mesure en supposant une différence de température significative de > 200 °C entre les zones chaudes et froides. 

Lors de la mesure sur une brame, plusieurs points chauds peuvent apparaître dans le champ de mesure en raison de la calamine. Si la différence de température est faible, le pyromètre bichromatique détermine également la température à partir de la valeur moyenne du rayonnement reçu. Par conséquent, même pour un pyromètre bichromatique, il est recommandé d'utiliser des appareils à haute résolution optique et de bonnes qualités d'imagerie afin de minimiser l'influence des inhomogénéités au moyen de l'enregistrement de la valeur maximale. 

Si de la vapeur d'eau et des salissures sont à prévoir pendant le processus de laminage à chaud, il est préférable d'utiliser un pyromètre bichromatique. L'utilisation de la surveillance de l'encrassement du pyromètre bichromatique permet également d'augmenter la sécurité de fonctionnement de l'acquisition des valeurs mesurées.

La question de la mesure de la température d'objets plus froids à l'intérieur d'un four chaud est souvent discutée. Les pièces forgées froides sont placées dans des fours chauds pour le chauffage ou des brames froides traversent les différentes zones de chauffage d'un four poussant. En raison du rayonnement de fond élevé de la paroi chaude du four, qui est réfléchi par l'objet de la mesure et donc également détecté par le pyromètre, ce dernier indique toujours une température trop élevée. Plus la température de la pièce est proche de celle du four, plus l'effet perturbateur est faible. La solution la plus efficace pour éliminer le rayonnement de fond est l'utilisation de tubes de visée refroidis à l'eau. Cependant, ceci entraîne des coûts d'investissement élevés et des coûts d'exploitation permanents. En outre, l'installation d'un tube à l'intérieur d'un four qui s’étend presque jusqu’à la pièce à usiner pourrait être difficile ou impossible pour des raisons de construction.

Par conséquent, les appareils sont souvent utilisés sans tube de visée, sachant pertinemment que les erreurs de mesure sont plus ou moins importantes. L'influence du rayonnement de fond peut être réduite si la température du fond de rayonnement est détectée séparément avec un thermocouple ou un deuxième pyromètre et si le rayonnement parasite réfléchi dans le pyromètre est corrigé par calcul. Cette correction peut être imprécise, notamment si l'émissivité de l'objet est faible, fluctuante ou mal connue.

Si, pour des raisons physiques, la règle empirique « mesurer aussi peu d'ondes que possible » s'applique aux objets métalliques afin de maintenir l'influence de l’ émissivité aussi faible que possible, cette considération est exactement l'inverse lors de la mesure d'objets plus froids dans une atmosphère chaude.

Le rayonnement de fond a un effet plus faible avec un appareil mesurant des ondes plus longues. D'autre part, avec une sensibilité spectrale à ondes plus longues, l'émissivité ε des métaux est plus faible et donc le degré de réflexion σ plus grand (ε + σ = 1). Ceci entraîne à son tour une plus grande dépendance de l'influence perturbatrice du rayonnement chaud du four à des niveaux d'émission variables. Les fabricants recommandent donc d'utiliser des appareils avec une sensibilité spectrale  au sein de la plage de 1 à 2 μm afin d'obtenir le meilleur compromis.

Ici aussi, la question se pose de savoir comment se comporte un pyromètre bichromatique lors de la mesure d'objets plus froids dans une atmosphère chaude. Fondamentalement, un pyromètre bichromatique se comporte de la même manière qu'un pyromètre monochromatique. Il détecte à la fois le rayonnement de l'objet et le rayonnement réfléchi de la paroi du four. Un pyromètre bichromatique est moins sensible en cas de contamination du verre de regard ou de poussière et de fumée dans le champ de vision du pyromètre. La réaction aux émissivités changeantes dépend extrêmement des conditions locales et est donc difficile à estimer. Il est recommandé d'enregistrer et d'évaluer en parallèle les températures bichromatiques et les températures monochromatiques  lors de la mise en service ou de manière permanente afin de pouvoir effectuer d'éventuelles analyses. Les pyromètres bichromatiques modernes offrent deux sorties analogiques afin de pouvoir enregistrer les valeurs  mesurées bichromatiques et une température monochromatique directement à partir de la commande. Un autre avantage du pyromètre bichromatique est la possibilité d'évaluer l'intensité du signal en tant qu'indice de la propriété de rayonnement de l'objet à mesurer (figure 8).

