FR3000201A1 - Mesure optique d'une temperature d'un objet, et cartographie associee - Google Patents

Abstract

L'objet de la présente invention concerne un procédé de mesure optique d'une variation de température d'un objet (O) comportant : une étape d'émission (S1) consistant à émettre en direction dudit objet (O) une première onde électromagnétique incidente (W1_inc) du type Téra hertz, et une étape de mesure (S2) comprenant la mesure (S2_3) à l'aide d'un capteur sensible au rayonnement Téra hertz(20) d'une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique d'une seconde onde électromagnétique (W2_réf, W2_tra) pour déterminer la variation de température dudit objet (O).

Description

MESURE OPTIQUE D'UNE TE1VIPERATURE D'UN OBJET, ET CARTOGRAPHIE ASSOCIEE DOMAINE TECHNIQUE L'objet de la présente invention a trait au domaine des mesures de températures non invasives. Plus précisément, l'objet de la présente invention porte sur la mesure optique des variations de température d'un objet. Un des objectifs de la présente invention est de permettre une telle mesure en utilisant des méthodes optiques de type photo-réflectivité ou de photo-transmitivité. Un autre objectif de la présente invention est de permettre la construction d'une cartographie en 2 dimensions et/ou d'une tomographie en 3 dimensions des variations de champs de température d'un tel objet. La présente invention est particulièrement avantageuse pour permettre la détermination des variations de température d'un objet positionné à l'intérieur d'une enceinte telle que par exemple une enceinte constituée dans un matériau présentant des propriétés de transparence (ou semi-transparence) optique à la longueur d'onde d'un faisceau d'onde incidente. La présente invention trouve ainsi de nombreuses applications avantageuses telles que par exemple : dans la détection de départ de feu pour les infrastructures industrielles sensibles telles que par exemple les centrales nucléaires, dans la maintenance des éléments chauffants par exemple dans le domaine de l'aéronautique ou l'automobile, ou encore dans la détection de personnes par exemple pour des applications dans le domaine de la sécurité.

Bien évidemment, d'autres applications industrielles avantageuses peuvent être envisagées dans le cadre de la présente invention. ETAT DE LA TECHNIQUE La mesure des champs de température d'un volume (objet) dans une enceinte se fait généralement selon deux approches.

La première approche, qui est invasive et ponctuelle, consiste à positionner un capteur de température tel qu'un thermocouple à l'intérieur de l'objet lui-même. La deuxième approche utilise une technologie de thermographie infrarouge qui permet de mesurer à distance les champs de température en surface de l'objet. Pour pouvoir ensuite réaliser des mesures en volume, il est nécessaire de coupler les mesures réalisées à des méthodes de traitement thermique basées sur du calcul inverse. De tels calculs, qui sont complexes, permettent d'estimer la source de chaleur et/ou le champ de température à l'intérieur du volume.

Ces deux approches présentent toutefois de nombreux inconvénients tant en termes de complexité de calcul et de coût qu'en termes de précisions. En effet, la diffusion thermique dans le volume lui-même est à l'origine d'une perte d'information spatiale non-négligeable. De même, ces mesures nécessitent un temps de détection important en surface pour les matériaux isolants.

