Introduction

Un pyromètre infrarouge mesure l’énergie thermique ou radiative émise par un objet pour la convertir en température en suivant les équations de Planck. La quantité d’énergie émise est très dépendante de l’émissivité du matériau.
Qu’entend-t-on par émissivité et de quelle manière ce paramètre influence-t-il la mesure ? Comment définir cette valeur, quels éléments doivent être considérés ? Quelle erreur est induite par ce facteur ? Comment s’en affranchir ? Voici quelques unes des questions auxquelles nous tenterons de répondre dans cet article. 


Définition de l’émissivité

La quantité d’énergie thermique émise par un objet n’est pas seulement fonction de la température mais dépend aussi du matériau lui-même.

L’émissivité décrit la capacité d’un matériau à émettre et à absorber l’énergie radiative. Un « corps noir » désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température, autrement dit, il réémet la totalité de son énergie à toutes les longueurs d’ondes. Les objets réels réémettent une quantité radiative toujours inférieure à celle du corps noir à la même température. Le facteur d’émissivité ε représente le rapport entre l’énergie radiative ou flux Φr émis par l’objet sur l’énergie émise par le corps noir Φb à la même température

ε = ΦR / Φs


L’émissivité est donc sans unité et elle est comprise entre 0 et 100%. Les radiations environnantes se réfléchissent sur l’objet et dépendent de la nature et l’état de surface. Les règles fondamentales de l’optique dans le spectre visible s’appliquent également dans le domaine de l’infrarouge. Ainsi pour les objets dits transparents (verre, plastique) les radiations provenant du dessous et des cotés sont également partiellement détectées par le pyromètre. L’énergie totale « vue » par l’instrument est donc la somme des énergies provenant de l’objet à mesurer ainsi que des radiations parasites (bruit de fond). Le coefficient de transmission exprime par un nombre compris entre 0 et 1 le pourcentage d'énergie radiante incidente transmis au travers d’une substance dite "transparente" ou "translucide".
L’énergie totale Φ reçue par le pyromètre est donc : 
Φ∑ = ε * ΦO + ρ * ΦU + Τ * ΦH 


ε= facteur d’émissivité
ρ = réflectivité
Τ = coefficient de transmission
ΦO = flux radiatif provenant de l’objet
ΦU = flux radiatif provenant de l’environnement (bruit de fond)
ΦH = flux radiatif traversant l’objet (background)

Les différents coefficients sont reliés par l’équation de la conservation de l’énergie : 
1 = ε + ρ + Τ 


Dans le cas des objets opaques dans l’infrarouge, l’équation se simplifie comme ceci : 
1 = ε + ρ

Ensemble des radiations reçues par un pyromètre
Ensemble des radiations reçues par un pyromètre


Facteurs influençant l’émissivité

L’émissivité d’un objet dépend de la nature du matériau et de son état de surface. Les objets non métalliques et opaques ont généralement des émissivités supérieures à 80%. L’émissivité d’un métal varie entre 5 et 90%. Les métaux brillants ou très réfléchissants ont une émissivité plus faible.
De plus l’émissivité est très souvent dépendante de la longueur d’onde, en particulier pour les métaux. Pour ces derniers, l’émissivité augmente généralement aux plus courtes longueurs d’onde. Il est alors avisé de choisir le pyromètre travaillant à la plus basse longueur d’onde.
Les objets transparents comme le verre, les films plastiques ont des bandes d’absorption spécifiques dans l’infrarouge que l’on exploite. Les pyromètres KELLER MSR utilisent des détecteurs sensibles à ces valeurs pour obtenir une mesure précise.


Matériaux  Longueur d’ondes
Verre  4,8 µm
Films plastiques PE, PP, PS  3,43 µm
Films plastiques PET, PA, PUR  7,9 µm
Gas de combustion froid  4,27 µm
Gas de combustion chaud  4,5 µm

L’émissivité tend à augmenter avec l’élévation de température. Pour le verre, l’élévation de température permet de mesurer plus en profondeur la matière. Si la distance de pénétration est supérieure à l’épaisseur du verre, le pyromètre mesure le verre et le matériau sur lequel il repose.

Influence de l’atmosphère sur l’émissivité

L’environnement direct de l’objet est souvent une source de radiations parasites. Un exemple simple est la mesure d’une feuille d’or froide dans l’enceinte d’un four. Le pyromètre mesure le flux provenant de l’or ainsi que les réflexions sur la feuille provenant des cloisons du four. Plus la différence de température entre l’objet et les parois du four est faible, mieux sera la mesure. Pour une mesure précise, on utilisera le nouveau pyromètre CellaTemp PA qui mesure en parallèle la température des parois et intègre ce paramètre pour corriger la mesure. L’autre alternative reste l’insertion d’un tube refroidie à l’eau qui bloque les réflexions des parois. 