En raison des conditions de mesure extrêmes dues à la poussière, à la vapeur et à la fumée, les pyromètres bichromatiques sont avantageux pour la mesure et la sécurité dans les centrales électriques et les incinérateurs. Un pyromètre détecte le rayonnement des objets dans le champ de mesure. Dans un incinérateur, l'énergie reçue est rayonnée à la fois par les particules chaudes dans le flux d'air et par la paroi opposée. La valeur mesurée dépend de la densité des particules, de l'inhomogénéité de la répartition de la température et de la température de la paroi opposée. Si la paroi est nettement plus froide que les particules dans le flux d'air en raison des tubes de l'échangeur de chaleur, un pyromètre monochromatique détecte une température trop basse et fluctuante en fonction de l'état de charge en raison de la formation de la valeur moyenne. Ici, l'avantage du pyromètre bichromatique en termes d'effet d'éclairage partiel et de détection de valeur maximale est à nouveau mis en valeur. Par rapport aux thermocouples couramment utilisés, les pyromètres bichromatiques sont donc une véritable alternative, car ils ne sont pas soumis à l'usure ou à une perte de précisions liée à l'âge. Cependant, les pyromètres bichromatiques sont très sensibles aux flammes dans le champ de vision. Ceci doit absolument être pris en compte lors du choix du lieu de montage.

La fiabilité de la mesure peut être vérifiée en affichant l'intensité du signal. En raison des regards de four souvent petits avec des diamètres de 20 à 30 mm et des épaisseurs de paroi de 200 à 400 mm, des appareils à haute résolution optique avec de bonnes propriétés d'imagerie doivent être utilisés pour éviter le rétrécissement du champ de mesure. L'axe géométrique et optique doit également être identique et l'appareil doit donc être exempt de parallaxe afin d'exclure tout « strabisme » de l'appareil. En fonction de l'équipement souhaité et de l'accessibilité du lieu de montage, des appareils compacts ou des pyromètres sont utilisés avec une aide à la visée sous la forme d'une visée optique ou d'une caméra vidéo afin de pouvoir vérifier facilement et rapidement l’alignement et le regard libre lors de la mise en service et pendant le fonctionnement.

Du point de vue de la sécurité, il est également recommandé d'utiliser la surveillance de l'encrassement des pyromètres bichromatiques pour générer automatiquement une alarme en cas d'encrassement excessif ou d’obstruction du regard du four.

Les billettes traversent un four de chauffage avant d'être pressés pour former des raccords. Pour obtenir une qualité constante, il faut contrôler la température. Dans les installations de chauffage par induction, des pyromètres sont généralement utilisés pour détecter la température de la pièce en mouvement directement en aval du four à induction, et ce, en quelques millisecondes et à une distance de sécurité. La température est utilisée comme grandeur réglée pour la commande du processus et pour le tri des billettes dont la température est en dehors de la plage autorisée (figure 9).

Les pyromètres monochromatiques et les pyromètres bichromatiques sont utilisés pour enregistrer la température. Les appareils sont montés à de plus grands intervalles de 600 à 1 200 mm. La condition préalable obligatoire est une aide à la visée sous la forme d'une visée optique ou d'un pointeur. C'est le seul moyen de régler la distance focale correcte et l'alignement exact afin de minimiser les éventuelles erreurs de mesure dues aux influences optiques.

Surtout pour les appareils avec une distance focale fixe, celle-ci ne peut pas toujours être respectée exactement en raison de la conception de la machine. Avec un montage fixe des appareils et un diamètre de billette variable, la distance de mesure change de toute façon, de sorte que les appareils ne fonctionnent parfois pas à la distance focale.

Comme le montre la pratique, la distance de mesure n'est souvent pas réglée correctement pour les appareils à lentille focalisable. Un réajustement en cas de modification du diamètre des billettes est peu probable, de sorte que ces appareils sont également toujours utilisés en dehors du point de focalisation. 

Un pyromètre bichromatique est beaucoup moins sensible aux modifications de la distance de mesure, du diamètre des billettes ou lors du fonctionnement des appareils en dehors de la plage focale comme décrit au début et est donc avantageux pour de telles applications par rapport à un pyromètre monochromatique. 

Par conséquent, il est recommandé d'utiliser des pyromètres bichromatiques compacts avec un pointeur (figure 10) afin de répondre de manière optimale aux deux exigences essentielles de la tâche de mesure pour a) une mesure largement indépendante de la distance et sûre et b) un contrôle d'alignement simple.

Pour les processus de production avec des températures supérieures à 300 °C, les pyromètres bichromatiques avec les avantages décrits sont plus qu'une alternative pour obtenir des valeurs de mesure sûres et stables en raison de l'environnement et de la conception. Le supplément d'environ 30 % est de l'argent bien investi par rapport à un pyromètre monochromatique comparable en termes d'équipement et est rapidement amorti par la réduction des efforts de contrôle manuel et la réduction de la production de pièces manquantes. Dans des conditions de mesure extrêmes dues à une forte vapeur, à la saleté et à la poussière, les avantages métrologiques du pyromètre bichromatique sont évidents. Pour les applications dans lesquelles l'émissivité des objets mesurés peut changer, il est recommandé de vérifier la fiabilité de la mesure lors de l'utilisation de la méthode de mesure bichromatique.

Les fabricants d'appareils recommandent vivement d'utiliser les options de protection et d'analyse supplémentaires du pyromètre bichromatique afin d'augmenter la sécurité du processus et de tirer des enseignements à partir des informations de température supplémentaires.