L'état de la technique n'offre pas de solution simple et efficace permettant d'obtenir en temps réel et de façon non-invasive et non-destructive une estimation précise des variations de températures d'un objet, et notamment un objet positionné dans une enceinte. OBJET ET RESUME DE LA PRE SENTE INVENTION La présente invention vise à améliorer la situation décrite ci-dessus. Ainsi, la présente invention vise à permettre de réaliser des mesures non-invasives en temps réel, pour pouvoir caractériser les variations transitoires de températures d'un ou plusieurs objets, notamment des objets positionnés dans une enceinte telle que par exemple une enceinte transparente (ou semi-transparente) à une fréquence et constituée dans un matériau isolant (thermiquement). La présente invention vise également l'exploitation de ces mesures en permettant la cartographie ou la tomographie de ces variations avec une résolution spatiale améliorée par rapport à l'état de la technique. Ainsi, l'objet de la présente invention porte sur un procédé de mesure optique de température d'un objet. Selon la présente invention, le procédé comporte une étape d'émission qui consiste notamment à émettre en direction de l'objet une première onde électromagnétique incidente. Avantageusement, cette première onde présente une fréquence d'émission déterminée qui est de type Téra-hertz. De préférence, cette fréquence d'émission déterminée est comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz ; une telle fréquence d'émission correspond à une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre environ de l'ordre de 20 um à 3 mm. Dans un mode de réalisation avantageux, l'objet est positionné dans une enceinte. On comprend que l'enceinte est transparente ou semi-transparente à une telle fréquence d'émission. En d'autres termes, l'enceinte laisse passer au moins partiellement une portion de la première onde électromagnétique. L'enceinte est donc constituée dans un matériau transparent ou semi-transparent à l'onde incidente. Optionnellement, l'enceinte est constituée dans un matériau isolant thermiquement Avantageusement, le procédé de mesure comporte une étape de mesure qui comprend notamment la mesure, à l'aide d'un capteur, d'une d'amplitude du rayonnement électromagnétique d'une seconde onde électromagnétique. De préférence, le capteur est sensible au rayonnement Téra hertz. Cette mesure permet ainsi de déterminer une ou plusieurs variations de température de l'objet. Cette deuxième onde peut être une onde réfléchie ou une onde transmise par l'objet. On comprend ici que, en fonction des propriétés optiques de l'objet, la deuxième onde est une onde réfléchie ou une onde transmise. Ainsi, grâce à la succession de ces étapes techniques, caractéristiques de la présente invention, le procédé permet de quantifier les variations de température d'un objet tel que par exemple un objet positionné à l'intérieur d'une enceinte transparente (ou semi-transparente) au rayonnement d'une onde électromagnétique. Ceci est rendu possible en utilisant conjointement : - d'une part, le rayonnement Téra hertz d'une onde incidente ; le rayonnement Téra hertz a notamment la propriété de traverser des milieux opaques et isolants (ou non) pour en mesurer les caractéristiques optiques, mécaniques et/ou physique, et - d'autre part, la sensibilité du rayonnement Téra hertz à la température d'un matériau, et notamment aux variations de température d'un matériau. Dans un mode de réalisation avantageux, on mesure lors de l'étape de mesure une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique, ceci afin de déterminer une variation de température. Avantageusement, l'étape de mesure selon la présente invention comprend une modulation de la première et/ou de la deuxième onde à une fréquence de modulation déterminée, cette fréquence de modulation étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz. Cette modulation qui intervient sur la première onde avant le rayonnement de l'objet, ou sur la deuxième onde après réflexion ou transmission, permet d'améliorer la précision de la mesure réalisée. Avantageusement, l'étape de mesure selon la présente invention comprend une détection synchrone de la deuxième onde. Cette détection synchrone permet ainsi d'accroître la précision de la mesure en supprimant en tout ou partie le bruit (minimisation du rapport signal sur bruit), ceci par amplification d'amplitude et déphasage. Dans un mode de réalisation avantageux, lors de l'étape de mesure, le capteur est déplacé de façon matricielle par rapport à l'objet, ou inversement. Ce déplacement relatif du capteur par rapport à l'objet permet l'acquisition de mesures pour permettre ensuite la construction d'une cartographie en 2 dimensions du champ de variation de température de l'objet. Dans un autre mode de réalisation qui peut éventuellement être combiné avec le précédent mode ci-dessus, le capteur est déplacé, lors de l'étape de mesure, sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet. Ce déplacement relatif du capteur par rapport à l'objet permet l'acquisition de 20 mesures pour permettre ensuite une tomographie en 3 dimensions du champ de variation de température de l'objet. Avantageusement, le procédé de mesure comporte une étape de construction d'une cartographie du champ de variation de température d'un objet à partir des variations de température mesurées lors de l'étape de mesure. 25 Cette étape de construction vise donc à exploiter les résultats de la mesure optique décrite ci-dessus. Dans une variante avantageuse, lors de l'étape de mesure, le capteur est déplacé sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet. Dans cette variante, l'étape de construction utilise les transformées de Radon pour une construction 30 de la tomographie en 3 dimensions. Corrélativement, l'objet selon la présente invention concerne également un système de mesure optique de température d'un objet qui est configuré pour mettre en oeuvre les étapes du procédé de mesure optique tel que décrit ci-dessus.

