Thermomètre infrarouge
Un thermomètre infrarouge est un instrument de mesure de la température de surface d'un objet à partir de l'émission de lumière de type corps noir qu'il produit. Le principe de fonctionnement est basé sur la mesure du rayonnement de l'objet dans le domaine de l'infrarouge d'où le nom de thermomètre infrarouge. On utilise également le terme de pyromètre infrarouge lorsqu'il s'agit de mesurer des températures élevées d'un objet ou d'un environnement (four, incendie, volcan, etc.)[1]. Les deux termes expriment la différence avec un thermomètre à contact classique puisqu'ils mesurent le rayonnement thermique émis et non la température elle-même.
Un tel thermomètre est parfois appelé à tort thermomètre laser s'il est aidé d'un laser pour viser, ou encore thermomètre sans contact pour illustrer sa capacité à mesurer la température à distance.
Historique et fondamentaux
Isaac Newton met en évidence le spectre de lumière en 1666. Il observe que la lumière du jour passant au travers d’un prisme de verre se décompose en bandes de couleurs appelées spectre. En 1880, William Herschel mesure l’énergie relative de chacune de ces bandes y compris au-delà du rouge (visible).
Dans les années 1900, les scientifiques Max Planck, Joseph Stefan, Ludwig Boltzmann, Wilhelm Wien et Gustav Kirchhoff formulent les équations fondamentales du spectre électromagnétique ainsi que celles sur l’énergie radiative dans l’infrarouge. Le concept de pyromètre infrarouge a été énoncé par Charles R. Darling dans son livre Pyrometry en 1911 [2]. L’avènement de l’électronique dans les années 1930 a permis l’industrialisation des premiers thermomètres de ce type qui sont désormais un instrument classique de mesure pour les applications personnelles, industrielles et universitaires.
Principe
Le thermomètre IR mesure la température par quantification de l’énergie radiative émise dans l’infrarouge. Tout objet au-dessus du zéro absolu (0 K) émet ces radiations. En connaissant la quantité d'énergie émise par un objet, et son émissivité, sa température peut donc être déterminée. Schématiquement, le procédé consiste à mesurer l'énergie lumineuse (située dans l'infrarouge) sur un détecteur permettant de la convertir en un signal électrique. Cette méthode permet de mesurer la température à distance, contrairement aux autres types de thermomètres comme les thermocouples. Ainsi il est possible de mesurer la température si l'objet est en mouvement, s'il est entouré d'un champ électromagnétique, s'il est placé dans le vide, etc.
Le thermomètre infrarouge le plus basique est composé d’une lentille qui focalise l’énergie radiative infrarouge sur un détecteur qui la convertit en signal électrique. Après compensation, ce signal est converti à son tour en température. Cette méthode de mesure peut être très précise à condition cependant d'être bien calibrée, le rayonnement mesuré étant dépendant de nombreux paramètres : émissivité de l'objet, uniformité de la source, géométrie du dispositif. La mesure infrarouge (IR) est une mesure optique :
- la lentille de l'appareil doit être propre ;
- le champ de mesure doit être libre de toutes interférences : absence de poussière, d'humidité, de vapeur ou de gaz étranger.
La mesure IR est une mesure de surface :
- si de la poussière ou de la rouille est présente sur la surface de l'objet à mesurer, la mesure se fera sur ces particules ;
- si la valeur semble douteuse, il faut utiliser en parallèle un thermomètre à contact classique. Ce dernier peut être équipé d'une sonde d'immersion ou de pénétration (cas des mesures sur aliments congelés).
Contamination du trajet optique
Afin d’avoir une mesure fiable, le trajet optique entre le point de mesure et la tête de détection du pyromètre doit rester dégagé. Un système de purge à air permet d’éviter l’adhérence des poussières, des fumées et toutes autres salissures sur les optiques. Des systèmes de purge sont utilisés pour prévenir de cet encrassage.
