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RÉSUMÉ
L’émissivité thermique d’un matériau est un facteur qui intervient dans toutes les mesures de température par pyrométrie et par rayonnement. Il dépend de la nature du matériau lui-même, de l’angle d’émission et de la polarisation du rayonnement émis, mais aussi de l’état de surface. Cet article étudie l’interprétation physique de ce phénomène, ces méthodes de mesure et donne des exemples de résultats expérimentaux sur les matériaux lisses.
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Philippe HERVÉ : Docteur ès Sciences - Professeur à l’Université Paris X - Directeur du Laboratoire d’énergétique et d’économie d’énergie
INTRODUCTION
L’émission de rayonnement thermique d’une surface solide ou liquide dépend de la température, de la longueur d’onde, mais aussi d’un facteur compris entre 0 et 1 appelé émissivité.
Les échanges thermiques par rayonnement, les mesures de température par pyrométrie nécessitent donc la connaissance de ce facteur, qui dépend lui‐même de la nature du matériau, de l’angle d’émission, de la polarisation du rayonnement émis et enfin de l’état de surface. L’influence de ces différents paramètres sera examinée dans le présent article, qui complète l’article Température de surface : mesure radiative « Température de surface. Mesure radiative ».
Pour avoir une connaissance plus complète des phénomènes physiques de base, on pourra se référer aux ouvrages généraux [1] [2] [4] [5] cités dans la fiche Mesure de l’émissivité thermique[Doc. R 2 737].
Dans le recueil de données de Y.S. Touloukian et D.P. De Witt [3], on trouvera l’émissivité (facteur d’émission) de nombreux matériaux conducteurs et diélectriques, les mesures ayant été réalisées par de nombreux expérimentateurs. La divergence des résultats obtenus sur un même matériau surprend au premier abord. En fait, cette multiplicité des résultats est due à la composition chimique des échantillons et à la variété infinie des états de surface. Il sera donc nécessaire de ne pas se contenter de valeurs bibliographiques et d’effectuer des mesures sur un échantillon du matériau, en étudiant en même temps sa composition chimique et son état de surface. Nous examinerons plusieurs méthodes de mesure, directes ou indirectes, de l’émissivité.
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Exemples de résultats expérimentaux sur les matériaux lisses3. Méthodes de mesure et appareillages
Pour déterminer l’émissivité, il y a deux possibilités : soit faire une mesure directe à partir du rayonnement émis, soit utiliser une méthode indirecte en déterminant d’abord la réflectivité de la surface ou l’indice complexe.
3.1 Méthodes directes à partir de l’émission de rayonnement
3.1.1 Méthode utilisant un corps noir de référence
C’est la méthode qui correspond directement à la définition de l’émissivité. L’émission du corps est comparée à celle d’un corps noir porté à la même température (figure 5).
La principale difficulté de la méthode consiste à mesurer précisément la température réelle T1 du corps noir et celle T2 de l’échantillon :
L’erreur relative sur ε est en effet :
avec :
- c 2 :
- seconde constante de rayonnement (c 2 = 1,438 8 × 10–2 K · m)
- T :
- moyenne de T1 et T2
- ΔT1, ΔT2 :
- erreurs respectivement sur T1 et T2 .
La figure 6 représente l’erreur due à une différence de température de 2 K entre le corps noir et l’échantillon.
On peut constater que cette erreur augmente aux courtes longueurs d’onde. Inversement, les pyromètres monochromatiques sont moins sensibles aux variations de ε lorsque la longueur d’onde de mesure est petite.
Aux basses températures, l’erreur principale de mesure est due à la réflexion du rayonnement ambiant sur l’échantillon. À λ = 10 µm...
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