Plus précisément, le système de mesure optique comporte avantageusement : - un module d'émission qui est configuré pour émettre en direction de l'objet une première onde électromagnétique incidente présentant une fréquence d'émission déterminée du type Téra hertz (de préférence comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz), et - un capteur configuré pour mesurer une amplitude du rayonnement électromagnétique d'une deuxième onde électromagnétique pour déterminer une variation de température dudit objet, cette dite deuxième onde étant une onde réfléchie ou transmise par ledit objet en fonction de ses propriétés optiques. De préférence, le capteur utilisé est sensible au rayonnement Téra hertz. Dans une première variante, le capteur est configuré pour permettre une modulation de l'onde réfléchie ou transmise à une fréquence déterminée, cette fréquence étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques Hertz à quelques Méga hertz.

Dans une deuxième variante qui éventuellement peut être combinée avec la première variante ci-dessus, le module d'émission est configuré pour permettre une modulation de la première onde incidente à une fréquence déterminée, cette fréquence étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz. Avantageusement, le capteur est configuré pour permettre une détection 20 synchrone de la deuxième onde. Dans un mode de réalisation avantageux, le système de mesure optique selon la présente invention comporte un premier moyen de déplacement configuré pour déplacer le capteur de manière matricielle par rapport audit objet, ou inversement. Dans un autre mode de réalisation qui peut être combiné avec le précédent mode 25 ci-dessus, le système de mesure optique selon la présente invention comporte un deuxième moyen de déplacement qui est configuré pour déplacer le capteur sur un même plan à différentes positions angulaires autour dudit objet. Avantageusement, le système de mesure optique selon la présente invention comporte des moyens informatiques configurés pour construire une cartographie en 2 30 dimensions ou une tomographie en 3 dimensions du champ de variation de température d'un objet à partir des variations de température mesurées. Dans un mode de réalisation avantageux, les moyens informatiques utilisent les transformées de Radon pour la construction d'une tomographie en 3 dimensions.

Ainsi, l'objet de la présente invention, par ses différents aspects fonctionnels et structurels, permet une mesure optique précise des champs de variations de températures d'un objet. La présente invention permet également une exploitation de ces mesures en améliorant la précision spatiale de la cartographie de ces champs transitoires et en favorisant le calcul de cette cartographie. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES ANNEXEES D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-dessous, en référence aux figures 1 à 5 annexées qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquelles : - la figure 1 représente un organigramme représentant les différentes étapes du procédé de mesure selon un exemple de réalisation avantageux ; - la figure 2 représente de façon schématique un système de mesure selon un exemple de réalisation avantageux ; - les figures 3a et 3b portent sur deux graphiques illustrant les mesures de température d'un objet réalisées respectivement avec un système de mesure conforme à la figure 2 et un thermocouple classique ; - les figures 4a et 4b représentent respectivement l'évolution au cours du temps de la température d'un objet selon différentes positions et une image représentant les champs de variations de températures obtenue à un instant donné ; et - la figure 5 représente de façon schématique une image représentant le champ de température d'un objet dans un plan perpendiculaire. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION AVANTAGEUX Un procédé de mesure optique conforme à un exemple de réalisation ainsi que le système 100 associé vont maintenant être décrits dans ce qui suit en faisant référence conjointement aux figures 1 à 5. Permettre une mesure non-invasive de la température d'un objet 0 positionné à l'intérieur d'une enceinte E pour construire une cartographie ou une tomographie C des champs de variations de températures dudit objet 0 est un des objectifs de la présente invention.

A cet effet, dans l'exemple décrit ici et comme illustré en figure 2, on dispose un objet 0 dans une enceinte E constituée dans un matériau isolant thermiquement. Dans l'exemple décrit ici, le système de mesure optique 100 comporte un module d'émission 10 qui émet, lors d'une étape d'émission 51, une première onde électromagnétique incidente W1 inc. Le module d'émission 10 est configuré ici de telle façon que cette première onde W1 inc présente une fréquence d'émission comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz. On parle donc ici d'une fréquence de l'ordre du Téra hertz.

Dans l'exemple décrit ici, le système 100 comporte un élément directionnel 40 tel qu'un miroir parabolique 40 qui est arrangé de manière à orienter la première onde électromagnétique incidente W1 inc en direction de l'objet 0 de sorte que cette onde W1 inc « éclaire » ledit objet O. L'homme du métier comprend ici que l'enceinte E dans laquelle l'objet 0 est positionné est une enceinte semi-transparente, voire transparente, aux ondes présentant une telle fréquence d'émission. Comme illustré en figure 2, la première onde W1 inc vient donc éclairer l'objet O. Ensuite, deux types de configurations optiques peuvent être envisagés dans le cadre de la présente invention : une mesure en réflexion ou une mesure en transmission.

