Bases de mesure infrarouge

Pourquoi des mesures à l‘infrarouge

Les appareils de mesure à infrarouge offrent de gros avantages pour les applications qui ne pourraient être solutionnées à l‘aide de thermomètres à contact conventionnels. Il s‘agit surtout des mesures :

• des très hautes températures, lesquelles ne permettent pas d‘utiliser des thermocouples
• sur des surfaces de faible conductivité thermique et des corps à faible capacité thermique
• sur des pièces en mouvement, inaccessibles ou conductrices de l‘électricité avec des grandes vitesses de réponses (<1 s)
• sur des objets ne devant pas être perturbés par des mesures de contact

Définition du rayonnement infrarouge

Tous les corps d‘une température supérieure au zéro absolu émettent en fonction de la température, un rayonnement infrarouge dont le spectre s‘étend de 0.7 à 1 000 µm de longueur d‘onde. Cette plage est en dessous de l‘étendue des longues ondes rouges et elle est invisible à l‘oeil humain. La plage intéressante d‘un point de vue métrologique va de 0.7 à 20 µm.

Le rayonnement infrarouge émis par l‘objet de mesure obéit aux lois connues de l‘optique, et l‘on peut de ce fait le dévier, le concentrer à l‘aide de lentilles ou le réfléchir sur des miroirs.

L‘émissivité d‘un objet indique la quantité d‘énergie infrarouge absorbée ou rayonnée. La valeur peut se situer entre 0 et 1.0. Il est d‘un point de vue métrologique significatif que l‘émissivité est dépendante de la longueur d‘onde. De plus, à température croissante de l‘objet de mesure, le maximum de rayonnement se décale dans la zone d‘ondes courtes. C‘est pourquoi les thermomètres IR sont équipés de filtres ne laissant passer qu‘une certaine longueur d‘onde pour la mesure. Il faut pour l‘application, tenir compte du spectre des différents matériaux

Fonctionnement des thermomètres à infrarouge

Le système optique d‘un thermomètre à infrarouge intercepte l‘énergie rayonnée par une zone (spot) de mesure circulaire et la concentre sur un détecteur. On utilise pour la lentille un matériau à fort indice de transmission. L‘énergie reçue sur le détecteur est amplifiée électroniquement et convertie en un signal électrique. La résolution optique se déduit du rapport entre la distance de mesure et la taille du spot de mesure. Celui-ci doit toujours être plus petit que l‘objet à mesurer ou que le point de mesure concerné. Plus la résolution optique est grande, plus il est possible de mesurer de petits spots à de grandes distances.

Définition du procédé de la radiation pulsée

La méthode de la radiation pulsée élimine la dérive thermique et rend insensible les appareils contre les chocs thermiques. La stabilité qui en résulte, associée à un traitement du signal dont le rapport signal/bruit a été optimisé, donne une excellente résolution en température et permet de mesurer les plus petits objets à des temps de réponse rapide.

Pyromètres spéciaux à infrarouge

Les pyromètres à quotient déterminent la température sur la base du rapport de flux énergétique rayonné par deux plages de longueur d‘onde. Cette méthode permet des résultats exacts même en cas de visibilité restreinte sur l‘objet du fait de fumée, vapeur ou poussière, de vitres ou de lentilles sales (signal réduit jusqu‘à 95 %). Même des objets plus petits que le spot de mesure (p. ex. mesure sur des fils) ou plus bas ou des émissivités variables sur des objets se déplaçant rapidement, n‘ont pas d‘incidence sur le résultat de la mesure.

Les scanners en ligne mesurent la température de l‘objet le long d‘une ligne. Les scanners en ligne en poste fixe établissent des graphiques thermiques en couleur d‘un produit coulant sous la tête de mesure (p. ex. installations à bande, fours rotatifs), mais peuvent également être déplacés au-dessus du produit (p. ex. image thermique d‘un mur de bâtiment). La tête de mesure à scanner infrarouge AmiR 7880 lit jusqu‘à 256 points sur un angle de 90°. 20 lignes sont acquises en une seconde. La trajectoire de mesure peut être divisée en 3 secteurs l‘un à côté de l‘autre ou se chevauchant.

