FR2477706A1 - Procede et appareil permettant de mesurer la temperature de surface et le pouvoir emissif d'un materiau chauffe - Google Patents

Abstract

PROCEDE ET APPAREIL PERMETTANT DE MESURER LA TEMPERATURE DE SURFACE ET LE POUVOIR EMISSIF D'UN MATERIAU CHAUFFE. LEDIT APPAREIL COMPREND UN RADIOMETRE 1 ET UN CORPS NOIR RADIATEUR 2 DISPOSES SYMETRIQUEMENT PAR RAPPORT A UNE NORMALE A LA SURFACE DU MATERIAU 3. LE RADIATEUR PEUT EMETTRE DEUX QUANTITES DIFFERENTES D'ENERGIE DE RAYONNEMENT ET LE POUVOIR EMISSIF DU MATERIAU EST DETERMINE A PARTIR DES VALEURS DETECTEES PAR LE RADIOMETRE, DES DEUX VALEURS DE TEMPERATURE DU RADIATEUR ET DU COEFFICIENT DE REFLEXION DIFFUSE ASSOCIE AUDIT MATERIAU, PERMETTANT AINSI LA MESURE DE LA TEMPERATURE DE SURFACE DU MATERIAU. APPLICATION A LA MESURE DE LA TEMPERATURE D'UNE PLAQUE D'ACIER PLACEE DANS UN FOUR INDUSTRIEL.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil pour la

mesure de tOEtpératures de rayonneoent servant à mesurer la température d'un objet chauffé, par exemple une plaque d'acier, dont le pouvoir émissif varie et elle vise plus spécialement un procédé et un

appareil permettant de mesurer avec précision la tem-

pérature de surface d'un tel objet en mesurant simul-

tanément la température de surface de cet objet et

son pouvoir émissif.

Plus exactement, l'invention se rapporte au procédé décrit ci-après ainsi qu'à l'appareil

permettant de mettre en oeuvre ce procédé.

Lorsqu'il s'agit de mesurer des températures par thermométrie de rayonnements dans un four industriel, par exemple un four à recuire en continu dans lequel on chauffe une plaque d'acier ou tout autre objet, ou dans un métal à la température ambiante normale de

l'atmosphère, dont on mesure la température par dé-

tection des rayonnements émis, divers facteurs comme par exemple l'énergie de rayonnement provenant du

milieu environnant ou le bruit de fond, dont l'ampli-

tude est égale ou même supérieure à l'énergie de rayonnement fournie par l'objet à mesurer, et les

variations du coefficient de transmission de l'atmos-

phère qui entoure les dispositifs de mesure de l'énergie de rayonnement, ainsi que les variations du pouvoir émissif de l'objet à mesurer, gênent une telle mesure en faussant ou même en rendant impossibles les mesures

classiques de températures de rayonnement.

On peut supprimer de façon efficace ces inconvénients grâce au procédé de mesure de températures de rayonnement

selon l'invention.

Pour mesurer la température de surface d'un objet chauffé qui est fixe ou qui se déplace dans un four industriel, on peut avantageusement faire appel à un thermomètre pour rayonnement ou radiomètre, qui permet de mesurer la température de l'ojet sans avoir à être directement au contact de cet objet. En fait, un dispositif de ce genre est utilisé dans de nombreux domaines voisins. Dans un four, du fait que l'énergie de rayonnement provenant de la paroi ou source de chaleur est réfléchie par l'objet à mesurer puis est détectée par le radiomètre, une telle énergie parasite de rayonnement devient une perturbation extérieure importante ou bruit de fond, après quoi il faut se débarrasser de cette énergie parasite de rayonnement, sans quoi il est impossible

de procéder à une mesure correcte de températures.

De plus, il est bien connu que, lorsque le pouvoir émissif de l'objet à mesurer varie, les mesures

de thermométrie pour rayonnements provoquent géné-

ralement une erreur importante. En fait, les deux inconvénients cités plus haut ont souvent pour conséquence que les mesures de températures de

rayonnement dans des fours sont fortement erronées.

En particulier, si l'objet à mesurer est une plaque d'acier mince ou épaisse logée dans un four à recuire, la surface de cet objet a normalement tendance à s'oxyder pendant le chauffage dans ce four, et par conséquent le pouvoir émissif de cette plaque d'acier varie à mesure que l'oxydation se développe, ce qui provoque une erreur considérable dans la mesure de températures de rayonnement. Cela rend

pratiquement inutiles les mesures de températures.

La même situation se présente dans le cas de mesures

de températures d'un métal à la température atmos-

phérique ambiante. La raison en est que, du fait que l'objet à mesurer (par exemple du métal) est à une température voisine des températures normales, l'énergie de rayonnement émis par la surface de ce métal est souvent égale ou inférieure à l'énergie

de rayonnement fournie par le milieu environnant.

En outre, lorsque l'atmosphère dans laquelle se trouve l'installation de mesure absorbe de l'énergie de rayonnement dans une gamme de longueurs d'onde que le radiomètre utilisé peut détecter et si le coefficient de transmission de l'énergie de rayonnement se trouve modifié par une variation de la densité de l'atmosphère, les mesures de températures de rayonnement sont de

nouveau sujettes à des erreurs importantes.

En vue de remédier à ces nombreux inconvénients, l'invention vise un procédé et un appareil permettant de mesurer avec précision la température de surface en permanence dans un tel milieu, en supprimant les inconvénients relatifs aux mesures de températures de

rayonnement et qui se présentent dans le milieu envi-

ronnant décrit plus haut.

L'un des inventeurs a déjà imaginé un procédé permettant d'effectuer des mesures de températures correctes, et remédiant dans une certaine mesure aux inconvénients que l'on vient de citer en ce qui concerne les mesures de températures de rayonnement, ce procédé étant décrit dans la demande de brevet

japonais mise à l'inspection publique n0 85078/1979.

Conformément au procédé décrit dans la demande que l'on vient de citer, un radiateur constitué par un

corps noir, dont la température varie, et un radio-

mètre capable de détecter les rayonnements dans une

bande donnée de longueurs d'onde, sont montés symé-

triquement par rapport à la normale à la surface d'un objet chauffé, de manière que ce radiomètre puisse détecter les rayonnements émis par la surface de cet objet chauffé et on fait varier la température de ce corps noir servant de radiateur, de manière que le radiomètre fournisse des valeurs correspondant aux températures, valeurs qui servent à calculer le pouvoir émissif du corps chauffé, puis à déterminer

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sa température de surface. La caractéristique prin-

cipale de ce procédé est donc que le rayonnement d'une longueur d'onde pouvant être détectée par le radiomètre, soit choisi de manière a pouvoir subir une réflexion spéculaire sur la surface de l'objet à mesurer. D'un autre côté, la présente invention vise à mesurer la température de surface de l'objet avec une précision élevée même si la surface de cet objet est rugueuse ou constitue une surface à réflexion non parfaitement spéculaire-et si le milieu environnant renferme des substances

qui gênent la transmission de l'énergie de rayonne-

ment, par exemple du gaz carbonique ou de l'eau.

En outre, un four constituant un-corps noir idéal devrait avoir de grandes dimensions et il faudrait le chauffer et le maintenir à une température constante; en raison de cela, la présente invention vise également des mesures de températures de rayonnement faisant appel à la réflexion spéculaire qui permet de se dispenser

d'un tel four servant de corps noir.

D'autres caractéristiques et avantages

de l'invention ressortiront de la description qui

va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement

limitatif, diverses formes de réalisation.