Comment déterminer l’émissivité

Les valeurs d’émissivités sont reportées dans la littérature académique et industrielle. Hors nous avons vu que l’émissivité dépend de plusieurs paramètres expérimentaux, aussi il faudra les utiliser avec prudence. Il faut en particulier toujours vérifier à quelle température et pour quelle longueur d’onde l’émissivité a été calculée. De même, ces valeurs sont souvent obtenues en laboratoire dans des conditions expérimentales favorables. En pratique, l’utilisation immédiate de ces valeurs conduira le plus souvent à une mesure surévaluée.
L’émissivité des métaux et du verre varie également avec la température. Ainsi l’oxydation de surface du métal en fusion ou le changement de phase liquide/solide peut faire fluctuer grandement l’émissivité.
L’utilisateur doit étalonner son équipement, en augmentant le facteur d’émissivité, à l’aide par exemple un thermocouple de référence.
Par ailleurs, pour des températures jusqu’à 250°C, on peut utiliser des « stickers » à l’émissivité connue. Il suffit alors de viser ce sticker collé sur la surface de l’objet à mesurer et de noter la température vraie obtenue avec l’émissivité connue entrée dans le pyromètre.


Détermination de l’émissivité par comparaison avec un « étalon »
Détermination de l’émissivité par comparaison avec un « étalon »
Ensuite, en visant l’objet à mesurer, on adapte l’émissivité sur le pyromètre jusqu’à retrouver la température vraie. Cette nouvelle émissivité est donc celle de l’objet dans nos conditions expérimentales. 
L’influence de l’émissivité augmente généralement avec la température, cet étalonnage devrait donc toujours être effectué pour les mesures à hautes températures. Pour les températures élevées (>700°C) ou lorsque la zone de mesure est difficile d’accès (four, réacteur sous vide), le sticker ou le thermocouple peuvent être remplacés par un pyromètre à disparition de filament ou à comparaison d’intensité. Cet instrument utilise une longueur d’onde plus petite qui conduit physiquement à une meilleure précision.
Le pyromètre à disparition de filament ou sa version moderne à comparaison d’intensité est idéal. Il travaille à la longueur d’onde de 0.67 µm. L’efficacité de cette méthode ne dépend pas de la taille de l’objet. Le graphique montre l’erreur relative de la mesure en fonction de la longueur d’onde utilisée pour des températures de 0 à 3000°C. 
Erreur de 1% sur l’émissivité, conséquences en fonction de T et la longueur d'onde
Erreur de 1% sur l’émissivité, conséquences en fonction de T et la longueur d'onde

Le pyromètre bichromatique : insensible à l’émissivité ?

Les pyromètres bichromatiques travaillent à deux longueurs d’ondes proches. Le rapport d’intensité des deux canaux de mesure, ou signal Quotient, est proportionnel à la température de l’objet. Lorsque les conditions expérimentales varient, elles influencent de la même manière les deux canaux de mesure et n’ont théoriquement donc pas d’influence sur le Quotient. La mesure reste stable. Ce postulat est vrai lorsque l’émissivité aux deux longueurs d’ondes varie de la même manière. La pratique montre que ce n’est pas souvent le cas. Pire, le pyromètre bichromatique peut augmenter fortement les erreurs de lecture. Ces pyromètres sont idéaux pour s’affranchir des obstacles sur le trajet optique comme les fumées, vapeurs, poussières, encrassement des optiques qui influencent de la même quantité les deux canaux. Mais, ils ne doivent pas être considérés comme des équipements insensibles à l’émissivité. Dans les conditions difficiles, il faudra considérer les valeurs obtenues sur les deux canaux et sur le Quotient et choisir le canal le mieux adapté. Le nouveau CellaTemp PA 40 fait automatiquement ce choix.

Conclusion

Les brochures techniques mettent souvent en avant la précision de l’équipement. Cependant, pour les mesures de température sans contact, de nombreux éléments doivent être considérés pour le calcul de l’erreur globale sur la mesure. Cet article montre les différents facteurs à étudier pour choisir le pyromètre le mieux adapté à son application.

Théorie

Emissivité : définition et influence sur la mesure de température sans contact

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