En effet, les propriétés optiques intrinsèques de l'objet 0 font que cette première onde W1 inc est réfléchie et/ou est transmise selon une deuxième onde électromagnétique notée ici W2 réf (pour les ondes réfléchies) ou W2 tra (pour les ondes transmises). Selon les propriétés optiques de l'objet, les mesures seront donc sensibles en transmission ou en réflexion. Les deux configurations sont illustrées ici sur la figure 2. Comme illustré sur cette figure 2, dans l'exemple décrit ici, la deuxième onde W2 réf est renvoyée vers un capteur 20 par l'intermédiaire d'un élément séparateur 50 du type « beam splitter », ceci pour séparer la deuxième onde W2 réf de la première onde W1 inc, et pour réorienter cette deuxième onde W2 réf vers le capteur 20. De la même manière, dans le cas où l'onde est transmise, la deuxième onde W2 tra est réorientée par l'intermédiaire d'un élément directionnel 40 tel qu'un miroir parabolique 40. Cette deuxième onde W2 réf ou W2 tra est donc captée par un capteur 20 du système 100, ce capteur 20 étant sensible au rayonnement Téra Hertz. Dans l'exemple décrit ici, différents traitements sont prévus sur cette onde W2 réf ou W2 tra par le capteur 20 pour permettre d'améliorer la précision spatiale des informations qui vont être extraites de ces ondes.

Ainsi, dans l'exemple décrit ici, cette deuxième onde W2 réf ou W2 tra est modulée lors d'une étape de modulation S21 à une fréquence de modulation comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz. Ensuite, cette deuxième onde W2 réf ou W2 tra subit une détection synchrone S2_2. Ces différents étapes sont mises en oeuvre par le capteur 20 qui est spécialement adapté à cet effet (les moyens de traitement du capteur n'étant pas représentés ici). Comme évoqué ci-dessus, le capteur 20 est sensible au rayonnement Téra hertz. Ainsi, il est possible en mesurant une variation d'amplitude du rayonnement 10 électromagnétique de la deuxième onde électromagnétique W2 réf ou W2 tra de déterminer une variation de température de l'objet O. Ceci résulte des propriétés du rayonnement Téra hertz qui est sensible aux variations de température des matériaux. Sur le plan expérimental, des mesures selon le procédé décrit ci-dessus ont été 15 réalisés sur une portion d'une plaque de silicium (objet 0) positionnée dans une enceinte E isolante. Dans le cadre de l'expérience, cette portion 0 est chauffée au niveau de ses extrémités par un élément chauffant EH du type élément Peltier. Les résultats de ces mesures sont représentés en figure 3a. 20 Dans cette expérience, l'autre portion de la plaque n'est pas positionnée dans l'enceinte E et est à l'air libre. Des mesures similaires ont été réalisées sur cette autre portion avec une caméra infrarouge et un thermocouple. Les résultats de ces mesures sont représentés en figure 3b. Les mesures obtenues pour l'une et l'autre portion sont identiques (il existe une 25 relation linéaire entre les mesures): Cette expérience valide le protocole de mesure et met en évidence la corrélation entre la mesure des variations d'amplitude d'une onde Téra hertz provenant d'un objet et les variations de températures de cet objet. Permettre l'exploitation des mesures de variations de températures d'un objet 0 pour construire une cartographie ou une tomographie des champs de variations de 30 températures dudit objet 0 est également un des objectifs de la présente invention. Ainsi, le système 100 comporte un premier moyen de déplacement (non représenté ici) qui permet de déplacer le capteur 20 de manière matricielle par rapport audit objet 0 pour obtenir plusieurs mesures « surfaciques » de la températures de l'objet O. De telles mesures sont représentées par exemple sur la figure 4a qui illustre l'évolution dans le temps de la température d'un objet 0 tel qu'une plaque de silicium chauffée à ses extrémités par un élément chauffant EH, de telles mesures étant réalisées pour différentes positions matricielles de l'objet O. Grâce à de telles mesures, il est ainsi possible d'obtenir une image C telle que la cartographie 2D représentée en figure 4b. Il est également possible de réaliser une tomographie 3D représentant notamment les champs de variations de température à l'intérieur d'un objet (c'est-à-dire celles relatives à un plan de coupe transversale de l'objet). Le système de mesure optique 100 comporte à cet effet un deuxième moyen de déplacement (non représenté ici). Ce deuxième moyen de déplacement permet de déplacer le capteur 20 sur un même plan à différentes positions angulaires autour l'objet O. Le capteur 20 peut ainsi donc récupérer différentes mesures de variations de températures autour de l'objet O. Pour déterminer le champ de variations de températures pour chaque coupe transversale de l'objet 0, le système 100 comporte des moyens informatiques tels qu'un calculateur utilisant, lors d'une étape de reconstruction S3, les transformées de Radon. La figure 4 représente une image C résultant d'un tel traitement informatique pour un exemple de réalisation avantageux. Il est ensuite possible de reconstruire une tomographie complète en 3D du champ de variations de température de l'objet 0 par des méthodes de traitement d'images classiques pour les reconstructions en 3D. La présente invention permet donc d'obtenir de façon non-invasive et non-destructive les mesures des champs de variations de températures d'un objet tel que par exemple un objet placé dans une enceinte semi-transparente à une fréquence d'émission déterminée.