Sur ces dessins,

- la Fig. 1 représente de façon schéma-

tique une première forme de réalisation de l'appareil selon l'invention; la Fig. 2 est le schéma de principe de l'installation arithmétique de cet appareil;

- les Fig. 3a et 3b sont des vues schéma-

tiques en plan de réalisations de l'invention; - la Fig. 4 est une vue schématique, de côté et en élévation, d'une autre forme de réalisation r les Fig. 5a et 5b sont respectivement une vue schématique en perspective et une vue de côté d'une autre forme de réalisation F - la Fig. 6 est une vue de c5té d'un appareil selon '1 invention à l'air libre; - la Fig. 7 est un graphique montrant la relation entre le pouvoir émissif vrai. (en abscisses) et le pouvoir émissif mesuré conformment, l inven.ti:Lcn (en ordonnées); - la Fig. 8 est un graphique montrant la relation entre la température vraie (en abscisses! et la température mesurée conformément 1l'invention (en ordonnées}; - la Fig. 9 est une vue de côté du four dans lequel s'effectuent les mesures; - la Fig. I1 illustre de façon schémaetique l'expérience servant à déterminer l'iportance du bruit de fond; - la Fig. Il est un graphique représentant la relation entre le coefficient de réflexion diffuse p (en ordonnûes} et l'angle solide (D(en abscisses} mesurés; - la Fig. 12 est un graphique représentant la relation entre ee coefficient de réflaexion diffuse (p) (en ordonnées} et l'angle d'inclinaison moyen Ga (en abscissesl esurés - la Fig. 13 donne la dEfimnitLion de cet angle d'inclinaison moyen la; - la Fig. 14 est un schéma destiné & expliquer une autre foErme de réalisation de l'invention; - les Fig. 15a et 15b sont des schémas servant à expliquer le fonctionnement du secteur

rotatif; -

SR 1506 JA PV

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radiomètre 1, par l'expression: E2 = ú(O).Eb(T1) + {1-e(G)}.Eb(T2) .(2) dans laquelle Eb(T2) désigne l'énergie de rayonnement émis par ce corps noir à la température T2. Le premier terme du membre de droite de l'équation (2) désigne l'énergie rayonnée par l'objet 3 à mesurer tandis que le second terme désigne un élément de l'énergie de rayonnement Eb(T2), qui subit une réflexion spéculaire à la surface de l'objet 2

(pouvoir réfléchissant:r(O) = 1-ú(O)).

Si la température du radiateur 2 constitué par un corps noir varie et prend la valeur T3, la valeur détectée E3 est fournie par l'expression: E3 = E(O) oEb(Tl) + {1-E()}.Eb(T3)

. (3)..DTD: Etant donné que les équations (2) et (3) sont des équations renfermant des inconnues E(O) et Eb(T1) à calculer, on peut résoudre ces équations comme étant des équations simultanées par rapport à ú(O) et Eb(Tl),et en retranchant l'équation (3) de l'équation (2), on obtient la relation suivante: 25. E2- E3 = {1- (8)}.{Eb(T2) - Eb(T}

. (4)..DTD: d'o l'on tire:

ú(2) 1- 3(5)

c(O) = 1 - Eb(T2) - Eb(T3) Après avoir reporté dans l'équation (3) la valeur de c(8) fournie par l'équation (5) et après quelques remaniements, on obtient l'équation suivante:

E3 1_- _6(8

E Eb(T1) = Ee) (O) Eb (T3) .(6) On voit d'après l'équation (6) que l'on peut déterminer la température T1 à partir de la valeur fournie par le radiomètre 1. La théorie que l'on vient d'énoncer peut s'appliquer au cas o

l'objet 3 présente une surface à réflexion spé-

culaire parfaite. La demande de brevet japonais mise à l'Inspection publique n 85078/1979 permet

de mettre en oeuvre ce procédé.

Mais, d'une façon générale, étant donné que la surface d'un objet présente toujours un certain degré de rugosité, les conditions idéales de mesures ne sont pas satisfaites. Cela implique que le pouvoir réfléchissant r(e) = 1 - s(e) de l'équation (1) devient inférieur à la valeur dans le

cas idéal, en raison de la réflexion diffuse.

Si l'on utilise un coefficient f dont la valeur est comprise entre 0 et 1 pourintroduire un pouvoir réfléchissant apparent remplaçant r(O) et défini par: r(O).f = {1 - E(E)}.f et si l'on remanie ies équations (2) et (3), on obtient les équations suivantes: E2 = e(o).Eb(TI) + f{1 -s()}.f. Eb(T2) .(7) E3 = s(O).Eb(T1) + {1 -s (6)}.f.Eb(T3)

30......(8)

Dans ce cas, le coefficient f est appelé coefficient de réflexion spéculaire" et il représente le degré de la réflexion spéculaire. Des deux équations qui précèdent, on tire la valeur calculée du pouvoir émissif, soit:

247770.6

E - E

f.{Eb(T2) - Eb(T3)} .(9) On tire ainsi la température de l'expression E3 F- -()f Eb(Tl) = c ()) (T) (10) Une première caractéristique de l'invention réside dans le fait que l'on peut effectuer facilement une mesure précise de température en introduisant le facteur f de réflexion spéculaire même dans le cas d'une réflexion spéculaire imparfaite de l'objet à mesurer ou de la surface rugueuse, pour des longueurs d'onde pouvant être détectées par le

radiomètre.

Pour la mesure d'une surface à réflexion spéculaire imparfaite, si une paroi enveloppante 4 (Fig. 1) est à une température assez élevée pour que l'on ne doive pas négliger son rayonnement, il devient nécessaire de tenir compte de ce bruit de fond. Avec une paroi enveloppante à la température de T4 et un pouvoir émissif effectif égal à 1,0, les équations (7) et (8) prennent la forme suivante: E2 = e(O).Eb(Tl) + {1 - s(O)}.f.Eb(T2) + {1 ú(O)}.p.Eb(T4) (1i) E3 = e(O).Eb(T1) + {1 - E(e)}.f. Eb(T3) + {1 s(O)}.p.Eb(T4) (12) p désignant le degré de réflexion diffuse par la surface 3 à mesurer, p étant appelé par les inventeurs "coefficient de réflexion diffuse". Le troisième terme du membre de droite de chacune des équations 11 et 12 désigne l'énergie de rayonnement qui doit être détectée par le radiomètre 1 après que l'énergie

de rayonnement Eb(T4) provenant de la paroi envelop-

pante 4 a été réfléchie de façon diffuse par la

surface 3 à mesurer.

On déterminera ci-après la relation entre pet f. Si l'on a T1 = T2 = T3 =T4 = T, c'est-à- dire si le système de mesure de températures est en équilibre thermique parfait, on en déduit la relation suivante:

Eb(T1) = Eb(T2) = Eb(T3) = Eb(T4) = Eb(T).

Les équations (11) et (12) se réduisent alors à: Eb(T) =E(O).Eb(T) + {1 e(o)}.f.Eb(T) + {1 - ú(e)}.p.Eb(T)..... (13) De l'équation (13), on tire la relation suivante: f + p = 1..... (14) Compte tenu de l'équation (14), les équations (11) et (12) deviennent: E2 = ú(O).Eb(T1) + {1 - ú(8)}.(1 p).Eb(T2) + {1 - ú()}.p.Eb(T4)..... (15) E = ú(O).Eb(T1) + {1 - s(0)}.(1 p).Eb(T3) + {1 -s(O)}.p.Eb(T4)..... (16) Si l'on retranche l'équation (16) de l'équation (15), on obtient, après divers remaniements, l'expression suivante, analogue à l'équation (9):

E2 - E

ó(0) = -I 1-

(0) = 1 - (l - p){Eb(T2) - Eb(T3)}

30.....(17)

Si l'on reporte cette expression de s (0) dans l'équation (16), on obtient: E(T1) = ú(8s(8) _ () 3- 1 ce)O.(1 - p).Eb(T3) i - E. (10) c(8) PEb (T4) (18) Les équations (17) et (18) montrent le principe de mesure selon l'invention. En d'autres termes, le radiateur 2 constitué par un corps noir et le radiomètre 1 sont disposés symétriquement par rapport à la normale N à la surface 3 de l'objet à mesurer, normale avec laquelle ils font l'angle 0, et les mesures s'effectuent de la manière suivante: l'énergie de rayonnement fournie par le corps noir servant de radiateur prend la valeur Eb(T2) ou Eb(T3) et le radiomètre 1 détecte la somme de l'énergie

de rayonnement (1 - E(O)).(1 - p).Eb(T2) ou (1 - s()).

(1 - p).Eb(T3) réfléchie par la surface 3 de l'objet, de l'énergie de rayonnement s (0).Eb(T1) fournie par cette surface 3 et de la composante de perturbation (1 - e(0)).p.Eb(T4) due à la paroi enveloppante 4 qui est à la température T4. On détermine ensuite le pouvoir émissif s(0) d'après l'équation (17) en utilisant le coefficient de réflexion diffuse p lié à la surface 3 de l'objet et la température T1

fournie par l'équation (18) en utilisant s(6).

Comme indiqué plus haut, la Fig. 2 est un schéma de principe destiné à expliquer les calculs

à faire pour mettre en oeuvre le procédé selon l'in-

vention. Cette figure comporte les cases suivantes: détecteur d'énergie de rayonnement, 37; détecteur de la température du corps noir servant de radiateur,38; détecteur de la température de la paroi du four, 39;

signal de référence, 40; soustracteur, 41; conver-

tisseurs 42, 43, 44; soustracteur, 45; soustracteur 46; multiplicateurs 47, 48, 49; diviseur, 50;

multiplicateurs 51, 52; soustracteur 53; diviseur.

