Les pyromètres à infrarouge:quel étalonnage pour quelle ... - Mesures

S olutions
Gamme de thermomètres infrarouge de Land Instruments équivalents à celui qui a permis
l’expérimentation de la méthode par simulation d’un corps gris.Seuls les équipements
présentant de bonnes performances optiques peuvent être étalonnés de cette manière.Ils
serviront alors d’étalons de transfert pour les équipements d’entrée de gamme.
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O nen
L’essentiel
Le LNE propose une méthode
d’étalonnage des thermomètres
à infrarouge à
émissivité fixe, inférieure à 1
Cette méthode consiste à
simuler mathématiquement
un corps gris à partir
d’un corps noir
Cette méthode s’est révélée
tout à fait satisfaisante
pour l’étalonnage d’un
thermomètre infrarouge à
émissivité fixe sous réserve
de quelques hypothèses
sur l’appareil
Elle permet ainsi d’étalonner
des thermomètres de
référence qui pourront être
ensuite utilisés pour des
étalonnages par comparaison
de thermomètres
industriels
trouve désormais dans les
rayons bricolage des grands
magasins ou sur Internet,pour
moins de 50euros.Automobile,transports,alimentaire,climatisation…
les
pyromètres infrarouge
se répandent sur tous
les marchés industriels,
médical ou grand
public.Et les constructeurs
ne manquent pas
d’arguments commerciaux.Une
mesure de
température sans
contact de toutes les
surfaces sur une gamme
de mesure généralement
entre –30 et
300 °C.Une visée laser
pour matérialiser la
cible d’un point rouge.
L’ergonomie d’un pistolet.Une
mesure qui
s’affiche sur un écran
rétro-éclairé, même
dans la nuit, même
MESURES PHYSIQUES
Les pyromètres à
infrarouge : quel
étalonnage pour
quelle émissivité?
▼
Ils se ressemblent tous mais sont pourtant tous différents. Etendues de mesure,
bandes spectrales, émissivité fixée à 0,97, 0,95, 0,85... Le développement des thermomètres
à émissivité fixe oblige les laboratoires de métrologie à adapter leurs
méthodes classiques d’étalonnage en tenant compte de la disparité des modèles
existants sur le marché. Le Laboratoire National de Métrologie et d’Essais développe
une méthode par simulation d’un corps gris à partir d’un corps noir. Ça
marche mais à certaines conditions…
dans les coins obscurs d’une armoire électrique,d’une
cave ou d’un grenier...
Face à de tels avantages,il y a des contreparties
d’ordre technique. Performances
optiques souvent médiocres,diamètre de
mesure trop large,effet de taille de source
important,bande spectrale de réponse parfois
très étendue… De plus,la plupart des
modèles d’entrée de gamme ne disposent
pas de réglage d’émissivité du matériau
mesuré. La valeur particulière de 0,95 est
généralement retenue par les constructeurs
car elle correspondrait, selon eux, à une
“bonne moyenne” pour la majorité des cas
usuels dans les applications typiques.On
trouve aussi des émissivités fixées à 0,97,
0,90,0,85… sans compter les autres différences
de spécifications en termes d’étendues
de mesure ou de bandes spectrales.Un
véritable casse-tête pour les laboratoires de
métrologie qui sont en charge de l’étalonnage
de ces instruments de mesure.
A la recherche de solutions
Au Laboratoire National de Métrologie et d’Essais ( LNE),
la division Optique et Thermique,dont les
laboratoires sont basés àTrappes,travaille ain-
si sur le développement de méthodes répondant
à la disparité des modèles disponibles
sur le marché. L’une des priorités étant de
répondre au besoin des thermomètres à
émissivité fixe,inférieure à1.
Pour étalonner un thermomètre infrarouge“normal”,c’est-à-dire
disposant d’un réglage d’émissivité
à1,il existe deux méthodes pratiques.
La première consiste à viser un corps noir de
référence à température connue,dans la bande
spectrale de réponse de l’instrument.La
seconde est de comparer la valeur mesurée
du pyromètre à un pyromètre étalon,avec,
de préférence,la même bande spectrale que
celle de l’instrument.Ceci suppose évidemment
que le pyromètre de référence ait été
raccordé à un corps noir au préalable.