La présente invention permet ensuite d'exploiter ces mesures en construisant une cartographie ou une tomographie précise des champs de variations de températures de cet objet.

Ainsi, la présente invention permet d'assurer le contrôle et la maintenance de la stabilité en températures d'infrastructures industrielles sensibles. Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu'en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l'objet de l'invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d'ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure optique de température d'un objet (0) comportant : - une étape d'émission (Si) consistant à émettre en direction dudit objet (0) une première onde électromagnétique incidente (W1 inc) présentant une fréquence d'émission déterminée, et - une étape de mesure (S2) comprenant la mesure (S2 3) à l'aide d'un capteur (20) d'une amplitude du rayonnement électromagnétique d'une seconde onde électromagnétique (W2 réf, W2 tra) pour déterminer une température dudit objet (0), cette dite deuxième onde (W2 réf, W2 tra) étant une onde réfléchie (W2 réf) ou transmise (W2 tra) par ledit objet (0) en fonction de ses propriétés optiques, procédé de mesure dans lequel ladite fréquence d'émission déterminée est de type Téra hertz, et ledit capteur (20) est sensible au rayonnement Téra Hertz.
2. 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de l'étape de mesure (S2), une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique de l'objet (0) est mesurée pour déterminer une variation de température dudit objet (0).
3. 3. Procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'objet (0) est positionné à l'intérieur d'une enceinte (E) transparente ou semi-transparente à ladite fréquence d'émission déterminée.
4. 4. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de mesure (S2) comprend une modulation (S2 1) à une fréquence de modulation déterminée de la première (W1 inc) ou de la deuxième (W2 réf, W2 tra) onde, cette fréquence de modulation déterminée étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz.
5. 5. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de mesure (S2) comprend une détection synchrone (S22) de la deuxième onde (W2 réf, W2 tra).
6. 6. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite fréquence d'émission déterminée est comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz.
7. 7. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape de mesure (S2), le capteur (20) est déplacé de façon matricielle par rapport à l'objet (0), ou inversement.
8. 8. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape de mesure (S2), le capteur (20) est déplacé sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet (0).
9. 9. Procédé de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de construction (S3) consistant notamment à reconstruire une cartographie ou une tomographie (C) du champ de variation de température d'un objet (0), à partir des variations de températures mesurées lors de l'étape de mesure (S2).
10. 10. Procédé de mesure selon la revendication 9, le capteur (20) étant déplacé lors de l'étape de mesure (S2) sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet (0), caractérisé en ce que l'étape de construction (S3) utilise les transformées de Radon pour une construction de la tomographie (C) en 3 dimensions.
11. 11. Système de mesure optique (100) de température d'un objet (0) comportant : - un module d'émission (10) configuré pour émettre en direction dudit objet (0) une première onde électromagnétique incidente (W1 inc) présentant une fréquence d'émission déterminée, cette dite fréquence d'émission déterminée étant de type Téra hertz, et - un capteur (20) configuré pour mesurer une amplitude du rayonnement électromagnétique d'une deuxième onde électromagnétique (W2 réf, W2 tra) pour déterminer une variation de température dudit objet (0), cette dite deuxième onde (W2 réf, W2 tra) étant une onde réfléchie (W2 réf) ou transmise (W2 réf) par ledit objet (0) en fonction de ses propriétés optiques, et ledit capteur (20) étant sensible au rayonnement Téra hertz.
12. 12. Système de mesure selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens configurés pour la mise en oeuvre des étapes du procédé de mesure selon l'une quelconques des revendications 2 à 10.5