54; soustracteur 55 et convertisseur 56. -

Pour faire fonctionner l'installation repré-

sentée sur la Fig. 2, il faut porter le corps noir 2 servant de radiateur séparément à deux températures différentes T2 et T3* A cette fin, il est prévu

(Fig. 3a) deux corps noirs 2' et 2", réglés respective-

ment à la température T2 et à la température T3, et l'énergie de rayonnement qui parvient à l'unique radiomêtre 1 est fournie tour à tour par le radiateur 2' et par le radiateur 2". La Fig. 3a représente ce système optique à deux flux lumineux. Ces deux flux se coupent au-point A à la surface 3 de l'objet à -10 mesurer qui les réfléchit. L'un des faisceaux d'énergie de rayonnement réfléchie frappe un miroir M2 qui le renvoie sur un miroir rotatif M1, tandis que l'autre faisceau d'énergie frappe un miroir M3 qui le renvoie sur le miroir rotatif M1, de sorte que ces faisceaux d'énergie de rayonnement parviennent tour à tour au

radiomètre 1 sous l'effet de la rotation du miroir M1.

Suivant une variante, on peut se contenter du miroir rotatif M1 sans utiliser les miroirs M2 et M3 pour constituer le système optique à deux flux (Fig. 3b), mais dans ce cas il faut tenir compte de deux points de mesure'A' et A" voisins l'un de l'autre. Dans ce cas, il est bien entendu indispensable que l'objet 3 se déplace ou ait une température et un pouvoir

émissif uniformes dans une certaine zone.

Au lieu d'employer deux corps noirs servant de radiateurs, 2' et 2", on peut se contenter d'un seul corps noir radiateur 2, en prévoyant un secteur 5 disposé tout contre la partie avant de l'ouverture de ce radiateur 2 et mis en rotation par un moteur MT (Fig. 4); une telle disposition permet de réaliser un système optique identique à celui que l'on vient de décrire. Le corps noir 2 servant de radiateur est porté à la température T2. Par ailleurs, la surface 5-1 du secteur rotatif 5 a été traitée de manière à être

suffisamment noire pour peuvoir absorber toute éner-

gie de rayonnement, ou de manière à constituer approximativement une surface noire et on maintient la température de cette surface noire à une valeur nettement inférieure à la température T1de la surface 3 de l'objet à mesurer et à la température T2 du corps noir 2 servant de radiateur. L'énergie de rayonnement fournie par cette surface peut donc être considérée comme négligeable par rapport à Eb(T1) et Eb(T2). L'ouverture 2-1 du corps noir 2 est recouverte de façon intermittente par le secteur rotatif 5, de manière à fournir deux valeurs différentes d'énergie de rayonnement au radiomètre 1 qui détecte ces valeurs. Si l'on appelle E1 la valeur détectée de l'énergie de rayonnement provenant du radiateur 2 couvert,on obtient l'équation suivante qui remplace l'équation (16): E1 = s(8).Eb(T1) + l{1 - e(6)}.p.Eb(T4) (19) Etant donné que la valeur détectée E2 de l'énergie de rayonnement provenant du radiateur 2 découvert est fournie par l'équation (15), e(8) s'obtient à partir des équations (15) et (19), et l'on a:

E2 -E1

e (e) = 1-

e(1 - p).Eb(T20) b 2..... (20) En reportant l'équation (20) dans l'équation (19), on obtient: E (T Eb(T1) = (0) () e() Eb(T4) (21) Les équations (20) et (21) sont plus simples que les équations (17) et (18). Dans le système optique à deux flux, on obtient les mêmes équations en donnant à T3 une valeur nettement inférieure à T1 et à T2, de sorte que le rayonnement peut être considéré comme négligeable. Les montages représentés sur les Fig. 3 et 4 sont décrits dans la demande de modèle d'utilité

mise à l'Inspection publique no 180784/79. La carac-

téristique de cette invention réside dans le fait que le coefficient de réflexion diffuse p est introduit dans les équations de manière telle que la surface de 1.!objet à mesurer n'a pas besoin d'être une surface à réflexion spéculaire parfaite,

ce qui permet de réaliser pratiquement des mesures.

Les Fig. 5a et 5b représentent une autre

forme de réalisation selon laquelle on mesure simul-

tanément la température de l'objet chauffé dans un four et son pouvoir émissif, au moyen d'un système à deux flux lumineux qui correspond à celui

qui est représenté sur la Fig. 3b.

On décrira ci-après l'effet de l'invention en se reportant à cette forme de réalisation et aux résultats expérimentaux. La Fig. 6 représente, de façon schématique, un montage expérimental à l'air libre sans bruit de fond. Comme représenté sur la Fig. 6, l'échantillon 3 à mesurer, d'un

diamètre de 100 mm, est chauffé sur un four 6.

Le radiomètre 1 et le corps noir 2 servant de radia-

teur sont disposés symétriquement par rapport à la normale N à la surface de l'échantillon, normale avec laquelle ils font chacun un angle O de 560. Le radiateur 2 constitué par ce corps noir est un cylindre creux en graphite dont l'ouverture a un diamètre D de. 50 mu et dont la longueur L est égale à 125 mm; on détecte la température T2 de la paroi

intérieure de ce cylindre à l'aide d'un couple thermo-

électrique 2-2 du type dit "Chromel-Alumel" monté sur la face inférieure. On règle la température détectée T2 à l'aide d'un appareil de réglage de température de manière à la maintenir à 368 C à 10C près. L'angle solide dS vu d'un point de la surface 3-1 à.esurer a pour valeur 0,05r stéradian. En ce qui concerne le radiomètre 1, on fait appel à trois éléments détecteurs différents, indiqués au tableau suivant:

Eléments détecteurs longueur d'onde effec-

tive détectée X(pm) Pbs 2,2 InSb 5,0 Thermistance-bolomètre 8,0 On procède aux opérations expérimentales

suivantes: on commence par mesurer la courbe carac-

téristique de chaque radiomètre 1 qui indique la

relation entre T2 etEb(T2), puis on règle la tempé-

rature à la valeur de 368 C. On chauffe ensuite 20. chacun des échantillons 3 sur le four 6 à l'aide de l'élément chauffant 7 et l'on mesure la température de surface de chacun des échantillons à l'aide d'un couple thermoélectrique du type dit "Chromel-Alumel" (référence 8) que l'on a fixé par soudure par points à la surface 3 de l'échantillon. On porte chaque surface d'échantillon à une température arbitraire T1 comprise entre 200 et 450 C. En vue de déterminer directement le pouvoir émissif ú(8) pour chaque température T1, on place, juste devant l'ouverture 2-1 du corps noir 2 servant de radiateur, un secteur 5'

refroidi par de l'eau et dont on a noirci la surface.

On peut ainsi obtenir, à partir de la valeur E1 alors détectée par le radiomètre 1, la valeur de ú(0): E1 e l) E(T)..... (22) Eb (T) étant connu étant donné que c'est l'énergie de rayonnement fournie par le corps noir servant de radiateur à la température T1 que l'on a mesurée à l'aide du thermocouple 8. La valeur de ú (0) fournie par l'équation (22) représente le pouvoir émissif

vrai de l'échantillon (3).

On peut obtenir l'expression de E1 sous la forme suivante: E1 = (8).Eb(Tj)

... (23) Conformément au principe du procédé selon l'invention, la valeur E2 détectée au moment o l'on retire le secteur noirci 5' refroidi par de l'eau, peut s'exprimer sous la forme: E2 = c(O).Eb(T1) + {1 - ú(0) G}.f.Eb(T2) (24)..DTD: expression qui est identique à l'équation (7).

Des équations (23) et (24), on peut tirer la valeur du pouvoir émissif et la température:

E - E1

s8)ú= 1 f.Eb(T2)..... (25) E Eb(T1e)= ()..... (26) On peut évaluer la précision des mesures effectuées conformément au procédé selon l'invention en comparant l'équation (22) donnant le pouvoir émissif vrai à l'équation (25) fournissant le

pouvoir émissif obtenu par le procédé selon l'invention.

Le tableau 1 groupe les résultats de mesures effectuées sur des échantillons de tôle d'acier laminé à froid, de tôle d'acier inoxydable et de plaques d'aluminium à surface rugueuse, conformément au procédé selon l'invention. Sur ce tableau 1, f est déterminé de telle manière que les valeurs du pouvoir émissif ú(0) calculées à partir des équations (22) et (25) soient égales, chacun des échantillons étant

à une température donnée T1.

