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PYROMETRESCours optique

08/02/2009 1/11 Romanens Fabian

PYROMETRES OPTIQUES

Mesure temprature sans contact


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Sommaire

1 INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 3

2 NOTIONS LMENTAIRES .................................................................................................................... 3

2.1 Caractristique dun matriau ................................................................................................................. 32.1.1 Emission ............................................................................................................................................... 32.1.2 Absorption ........................................................................................................................................... 32.1.3 Rflexion et diffusion ........................................................................................................................... 32.1.4 Transparence et opacit ...................................................................................................................... 3

2.2 Corps noir ............................................................................................................................................... 4

2.3 Corps rel ................................................................................................................................................ 42.3.1 Emissivit ................................................................... .................................................................. ...... 4

2.4 Loi mathmatique rayonnement thermique mis ................................................................................... 42.4.1 Corps noir ............................................................................................................................................. 52.4.2 Corps rel ............................................................................................................................................. 6

3 ABSORPTION DU RAYONNEMENT THERMIQUE .......................................................................... 7

4 TYPE DE PYROMTRE ........................................................................................................................... 7

4.1 Le pyromtre optique disparition de filament ...................................................................................... 7

4.2 Pyromtres radiation totale ................................................................................................................. 9

4.3 Pyromtres bichromatiques .................................................................................................................... 9

4.4 Pyromtres mesureurs d'nergie ............................................................................................................ 9

4.5 Gamme de temprature dutilisation .................................................................................................... 10

5 CONCLUSION .......................................................................................................................................... 10

6 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................... 11

Tables des figuresFigure 1 : Spectre lectromagntique ____________________________________________________________ 5Figure 2 : Evolution de lmittance en fonction de la longueur donde __________________________________ 6Figure 3 : Illustration des perturbations de mesure _________________________________________________ 7Figure 4 : Schma optique pyromtre optique filament ____________________________________________ 8Figure 5 : Rglage de la temprature du filament __________________________________________________ 8Figure 6 : Schma optique pyromtre radiation totale _____________________________________________ 9


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1 Introduction

Depuis quelque temps, apparait sur le march des instruments optiques pour la mesure de la

temprature. Autrefois, toutes mesures se faisaient par contacts. Aujourdhui de telles mesures

peuvent se faire sans contact. Les avantages sont multiples et nous comprenons bien ici leur

avantage en termes de facilit demploi. Les pyromtres font partie de ce panorama industriel, il est

ds lors intressant de se pencher sur le sujet.

Nous allons dans un premier temps revenir sur les notions fondamentales de physique ainsi que sur

les lois qui y dcoulent. Ensuite nous dcrirons les diffrentes sortes de pyromtres disponibles.

2 Notions lmentaires

2.1

Caractristique dun matriau

Les caractristiques dun matriau joueront un grand rle pour la mesure de la temprature. Il est

intressant de dcrire les diffrents comportements dun matriau vis--vis dun rayonnement

thermique. Ces notions sont ncessaires pour une comprhension de la rpartition des flux dnergie

dans la matire. Les caractristiques physiques dun matriau sont les suivantes :

2.1.1 Emission

Une des caractristiques dun matriau est de convertir son nergie interne en rayonnementthermique. Lnergie interne est dpendante de la temprature. Lmission des matriaux est rgie

par des lois physiques que nous prsenterons par la suite. Cest bien sur ce phnomne que repose la

mesure de temprature sans contact.

2.1.2 AbsorptionLabsorption dun matriau dfinit la capacit de ce dernier convertir un flux dnergie reu en

nergie interne. Cette capacit est bien videmment diffrente suivant les matriaux.

2.1.3 Rflexion et diffusion

La rflexion est rgie par la loi de loptique gomtrique. Pour rappel, langle de rflexion est le

mme que langle dincidence en prenant comme rfrence la normale au plan dincidence. Un angle

de rfraction est galement prsent. Cet angle est dfini par la loi de Snell-Descartes. Ceci nous

permet de dfinir langle de rfraction en fonction de langle dincidence et de lindice de rfraction.

