Thermomètres à fibre optique sans contact : pyromètres

Le mot « pyromètre » vient de la racine grecque « pyros » qui signifie feu. C’est pourquoi le terme pyromètre était initialement employé pour désigner un dispositif capable de mesurer la température d’objets incandescents éblouissants pour l’œil humain. Dans le passé, de tels capteurs étaient bien entendu fondés sur la détection du rayonnement visible émis par les corps. De nos jours, la définition communément admise serait plutôt « un dispositif sans contact collectant une partie de la radiation “ thermique ” émise par un objet, afin de déterminer sa température de surface ». Le mot « thermomètre », quant à lui, provient également d’une racine grecque « thermos » qui signifie chaleur et désigne bien évidemment un appareil mesurant la température. De ce fait, un pyromètre est un thermomètre particulier, parfois désigné par l’expression « thermomètre à radiation ». À la base, un pyromètre consiste donc en un système de collection du flux lumineux (visible ou IR) émis par l’objet à ausculter, associé à au moins un détecteur (le cœur du dispositif), lui-même suivi d’une chaîne de traitement du signal convertissant le flux détecté en une température. Or les développements théoriques montrent qu’une telle mesure n’est pas simple puisque certains paramètres, tels que l’émissivité de la surface visée, sont généralement mal estimés. En effet, la forme de l’objet, mais aussi son état de surface, voire son état d’oxydation, sont autant de paramètres mal connus qui conduisent à des erreurs de mesure (par exemple de plusieurs pour-cent pour une variation de 10 % du facteur d’émissivité, ce qui est parfois rédhibitoire). C’est pourquoi les efforts de recherche & développement consentis ces dernières années par les fabricants ont consisté à proposer des solutions, plus ou moins performantes, à certains de ces problèmes [8].

Ainsi, de nombreux appareils intègrent désormais une possibilité pour l’utilisateur de calibrer l’émissivité, voire de s’en affranchir au premier ordre (via une mesure bispectrale par exemple) sur une plage de température plus ou moins restreinte. Il n’en reste pas moins vrai qu’une mesure pyrométrique précise passe nécessairement par la détermination au préalable de l’émissivité de la surface, à la longueur d’onde à laquelle l’appareil fonctionne, et avantageusement à la température estimée pour l’objet, ainsi que pour un angle de visée donné (par exemple, perpendiculairement à la surface de l’objet). Du fait de certains raffinements, tant conceptuels que technologiques, la constitution des pyromètres modernes s’écarte quelque peu du principe de fonctionnement initial. Ainsi, le nombre de détecteurs augmente, leur type est choisi avec soin en fonction de la plage de température recherchée (en fait compte tenu du spectre à analyser) et du niveau de flux lumineux à détecter, des filtres spectralement sélectifs sont souvent insérés dans la chaîne de mesure, de même qu’un éventuel corps noir de référence, sans oublier une unité de calcul intégrant désormais des algorithmes toujours plus sophistiqués permettant de réaliser une linéarisation, des compensations, etc., en temps réel.

On classe généralement les pyromètres en catégories, suivant qu’ils sont :

• à radiation totale (mesure de la « totalité » du spectre) ;

• à bande spectrale étroite, c’est-à-dire suivant une seule longueur d’onde ou couleur (en réalité, sur une petite bande spectrale pour collecter un flux suffisant) ;

• à deux (voire N) longueurs d’onde, afin en particulier de s’affranchir de l’influence de l’émissivité du corps ;

• de type photothermique, c’est-à-dire actif, a contrario des catégories précédentes, passives par nature.

Les applications industrielles de ces pyromètres sont nombreuses, citons pêle-mêle :

• en sidérurgie : laminage à chaud en continu, hauts-fourneaux, cokerie ;

• en métallurgie : sortie des fours de réchauffage, forgeage, formage de tuyaux ;

• en fonderie : chauffage par induction, opérations de trempage ;

• en verrerie : contrôle dans les fours ;

• contrôle du travail par laser sur métal, y compris la soudure ;

• durcissement des surfaces par laser ;

• découpe par flamme ;

• moulage de pièces en aluminium.

Pour chacune d’elles, la fibre optique apporte une souplesse évidente, ainsi que le déport de l’instrumentation en zone contrôlée, voire, si besoin est, le multiplexage des zones de mesure.

Les principes présidant à la mesure de température par capteur à fibre optique (CFO) font l’objet de l’article précédent Thermomètres à fibre optique- Procédés de mesure.

Cet article concerne les procédés de mesure sans contact. Les thermomètres avec contact sont présentés dans l’article suivant Thermomètres à fibre optique avec contact. Ces méthodes sont comparées dans Thermomètres à fibre optique, véritable d’outil d’aide à la sélection.