Ce tableau

sur chaque vention.

TABLEAU 1

fournit des résultats de mesures effectuées

échantillon conformément au procédé de l'in-

Echantillons À(in) T1 ( C)e(0) f f Af Ae/ AT/T1 e (0) Tôles d'acier 326 0, 316 0,90 laminées à 327 0,443 0,91 froid 2,2 369 0,447 0,94 0,92 +0,03 0, 07 0,007

390 0,495 0,94

410 0,690 0,94

410 0,820 0,89

Tôles d'acier 306 0,261 0,94 inoxydable 327 0,300 0,99 (recuites) 2,2 390 0,305 1,00 0,98 +0,02 0,06 0,006

410 0,356 1,00

390 0,338 0,98

369 0,339 0,98

Plaques d'alu minium gre- 306 0,383),091 naillée 2,2 368 0,424),098 0,098 +0,0090,15 0,015

410 0,440),109

368 0,434),097

Tôle d'acier 221 0,144 0,97 laminée à 275 0,146 0,96 0,97 +0,01 0,07 0, 007 froid 5,0 326 0,151 0,97

368 0,170 0,97

430 0,287 0,98

Tôle d'acier 221 0,155 0,98 inoxydable 326 0,181 0,99 0,99 +0,01 0,06 0, 013 (recuite) 5,0 368 0,178 0,98

430 0,181 0,99

Explication des notations de ce tableau: (pm): longueur d'onde effective détectée

T1(- C): Température indiquée par le couple thermo-

électrique 8 c(O): Pouvoir émissif déterminé directement f: Coefficient de réflexion spéculaire f: Valeur moyenne de f Af: Variation de f Ae/F0) :Erreur relative sur le pouvoir émissif

AT/Ti: Erreur relative sur la température.

Sur le tableau 1, l'erreur sur le pouvoir émissif et sur la température relative sont définies par les équations (25) et (26) et en utilisant la valeur moyenne f de f et la variation Af; l'erreur relative sur la température est évaluée à la température

T1 de 400 C.

De l'équation (25), on tire la valeur de f, soit: Plaque d'alu- 221 0,412 0,14 minium gre- 326 0,423 0,14 aillée 5,0 368 0,438 0,15 0,15 _0,006 0, 250,057

430 0,462 0,15

_326 0,453 0,15

T5le d'acier 296 0,138 0,99 laninée à 326 0,139 0,99 0,99 +0,010,06 0,024 froid 8,0 368 0,147 0,98

431 0,195 0,99

296 0,376 1,00

Tle d'acier 296 0,184 1,01 inrxydable 326 0,176 1,00 1,00 +0,005 0,030, 009 (recuite) 8,0 368 0,164 1,00

431 0,174 1,01

Plaque d'alu- 326 0,451 0,27 minium 368 0,464 0,26 0,26 +0,005 0,020,009 genaillée 8,0 431 0,483 0,26

368 0,464 0,26

326 0,463 0,26

E - E f 1 - {(O)} Eb (T2) (27) La variation de s(8) est définie par As qui correspond à la variation Af. En prenant le logarithme des deux membres del'équation (27) et en différenciant, on obtient: Af _ As f - - 6(0) De l'équation (28) on tire: As 1 Af

cj( E) = { -(/-)- 1}1 -

On voit, tive sur relative émissifo. (28) (29)

d'après l'équation (29), que l'erreur rela-

le pouvoir émissif est fonction de l'erreur sur f et de la propre valeur de ce pouvoir L'erreur relative AT/T1 sur la température peut se tirer de la formule bien connue: AT _.T1 As

T1 C2 *ú (0)

(30) En reportant l'équation (29) dans l'équation (30), on obtient: AT à_'T1 1 Af T1 c2 () f (31)

C2 étant égal à 14,388 pm.K.

On calcule les termes As/s(0) et AT/T1 du tableau 1 en utilisant la relation f = f dans les équations (29) et (31) et en reportant E(0) de

l'équation (22) dans les équations (29) et (30).

On voit, d'après le tableau 1, que le coefficient f

d'un même échantillon tend vers la valeur 1, c'est-

à-dire que la surface de cet échantillon tend vers une surface à réflexion spéculaire, lorsque la longueur d'onde À croit. En outre, la variation Af/f diminue lorsque À croît. Etant donné que le pouvoir émissif et la température déterminés par le procédé selon l'invention dépendent de z(O) et de X en plus de Af/f comme le montrent les équations (29) et (31), la précision des mesures aux grandes longueurs d'onde n'est pas toujours très bonne. D'après le tableau 1, on voit que l'erreur relative sur le pouvoir émissif est minima pour À = 8 microns, tandis que l'erreur

relative sur la température est minima pour À =2,2 microns.

La Fig. 7 est un graphique de résultats expérimentaux indiquant la relation entre le pouvoir émissif ú(0) (équation 22) obtenu directement à l'aide du couple thermoélectrique (en abscisses) et le pouvoir émissif (équation 25) obtenu par le procédé selon l'invention (en ordonnées), pour de nombreux échantillons de tôles d'acier laminées à froid, à

la longueur d'onde de 2,2 microns. Dans cette expé-

rience, on prend comme valeur de f la valeur moyenne f de 0,92. On voit, d'après la Fig. 7, que les deux pouvoirs émissifs prennent des valeurs très voisines, en dépit de grandes variations du pouvoir émissif ainsi que de la formation d'une pellicule d'oxyde à-la surface de la tôle d'acier, sous l'effet. du chauffage. De façon analogue, la Fig. 8 représente la relation entre la température T1(0C) indiquée par le couple thermoélectrique (en abscisses) et la température obtenue par calcul conformément à l'invention. La différence entre ces deux sortes de températures est presque toujours inférieure à 50C dans un sens ou dans l'autre. On comprend aisément, d'après le tableau l et les Fig. 7 et 8, que, pour des plaques d'acier du même type, on peut mesurer simultanément la température et le pouvoir émissif avec une très grande précision pour une valeur constante de f, en dépit de grandes variations

du pouvoir émissif.

Le procédé selon l'invention se révèle particulièrement intéressant par le fait qu'il supprime le bruit de fond en raison de l'utilisation

de la réflexion spéculaire. Le procédé selon l'in-

vention peut donc être considéré comme étant très efficace pour des mesures de températures dans un four. On a construit un simulateur de four et on a mesuré expérimentalement la température dans ce four par le procédé selon l'invention. La Fig. 9 représente de façon schématique l'installation expérimentale. La paroi intérieure 4 de ce simulateur

de four est en plaque d'acier mince et elle est -

en forme de parallélépipède. Toute la

surface de cette paroi intérieure 4 du four est recou-

verte d'une peinture noire pour avoir un pouvoir émissif de 0,95.

Le plafond et la partie comprise entre la paroi - intérieure 4 et la paroi extérieure 4' sont munies chacune d'un élément chauffant 9 dont le rôle est de diriger de l'énergie calorifique par radiation vers la paroi intérieure. On peut régler séparément la température T4 de la paroi intérieure à l'aide de couples thermoélectriques gainés en "ChromelAlumel", encastrés dans la masse d'acier (en trois endroits différents du plafond et des éléments de la paroi latérale) de manière à être répartis uniformément sur toute la surface. Chacune des deux parois latérales du four est percée d'une

SR 1506 JA PV

ouverture 10, de 50 mm de large et de 100 mm de long.

Par l'un de ces trous 10, on introduit le corps noir 2 servant de radiateur, tandis que par l'autre trou 10 on voit, du radiomètre 1, l'intérieur il du four. Par la face inférieure du four, on peut introduire, à l'intérieur de ce dernier, l'échantillon 3 et le four 6 servant à chauffer cet échantillon. On peut chauffer séparément l'échantillon 3 et régler sa température

sur le four 6. De plus, on peut refroidir l'échan-

tillon 3 avec de l'eau de manière à le maintenir à la température normale au lieu de le chauffer par sa face inférieure. Devant l'ouverture 2-1 du corps noir 2 servant de radiateur, on installe un secteur nir:ci 5 refroidi par de l'eau, qui permet, sous l'action du moteur 12, de recouvrir toute la surface

de l'ouverture 2-1 à intervalles réguliers.

Dans un tel simulateur de four, la paroi intérieure 4 du four, lorsque la température T4 de cette paroi intérieure est devenue uniforme sur toute la surface, peut être considérée comme un véritable corps noir à cette température, condition très stricte

dans la thermométrie des rayonnements dans le four.

