Principe, avantages et possibilités d'utilisation des nouveaux pyromètres panoramiques

Les pyromètres détectent le rayonnement thermique à la surface d'un objet à mesurer dans un champ de mesure défini et en déduisent la température. La taille et la forme du champ de mesure sont déterminées par les lentilles, le système optique et les capteurs. En raison de la géométrie des lentilles, du système de diaphragme et de la technique sensorielle, les appareils disponibles jusqu'à présent sur le marché possèdent une surface de mesure ronde. Grâce à une nouvelle structure optique et à des lentilles de haute qualité, des appareils avec une zone de mesure rectangulaire ont été récemment proposés. L'article suivant explique la structure, le fonctionnement, les avantages et les possibilités d'utilisation des pyromètres à champ de mesure rectangulaire.

L'idée de développer un pyromètre avec un champ de mesure rectangulaire a été créée il y a plus de 30 ans, car il existe des applications dans la technique de mesure de température sans contact qui peuvent ainsi être résolues de manière plus simple et surtout plus sûre. L'un des principaux avantages de la mesure pyrométrique de la température par rapport à la mesure par contact est que les pyromètres sont idéalement adaptés à la détection d'objets en mouvement. La condition préalable est bien sûr que l'objet à mesurer se trouve dans le champ de mesure du pyromètre. Le problème, comme le montre l'exemple d'une production de fil, est que l'objet à mesurer oscille transversalement à la direction de production et ne remplit pas toujours le champ de mesure (image 1).

Jusqu'à présent, pour résoudre ce type de problèmes de mesure liés à l'application, on utilisait des pyromètres à canal unique avec un champ de mesure très petit en combinaison avec un miroir pivotant qui était monté devant le pyromètre. Le miroir rotatif ou pivotant dévie périodiquement le spot de mesure. Grâce à une mémorisation de la valeur maximale dans le pyromètre, la température est enregistrée au moment où la tache de mesure est entièrement remplie par l'objet. Outre l'inconvénient d'une mécanique en mouvement, sujette aux pannes, le temps de détection est limité. En raison du mouvement de balayage, la température de l'objet n'est pas détectée en continu, mais seulement de manière cyclique.

C'est pourquoi il y a de nombreuses années déjà, des essais ont été réalisés avec des appareils qui produisaient un champ de mesure rectangulaire de manière purement optique. Une lentille cylindrique spéciale écartait le champ de mesure dans la direction d'un axe, comme on le voit dans une armoire à glace. En principe, cela a permis de trouver une solution. La répartition irrégulière de la sensibilité sur la surface de mesure du capteur s'est avérée être un problème. Le coût élevé de cette lentille spéciale était également un inconvénient. De plus, les appareils ne pouvaient être utilisés que pour une distance de mesure fixe. Une autre difficulté résidait dans le fait que l'image optique était déformée dans la visée par transparence et que l'appareil était donc difficile à orienter.

L'utilisation d'un champ de mesure rectangulaire est particulièrement intéressante en combinaison avec un pyromètre à quotient. Un pyromètre à quotient détecte le rayonnement thermique d'un objet à mesurer dans deux plages de longueurs d'onde différentes. Le quotient des deux luminances spectrales varie proportionnellement à la température. Ce principe de mesure permet à l'objet à mesurer d'être plus petit que le champ de mesure. Contrairement à un pyromètre à un canal, si l'objet à mesurer est chaud sur un fond froid, la température correcte est tout de même déterminée.

Contrairement à la solution décrite ci-dessus avec une lentille cylindrique, le nouveau pyromètre panoramique réalise le champ de mesure rectangulaire grâce à un diaphragme très précis, positionné dans la branche de mesure du détecteur entre le diaphragme (3) et le miroir de renvoi avec capteur (4) (figure 2). Les deux problèmes élémentaires ont ainsi été résolus. L'appareil n'a pas besoin d'une lentille de forme spéciale et dans la visée par transparence ou sur l'image du moniteur pour les appareils avec caméra vidéo intégrée, l'objet à mesurer est représenté comme d'habitude de manière nette à la distance focale.

Un autre avantage de cette nouvelle structure optique est que le marquage du champ de mesure est correctement représenté dans le viseur ou sur l'écran, aussi bien dans la position exacte que dans la taille réelle du champ de mesure rectangulaire. C'est la seule façon de vérifier et de garantir un alignement correct des appareils.

Un autre défi optique a dû être relevé lors du développement du pyromètre panoramique. En raison d'erreurs de représentation optique et d'une répartition inhomogène de la sensibilité sur la surface de mesure, les pyromètres à quotient ont généralement la propriété que la position de l'objet à mesurer dans le champ de mesure a une influence perceptible sur la température mesurée. Dans la zone périphérique du champ de mesure, l'affichage peut augmenter de plus de 30 °C pour une température d'objet de 1000 °C (figure 3).

