WO1998005943A1 - Dispositif de mesure des proprietes radiatives de produits metalliques, et procede de mise en oeuvre de ce dispositif - Google Patents

Dispositif de mesure des proprietes radiatives de produits metalliques, et procede de mise en oeuvre de ce dispositif Download PDF

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WO1998005943A1
WO1998005943A1 PCT/FR1997/001327 FR9701327W WO9805943A1 WO 1998005943 A1 WO1998005943 A1 WO 1998005943A1 FR 9701327 W FR9701327 W FR 9701327W WO 9805943 A1 WO9805943 A1 WO 9805943A1
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WO
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sphere
product
detector
window
radiation
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PCT/FR1997/001327
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Inventor
Pierre-Jean Krauth
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Sollac
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/20—Metals

Definitions

  • the present invention relates to the measurement of the radiative properties of metallic products, in particular of sheet metal, and is more particularly intended for the online measurement of these radiative properties, when these products are in movement.
  • the radiative properties of sheets or similar products can vary greatly depending on many parameters, such as the wavelength of the radiations considered, the direction of these radiations, and the state of the surface of the product (morphology, roughness, pollution of surface in particular).
  • the radiative properties of the sheet after various treatments such as cold rolling, pickling, etc., are very variable depending on the length of the sheet, for example due to cooling irregularities due to stagnation of water in contact with the sheet. It is admitted on the other hand that the variations of these properties in the direction of the width of the sheet are not sensitive nor determining.
  • the measurements of radiative properties are in practice carried out in the laboratory.
  • various devices used to carry out reflectivity measurements in the fields of short wavelengths and low temperatures such as hemispherical, ellipsoidal or parabolic mirror systems, or systems with an integral sphere.
  • the basic principle of these devices consists in subjecting the surface of the sample to a flux of radiative energy and in measuring the reflected energy, the reflecting and curved surface of the mirror or mirrors used serving either to create a diffuse incident flux, generally hemispherical and as isotropic as possible, obtained thanks to the multiple reflections of incident radiation on the surface of the mirror, either to concentrate the more or less diffuse reflected flux on a detector, or even the two effects simultaneously.
  • Integral sphere systems allow either to collect on a detector the hemispherical flux reflected by a sample, or more frequently to illuminate a sample with a diffuse and isotropic hemispherical flux. In the latter case, the sample placed inside the sphere, generally at its center, is subjected to a diffuse incident flux obtained thanks to infrared radiation which undergoes multiple reflections on the internal reflecting surface of the sphere.
  • the present invention aims to solve the problems indicated above and aims in particular to allow the measurement of the radiative properties of metallic products, such as sheets, directly in industrial plants for manufacturing or processing these products, and in particularly on the production lines during the continuous scrolling of such products.
  • the invention also aims to allow these measurements on products at relatively low temperature which, therefore, do not have a clean radiative emission sufficient to be directly measured by measuring devices usable under industrial conditions.
  • the subject of the invention is a device for measuring the radiative properties of metal products, in particular sheet metal, comprising a first integrating sphere comprising a spherical envelope having a wall having a reflective interior surface, an infrared source arranged so as to emit incident infrared radiation which diffuses by reflection on said interior surface, and a radiation measurement detector infrared, this device being characterized in that:
  • an irradiation window in front of which the product to be inspected can pass at a distance, is provided in the wall of the spherical envelope,
  • the said measurement detector is located in a position which is not diametrically opposite to the said irradiation window and has an aiming direction passing through the said irradiation window and obtained by focusing optics allowing directional measurement.
  • the device according to the invention makes it possible to irradiate the product by a diffuse and isotropic energy flow, generated inside the sphere from the infrared source, and which reaches the surface of the product via the said window.
  • the detector with a narrow field of vision and directed towards this window, captures the flux reflected by the product located at a distance in front of this window outside the sphere, thus making it possible to measure the reflectivity of the latter and therefore to deduce therefrom its absorbency and emissivity.
  • the device comprises a control detector having a second viewing direction transverse to the incident direction of the incident infrared radiation and to said first viewing direction.
  • This control detector consisting for example of an infrared sensor placed on the wall of the sphere, targets a portion of the internal wall of the sphere located at a distance from the zones liable to be subjected to direct irradiation both by radiation. incident only by the reflected radiation, ie a zone representative of the isotropic diffuse flux generated inside the sphere.
  • the incident infrared radiation has a general incident direction transverse to the direction of sight, that is to say that the radiation coming from the infrared source does not is not directed neither towards the irradiation window nor towards the detector.
  • various infrared sources can be used, such as for example an infrared or halogen lamp or a platinum filament which can either be placed directly on the wall of the sphere and possibly penetrate slightly at inside the latter, or placed outside the sphere, the radiation then penetrating therein through a second window formed in the wall of the sphere at a distance, for example at 90 °, from the irradiation window.