Etant donné que l'efficacité de ce principe avait déjà été confirmée par les expériences faites à l'air libre, la proportion entre l'énergie de rayonnement émise par la paroi intérieure 4 du four et l'énergie réfléchie par la surface de mesure 3-1 et renvoyée sur le radiomètre 1 dans lequel elle est détectée, c'est-à-dire la proportion de bruit

de fond, est déterminée expérimentalement.

Comme représenté sur la Fig. 10, on règle la température T4 de la paroi intérieure du simulateur de four de manière qu'elle atteigne 3900C. On recouvre

SR 1506 JA PV

la surface 2-1 de l'ouverture du corps noir 2 servant de radiateur, à l'aide du secteur noirci 5 refroidi

par de l'eau, puis, par la face inférieure, on in-

troduit dans le four les divers échantillons 3. Etant donné que la face inférieure de l'échantillon 3 est en permanence refroidie par de l'eau, la température de la surface de l'échantillon demeure, à l'intérieur du four, égale à la température ambiante. Dans de telles conditions, on détecte l'énergie réfléchie Es à l'aide du radiomètre 1. La majeure partie de la valeur détectée Es fournit des renseignements sur la fraction de l'énergie de rayonnement Eb(T4) quittant

la paroi intérieure 4 du four qui parvient au radio-

mètre 1 après avoir été émise par cette paroi inté-

rieure 4 du four à la manière d'un corps noir et réfléchie à la surface 31 à mesurer. On peut ainsi

évaluer la quantité dé bruit de fond.

Le coefficient n de bruit de fond est

défini par la relation -

Es n.Eb (T4)............ (32) n = (1 - ú(o)}. p......... (33) Etant donné que l'on avait préalablement mesuré le pouvoir émissif de l'échantillon 3, on peut calculer le coefficient de réflexion diffuse p

à partir de l'équation (33).

* Dans cette expérience, on donne à 9, la valeur 670, et l'on modifie la distance entre le point mesuré et le secteur noirci 5 refroidi par de l'eau, de manière à faire varier l'angle solide

dQ sous lequel ce secteur est vu du point mesuré.

Le tableau 2 donné ci-après groupe les résultats expérimentaux. Comme échantillons, on a utilisé des tôles d'acier laminées à froid et des tôles d'acier inoxydable dont le pouvoir émissif

varie au fur-et à mesure de l'oxydation de l'échan-

tillon.

TABLEAU 2

Résultats expérimentaux concernant p et dn Echantillons Longueur Angle solid Coefficient Coef. de r- d'ondeef- da (en sté- de réflexion flexion s fective dé- radians) diffuse culaire tectée X (lin) P AP 2,2 0,05 T 0, 061+0,001 df>0,05n 0,15 w 0,04 +0,003 0,92 d'a _0,20 X 0,02 +0,005

Tô1es d'a-

cier la-

ciéer s- 5,0 0,05 w 0,048+0,005 sfroid 0,15 w 0,03 +0,004 0,97 0,20 w 0, 015+_0,003 .', 0,05 w 0,021+0,001

8,0 0,15 0,013+0,001 0,99

0,20 X 0,009+0,001

0,05 X 0,023+0,007

2,2 0,15 7 0,017+0,004 0,98

0,20 w 0,005+0,002 T8ed'ac!er Tles d'acier. 0,05 w 0,008+0,002 ix20(re aites) 5,0 0,15 w 0,004+0,002 0,99 0,20 w 0,002-+0,001 0,05 t 0,003+0,001 8,0 0,15 r 0,0012 1,00

_ _ _ __....0,20 0,0005

En modifiant la distance Z entre le point mesuré de l'échantillon- et la surface 5-1 du secteur, on obtient la valeur de l'angle solide dQ = 2w {lcos (tan D/2Z)} sous lequel est vue la surface du secteur (dont le diamètre a pour valeur D), le coefficient

de bruit de fond n étant déterminé à partir de l'équa-

tion (32).

Ce coefficient n et le pouvoir émissif E(0) de chacun des échantillons permettent de déterminer p

et sa variation Ap à partir de l'équation (33).

La Fig. 11 représente la relation entre le coefficient de réflexion diffuse p (en ordonnées) et

l'angle solide dn (en abscisses). Les courbes A cor-

respondent à des tôles d'acier laminées à froid, tandis que les courbes B correspondent à des tôles d'acier inoxydable. On voit d'après le tableau 2 ou d'après la Fig. 11 que le coefficient p de chaque échantillon tend vers zéro lorsque la longueur d'onde À croit ou encore que l'état de surface de cet échantillon tend vers une surface à réflexion spéculaire. En outre, lorsque l'angle solide dn croît, la partie diffuse de la réflexion rend le coefficient p faible. L'équation (14) donne la relation entre p et f. En fait, la valeur mesurée de f au tableau 1 figure également au tableau 2. On comprend aisément, d'après les tableaux 1 et 2, que la relation entre p et f satisfait à l'équation (14). Le procédé selon l'invention se révèle donc efficace dans le cas d'un four. On décrira maintenant le procédé permettant de déterminer les dimensions de l'ouverture du corps noir servant-de

radiateur.

Aussi bien dans le cas de l'air libre que dans le cas d'un four, le pouvoir émissif est donné par l'équation (20). L'erreur sur les mesures de températures est fournie par l'équation (31), dans le cas d'une installation à l'air libre. Par conséquent, à l'air libre, seule l'équation (29), dans laquelle on peut remplacer la variation de f de l'échantillon

par la variation du pouvoir émissif (0), peut véri-

tablement servir à étudier l'erreur. Dans le cas d'une installation dans un four, il faut tenir compte à la fois des variations du pouvoir émissif sous l'effet des variations de p et de la variation de la température T4 de la paroi intérieure du four. A ce propos, on examinera ci-après la tolérance admissible

sur la valeur de l'angle solide dn.

Si V'on appelle Ta une température apparente mesurée, l'équation (34) suivante est satisfaite dans l'éqution (19): Eb(T) = Eb(T1) + 1-e( p T Eb(Ta) =Eb( 1) () ' p b 4 (34) La gamme de variations de s (0) est prédite expérimentalement et on désigne par s min la valeur minima de s(0) . On reporte ú min dans l'équation (33), ce qui donne: ú = {1-sú ()}. p < (1-S min).p

10.(35)

10........ (35 -

Si, dans l'équation (34), on tient compte de l'équation (35) et de la formule de Wien, à savoir ED(T) = C1. A. exp (-C2/XT), on obtient l'équation e suivante:

C2 C2

exp ( T) = exp (- T)+ TaXT 1 -E min C2 e min P p exp ( X.T) (36) Dans le cas o l'erreur admissible ATa sur la mesure de température est inférieure ou égale à Ta - T1"C (ATa < Ta -T1iC), le membre de gauche de l'équation (36) s'écrit: C2 e _ _ C2 exp(- X.Ta) < exp {(T1+ATa) a a

C2 AT

< exp {A.T (1 - Ta. . (37)

1 1)}....

(avec ATa/T < 1) ai1 Si l'on reporte l'équaton (37) dans l'équation

(36), on obtient, après avoir effectué quelques rema-

niements, la tolérance maxima Pmax sur le coefficient de réflexion diffuse p: C2 Ta pmax =' stmin ____ max _-min {exp () 1} T1 x xp- _,.... (38) x ep { XÀ T1 T 4) Si, dans l'équation (38), on donne des valeurs bien définies à À et à T1 et T4 dans la zone de mesure de températures, on détermine pmax pour l'erreur sur les mesures de températures à Ta /20C près. L'angle solide dn max correspondant à Pmax peut

alors être déterminé à partir de la Fig. 11.

On décrira ci-après des calculs relatifs à des tôles d'acier laminées à froid et à des tôles

d'acier inoxydable.

Le tableau 3 donne la liste des valeurs Pmax et dQmax nécessaires pour limiter AT a à 100C près pour T1 = 7000C, T4 = 6000C, 7000C et 800'C. D'après la Fig. 1i, on voit que p décroît lorsque À croit, et le bruit de fond est diminué en proportion. L'angle dQmax nécessaire pour assurer la même limitation de l'erreur AT a diminue lorsque À décroît comme on le voit nettement d'après le tableau 3. La possibilité de diminuer la valeur d"max est une considération très importante d'un point de vue technique. Dans le cas de tôles d'acier inoxydable, on peut donner

à l'angle solide des valeurs très faibles.