De même, les pyromètres à quotient traditionnels peuvent présenter des variations dans l'affichage de la température lorsque le diamètre de l'objet à mesurer varie en fonction de la production et que le champ de mesure est ainsi rempli de manière différente.

Afin de minimiser cet effet physique, des lentilles de précision ont été développées pour les optiques, qui possèdent d'une part une bonne propriété de reproduction constante sur toute la surface de l'ouverture d'entrée (aberration sphérique minimale). D'autre part, les lentilles présentent une erreur chromatique longitudinale minimale (aberration chromatique) afin d'obtenir une image aussi nette pour les deux longueurs d'onde de mesure que pour le domaine visible. En outre, la réalisation du pyromètre panoramique a nécessité le développement d'une structure optique composée de diaphragmes de précision et de capteurs de haute qualité. Le résultat est que le nouveau pyromètre panoramique fournit une valeur de mesure constante, indépendamment de la position et du diamètre d'un fil dans le champ de mesure, par exemple.

La structure technique de l'appareil, grâce à la construction modulaire des composants optiques et électriques, offre également au pyromètre panoramique la possibilité de choisir parmi plusieurs objectifs interchangeables et focalisables. De plus, différentes lentilles additionnelles peuvent être vissées dans le filetage frontal de chaque objectif afin de réduire le champ de mesure. Il en résulte de nombreuses variantes de représentation optique, tant en ce qui concerne la distance de mesure souhaitée que la taille du champ de mesure nécessaire (figure 4). Il est ainsi possible de détecter des fils à partir d'un diamètre de 0,1 mm.

L'alignement optique d'un pyromètre sur un petit objet à mesurer ou à une grande distance de mesure exige une mécanique de haute qualité pour l'ajustage. Il est évident que dans ces conditions, un appareil avec un spot de mesure rectangulaire est beaucoup plus facile à aligner (figure 5). Cet avantage est particulièrement visible sur un pyromètre portable lorsque l'utilisateur tient l'appareil dans sa main lors de la visée, car la largeur du champ de mesure rectangulaire est 2 à 3 fois plus grande que celle d'un appareil comparable à champ de mesure rond. Cela permet une manipulation et une détection de la température plus sûres.

Dans les processus de production où la position et la taille de l'objet chaud peuvent varier ou dans les installations de traitement thermique où la zone de chauffage sur la pièce varie, le pyromètre panoramique offre une plus grande sécurité de fonctionnement et est beaucoup plus facile à aligner. Comme un champ de mesure rectangulaire est plus large qu'un champ de mesure rond de même surface, le risque de voir le point chaud sortir du champ de mesure est nettement plus faible.

Un exemple typique est la production de tubes sans fin, dans lesquels le matériau est plié et soudé ensemble. Le chauffage se fait par bobine d'induction. La position du petit point de soudage peut varier, de sorte qu'avec les appareils traditionnels, le cordon de soudure pourrait parfois se trouver en dehors du champ de mesure, ce qui rendrait toute mesure impossible (figure 6).

Dans la production de bouteilles en verre, la position et la forme de la goutte de verre changent au niveau de la cisaille. Ici aussi, un pyromètre panoramique offre une meilleure fiabilité de mesure. A cela s'ajoute l'influence de la température du matériau et de la couleur du verre en partie transparent. Cette influence est fortement réduite par le procédé de mesure quotient du pyromètre panoramique.

Dans les tréfileuses, le fil est soumis à un traitement thermique ultérieur. Le fil passe alors à grande vitesse à travers une bobine d'induction. Entre les rouleaux de guidage, une oscillation du fil est inévitable. Pour les fils fins, la marge de fluctuation peut être plusieurs fois supérieure au diamètre du fil. Dans ces conditions, une mesure ponctuelle n'est guère possible.

La mesure manuelle sans contact de la température du métal liquide lors de la coulée dans le moule s'effectue à une distance sûre.Avec un appareil traditionnel à champ de mesure rond, il est difficile d'aligner le pyromètre sur le jet de coulée, d'autant plus que la position du jet peut varier en fonction de l'angle d'inclinaison de la poche de coulée. Un appareil avec un champ de mesure rectangulaire est beaucoup plus facile à manipuler (figure 7).

La mesure de la température de très petits objets, comme un filament ou un élément chauffant dans un tube à rayons X, pose déjà des exigences optiques très élevées aux appareils. Jusqu'à présent, ce type d'application n'était possible qu'avec des pyromètres à comparaison d'intensité. Avec ces appareils, la mesure de la température est effectuée manuellement par l'opérateur qui compare visuellement la densité du faisceau d'un émetteur de référence interne à l'appareil et celle de l'objet à mesurer.

La difficulté liée à l'utilisation d'appareils de mesure électroniques résidait dans la possibilité d'aligner mécaniquement les appareils sur des objets à mesurer extrêmement petits. Le pyromètre panoramique permet également de résoudre beaucoup plus facilement ce type de tâches de mesure.