  • a second integrating sphere provided with an infrared radiation generator and a radiation exit window disposed opposite a radiation entry window formed in the wall of the first integrating sphere.
  • the radiation penetrating into the first integrating sphere is already as homogeneous and isotropic as possible as soon as it enters the said first sphere.
  • At least one reflective screen is placed in the integrating sphere so as to prevent the incident infrared radiation from reaching directly on the irradiation window and / or on the detectors.
  • the incident infrared radiation can be modulated, for example by a modulator placed on its path between the infrared source and the integrating sphere, so as to periodically cancel the flux irradiating the product.
  • a modulator placed on its path between the infrared source and the integrating sphere, so as to periodically cancel the flux irradiating the product.
  • an interference filter can be placed within the focusing optics in front of the measurement detector, so as to measure the radiative energy of the product only within a predetermined range of wavelengths.
  • the invention also relates to a method for measuring the radiative properties of a metallic product, characterized in that the device according to the invention is placed close to said product but without contact with it, the irradiation window being placed remotely facing the surface of the product so as to irradiate the surface area located in front of said irradiation window by infrared radiation leaving the sphere through said window, and the measurement is made using the directional measurement detector the energy reflected by the product in the direction of said detector.
  • a particular application of this process is the on-line measurement of the radiative properties of a moving sheet in a thermal treatment installation of said sheet.
  • Another application of the method, for measuring the temperature of a metal product using an optical pyrometer is characterized in that the radiative properties of the product are measured at wavelengths corresponding to the wavelengths of the pyrometer, and the value of the temperature supplied by said pyrometer is corrected as a function of the measured value of the reflectivity of the product at said wavelengths.
  • FIG. 1 is a sectional representation of an embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 is a representation of a variant
  • FIG. 3 is a graph showing the results of measurements obtained by the use of the device according to the invention, compared to direct emission measurements carried out in the laboratory.
  • FIG. 1 shows a device 1 according to the invention, used for the measurement of the radiative properties of sheets 2 in travel in the direction of arrow F.
  • the device 1 comprises a box 10 inside which is placed an integrating sphere 12 whose wall 14 is coated internally with a material having a high isotropic reflectivity, for example a granulated gold leaf or Spectralon® or Infragold®.
  • An irradiation window 16 is provided in the wall of the sphere 12 and in the wall of the box 1. This window has an opening with a diameter of 30 mm for example. It is closed by a porthole transparent to infrared radiation, for example in ZnSe or KBr if one wishes to carry out measurements over the entire infrared spectrum, or in quartz if one wishes to make measurements on more limited frequency bands.
  • an infrared detector 18 Placed in a non-diametrically opposite position to the irradiation window, an infrared detector 18, for example a thermo-battery, having an aiming direction directed towards said irradiation window, is connected to a processing unit 20 signals from the detector.
  • the detector 18 is offset in a position by an angle of about 8 °. Such an eccentricity of position results from the very specular nature of the surface of the steel sheet 2, which would lead to the formation of a shadow zone vertical to this surface, if the detector occupied a diametrically located location on the sphere. opposite window 16.
  • the detector has a focusing optic, such as a convex plane lens 21 mounted upstream.
  • This lens is intended to provide a directional measurement of the energy received, which comes only from the surface of the sheet 2.
  • the aiming axis is directed towards the center of the irradiation window 16, and the field of view is relatively narrow so as to pass the window 16 without intercepting its edges.
  • this focusing optic advantageously comprises an interference filter 19 which makes it possible to define the spectral range of measurement, if necessary.
  • the device also comprises an infrared source 22, comprising for example an infrared lamp or a platinum filament, delivering a collimated infrared beam.
  • the infrared source 22 is located substantially in a plane orthogonal to the diametrical direction passing through the irradiation window 16 and the detector 18, facing an opening 24 formed in the wall 14 of the sphere 12.
  • a reflective screen 26 is placed inside the sphere opposite the opening 24 to reflect and diffuse the radiation 28, supplied by the source 22 and penetrating into the sphere, towards the internal surface of the wall 14 of the sphere. , as can be seen in FIG. 1.
  • the screen 26 also serves to prevent part of the incident radiation 28 from reaching the detector 18 directly or onto the surface of the sheet 2 through the irradiation window 16.
  • the radiation thus reflected on the internal surface of the sphere then undergoes multiple reflections which generate inside the sphere an almost perfectly isotropic diffuse flux which irradiates (arrows 30) the surface area of the sheet metal located in front of the window. irradiation.
  • the radiation reflected by the sheet (arrow 32) towards the measurement detector 18 is picked up by this detector (which does not pick up anything else because of its strong focus) and transformed into a signal representative of the radiative energy reflected by the sheet which is transmitted to the processing unit 20.