Nous parlons de diffusion quand un londe incidente est reflte dans toutes les directions.

2.1.4 Transparence et opacit

La transparence et lopacit ont un impact direct sur la transmission dune onde au travers dun

matriau. Nous pouvons donner comme exemple le vide comme dun milieu transparent, nous

pouvons facilement imaginer que ce milieu ne limitera en rien la transmission des ondes. Aucontraire, un milieu opaque ne transmettra aucune onde.


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Remarque

Il sera important lors de toute acquisition de temprature de prendre en compte ces diffrents flux

pour viter toute erreur de mesure.

2.2

Corps noir

Un corps noir est caractris par une absorption totale de tout rayonnement incident et ceci pour

toutes les longueurs donde. Il faut bien se rendre compte quun tel comportement nest que

thorique nanmoins, cette approximation nous sert de rfrence pour dfinir les proprits

radiatives dun corps rel.

2.3

Corps rel

Un corps rel est plus ou moins proche dun corps noir suivant sa capacit dabsorption. Cette

dernire ne sera plus idale comme dans le cas du corps noir et sera dcrite par son missivit .

2.3.1 Emissivit

Cette variable est dpendante de plusieurs facteurs qui sont :

La temprature

La direction du rayonnement

La longueur donde

De la nature des matriaux employs

Elle sera toujours infrieure 1 dans le cas du corps rel.

2.4

Loi mathmatique rayonnement thermique mis

Commenons par donner la dfinition des grandeurs nergtique du rayonnement thermique. Nous

avons :

M(T) est lmittance totale ou radiance. Elle reprsente la puissance totale mise par unit

de surface dans toutes les directions.

L(,,,T) est la luminance monochromatique ou brillance. Elle reprsente la puissancemise par unit de surface, par unit dangle solide, dans une direction donne et par unit

de longueur donde.

Pour gnralit, nous parlons de grandeur totale quand elle concerne toutes les longueurs donde et

nous parlons de grandeur monochromatique quand elle concerne une direction et/ou une longueur

prcise.


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Figure 1 : Spectre lectromagntique

2.4.1 Corps noir

Voici les lois fondamentales permettant de calculer lmittance pour un corps noir :

2.4.1.1

Loi Stephan-Boltzman

Cette loi nous permet de calculer lmittance en tant que puissance par unit de surface. Lmittance

y est ici totale.

O :

2.4.1.2 Loi de Planck

Cette loi permet de calculer la densit spectrale de puissance rayonne par unit de surface en

fonction de la longueur donde. Lmittance y est ici monochromatique.

O :

C est la vitesse de la lumire :

h est la constante de Planck :

k est la constante de Boltzmann :


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2.4.1.3

Loi de Wien

Cette loi dcoule de la loi de Planck. Elle permet de calculer la longueur donde pour un flux

dmittance maximale une temprature. La relation est la suivante :

Cette loi nous fait prendre conscience que la longueur donde mise est directement lie sa

temprature. Un objet met dans le domaine des infrarouges si sa temprature est peu leve et

met au contraire dans le visible avec une temprature suprieure.

Le graphique ci-dessous nous montre lvolution de lmittance en fonction de la longueur donde.

Figure 2 : Evolution de lmittance en fonction de la longueur donde

2.4.2 Corps rel

Lmittance pour un corps rel prend en compte le facteur de lmissivit. Nous pouvons ds lors

retrouver la loi de Stephan-Boltzmann et la loi de Planck. Elles deviennent :

2.4.2.1

Loi de Stephan-Boltzmann

2.4.2.2

Loi de Planck

O :

est lmissivit du matriau en fonction de la longueur donde et de la temprature

Il est noter que lincertitude de la grandeur de lmissivit est une des principales sources derreur

potentielle.


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3 Absorption du rayonnement thermique

Il est trs important de prendre conscience que lors du trajet de mesure une partie de lnergie mt

par lobjet sera perdue. Cette notion est importante si lon veut pouvoir valuer correctement la

temprature dun objet.