On décrira ci-après un procédé de détermina-

tion de la valeur du coefficient p d'après la rugosité de la surface de l'objet à mesurer; le coefficient p

désigne le degré de réflexion diffuse suivant les.

directions inclinées par rapport à la normale à la surface de l'échantillon. On peut donc considérer qu'il y a une corrélation entre le coefficient p et une inclinaison moyenne a caractéristique de la rugosité de la surface de l'échantillon. La relation entre p et Oa pour dn = 0,2n stéradian, d'après les

résultats du tableau 2 est indiquée sur la Fig. 12.

TABLEAU 3

Valeurs calculées de Pmax et d2max nécessaires pour garantir l'erreur sur les mesures

de températures à 5 C près.

EchanH ns Longueur IPouvoir T.Temp. Tmp. Angle d'onde ef-issif des de la solide fective minium échant. paroi dQ en (À (um) (Emin) du four stéradians

873 0,051 0,1

2,2 0,25 973 973 0,024 0,19

1.073 0,0127 0,22

T8les d'acier 873 0,012 0,21 w laminées 5,0 0,15 973 973 0,005 0,25 à froid 1.073 0,004 0,26 873 0,004 0,25 r 8,0 0,08 973 973 0,0017 0,27 w 1. 073 0,0014 0,28 w

873 0,066 0

2,2 0,30 973 973 0,031 0

Tôles 1,073 0,016 0,15 w d'acier 873 0,0076 0,07 w ( yÉàl%es _5,0 0,15 973 973 0,0054 0,12 w 1,073 0,0046 0,14 w

873 0,0043 0

8,0 0,16 973 973 0,0037 0

1.073 0,0031 0,05 w Dans le cas présent, si on exprime l'angle d'inclinaison OC de la surface rugueuse par le rapport dz/dx, Oa est défini comme indiqué

sur la Fig. 13.

0a = I Oc-Cm dx (39) avec la valeur moyenne em = L Le dx (40) Comme expliqué plus haut de façon détaillée,

si, dans le four, on détermine l'angle solide néces-

saire pour l'état de rugosité de la surface de l'échantillon et si l'on définit les dimensions de l'ouverture du corps noir servant de radiateur ainsi que la distance Z à la surface à mesurer, il devient possible de mesurer la température et le pouvoir émissif avec une précision donnée. Si, dans ce cas, on tient compte de la forme de l'objet à mesurer et des variations de cette forme sous l'effet du transport ou du chauffage, la précison des mesures

se trouve encore renforcée.

L'invention se révèle particulièrement intéressante dans le cas d'un objet pour lequel il est nécessaire de mesurer sa température et son pouvoir émissif, si la surface de cet objet est, dans l'ensemble, rugueuse et présente des caractéristiques de réflexion non spéculaires.En plus de ce qui vient d'être dit, étant donné que l'on peut supprimer en même temps le bruit de fond, il est possible de mesurer très exactement la température de tôles d'acier dans le four dans le cas o le pouvoir émissif varie considérablement au fur et à mesure

de l'oxydation.

Au cours de ces dernières années, des progrès ont été faits dans la construction de fours de recuit en continu. Contrairement aux fours classiques, ces nouveaux fours sont conçus en-vue d'économiser l'énergie, ce qui est devenu indispensable, grâce à une augmentation du rendement thermique. A cette fin, au lieu de faire appel a des gaz réducteurs, on a recours à une installation de chauffage rapide à l'aide d'éléments de chauffage direct. Le four d'une telle installation de chauffage est appelé four non oxydant, ou four NOF. De la sorte, la feuille ou plaque d'acier contenue dans le four continue d'être oxydée par l'atmosphère faiblement oxydante du four au cours de sas déplacements, de telle sorte que

son pouvoir émissif varie considérablement. L'inven-

tion résout parfaitement le problème des bruits de fond et du pouvoir émissif et elle se révèle ainsi

extrêmement intéressante pour les mesures de tempé-

ratures dans les fours non oxydants (fours NOF).

En outre, étant donné que dans un four NOF, une faible quantité d'oxygène ( 2) non brûlé provoque un effet délicat sur la formation d'une pellicule d'oxyde sur la plaque d'acier, la mesure du pouvoir émissif fournit des renseignements utiles sur la pellicule

d'oxyde ou sur l'état d'oxydation.

En outre, et conformément à l'invention, même s'il y a de l'air ou un filtre d'étanchéité en verre sur le trajet optique de l'installation de mesures, on peut effectuer des mesures précises de températures en mesurant leur coefficient de transmission. Si par exemple, dans les équations (15) et (16), les quantités d'énergie E2 et E3 détectées par le radiomètre sont absorbées avec un coefficient de transmission K (-oampris entre 0 et 1),on obtient les équations suivantes qui correspondent respectivement aux équations (15) et (16): E2/K = E(O).Eb(Tl)+{1-Es(e) (ip).Eb(T2)+{1-c(O)}.p.Eb(T 4) (41) E3/K = c(6).Eb(T 1)+{1- (O)}.(l-p) Eb (T3) +{1- ()}p.Eb (T4) (42) A partir des équations (41) et (42), on obtient l'expression suivante du pouvoir émissif c():

(E2-E3)/K

s(8) = _ (l-p){Eb(T2) -Eb(T3)} a (43) Si l'on reporte l'expression de s(8) dans l'équation (42), on obtient: E3/K 1-E () -p) Eb(Tl) = s(e) (8) ( 15. Eb(T3) ú() p. Eb(T4) (44) Si K varie en permanence, l'énergie de rayonnement provenant desdits corps noirs servant de radiateurs ou d'un troisième corps noir de référence ajouté, est directement détectée suivant un trajet optique constant et non pas par la surface de l'objet à mesurer, soit à l'aide du radiomètre, soit à l'aide d'un second radiomètre ajouté. De la sorte, K est déterminé par les variations de la valeur détectée et on le reporte dans les équations (43) et (44), à partir desquelles on peut déterminer avec une grande précision s(O) et la température T1, quelles que soient les variations de la valeur de K. Si l'on choisit convenablement l'emplacement

de l'installation expérimentale, on empêche des va-

riations du coefficient de transmission K sous l'effet de l'absorption de l'énergie de rayonnement par

2477706-

l'atmosphère. A cette fin, on introduit sur le trajet optique un gaz qui est transparent à la longueur d'onde utilisée (par exemple un gaz inerte ou gaz neutre). Cela permet d'avoir un coefficient K stable et connu, même dans l'atmosphère o le coefficient K varie considérablement, ce qui permet d'effectuer

des mesures correctes. Jusqu'à présent, les expli-

cations étaient fournies essentiellement pour un procédé utilisant un ou plusieurs corps noirs servant de radiateurs; mais, selon le principe de l'invention, il n'est pas indispensable d'utiliser un tels corps noir réflecteur et on peut obtenir absolument les mêmes effets avec une surface réfléchissante, comme par exemple la surface d'un miroir plan. On décrira ci-après ce second aspect du procédé et de l'appareil - selon l'invention. Sur la Fig. 14, la référence 10

désigne un objet dont il s'agit de mesurer la tem-

pérature; la référence 12 désigne une surface réflé-

chissante; 14, un secteur rotatif et 16 un radiomètre.

L'objet 10 est, par exemple, une bande d'acier chauffé qui se déplace dans le four. Dans ce cas, la surface

réfléchissante 12 et le secteur rotatif 14 sont -

en dehors de ce four et l'on peut observer l'objet 10 à travers une fenêtre 18. Le radiomètre 16 est, lui aussi, en dehors du four. La surface réfléchissante 12 et le radiomètre 16 sont disposés symétriquement par rapport à la normale N-O à la surface de l'objet,

avec laquelle ils font l'angle 6. La surface réflé-

chissante 12 est une surface plane perpendiculaire à la ligne droite qui relie le point O à cette surface

réfléchissante. On obtient ainsi la trajectoire sui-

vante pour le rayonnement: l'objet 10, qui est à la température T, émet un rayonnement ú (O).Eb (T) presque dans toutes les directions, c(0) désignant le pouvoir émissif dans la direction e. Le rayonnement e(e) Eb(T), émis directement vers le radiomètre 16,

pénètre dans ce dernier et la fraction de ce rayon-

nement dirigé vers la surface réfléchissante 12 est réfléchie par cette dernière et renvoyée comme par un miroir par le point O de la surface de l'objet dans le radiomètre 16. Devant la surface 12 ou sur la face 10 de l'objet on dispose le secteur rotatif 14, ce-secteur étant constitué par des lames 14a qui constituent des surfaces absorbant le rayonnement (Fig. 15a) et qui délimitent un espace vide 14b. Ce secteur 14 tourne sous l'action d'un moteur et, dans sa rotation, il-absorbe le rayonnement émis par l'objet 10 et interrompt le rayonnement provenant de la surface réfléchissante 12 lorsque sa lame 14a