  • a second infrared detector 34 is placed on the wall of the sphere 12 and arranged so as to target an area of the wall not subjected to direct irradiation by the incident radiation 28.
  • This detector 34 which is also connected to the processing unit 20, used to determine the intensity of the internal isotropic flow of the sphere and therefore makes it possible to detect possible variations in the energy emitted by the source or in the reflectivity of the internal coating of the sphere. It can also be used to regulate the intensity of the source 22, via a control unit 36.
  • the device optionally includes a modulator 38, placed between the infrared source and the opening 24 of the sphere and controlled by a synchronous modulation circuit 40, which makes it possible to vary cyclically the intensity of the incident radiation 28, so as to be able to take into account, as explained above, the energy emitted by the sheet itself.
  • a modulator 38 placed between the infrared source and the opening 24 of the sphere and controlled by a synchronous modulation circuit 40, which makes it possible to vary cyclically the intensity of the incident radiation 28, so as to be able to take into account, as explained above, the energy emitted by the sheet itself.
  • the box 10 is preferably internally cooled to avoid excessive heating of the integrating sphere.
  • the cavity of the sphere can also be put in slight overpressure and / or merté in order to avoid that the interior coating of its wall is degraded by dust or various pollutions which would penetrate into the sphere.
  • Means 42 for measuring the distance between the box and the sheet are fixed on the box in order to keep said distance constant. This makes it possible to avoid disturbances in the reflectivity measurement which would be caused by variations in the irradiation and reflection conditions due to variations in the spacing between the irradiation window and the sheet.
  • the infrared source consists of a second sphere. integral 44 in which is placed an infrared or halogen lamp 46.
  • the second integral sphere 44 is connected to the first sphere 12 and comprises a window 48 for the exit of the radiation arranged opposite the entry window 24 formed in the first sphere.
  • the second integrating sphere makes it possible to generate a diffuse flow.
  • the radiation 29 which enters the first sphere through said windows 48 and 24 is therefore more homogeneous and isotropic as in the first variant.
  • one or more screens 27 may be used, serving only to prevent the radiation from reaching the measurement detector 18 directly, despite its own focusing means 21 seen previously, or on the control detector 34.
  • a diaphragm device 50 it will be possible to place, between the exit window of the second sphere and the entry window of the first sphere, a diaphragm device 50 making it possible to vary the flow entering the first integrating sphere.
  • the basic principle used during the implementation of the device according to the invention is to subject the sheet metal while scrolling to a flow of perfectly isotropic hemispherical radiant energy and to measure the energy reflected by the sheet and only this energy at l 'exclusion of all diffuse radiation from the sphere.
  • the Helmholtz reciprocity principle allows us to write the following equality:
  • Piso '( ⁇ / ⁇ - P' ( ⁇ , ⁇ ), where p '( ⁇ , ⁇ ) is the hemispherical directional reflectivity.
  • the measurement of the isotropic directional hemispherical reflectivity therefore makes it possible to determine the absorptivity or the emissivity of sheet metal in the case of monochromatic measurement and for materials opaque to infrared radiation.
  • FIG. 3 illustrates the results of comparative tests of the determination of emissivity of a sample of graphite sheet (plots 51, 52) and of a sample of AlUSi (plots 53, 54), obtained on the one hand at means of the device according to the invention (plots 51, 53) and secondly by a method of direct measurement of the energy emitted by the sample (plots 52, 54).
  • plots 51, 53 the results obtained by these two measurement techniques, and this regardless of the emissivity of the sample tested and over the entire infrared range.

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Abstract

Le dispositif comporte une sphère intégrante (12) présentant une surface intérieure réfléchissante, une source infra-rouge (22) disposée de manière à émettre un rayonnement infra-rouge incident (28) qui se diffuse par réflection sur ladite surface intérieure, un détecteur (18) de mesure de rayonnement infra-rouge. Une fenêtre d'irradiation (16) est ménagée dans la paroi (14) de la sphère, et le détecteur de mesure (18) est situé dans une position non diamétralement opposée à la fenêtre (16) et présente une direction de visée passant par ladite fenêtre d'irradiation et obtenue par une optique de focalisation (21). L'invention s'applique à la détermination des propriétés radiatives de produits métalliques tels que des tôles.

Description

DISPOSITIF DE MESURE DES PROPRIETES RADIATIVES DE PRODUITS METALLIQUES, ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE DE CE
DISPOSITIF
La présente invention concerne la mesure des propriétés radiatives de produits métalliques, notamment de tôles, et s'adresse plus particulièrement à la mesure en ligne de ces propriétés radiatives, lorsque ces produits sont en défilement.