Bon à savoir sur les mesures à infrarouge

Que faire en cas de poussière, de fumée ou de particules en suspension lors des mesures sur site?
Lorsque l‘atmosphère du site de mesure est pollué par de la poussière, de la fumée ou des particules en suspension, l‘énergie rayonnée arrivant sur le capteur peut être modifiée par des lentilles souillées. Pour éviter cela, on utilise une buse de soufflage d‘air, laquelle maintient la lentille propre.

Que faire si la température ambiante est élevée ?
Si la température ambiante dépasse celle indiquée pour la tête de mesure du capteur à infrarouge, il faut protéger la tête de mesure en installant un refroidissement à air ou à eau associé à une buse de soufflage d‘air (pour éviter la condensation d‘eau sur la lentille). De plus, il faut utiliser des câbles et des presse-étoupes résistants aux hautes températures.

Que faire en cas de source de chaleur à proximité immédiate de l‘objet à mesurer ?
Si des sources de chaleur se trouvent à proximité immédiate de l‘objet à mesurer, celles-ci peuvent transmettre ou réfléchir une énergie supplémentaire. De tels rayonnements ambiants surviennent p. ex. lors des mesures sur des fours industriels, dont la température de la paroi est souvent située au-dessus de celle de l‘objet à mesurer. Sur de nombreux appareils de mesure à infrarouge, la température ambiante peut être compensée.

Que faire en cas de mesure dans le vide ?
Dans les fours à vide et applications similaires, il est nécessaire d‘installer la tête de mesure en dehors de la zone sous vide et de procéder à la mesure au travers d‘une fenêtre. Lors du choix de la fenêtre de mesure, il faut adapter les valeurs de transmission de cette fenêtre à la sensibilité spectrale du capteur. Pour les hautes température, on utilise le plus souvent de la silice fondue ou du quartz. Aux basses températures dans le domaine 8 à 14μm, il faut utiliser un matériau spécial perméable aux infrarouges tel que le germanium, l‘amtir, le séléniure de zinc ou le saphir. Lors du choix de la fenêtre, il faut de même tenir compte des exigences de température, de l‘épaisseur de la fenêtre, de la différence de pression ainsi que de la possibilité de nettoyer les deux faces. Pour augmenter la capacité de transmission, il est conseillé de recouvrir la fenêtre d‘une couche anti-reflet. Il faut également tenir compte que tous les matériaux de fenêtre ne sont pas perméables dans le domaine visible.

Pourquoi l‘émissivité est-elle si importante ?
Pour un corps noir, l‘énergie réfléchie et l‘énergie transmise sont nulles et l‘énergie émise correspond à 100% de sa température propre. Mais de nombreux corps émettent moins de rayonnement à température identique („corps gris“). Le rapport entre la valeur rayonnée réelle et celle du corps idéal est appelée émissivité ε. Un miroir a par exemple une émissivité de 0.1 et les „corps noirs“ une émissivité de 1.0. De nombreux matériaux non métalliques comme le bois, le caoutchouc, la pierre, les matières organiques disposent d‘une surface que faiblement réfléchissante et ainsi une forte émissivité entre 0.8 et 0.95. Les métaux par contre, en particulier à surface brillante, peuvent avoir un ε de 0.1. C‘est pourquoi les thermomètres à infrarouge disposent d‘un réglage de l‘émissivité. Celle-ci doit être connue de manière la plus exacte possible. Si une émissivité trop élevée est réglée, la température indiquée sera plus faible que celle effective en supposant que la température de l‘objet de mesure est supérieure à la température ambiante. Si vous avez par exemple réglé 0.95, mais que l‘émissivité ne vaut que 0.9, la température affichée sera inférieure à celle effective.

Comment déterminer l‘émissivité ?
Il existe pour déterminer l‘émissivité différentes méthodes. En premier lieu, on pourra se baser sur le tableau des émissivités qui suit. Les valeurs du tableau ne sont que des valeurs moyennes puisque l‘émissivité d‘un matériau dépend de plusieurs facteurs. Parmi ceux-ci : température, angle de mesure, géométrie de la surface (plane, concave, convexe), épaisseur, nature de la surface (polie, brute, oxydée, sablée), domaine spectral de la mesure et pouvoir de transmission (p. ex. sur les films plastiques minces).