En raison du principe de mesure par quotient, le domaine d'utilisation est limité aux applications à des températures supérieures à 600 °C. Une autre limite est le degré d'illumination partielle jusqu'auquel le pyromètre à quotient est encore en mesure de former une valeur de mesure reproductible.

Cette valeur dépend entre autres de l'émissivité de l'objet à mesurer et de la température absolue. Au début de la plage de mesure, un pyromètre à quotient peut déjà fournir une valeur de mesure fiable lorsque l'énergie de rayonnement représente 10 % de la densité de rayonnement d'un émetteur noir à la même température. Avec l'augmentation de la température de mesure, un affaiblissement encore plus important du signal est même admissible. L'émissivité, le degré d'illumination partielle, la forme de l'objet à mesurer et les influences gênant la visibilité comme la vapeur, la poussière et la fumée dans le champ de mesure contribuent à l'affaiblissement. Prenons l'exemple d'un fil d'acier avec une émissivité de 0,6. Dans le cas d'un objet rond, il faut également tenir compte du fait que le rayonnement détecté par le pyromètre est en partie émis sous un angle très plat. Le facteur de sécurité de 1,5 est alors pris en compte de manière approximative. Les formules suivantes permettent de calculer le degré d'illumination partielle, la largeur du champ de mesure et la distance maximale de mesure.

Degré d'illumination partielle = (intensité minimale du signal exploitable ÷ émissivité) × facteur de sécurité

Par rapport à l'exemple ci-dessus, le champ de mesure doit être rempli au moins à 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % pour que le pyromètre puisse déterminer une valeur de mesure. L'intensité du signal, qui indique la fiabilité de la valeur mesurée, peut être affichée sur l'écran du pyromètre.

Pour un fil de 5 mm de diamètre, il en résulte une largeur maximale du champ de mesure de 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm pour le début de la plage de mesure.

Pour un pyromètre panoramique, la résolution optique est indiquée par le rapport de distance (distance de mesure ÷ taille du champ de mesure) pour la largeur DW (width) et pour la hauteur DH (height). Si l'on se réfère par exemple à un rapport de distance DW = 40 : 1, on obtient une distance de mesure maximale de 40 × 20 mm = 800 mm. Autrement dit, pour une distance de mesure prévue de 500 mm par exemple, il faut utiliser un objectif avec un rapport de distance DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, soit ≥ 25 : 1, afin que le champ de mesure soit suffisamment éclairé par l'objet à mesurer.

Le pyromètre panoramique peut également être utilisé de manière à ce que le champ de mesure soit orienté dans le sens de la longueur de l'objet. Le pyromètre couvre ainsi une plus grande surface de l'objet à mesurer qu'un appareil avec un champ de mesure rond, ce qui permet de l'utiliser pour des fils d'un diamètre à partir de 0,1 mm.

Des appareils à optique panoramique sont proposés pour la série d'appareils fixes CellaTemp PA et la série d'appareils portables CellaTemp PT. Les deux modèles disposent d'une visière transparente pour l'orientation et le réglage de la mise au point de l'appareil. Le CellaTemp PA fixe est également disponible avec une caméra vidéo couleur. Cela permet de surveiller à tout moment l'orientation et le champ de vision de l'objet sur le moniteur du poste de contrôle. Outre le marquage du champ de mesure, la valeur de mesure et le numéro du point de mesure sont transmis par le signal vidéo et affichés sur l'image du moniteur. Grâce à la fonction spéciale TBC (Target Brightness Control) de la caméra, l'intensité n'est saisie que dans le champ de mesure pour le contrôle de l'exposition et non pas sur l'ensemble du champ de vision de la caméra comme c'est habituellement le cas. Ainsi, un petit objet de mesure chaud sur un arrière-plan froid est représenté sur l'image du moniteur avec une luminosité optimale et sans saturation de l'objet de mesure.

Depuis peu, deux versions de la série de pyromètres compacts CellaTemp PKL sont également proposées avec une optique panoramique (figure 8). Pour contrôler l'alignement, les appareils disposent d'une lumière pilote LED. Comme la lumière éclaire non seulement la position mais aussi la largeur réelle du champ de mesure, l'appareil peut être aligné très facilement et précisément sur l'objet à mesurer.

Pour les processus thermiques et les températures à partir de 600 °C, le nouveau pyromètre panoramique est clairement supérieur aux appareils à champ de mesure rond utilisés jusqu'à présent, lorsque l'alignement est difficile sur de petits objets ou à de grandes distances de mesure ou lorsque le point chaud, c'est-à-dire le point chaud à détecter, n'est pas fixe. Le surcoût d'environ 25 % est certainement un bon investissement en raison de la sécurité de fonctionnement accrue.