Les propriétés radiatives des tôles ou produits similaires peuvent varier fortement en fonction de nombreux paramètres, tels que la longueur d'onde des radiations considérées, la direction de ces radiations, et l'état de la surface du produit (morphologie, rugosité, pollution de surface notamment) . Ainsi, dans le domaine de la fabrication des tôles métalliques, notamment en acier, les propriétés radiatives de la tôle à l'issue des différents traitements tels que laminage à froid, décapage, etc., sont très variables selon la longueur de la tôle, du fait par exemple des irrégularités de refroidissement dues à des stagnations d'eau au contact de la tôle. On admet par contre que les variations de ces propriétés dans le sens de la largeur de la tôle ne sont pas sensibles ni déterminantes.
Les propriétés radiatives de ces tôles avant les traitements thermiques subséquents, tels que ceux effectués par les lignes de recuit continu, ne sont donc pas constantes. Ceci peut entraîner des perturbations lors du chauffage des tôles effectué classiquement dans les fours de recuit continu par rayonnement. Les variations d ' absorptivité ou, corrélativement, d ' émissivité, peuvent ainsi entraîner des surchauffes localisées de la bande de tôle dans le four et des imprécisions sur les mesures de température effectuées par pyrométrie optique.
Il est donc particulièrement important, pour une bonne maîtrise du traitement thermique en recuit continu mais aussi dans de nombreux autres cas tels que par exemple dans des lignes de galvanisation, de connaître les propriétés radiatives des tôles juste avant ces traitements.
Or, il n'existe pas actuellement de dispositifs adaptés pour caractériser en ligne de fabrication les propriétés radiatives des tôles. En particulier, lorsque les bandes de tôle sont relativement froides, par exemple à moins de 50°C comme c'est le cas à l'entrée des fours de recuit continu, l'énergie émise par le produit lui- même est insuffisante pour permettre de mesurer son émissivité. Des mesures directes d' émissivité ne sont donc pas pratiquement utilisable en ligne dans de telles conditions.
Les mesures de propriétés radiatives sont dans la pratique effectuées en laboratoire. On connaît ainsi différents dispositifs utilisés pour effectuer des mesures de réflectivité dans les domaines des courtes longueurs d'onde et des basses températures, tels que les systèmes à miroirs hémisphériques, ellipsoïdaux ou paraboliques, ou les systèmes à sphère intégrante. Le principe de base de ces dispositifs consiste à soumettre la surface de l'échantillon à un flux d'énergie radiative et à mesurer l'énergie réfléchie, la surface réfléchissante et incurvée du ou des miroirs utilisés servant soit a créer un flux incident diffus, généralement hémisphérique et le plus isotrope possible, obtenu grâce aux multiples réflections d'un rayonnement incident sur la surface du miroir, soit à concentrer le flux réfléchi plus ou moins diffus sur un détecteur, soit encore les deux effets simultanément.
Les dispositifs à miroirs ne peuvent pas en pratique être utilisés pour des mesures de propriétés radiatives en ligne, du fait de la grande ouverture de tels systèmes, qui nécessiterait la réalisation d'un diffuseur suffisamment mince pour être pratiquement coplanaire avec le produit . Comme ce diffuseur devrait être nécessairement en contact avec la surface à étudier, sa réalisation serait pratiquement impossible. Les systèmes à sphère intégrante permettent soit de recueillir sur un détecteur le flux hémisphérique réfléchi par un échantillon, soit plus fréquemment d'éclairer un échantillon avec un flux hémisphérique diffus et isotrope. Dans ce dernier cas, l'échantillon placé à l'intérieur de la sphère, généralement en son centre, est soumis à un flux incident diffus obtenu grâce à un rayonnement infra-rouge qui subit de multiples réflections sur la surface interne réfléchissante de la sphère avant d'atteindre la surface de l'échantillon, et on mesure alors l'énergie réfléchie au moyen d'un détecteur visant la surface de l'échantillon. Il est clair que les dispositifs connus à sphère intégrante ne peuvent convenir pour la mesure en ligne de fabrication des propriétés radiatives de produits, puisque que l'échantillon doit être placé à l'intérieur de la sphère.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes indiqués ci-dessus et vise en particulier à permettre la mesure des propriétés radiatives de produits métalliques, tels que des tôles, directement dans les installations industrielles de fabrication ou de traitement de ces produits, et en particulier sur les lignes de fabrication lors du défilement en continu de tels produits. L'invention a aussi pour but de permettre ces mesures sur des produits à température relativement basse qui, de ce fait, ne présentent pas une émission radiative propre suffisante pour être directement mesurée par des dispositifs de mesure utilisables dans des conditions industrielle.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif de mesure des propriétés radiatives de produits métalliques, notamment de tôles, comportant une première sphère intégrante comprenant une enveloppe sphérique ayant une paroi présentant une surface intérieure réfléchissante, une source infra-rouge disposée de manière à émettre un rayonnement infra-rouge incident qui se diffuse par reflection sur la dite surface intérieure, et un détecteur de mesure de rayonnement infra-rouge, ce dispositif étant caractérisé en ce que :
-une fenêtre d'irradiation, devant laquelle le produit à inspecter peut passer à distance, est ménagée dans la paroi de l'enveloppe sphérique,
-le dit détecteur de mesure est situé dans une position non diamétralement opposée à la dite fenêtre d'irradiation et présente une direction de visée passant par la dite fenêtre d'irradiation et obtenue par une optique de focalisation permettant une mesure directionnelle .
