Introduction

La mesure de température sans contact est une méthode optique. L’influence des critères optiques est souvent sous-estimée ou méconnue. Les fiches techniques omettent souvent ces facteurs dans le calcul de la précision et de la répétabilité de l’équipement. L’utilisation de lentilles de moindre qualité, sans traitement de surface et mal assemblées conduit à des erreurs importantes sur la mesure. Cet article vise à définir ces différents paramètres et éclairer l’utilisateur sur son choix. Il pourra également vérifier par lui-même la qualité des ses instruments.



Les défauts optiques
Aberration sphérique ou géométrique

La focalisation d’une lentille n’est jamais parfaite. Les rayons traversant la lentille par le centre et par les extrémités de la lentille ne convergent pas exactement en un seul point foyer image. L’image est donc quelque peu floue. L’association des différentes lentilles conjuguent ces erreurs de géométrie. Le savoir faire consiste donc à ajouter ingénieusement les lentilles de qualité pour non pas augmenter mais diminuer les aberrations sphériques.


Abberation sphérique de la lentille
Abberation sphérique de la lentille


Aberration chromatique

La focale d’une lentille est fonction de la longueur d’onde de la lumière qui la traverse. En d’autres termes, l’image d’une source infrarouge ou ultraviolet ne se forme pas au même endroit. En pyrométrie infrarouge cela signifie que toute l’énergie émis par l’objet se projette pas un point unique mais sous une forme de tache. Le détecteur minore alors la température. Un traitement de surface ad-hoc des lentilles permet de diminuer cette aberration chromatique. La correction peut se faire pour deux longueurs d’ondes (a-chromate) ou trois (apo-chromate). Le matériau des lentilles est choisi pour les aberrations mutuelles s’annulent.


(1) lentille en verre non traité
(2) lentille achromate dans le visible	
(3) lentille achromate pour l'infrarouge
(1) lentille en verre non traité
(2) lentille achromate dans le visible
(3) lentille achromate pour l'infrarouge


Caractéristiques optiques du pyromètre

Dans les fiches techniques, les caractéristiques des lentilles sont spécifiées généralement de deux manières : soit la taille du spot de mesure pour une distance donnée, soit le rapport optique entre le diamètre du spot de mesure et la distance de travail. La taille du spot de mesure est définie pour un pourcentage de l’énergie maximale reçue. Les valeurs généralement utilisées sont 90%, 95% ou 98% du maximum d’énergie.


Taille du spot de mesure pour 90, 95 et 98 % du maximum d'énergie
Taille du spot de mesure pour 90, 95 et 98 % du maximum d'énergie

Il faut donc comparer les performances optiques pour une même définition (pourcentage) de la taille de spot. En l’absence de norme à ce jour, certains fabricants utilisent une définition plus favorable pour faire croire à de meilleures performances… L’utilisateur doit donc être prudent lors de la comparaison des brochures techniques. Des essais comparatifs sur site sont à encourager.



Influence des défauts optiques


Il existe deux grandes familles de pyromètre : les pyromètres à lentille fixe et ceux à lentille focalisable. Avec une lentille fixe, il faut changer la distance objet-pyromètre pour avoir une image nette de la taille voulue. Autrement le détecteur ne reçoit pas la totalité des radiations émises par l’objet et ne mesure donc pas la bonne température.

La distribution de l’énergie sur le spot de mesure n’est pas homogène. Le centre de la cible concentre plus d’énergie que les bords. Une mauvaise focalisation en particulier avec des objets de petites tailles peut conduire à d’importantes erreurs.
Avec des lentilles de mauvaises monture, le simple fait de s’éloigner ou que l’objet se déplace quelques peu peut conduire à de grosses différences de lecture.

L’utilisation de détecteurs à courtes longueurs d’ondes diminue cet Effet Taille de Source. Cette source d’erreur peut aussi être atténuée par le choix d’optiques ayant un traitement de surface anti-reflets et en évitant les réflexions parasites. Le plus simple restant de correctement focaliser l’instrument.

En fonction de la température de l’objet, les radiations émises sont comprises entre 0.6 et 20 µm. Cela signifie qu’il faut choisir un détecteur en adéquation avec la gamme de température à mesurer.


Dispersion pour une lentile focalisée et dé-focalisée
Dispersion pour une lentile focalisée et dé-focalisée

Pour focaliser correctement le pyromètre, les lentilles doivent être corrigées et traitées pour faire correspondre les foyers image/objet dans l’infrarouge comme dans le spectre du visible. Les lentilles classiques sont optimisées pour une seule longueur d’onde. Les rayons infrarouges et visibles ne convergent pas au même point. Pour faire converger ces rayons, il est indispensable d’utiliser non pas une lentille traitée mais un jeu de deux ou trois dont les aberrations peuvent partiellement s’annuler. Par exemple, le pyromètre PZ 40 AF 90 utilise un ensemble de lentilles avec traitement de surface anti-réflexion. Cet instrument permet de mesurer la température précise de filaments métalliques de 0.3 mm ! 

Pyromètre CellaTemp PZ avec télé-objectif
Pyromètre CellaTemp PZ avec télé-objectif

Détermination de la qualité de l'image

Il est relativement facile de vérifier les performances optiques d’un pyromètre infrarouge. Focalisez l’instrument sur une source de radiation stabilisée. Cette source devra être largement plus grande que le spot de visé. Placez un diaphragme à ouverture variable entre le pyromètre et la source. La distance pyromètre-diaphragme doit être égale à la focale du pyromètre noté (a).


Relevez la température T1 lue par le pyromètre pour une émissivité ε = 1. Cette température est bien entendue éloignée de la vraie température si la source n’est par un corps noir. L’important ici est que source soit nettement supérieure à la température ambiante. Modifiez maintenant l’émissivité à 0.95, vous lirez alors une nouvelle valeur T0.95. Réduisez l’ouverture du diaphragme afin de retrouvez la température T1.
Refaites l’ensemble des opérations avec le second pyromètre à comparer. Vous pourrez ainsi constater les performances optiques entre les deux instruments.


Ce test permet également de vérifier que la focalisation du pyromètre reste correcte dans le domaine infrarouge comme le domaine du visible. En effet, généralement la focalisation se fait par l’œil de l’opérateur donc dans le visible. Hors le pyromètre travaille dans l’infrarouge. Entre d’autres termes, est-ce que le spot de visée coïncide en taille et en forme dans les deux domaines.


Setup pour quantifier les propriétés optiques
Setup pour quantifier les propriétés optiques

Conclusion

Pour choisir de manière éclairer un pyromètre, il faut s’attarder sur ses performances optiques et instrumentales. Malheureusement il est difficile de trouver ces renseignements dans les brochures produits. A défaut, le mieux est de tester les différents équipements parallèlement comme indiqué dans cet article.


Théorie

Influence des optiques sur la précision de la mesure sans contact

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