Ceci implique entre autres que le système de purge fonctionne parfaitement et de manière continue. Malheureusement, l’expérience montre qu’en pratique les optiques s’encrassent petit à petit à cause d’arrêts imprévus ou d’autres défauts. Ceci est particulièrement constaté dans les environnements sévères comme ceux de l’industrie métallurgique, les cimenteries ou les fours de combustions[3].
La mesure de température effectuée par un pyromètre monochromatique dérive alors peu à peu. La température lue diminue sollicitant les brûleurs ou tout autre système de chauffe parfois inutilement.
Applications
Ce dispositif permet ainsi de mesurer à distance la température d’un objet avec une grande précision. Parmi les applications courantes, on trouve les mesures sur les objets en mouvement, corrosifs, en réacteur sous vide ou soumis à des champs électromagnétiques intenses ainsi que toutes les applications exigeant des temps de réponses très courts.
- le contrôle de produits alimentaires sous emballage, à condition de ne pas réaliser de mesures dans les poches d'air ;
- le contrôle de la température d'un four ou d'autres équipements ;
- la vérification d'équipements mécaniques ou de circuits électriques (exemple : armoires électriques) ;
- la détection de zones chaudes lors d'un incendie ;
- la prise de température des individus. Avec l'interdiction à la vente des thermomètres à mercure[4], les thermomètres médicaux se sont fortement développés. Ils se décomposent en deux catégories principales : les thermomètres frontaux (sans contact) et les thermomètres auriculaires[5] ;
- le contrôle du réchauffement ou du refroidissement de matériaux avec précision ;
- la détection de nuages pour les télescopes.
Types de capteur
Le choix d'un capteur de température doit se faire en fonction du type d'application, en tenant compte des conditions ambiantes, des plages de température et de la précision de mesure souhaitée.
- Le pyromètre monochromatique, également appelé pyromètre spectral, mesure l’énergie radiative à une longueur d’onde (en réalité une bande spectrale plus ou moins étroite). On trouve parmi ces modèles des systèmes portables très basiques comme des instruments sophistiqués avec système de visée, fonction de mémorisation ou de PID. Des fibres optiques, des pointeurs laser, des systèmes de refroidissement, de protection ou de scanner peuvent compléter la configuration. On trouve également des instruments intégrant une caméra vidéo qui permet la visualisation de l’objet depuis une salle de contrôle. À chaque application correspond un système de mesure et il faudra particulièrement s’interroger sur le choix du détecteur, la gamme de température, les optiques, le temps de réponse et l’émissivité.
- Le pyromètre bi-couleur, à quotient ou bi-chromatique travaille à deux longueurs d'ondes. L’état de surface peut modifier l’émissivité et donc la précision de la mesure. Cela est aussi vrai pour tous les obstacles présents sur le trajet optique. Une manière de s’affranchir en partie de ces inconvénients est de mesurer la température simultanément à 2 longueurs d’ondes et d’en extraire le rapport d’intensité.
Notes et références
- Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article intitulé « Pyromètre infrarouge » (voir la liste des auteurs).
- Bureau de traduction, « Pyromètre », sur Termium, Travaux public et Service gouvernementaux Canada (consulté le )
- (en) Charles R. Darling, Pyrometry, Рипол Классик, , 2e éd. (1re éd. 1911) (ISBN 5-87551-479-5 et 978-5-87551-479-1, lire en ligne), p. 29-100
- Exemples de mesure de température sans contact, sur keller-msr.fr
- « Le thermomètre à mercure au rancart. Il est désormais interdit à la vente. » (consulté le )
- « Thermomètre Infrarouge : Fonctionnement et Tests complets », sur Thermomètres bébé, frontal et auriculaire (consulté le )
Articles connexes
- Pyromètre de Wedgwood
- Corps noir
- Émissivité
- Pyranomètre
- Thermographie
- Caméra thermique
- Bolomètre | Radiomètre