Le dispositif selon l'invention permet d'irradier le produit par un flux énergétique diffus et isotrope, généré à l'intérieur de la sphère à partir de la source infra-rouge, et qui parvient sur la surface du produit en passant par la dite fenêtre. Le détecteur, à champ de vision étroit et dirigé vers cette fenêtre, capte le flux réfléchi par le produit situé à distance devant cette fenêtre à l'extérieur de la sphère, permettant ainsi de mesurer la réflectivité de ce dernier et donc d'en déduire son absorptivité et son émissivité .
Préférentiellement , le dispositif comporte un détecteur de contrôle ayant une deuxième direction de visée transversale à la direction incidente du rayonnement infra-rouge incident et à la dite première direction de visée. Ce détecteur de contrôle, constitué par exemple d'un capteur infrarouge placé sur la paroi de la sphère, vise une portion de la paroi interne de la sphère située à distance des zones susceptibles d'être soumise à une irradiation directe tant par le rayonnement incident que par le rayonnement réfléchi, c'est à dire une zone représentative du flux diffus isotrope généré à l'intérieur de la sphère. Il permet de mesurer en continu le flux isotrope interne de la sphère intégrante, et permet de vérifier que l'énergie émise par la source et que les propriétés de reflection du revêtement interne de la paroi de la sphère restent constantes, ou permet de corriger la valeur mesurée en fonction d'éventuelles variations de ces paramètres. Pour que le flux atteignant le produit soit le plus diffus et isotrope possible, le rayonnement infra-rouge incident présente une direction incidente générale transversale à la direction de visée, c'est à dire que le rayonnement issu de la source infra-rouge n'est pas dirigé ni vers la fenêtre d'irradiation, ni vers le détecteur. Comme on le verra par la suite, diverses sources infra-rouge peuvent être utilisées, tel que par exemple une lampe infra-rouge ou halogène ou un filament de platine qui peuvent être soit disposées directement sur la paroi de la sphère et éventuellement pénétrer légèrement à l'intérieur de celle-ci, soit placées à l'extérieur de la sphère, le rayonnement y pénétrant alors par une seconde fenêtre ménagée dans la paroi de la sphère à distance, par exemple à 90°, de la fenêtre d'irradiation. On peut par exemple utiliser une deuxième sphère intégrante pourvue d'un générateur de rayonnement infra-rouge et d'une fenêtre de sortie du rayonnement disposée face à une fenêtre d'entrée de rayonnement ménagée dans la paroi de la première sphère intégrante. Dans ce cas, le rayonnement pénétrant dans la première sphère intégrante est déjà le plus homogène et isotrope possible dés son entrée dans la dite première sphère.
Préférentiellement encore, quelque soit le type de source infra-rouge utilisé, au moins un écran réflecteur est placé dans la sphère intégrante de manière à empêcher le rayonnement infra-rouge incident de parvenir directement sur la fenêtre d'irradiation et/ou sur les détecteurs .
Selon une disposition particulière, le rayonnement infra-rouge incident peut être modulé, par exemple par un modulateur placé sur son chemin entre la source infrarouge et la sphère intégrante, de manière à annuler périodiquement le flux irradiant le produit. Cette disposition permet, en particulier dans le cas d'une utilisation du dispositif pour mesurer les propriétés radiatives d'un produit en défilement, de tenir compte de l'éventuel rayonnement propre du produit ou de ses variations, en mesurant l'intensité de ce rayonnement propre lors des périodes d'annulation du rayonnement incident, pour déterminer par différence la part effective du flux réfléchi par le produit irradié par rapport à la totalité du flux mesuré.
Selon une autre disposition encore, un filtre interférentiel peut être placé au sein de l'optique de focalisation devant le détecteur de mesure, de manière à ne mesurer l'énergie radiative du produit que dans une fourchette prédéterminée de longueurs d'onde.