coupe la ligne 12-O. Du fait que la surface réflé-

chissante 12 et le secteur rotatif 14 sont maintenus à une température qui-est suffisamment inférieure à celle de l'objet 10, par exem,;le, en refroidissant l'intérieur avec de l'eau, on peut négliger l'énergie de rayonnement qu'ils émettent. Lorsque lé-secteur 14 absorbe et interrompt l'énergie de rayonnement,

l'énergie de rayonnement qui pénètre dans-le radio-

mètre 16 se limite à l'énergie émise par l'objet 10 lui-même. En d'autres termes, il serait possible que l'énergie de-rayonnement émise par la paroi du four soit réfléchie par la surface de l'objet et pénètre dans le radiomètre 16, mais l'énergie qui pourrait ainsi être réfléchie est interrompue par le secteur 14, ce qui l'empêche de pénétrer dans ce radiomètre. Il s'agit là d'une caractéristique avantageuse de cette thermométrie de rayonnement du type à réflexion spéculaire. Cette propriété de réflexion spéculaire se manifeste d'autant plus que l'angle O est plus grand. Etant donné que l'énergie de rayonnement qui pénètre dans le radiomètre 16 a la valeur indiquée plus haut, la relation suivante est satisfaite: B1 = T.*(e). Eb(T)...... (45) E2 = t. {E().Eb(T) +Ya. '2.s(8) (1- (<)).(1-p).Eb(T)} (46) expressions dans lesquelles les lettres ont les significations suivantes: E1 et E2 désignent les énergies détectées par le radiomètre 16, respectivement dans le cas o le secteur 14 arrête le rayonnement et dans le

cas contraire; T désigne le coefficient de trans-

mission d'un filtre, à savoir, dans le présent exemple, la fenêtre 18 pratiquée dans la paroi du four; ya désigne le coefficient de réflexion effective du miroir 12 et p désigne le coefficient de réflexion

diffuse de la surface de l'objet.

A partir des équations (45) et (46), on tire les relations suivantes: 2= E 1 + a ' T2(1-s(8)) (l-p) E

1 2

() 1 YaTZ (lp) (1 - 1) (47) 1-C(G-l)..... (48) D'après l'équation (45), on a E1 Eb(T) = ()...... (49) On détermine le pouvoir émissif c(O) et la

température T de l'objet à partir des équations (48) et (49).

E2 Dans cette mesure de température, c'est G ou qui 1 1 est réellement mesuré et K, ou z(l est traité Yat (1-p sttrit comme une constante. ya et T sont maintenues constantes par un contrôle strict, p désignant le facteur de réflexion diffuse de l'objet à mesurer; il est désagréable de mesurer chaque fois le pouvoir émissif et la température de l'objet. Pour cette raison, on mesure p à l'avance et on utilise sa valeur pour la mesure ultérieure. De la sorte, en vue de mettre en oeuvre ce procédé de mesure avec peu d'erreurs, il faut que les valeurs mesurées ne diffèrent pas trop fortement des valeurs prévues. Si C est constant, la relation entre le pouvoir émissif c(O) et G devient

linéaire, comme indiqué par la Fig. 16.

Dans le cas o l'objet à mesurer est un article chauffé dans un four, on place un radiomètre 16 et une surface réfléchissante 12 sur une chambre plate ou plaque de base 17 refroidie par de l'eau, comme représenté sur la Fig. 17, et on encastre cette chambre plate refroidie par de l'eau dans la paroi du four de manière qu'elle se trouve en regard de l'article à mesurer. Grâce à une telle disposition, les rayonnements parasites (bruit de fond) provenant de la paroi environnante du four peuvent être arrêtés et, en outre, le rayonnement qui peut provenir de la chambre elle- même peut être négligé, de sorte que le

principe de l'invention peut encore s'appliquer. -

La Fig. 18 représente un ensemble arithmétique permettant de calculer E(8) et Eb(T). Le signal émis par le radiomètre 16 est échantillonné à l'aide d'horloges 41 et +2 synchronisées avec la rotation du secteur 14, de façon à apparaître sous la forme de signaux E1 et E2 qui sont appliqués à un diviseur 22 d'o ressort le signal G ou E2/E1. Un générateur 34 de type classique produit une constante 1 et l'envoie dans un soustracteur 24 qui donne le signal G-1. Le générateur classique 34 fournit également la constante C et l'envoie dans un multiplicateur 26 qui fournit le signal C(G-1). Dans le soustracteur 28, le signal C(G-1) est retranché de la constante 1, ce qui donne i-C(G-l), ce qui représente le pouvoir émissif E(0) de l'objet. En-outre, le générateur classique 34 fournit lecoefficient de transmission T et l'envoie

dans un multiplicateur 30 qui forme le signal r.s(0).

Ce signal T.E(0) est appliqué à un diviseur 32 qui -1 émet le signal Eb(T) ou T.(o). Enfin, la température T de l'objet est déterminée par un

convertisseur 36 qui transforme l'énergie de rayonne-

- ment en températures.

Si l'objet 10 est une bande portée par le four, la surface de l'objet monte et descend ou bascule-de temps à autre, et, dans certains cas, le rayonnement réfléchi spéculairement par la surface de l'objet ne pénètre pas dans le radiomètre. Pour empêcher cela, il faut que la surface réfléchissante, ou miroir, ait une largeur donnée en tant que surface plane ou miroir. On décrira cet exemple en se reportant à la Fig. 19. Lorsque l'objet 10 est incliné de l'angle e, le rayonnement qui est passé par le point O de la surface de l'objet 10, par le centre 12a du miroir 12, puis de nouveau par le point O de l'objet pour se diriger vers le radiomètre 16, est dévié de ce dernier comme indiqué par une ligne en trait interrompu. Au contraire, le rayonnement émis par un point 10a de l'objet 10 pénètre dans le radiomètre 16 comme représenté par une ligne en trait plein munie de flèches. De la sorte, on peut déterminer la largeur du miroir 12 grâce à la relation donnée plus haut. De façon plus précise, du fait que la longueur t et l'angle 4 représentés satisfont aux relations a =.tg 2...... (50) b = 2e sin 24,.(51) cos (G-34,) on peut déterminer les dimensions de la surface réfléchissante pour que la valeur a existe pour

la valeur maxima prévue de 4.

Une surface 12" à réflexion diffuse telle que représentée sur la Fig. 20est également efficace, surtout dans le cas o l'objet à mesurer est très

fortement incliné.

Cela tient au fait que, comme représenté sur la Fig. 20, une telle surface 12" à réflexion diffuse est en mesure de réfléchir dans toutes les directions les rayons incidents provenant d'une direction quelconque, et qu'il existe donc toujours une composante de rayonnement qui se réfléchit au point O de mesure à la surface de l'objet 10 et qui se dirige vers le radiomètre 16, même si la surface de cet objet 10 est fortement inclinée. Par conséquent, une telle surface à réflexion diffuse peut convenir mieux à des conditions selon lesquelles l'objet à mesurer est soumis fâcheusement à des vibrations

et/ou à un basculement.

L'utilisation d'un miroir ou d'une surface réfléchissante de forme concave au lieu d'une surface réfléchissante plane apporte une amélioration sérieuse qui permet de diminuer les dimensions de l'ouverture pratiquée dans la paroi d'un four et par laquelle

passe le rayonnement.

Comme représenté sur la Fig. 21, si l'objet à mesurer est placé dans un four et si l'on installe un miroir concave 12' à l'extérieur de ce four, l'ouverture 18 pratiquée dans la paroi de ce four peut être petite, du fait que les rayons

sont focalisés au point O de la surface de l'objet 10.

La Fig.22 illustre l'utilisation d'un miroir réfléchissant à cavité. Lorsque l'objet 10 bascule de l'angle q, il se produit une réflexion multiple indiquée par des flèches et, par conséquent,

le coefficient effectif de réflexion ya peut varier.

A cet égard, un miroir plan est excellent comme

surface réfléchissante.