Pour étalonner un thermomètre infrarouge à
émissivité fixe,inférieure à1,une première
approche consisterait à utiliser un corps noir
industriel spécifié avec une émissivité de 0,99
ou mieux 0,995 (en pratique,il est impossible
d’obtenir un corps noir parfait avec une
émissivité de 1) en se disant que la valeur
d’émissivité fixe prise en compte par certains
thermomètres infrarouge est suffisamment
proche pour que l’erreur d’étalonnage reste
MESURES 781 - JANVIER 2006 - www.mesures.com

faible.Le LNE a testé cette approche (voir schéma:“en
utilisant un corps noir”). Dans la réalité,dès
que l’on s’éloigne de la température
d’environnement (la température ambiante
du laboratoire),l’erreur d’étalonnage devient
rapidement supérieure au degré Celsius.Et
cette erreur s’accroît d’autant plus que l’émissivité
fixe du pyromètre est faible.
Une autre solution serait de réaliser une source
de référence d’émissivité 0,95,ou 0,97,ou
0,90… En pratique,il est beaucoup plus délicat
de fabriquer un corps gris qu’un corps noir de
laboratoire avec une émissivité supérieure à
0,995. En effet,il faut connaître le comportement
spectral d’une peinture noire,s’assurer de
sa stabilité physico-chimique,tenir compte de
l’influence du rayonnement ambiant réfléchi…
des paramètres difficilement maîtrisables,même
dans un laboratoire de métrologie.
Le LNE a donc retenu une autre méthode,basée
sur une simulation mathématique. Celle-ci
consiste à calculer,àpartir d’un corps noir
expérimental,une température de corps gris
(émissivité d’inférieure à1) dans un environnement
à température connue et stable.
Concrètement,l’étalonnage du thermomètre
infrarouge est réalisé d’une manière tout à fait
classique en différents points de température
et à l’aide de corps noirs de référence. En l’occurrence,le
LNE a utilisé 3 corps noirs ayant
une émissivité supérieure ou égale à 0,9975 et
couvrant une plage de mesure de -20 à 500 °C.
A chaque point de température,un développement
mathématique approprié permet de
calculer ce que serait,pour une même intensité
de rayonnement,la valeur de la température
d’un corps gris,par exemple à une émissivité
de 0,95. Cette température est calculée pour
une température ambiante connue et stable (par
exemple 23°C) ainsi que pour une certaine
bande spectrale (par exemple,8 à 14 μm).
Quant au rayonnement mesuré par le thermomètre
à émissivité fixe (à 0,95,dans le
même exemple),il est interprété comme
étant la somme du rayonnement émis par la
source simulée à 0,95 et le rayonnement
réfléchi par cette même source.
Une correction est apportée,qui permet de
s’affranchir de cette seconde composante.
L’écart entre la valeur de température du
corps gris simulée et celle obtenue par la
mesure du thermomètre permet alors d’es-
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Extrait d’un catalogue
Etendue de mesure Emissivité Bande spectrale
-30 à 200 °C 0,95 6 à 14 μm
-18 à 260 °C 0,95 7 à 18 μm
-30 à 200 °C 0,97 8 à 14 μm
-20 à 420 °C 0,95 6 à 14 μm
-30 à 200 °C 0,85 et 0,95 4 à 14 μm
-40 à 400 °C 0,85 ou 0,90 ou 0,95 6 à 14 μm
-30 à 200 °C 0,95 5 à 14 μm
-32 à 535°C 0,95 8 à 14 μm
-32 à 400 °C 0,95 7 à 14 μm
Exemples de spécifications de thermomètres à émissivité fixe.Les laboratoires de métrologie
doivent s’adapter à la disparité des modèles disponibles sur le marché.
timer l’erreur d’étalonnage.
Les résultats obtenus se sont révélés tout à
fait satisfaisants pour des valeurs d’émissivité
de 0,97 et 0,95. Par contre,pour les émissivités
plus faibles,des erreurs importantes
ont été observées.En effet,lorsque le facteur
de réflexion devient trop important,le modè-

S olutions
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En utilisant un corps noir
Corps gris simulé
Erreur d’étalonnage
le ne s’applique pas aussi bien. Ceci est d’autant
plus vrai aux basses températures ou audelà
de 300 °C.
Ne pas négliger l’effet
de taille de source
Par ailleurs,pour que la méthode soit valable,
il faut que certaines précautions soient prises.