L'invention a aussi pour objet un procédé de mesure des propriétés radiatives d'un produit métallique, caractérisé en ce que on place le dispositif selon l'invention à proximité du dit produit mais sans contact avec lui, la fenêtre d'irradiation étant placée à distance face à la surface du produit de manière à irradier la zone de surface située face à la dite fenêtre d'irradiation par le rayonnement infra-rouge sortant de la sphère par la dite fenêtre, et on mesure au moyen du détecteur de mesure directionnelle l'énergie réfléchie par le produit dans la direction du dit détecteur.
Une application particulière de ce procédé est la mesure en ligne des propriétés radiatives d'une tôle en défilement dans une installation de traitement thermique de la dite tôle. Une autre application du procédé, pour la mesure de la température d'un produit métallique au moyen d'un pyromètre optique, est caractérisée en ce que on mesure les propriétés radiatives du produit à des longueurs d'onde correspondant aux longueurs d'onde du pyromètre, et on corrige la valeur de la température fournie par le dit pyromètre en fonction de la valeur mesurée de la réflectivité du produit aux dites longueurs d'onde.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite, à titre d'exemple, de deux variantes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, destiné à la mesure en ligne des propriétés radiatives de tôles en défilement.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation en coupe d'une réalisation du dispositif selon l'invention, la figure 2 est une représentation d'une variante, la figure 3 est un graphique montrant les résultats de mesures obtenus par l'utilisation du dispositif selon l'invention, comparativement à des mesures d'émission directe effectuées en laboratoire.
Le dessin de la figure 1 représente un dispositif 1 conforme à l'invention, utilisé pour la mesure des propriétés radiatives de tôles 2 en défilement dans le sens de la flèche F. Le dispositif 1 comporte un caisson 10 à 1 ' intérieur duquel est placé une sphère intégrante 12 dont la paroi 14 est revêtue intérieurement par un matériau présentant une réflectivité isotrope élevée, par exemple une feuille d'or granulée ou du Spectralon ® ou de l'Infragold ®. Une fenêtre d'irradiation 16 est ménagée dans la paroi de la sphère 12 et dans la paroi du caisson 1. Cette fenêtre présente une ouverture de diamètre 30 mm par exemple. Elle est obturée par un hublot transparent aux rayonnements infra-rouge, par exemple en ZnSe ou KBr si l'on souhaite effectuer des mesures sur la totalité du spectre infra- rouge, ou en quartz si l'on souhaite faire des mesures sur des bandes de fréquences plus limitées.
Placé en position non-diamétralement opposé à la fenêtre d'irradiation, un détecteur infra-rouge 18, par exemple une thermo-pile, ayant une direction de visée dirigée vers la dite fenêtre d'irradiation, est relié à une unité 20 de traitement des signaux fournis par le détecteur. Dans l'exemple représenté, le détecteur 18 est décalée dans une position d'un angle d'environ 8 °. Une telle excentration de position résulte du caractère très spéculaire de la surface de la tôle d'acier 2, qui conduirait à la formation d'une zone d'ombre à la verticale de cette surface, si le détecteur occupait sur la sphère un emplacement diamétralement opposé à la fenêtre 16.
Par ailleurs, et de façon complémentaire à son excentration, le détecteur dispose d'une optique de focalisation, telle qu'une lentille plan convexe 21 montée en amont. Cette lentille est destinée à procurer une mesure directionnelle de l'énergie reçue, qui ne provient que de la surface de la tôle 2. A cet effet, l'axe de visée est dirigé vers le centre de la fenêtre d'irradiation 16, et le champ de visée est relativement étroit de manière à passer la fenêtre 16 sans intercepter ses bords .
En outre, cette optique de focalisation comporte avantageusement un filtre interférentiel 19 qui permet de définir la gamme spectrale de mesure, si besoin. Le dispositif comporte par ailleurs une source infra-rouge 22, comportant par exemple une lampe infrarouge ou un filament de platine, délivrant un faisceau infra-rouge collimaté. La source infra-rouge 22 est située sensiblement dans un plan orthogonal à la direction diamétrale passant par la fenêtre d'irradiation 16 et le détecteur 18, face à une ouverture 24 ménagée dans la paroi 14 de la sphère 12.
Un écran réflecteur 26 est placé à l'intérieur de la sphère en face de l'ouverture 24 pour réfléchir et diffuser le rayonnement 28, fourni par la source 22 et pénétrant dans la sphère, vers la surface interne de la paroi 14 de la sphère, comme on le voit sur la figure 1. L'écran 26 sert aussi à éviter que une partie du rayonnement incident 28 ne parvienne directement sur le détecteur 18 ou sur la surface de la tôle 2 au travers de la fenêtre d'irradiation 16.