Le secteur rotatif 14 peut être un disque rotatif constitué par une surface réfléchissante 14c et une surface absorbante 14a qui absorbe le rayonnement, comme représenté sur la Fig. 15b. Dans ce cas, la surface réfléchissante 14c joue en même temps le rôle de miroir réfléchissant 12. La surface absorbante 14a peut consister en une cavité remplie d'air. Dans certains cas, le radiomètre 16 est du type à balayage et, si l'on utilise un radiomètre de ce type, on place la surface absorbante contre le

miroir réfléchissant 12, de manière que le radio-

mètre 16 puisse balayer tour à tour ce miroir réflé-

chissant et la surface absorbante. Dans ce cas, il n'est pas indispensable d'utiliser un secteur rotatif. Dans la première forme de réalisation de l'invention, le radiomètre et le corps noir servant de radiateur sont disposés symétriquement par rapport à la normale à la surface à mesurer et deux quantités différentes d'énergie de rayonnement sont émises tour à tour par le corps noir servant de radiateur en direction de la surface à mesurer, de manière à assurer la mesure de la température et du pouvoir émissif de l'objet et, dans ce cas, le coefficient de réflexion diffuse p intervient dans le procédé, qui ne s'applique au départ qu'à une surface à réflexion parfaitement spéculaire. Ainsi, l'objet à mesurer est généralisé jusqu'à être du type présentant une surface

réfléchissante qui n'est pas parfaitement spéculaire.

L'invention précise la relation étroite entre le coefficient p et l'état de rugosité de la surface à mesurer et fournit un procédé de mesure reposant sur la relation entre p, la longueur d'onde à détecter et l'angle solide sous lequel on voit le diamètre de l'ouverture pratiquée dans le corps noir servant de radiateur, à partir de la surface à mesurer; en outre, le procédé selon l'invention permet d'effectuer une contre- mesure en fonction de la variation du coefficient de transmission K, ce qui permet d'effectuer des mesures de températures d'un type tout à fait

nouveau.

Avec la seconde forme de réalisation de l'invention, il est possible d'effectuer des mesures

de températures avec un rayonnement à réflexion spé-

culaire, sans avoir à utiliser un four à corps noir.

Une telle mesure de température est avantageuse pour mesurer la température de l'objet placé dans le four, mais il est bien entendu qu'elle peut

être utilisée à d'autres fins.

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Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure de la température de surface et du pouvoir émissif d'un objet (3) à mesurer, procédé selon lequel on dispose un radiomètre (1) et au moins un corps noir (2) servant de radiateur de façon symétrique par rapport à une normale à la surface dudit objet, ledit radiateur émettant deux quantités différentes d'énergies de rayonnement, caractérisé par le fait qu'il consiste à déterminer le pouvoir émissif de l'objet à mesurer à partir des valeurs mesurées détectées par ledit radiomètrè (1), de la température dudit corps noir (2) servant de radiateur et d'un coefficient de réflexion diffuse correspondant audit objet (3), et à mesurer la température correcte

de -l'objet d'après les résultats de cette détermination.

2.. Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé par le fait que le pouvoir émissif de l'objet (3) à mesurer est déterminé, en outre, à partir du coefficient de transmission d'un trajet optique d'une installation de mesure et par le fait que l'on mesure la température

de surface de l'objet (3) à partir de cette déter-

mination.

3. Procédé selon l'une quelconque des

revendications - et 2, caractérisé par le fait que

l'on utilise une surface réfléchissante (12) au lieu dudit corps noir (2) servant de radiateur et que l'on dispose ledit radiomètre (16) et ladite

surface réfléchissante, de manière que le rayonne-

ment réfléchi par ladite surface réfléchissante, soit réfléchi de façon parfaitement spéculaire par ladite surface de l'objet (10) pour pénétrer dans ledit radiomètre (16) ou soit interrompu, ce qui permet de

mesurer l'énergie de rayonnement respectivement lors-

qu'elle est réfléchie et lorsqu'elle est interrompue,

41 2477706

et de déterminer le pouvoir émissif dudit objet (10) à partir de la valeur mesurée, ce procédé consistant en outre à mesurer la température correcte de la surface dudit objet (10) à partir de la détermination précédente.

4. Procédé selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que

l'on détermine le coefficient de réflexion diffuse (p) à partir de l'information sur l'état de rugosité de surface de l'objet (3) à mesurer en vue de déterminer le pouvoir émissif de cet objet et que l'on mesure ensuite la température de surface de l'objet à partir des résultats fournis par cette détermination du coefficient de réflexion diffuse;

5. Appareil permettant d'effectuer des mesures correctes sur un objet (3), cet appareil étant caractérisé par le fait qu'il comprend: au moins un corps noir (2 ou 2', 2") servant de radiateur, capable d'émettre deux quantités différentes d'énergie de rayonnement sur la surface de l'objet (3) à mesurer, un radiomètre (1) installé par rapport audit corps noir (2 ou 2', 2") servant de radiateur et par rapport audit objet (3), de manière telle que lesdites deux quantités différentes d'énergie de rayonnement émises par ce corps noir radiateur (2 ou 2', 2") soient réfléchies de façon spéculaire et détectées par ledit radiomètre (1); un dispositif de commutation disposé sur le trajet de l'énergie de rayonnement entre ledit corps noir servant de radiateur et ledit radiomètre (1), ce dispositif étant en mesure de faire passer sélectivement l'une ou l'autre desdites deux quantités différentes d'énergie de rayonnement et un ensemble arithmétique servant à calculer le pouvoir émissif et la température dudit objet (3) d'après les valeurs détectées fournies par ledit radiomètre (1),. la température dudit corps noir servant de radiateur et le coefficient de

réflexion diffuse (p) correspondant audit objet.

6. Appareil permettant d'effectuer une mesure correcte d'un objet, caractérisé par le fait qu'il comprend:

un corps noir (2) servant de radiateur servant -

à émettre une quantité déterminée d'énergie de rayon-

nement sur la surface de l'objet (3) à mesurer; un radiomètre (1) disposé de manière à recevoir et à détecter de l'énergie de rayonnement provenant dudit

corps noir (2) servant de radiateur, par l'intermé-

diaire de la surface de l'objet (3) à mesurer sur laquelle l'énergie de rayonnement se réfléchit un secteur rotatif (5) dont une partie sert à interrompre le rayonnement émis par ledit corps noir (2) en direction dudit radiomètre (1) et une autre sert à laisser passer ledit rayonnement en direction de ladite surface de l'objet à mesurer; et un ensemble arithmétique servant à calculer le pouvoir émissif et la température de l'objet à mesurer à partir desdites valeurs détectées par ce radiomètre (1), de la température dudit corps noir (2) servant de radiateur et du coefficient de réflexion diffuse (p)

correspondant audit objet à mesurer.

7. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que

ledit ensemble arithmétique calcule le pouvoir émissif, et la température de l'objet (3) à partir des

valeurs détectées par ledit radiomètre (1), de la tem-

pérature dudit corps noir (2) servant de radiateur, du coefficient de réflexion diffuse (p) correspondant audit objet (3) à mesurer et d'un coefficient de transmission d'un trajet optique de l'installation

de mesure.

8. Appareil permettant d'effectuer une mesure correcte d'un objet, caractérisé par le fait qu'il comprend:

une surface réfléchissante (12); un radio-

mètre (16) dans lequel un rayonnement réfléchi prove- nant de ladite surface réfléchissante (12) est réfléchi spéculairement par la surface de l'objet à mesurer; un secteur rotatif (14) situé du côté -- de ladite surface réfléchissante (12), o se trouve l'objet (10), ce secteur rotatif (14) étant constitué par une partie qui sert à interrompre le rayonnement émis par la surface dudit objet (10) en direction de ladite surface réfléchissante (12) et une autre partie qui laisse passer ledit rayonnement et laisse passer de nouveau le rayonnement réfléchi provenant de ladite surface réfléchissante (12) en direction de la surface de l'objet (10); et un ensemble arithmétique servant au calcul du pouvoir émissif et de la température dudit objet à partir des signaux fournis par ledit

radiomètre (16).

9. Appareil selon la revendication 8, carac-

térisé par le fait que ladite surface réfléchissante (12)

présente une face plane.

10. Appareil selon la revendication 8,

caractérisé par le fait que ladite surface réfléchis-

sante (12), présente une face concave.

11. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ladite surface réfléchissante

présente une face à réflexion diffuse.

12. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit objet (10) à mesurer est un objet chauffé dans un four et par le fait que ledit radiomètre (16) et ladite surface réfléchissante (12

se trouvent en dehors de ce four.

13. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit objet (10)) à mesurer est un objet chauffé dans un four, par le fait

que ledit radiomètre (16) et ladite surface réflé-

chissante (12) sont appliqués sur une plaque de base (17) refroidie par de l'eau et par le fait que cette plaque de base (17) est encastrée dans ledit

four et située en regard dudit objet (10) à mesurer.