Ainsi,il est très important que la bande spectrale
soit connue et que la sensibilité du pyromètre
soit constante sur toute la largeur de la
bande.
Il est également important que le thermo-
Erreur d’étalonnage du thermomètre
infrarouge à émissivité fixe
en utilisant un corps noir.
Exemple pour un thermomètre de
bande spectrale 8 à 14 μm et une
température d’environnement de
23 °C.Cette méthode n’a pas été
retenue.
( losange bleu) erreur sur la température de
luminance d’une source d’émissivité
0,995 assimilée au corps noir
(carré rouge) erreur d’indication d’un
thermomètre étalonné devant le corps noir,
dans le cas d’une émissivité à 0,97
(rond vert) erreur d’indication d’un thermomètre
étalonné devant le corps noir,
dans le cas d’une émissivité à 0,95
La méthode retenue par le LNE
consiste à étalonner le thermomètre
à émissivité inférieure à1
devant un corps noir dont la
température est mathématiquement
corrigée pour simuler un
corps gris d’émissivité équivalente.Les
résultats sont tout à fait
satisfaisants pour des émissivités
supérieures à 0,90.
Erreur d’étalonnage d’un thermomètre
IR à émissivité 0,95
par la méthode de simulation
d’un corps gris à partir d’un
corps noir.Excepté à 500 °C,
ces valeurs montrent que la
méthode n’induit pas d’erreur
systématique.
mètre soit lui-même doté d’un capteur de
température interne pour réaliser une correction
du rayonnement réfléchi. Cette correction
sera valide si l’appareil est en équilibre
thermique avec son milieu ambiant.Il
faut enfin que le champ visé et l’effet de
taille de source soient compatibles avec l’ouverture
d’un corps noir.L’effet de taille de
source (size of source effect) détermine,à
une distance donnée,l’indication de température
en fonction de la dimension de la
source. Il est indispensable de connaître cette
caractéristique avant l’étalonnage pour
Quelques définitions
Corps noir. Objet idéal qui absorbe
l’intégralité des rayonnements incidents,
quelles que soient leur longueur
d’onde et leur direction et qui émet un
rayonnement répondant à la théorie
développée par Max Planck en 1900.
Corps réel. Tous les objets réels se distinguent
du corps noir idéal par le fait
qu’ils réfléchissent ou diffusent une
partie du rayonnement incident et
émettent donc un flux toujours inférieur
à celui du corps noir, quelles que
soient la température et la longueur
d’onde.
Corps gris. Corps dont l’émissivité ne
varie pas avec la longueur d’onde.
Corps non gris (ou sélectif). Corps
dont l’émissivité varie avec la longueur
d’onde.
Emissivité. Rapport des émissions
d’un objet réel et du corps noir, placés
tous les deux dans les mêmes conditions
et à la même température.
vérifier que l’ouverture de la source noire
soit suffisamment grande. Un certain
nombre de constructeurs ne donnent pas
de spécifications précises sur l’effet de taille
de source de leurs équipements. Ils se
contentent de préciser le diamètre de cible
ou la résolution spatiale.
Soit que cette information ne soit pas donnée,soit
que l’effet de taille de source soit
trop important,dans les deux cas il n’est
pas envisageable d’utiliser la méthode par
simulation d’un corps gris pour étalonner
un thermomètre.
Au LNE,cette méthode a donc été utilisée
essentiellement pour raccorder le pyromètre
de transfert Land C33 dans une configuration
d’émissivité fixée à 0,95.A priori,seuls des
pyromètres avec des performances optiques
suffisantes pourront être étalonnés par cette
méthode.Pour des thermomètres de qualité
moindre,le LNE préconise un étalonnage
par comparaison avec un de ses pyromètres
de transfert.Il est alors recommandé,pour
ses thermomètres d’entrée de gamme,de
réaliser l’étalonnage à courte distance devant
une source de grande dimension (pour éviter
les effets de taille de source).Ainsi,se met
en place une chaîne de raccordement métrologique
avec en haut les corps noirs de référence
et, en bas, les thermomètres tous
publics.
Cet article a été rédigé à partir d’une présentation affichée
au cours du 12 ème congrès de métrologie
(juin 2005) par Pascal Ridoux – Laboratoire National
de Métrologie et d’Essais – Division Optique et
Thermique
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