Le rayonnement ainsi réfléchi sur la surface interne de la sphère subit ensuite des réflections multiples qui génèrent à l'intérieur de la sphère un flux diffus quasiment parfaitement isotrope qui irradie (flèches 30) la zone de surface de la tôle situé en face de la fenêtre d'irradiation. Le rayonnement réfléchi par la tôle (flèche 32) en direction du détecteur de mesure 18 est capté par ce détecteur (qui ne capte rien d'autre en raison de sa forte focalisation) et transformé en un signal représentatif de l'énergie radiative réfléchie par la tôle qui est transmis à l'unité de traitement 20.
Un second détecteur infra-rouge 34 est placé sur la paroi de la sphère 12 et disposé de manière à viser une zone de la paroi non soumise à une irradiation directe par le rayonnement incident 28. Ce détecteur 34, qui est également relié à l'unité de traitement 20, sert à déterminer l'intensité du flux isotrope interne de la sphère et permet donc de détecter d'éventuelles variations de l'énergie émise par la source ou de la réflectivité du revêtement interne de la sphère. Il peut également servir à réguler l'intensité de la source 22, via une unité de commande 36.
Le dispositif comporte optionnellement un modulateur 38, placé entre la source infra-rouge et l'ouverture 24 de la sphère et commandé par un circuit de modulation synchrone 40, qui permet de faire varier cycliquement l'intensité du rayonnement incident 28, de manière à pouvoir tenir compte, comme expliqué précédemment, de l'énergie émise par la tôle elle-même.
Le caisson 10 est préférentiellement refroidi intérieurement pour éviter un échauffement excessif de la sphère intégrante. La cavité de la sphère peut aussi être mise en légère surpression et/ou mertée afin d'éviter que le revêtement intérieur de sa paroi soit dégradé par des poussières ou pollutions diverses qui pénétreraient dans la sphère.
Du fait que la tôle est en défilement, on rappelle qu'une distance minimale est nécessaire entre la tôle et le caisson, et plus particulièrement entre la tôle et la fenêtre d'irradiation. Des moyens 42 de mesure de distance entre le caisson et la tôle, tels que par exemple un capteur inductif ou des moyens de mesure de distance par triangulation laser, sont fixés sur le caisson dans le but de maintenir la dite distance constante. Ceci permet d'éviter des perturbations de la mesure de réflectivité qui seraient provoquées par des variations des conditions d'irradiation et de reflection dues à des variations d'écartement entre la fenêtre d'irradiation et la tôle.
Dans la variante de réalisation représentée figure 2, les éléments ayant la même fonction que dans la première variante sont indiqués par les même repères, et le caisson n'a pas été représenté Dans cette variante, la source infrarouge est constituée d'une deuxième sphère intégrante 44 dans laquelle est placée une lampe mfra- rouge ou halogène 46. La deuxième sphère intégrante 44 est reliée à la première sphère 12 et comporte une fenêtre 48 de sortie du rayonnement disposée face à la fenêtre d'entrée 24 ménagée dans la première sphère La deuxième sphère intégrante permet de générer un flux diffus. Le rayonnement 29 qui pénètre dans la première sphère par les dites fenêtres 48 et 24 est donc plus homogène et isotrope que dans la première variante. Dans ce cas, au lieu de l'écran réflecteur 26 placé face au rayonnement incident de la première variante, on pourra utiliser un ou plusieurs écrans 27, servant uniquement à éviter que le rayonnement parvienne directement sur le détecteur de mesure 18, malgré ses propres moyens de focalisation 21 vus précédemment, ou sur le détecteur de contrôle 34. De plus, on pourra placer entre la fenêtre de sortie de la seconde sphère et la fenêtre d'entrée de la première sphère un dispositif à diaphragme 50 permettant de faire varier le flux entrant dans la première sphère intégrante.
Le principe de base utilisé lors de la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention est de soumettre la tôle en défilement à un flux d'énergie radiative hémisphérique parfaitement isotrope et à mesurer l'énergie réfléchie par la tôle et uniquement cette énergie à l'exclusion de tout rayonnement diffus provenant de la sphère. On mesure ainsi la réflectivité hémisphérique directionnelle isotrope notée Piso' (θ/ ) • Le principe de réciprocité de Helmholtz permet d'écrire l'égalité suivante :
Piso' (Θ/Ψ- = P' (θ,φ) , où p' (θ,φ) est la réflectivité directionnelle hémisphérique. La mesure de la réflectivité hémisphérique directionnelle isotrope permet donc de déterminer 1 ' absorptivité ou l' émissivité de la tôle dans le cas de mesure monochromatique et pour des matériaux opaques aux rayonnements infrarouge. En effet, pour un matériau opaque qui ne transmet aucun flux, la conservation de l'énergie entre le rayonnement incident, d'une part, et les fractions réfléchies et absorbées, d'autre part, conduit à: p ' χ (θ,φ) + α'χ(θ,φ) 1 , où α'χ(θ,φ) est 1 ' absorptivité monochromatique directionnelle à la longueur d'onde λ. L'égalité de Kirchhoff conduit également à écrire que: α'χ(θ,φ) = εχ {Q , φ) , ε'χ(θ,φ) étant l' émissivité monochromatique directionnelle.