Exemples d'application des thermomètres à infrarouge

Plage de température	Sensibilité spectrale	Exemples d'application
env. 0 à 800°C	8 à 14 µm	tous les non métaux : bois, papier, textiles, revêtements de sol, asphalte
	3 à 5 µm	enduit, aliments, pharmacie ainsi que l'emploi en imprimerie
	7 à 15 µm	enduction, laminage, séchage/durcissage, soudage par vague et refusion,
	7 à 18 µm	en domotique, surveillance incendie, pour les décharges etc…
env. 10 … 360°C	7,9 µm nominal	fabrication et traitement de films polyester, plastiques fluorés, fluoropolymère, acrylique, nylon (polyamide), cellulose acétylénique, polyamides, polyuréthanes, PVC, polycarbonates
env. 260 à 1650°C	5,0/5,2 µm nominal	mesure de surface du verre pour attrempage, durcissement, formage, vitrification, laminage, cintrage
env. 200 à 1200°C	3,9 µm	traitement des métaux, fours de cuisson, fusion, rotatifs, hauts fourneaux, mesures sur verres épais. Faible incidence du CO2 atmosphérique (gaz de combustion) sur les mesures
env. 30 à 340°C	3,43 µm nominal	fabrication et traitement de films polyéthylènes, polypropylènes, polystyrènes et autres
ca. 400 à 3000°C	2 à 2,7 µm	traitement des métaux ferreux et non ferreux, chauffage à induction, fabrication du verre, fours de fusion, laboratoires de recherche
env. 200 à 1800°C	1,6 µm	traitement thermique de l'acier, cintrage, durcissement, attrempage
env. 500 à 3000°C	1 µm	production d'acier, fusion des métaux, pour de hautes précisions dans les procédés d'affinage des métaux, de fonte et de traitement ainsi que pour le traitement du verre, de la céramique et pour les semi-conducteurs et la chimie

Petit glossaire des principaux termes clés

Fenêtre atmosphérique : Plages de longueurs d'ondes du spectre infrarouge où l'énergie de rayonnement de l'atmosphère est transmise et où l'absorption atmosphérique est minimale ; 3 à 5 µm et 8 à 14 µm environ.

Foyer, distance focale : Distance de mesure pour laquelle la résolution optique est la plus élevée.

Champ lointain : Distance mesurée qui est bien plus grande que la distance focale d'un appareil ; elle est en général 10 fois plus élevée que la focale

Champ de visée : Surface de l'objet de mesure et qui est mesurée par le thermomètre à infrarouge ;
le rapport entre le diamètre du spot de mesure et la distance à l'objet à mesurer est ainsi établie ;
il est également souvent indiqué comme valeur angulaire au foyer ; se reporter à la résolution optique

Corps gris : Corps émettant un rayonnement, dont l'emissivité est pour toutes les longueurs d'ondes dans un rapport constant avec celui d'un corps noir de même température, et qui est imperméable à l'énergie infrarouge.

Température de fond : Température qui, vue de l'appareil de mesure environne un objet ou qui domine derrière cet objet.

Spot de mesure : ou zone de mesure, diamètre de la surface sur l'objet à mesurer, sur laquelle la température doit être déterminée ; la zone de mesure est définie par l'aire du cercle permettant en standard de collecter 90 % de l'énergie infrarouge rayonnée par l'objet sur l'ouverture optique de l'appareil de mesure.

Résolution optique : également appelée rapport de distance : Rapport entre la distance de mesure et la taille de la zone de mesure (rapport de distance E:M) d'une zone (spot) de mesure à infrarouge où, normalement, la distance de mesure est définie comme étant la distance à partir du point focal, et où la taille de la zone de mesure est définie comme le diamètre de celle-ci mesurée à partir du point focal (habituellement diamètre du spot de mesure à 90 % d'énergie) ; la résolution optique peut également être définie pour le champ lointain, en utilisant les valeurs distance de mesure et taille de la zone de mesure dans le champ lointain.

Indice de réflexion : Rapport entre l'énergie rayonnante d'une surface réfléchissante et l'énergie rayonnante arrivant sur cette surface ; cette valeur est proche de 1 pour un miroir parfait et est égale à 0 pour un corps noir
Corps noir : Corps idéal absorbant toute l'énergie de rayonnement de toutes longueurs d'onde et qui ne réfléchit ni ne transmet d'énergie ; la surface d'un corps noir possède une émissivité uniforme de 1.

Sensibilité spectrale : Domaine de longueurs d'onde dans lequel un thermomètre infrarouge est sensible.