Figure 3 : Illustration des perturbations de mesure

4 Type de pyromtre

Il existe plusieurs sortes de pyromtres. On peut distinguer :

Les pyromtres monochromatiques

Les pyromtres bichromatiques

Les pyromtres mesureurs d'nergie

4.1

Le pyromtre optique disparition de filament

Le principe de fonctionnement du pyromtre disparition de filament est de comparer lmittance

monochromatique celle dun corps de rfrence talonn. Cest un pyromtre monochromatique.

Dans ce cas, la rfrence sera un filament par exemple tungstne qui a une longueur donde =0.65

[m]. Voici le schma optique dun tel systme:


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Figure 4 : Schma optique pyromtre optique filament

Le principe du mode opratoire sera de rgler le courant parcourant le filament pour que ce dernier

se superpose limage de la source. Ds que nous aurons superpos les deux lments et

connaissant le comportement du filament, il sera possible dans dduire la temprature de la source.

Limage ci-dessous explicite ce principe :

Figure 5 : Rglage de la temprature du filament

Nous voyons sur cette photo les diffrents tats de comparaison entre le filament et la source.


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4.2

Pyromtres radiation totale

Le principe de ce pyromtre est de comparer lmittance du corps tudier avec lmittance dun

corps noir talonn pralablement. Pour cela, le pyromtre va capter une fraction connue depuissance quil va diriger sur un lment photosensible. Celui-ci va ds lors schauffer. La diffrence

de temprature entre cet lment et la temprature ambiante va tre mesure par des

thermocouples. Ltalonnage pralable permettra de relier cette valeur un corps noir. De l il sera

possible de connaitre la temprature du corps observ. Le schma optique est le suivant :

Figure 6 : Schma optique pyromtre radiation totale

4.3

Pyromtres bichromatiques

Ce pyromtre peut tre considr comme un doublet de pyromtres monochromatiques travaillant

dans deux plages voisines du rayonnement thermique. Le rapport des deux signaux ne dpendra plus

de lmissivit. Ceci est le grand intrt de ce type de pyromtre.

4.4

Pyromtres mesureurs d'nergie

Ce pyromtre travaille avec l'ensemble du spectre de rayonnement thermique de la cible qui est reu

par un dtecteur large bande, de types thermiques. En pratique le pyromtre devra tre talonn

laide dun thermocouple.


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4.5

Gamme de temprature dutilisation

Le graphique suivant rsume le domaine dapplication des capteurs contacts et sans contacts.

5 Conclusion

Le pyromtre est sans conteste un lment important pour des processus industriels en boucle

ferme. Il permet une surveillance dans une large gamme temprature sans modification de la

nature des objets mesurs. En outre, son emploi peut se faire dans des environnements difficiles.

Sa facilit demploi, sa prcision et sa fiabilit font de lui un lment trs intressant.

Les fournisseurs dun tel lment sont multiples et un recensement de ceux-ci aurait t trop

contraignant. Une recherche sur kompass.ch suffira trouver llment par nos distributeurs

nationaux.

Yverdon-les-Bains, le 8 fvrier 2009

Romanens Fabian


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6 Bibliographie

Documents :

cours3_temperature.pdf

Principe_pyrom%E9trie.ppt

rayonnement_thermique.pdf

Sites internet :

http://gatt.club.fr/page1/page29/page29.html

http://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/NTPF2/SERIE3/pyrorath.htm

http://www.sciences.univ-

nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htm
http://gatt.club.fr/page1/page29/page29.htmlhttp://gatt.club.fr/page1/page29/page29.htmlhttp://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/NTPF2/SERIE3/pyrorath.htmhttp://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/NTPF2/SERIE3/pyrorath.htmhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htmhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htmhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htmhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htmhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htmhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htmhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htmhttp://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/NTPF2/SERIE3/pyrorath.htmhttp://gatt.club.fr/page1/page29/page29.html

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