Cette égalité ne peut être étendue aux grandeurs hémisphériques ou totales que dans des cas très particuliers (matériaux gris, Lambertiens) . Une approximation de cette égalité pourra être effectuée dans le cas d'intégration spectrale Δλ étroite, ainsi:
Figure imgf000014_0001
Ainsi, une mesure de réflectivité totale sera utilisée, pour des applications de contrôle du traitement thermique du produit, pour mesurer en ligne les propriétés radiatives d'une tôle en défilement, par exemple avant son entrée dans un four de recuit continu. Une mesure de réflectivité spectrale permettra par contre de mesurer les propriétés radiatives dans la gamme de mesure des pyromètres optiques et donc de contrôler et d'optimiser la mesure de température au niveau des lignes de traitement des tôles. D'autres applications sont envisageables, par exemple le suivi de l'alliation pour des tôles revêtues ou zinguées, la suralliation ou la sous-alliation étant corrélée à des valeurs précises d ' émissivité .
La figure 3 illustre des résultats d'essais comparatifs de la détermination d' émissivité d'un échantillon de tôle graphitée (tracés 51, 52) et d'un échantillon d'AlUSi (tracés 53, 54), obtenus d'une part au moyen du dispositif selon l'invention (tracés 51, 53) et d'autre part par une méthode de mesure directe de l'énergie émise par l'échantillon (tracés 52, 54). On constate une très bonne correspondance entre les résultats obtenus par ces deux techniques de mesure, et ceci quelle que soit l' émissivité de l'échantillon testé et sur toute la gamme infra-rouge.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure des propriétés radiatives de produits métalliques (2), notamment de tôles, comportant une première sphère intégrante (12) comprenant une enveloppe sphérique ayant une paroi (14) présentant une surface intérieure réfléchissante, une source infrarouge (22) disposée de manière à émettre un rayonnement infra-rouge incident (28) qui se diffuse par reflection sur la dite surface intérieure, et un détecteur (18) de mesure de rayonnement infra-rouge, caractérisé en ce que :
-une fenêtre d'irradiation (16), devant laquelle le produit métallique (2) est susceptible de passer à distance, est ménagée dans la paroi (14) de l'enveloppe sphérique, -le dit détecteur de mesure (18) est situé dans une position non diamétralement opposée à la dite fenêtre d'irradiation (16) et présente une première direction de visée passant par la dite fenêtre d'irradiation et obtenue par une optique de focalisation (21) dont il est pourvu .
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur de contrôle (34) ayant une deuxième direction de visée transversale à la dite première direction de visée.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou
2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un écran (26) placé de manière à empêcher le rayonnement infrarouge incident de parvenir directement sur la fenêtre d'irradiation et/ou sur les détecteurs.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur (38) placé sur le rayonnement infra-rouge incident.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre interférentiel (19) placé devant le détecteur de mesure.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source infra-rouge est placée à l'extérieur de la première sphère intégrante et comporte une deuxième sphère intégrante (44) pourvue d'un générateur de rayonnement infra-rouge (46) et d'une fenêtre (48) de sortie du rayonnement disposée face à une fenêtre (24) d'entrée de rayonnement ménagée dans la paroi de la première sphère intégrante (12).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la sphère intégrante (12) est placée dans un caisson (10) refroidi intérieurement .
8. Procédé de mesure des propriétés radiatives d'un produit métallique (2) , caractérisé en ce que on place le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à proximité du dit produit, la fenêtre d'irradiation (16) étant placée face à la surface du produit de manière à irradier la zone de surface située face à la dite fenêtre d'irradiation par le rayonnement infra-rouge (30) sortant de la sphère par la dite fenêtre, et on mesure au moyen du détecteur de mesure (18) l'énergie (32) réfléchie par le produit dans la direction du dit détecteur.
9. Application du procédé selon la revendication 8 à la mesure en ligne des propriétés radiatives d'une tôle (2) en défilement dans une installation de traitement thermique de la dite tôle.
10. Application du procédé selon la revendication 8 à la mesure de la température d'un produit métallique au moyen d'un pyromètre optique, caractérisée en ce que on mesure les propriétés radiatives du produit à des longueurs d'onde correspondant aux longueurs d'onde du pyromètre, et on corrige la valeur de la température fournie par le dit pyromètre en fonction de la valeur mesurée de la réflectivité du produit aux dites longueurs d ' onde .
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