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Qu'est-ce que l'infrarouge?

Un pyromètre infrarouge peut être comparé à l’oeil humain. Le cristallin représente le système optique à travers lequel le rayonnement (flux de photons) émis par la cible est collecté et focalisé sur la rétine où il est transformé en signal nerveux avant d’être envoyé au cerveau. La Fig. 3 illustre le fonctionnement d’un système infrarouge. 

le fonctionnement d’un sys-tème infrarouge
Fig. 3: Système de mesure infrarouge

A une température supérieure au zéro absolu (-273,15°C / -459,8°F / 0 K) la matière, sous quelque forme que ce soit, émet un rayonnement infrarouge en relation avec sa température. Ce phénomène est connu sous le nom de radiation caractéristique. Il est dû au mouvement interne des molécules. L’intensité de ce mouvement dépend de la température. De ce mouvement de molécules résulte un déplacement de charges responsable d’une émission électromagnétique (photons). Ces photons se déplacent à la vitesse de la lumière tout en respectant les principes optiques connus. Ils peuvent ainsi être déviés, focalisés par une lentille ou réfléchis par un miroir. Le spectre de cette émission va de 0,7 à 1000 μm (longueur d’onde). Pour cette raison, ils ne peuvent pas être vu à l’oeil nu. Voir Fig. 4.

définition du spectre électromagnétique
Fig. 4: Le spectre électromagnétique. Seule la partie allant de 1 à 20 μm est utilisée en mesure IR.

La part invisible du spectre contient jusqu’à 100 000 fois plus d’énergie que la part visible. La mesure in-frarouge utilise cette énergie. La Fig. 5 montre également que le maximum d’énergie se déplace vers les longueurs d’onde courtes lorsque la température augmente et que les courbes ne se coupent jamais. L’énergie émise sur tout le spectre (surface située en dessous des courbes) varie comme la puissance quatre de la température. Cette relation découverte par Stefan et Boltzmann en 1879 illustre la possibilité de déterminer sans ambigüité une température à partir du signal émis

La Fig. 5 représente l’émission d’un corps à différentes températures. On y voit, qu’à haute température une partie du spectre émis l’est dans le visible (0,4 à 0,7 μm). Ceci explique pourquoi les corps chauds rougissent à partir de 600 °C (incandescence). Dans la sidérurgie, quelques personnes de longue expérience sont capables d’estimer la température de la fonte liquide à sa couleur. Un type de pyromètre optique dit « à disparition de filament » a été utilisé en sidérurgie et métallurgie dès les années 30.

black body radiation definition
Fig. 5: Emission d’un corps noir en fonction de la température

A première vue, la Fig. 5 montre que le meilleur pyro-mètre IR serait celui capable de mesurer le spectre le plus large afin de capter le maximum d’énergie (cor-respondant à la surface située sous la courbe). Un examen plus précis montre que ce n’est pas toujours la solution la plus avantageuse. La Fig. 5 montre également que l’intensité du rayonnement augmente, pour une même augmentation de température, beau-coup plus rapidement à 2 μm qu’à 10 μm. Plus la variation d’énergie est importante pour une même variation de température plus le pyromètre sera précis. Si, comme le stipule la loi de déplacement de Wien, le maximum d’énergie émise se déplace vers les lon-gueurs d’onde courtes lorsque la température augmente il faut aussi noter qu’à ces longueurs d’onde courtes correspond très peu d’énergie lorsque la tem-pérature est basse. Il en résulte que la mesure des températures basses n’est pas possible avec des longueurs d’onde courtes à cause du manque d’énergie. Une autre raison justifie d’avoir des pyromètres travaillant sur des spectres IR différents. Certains corps, connus sous le nom de « corps non gris », ont des spectres d’émission très sélectifs. La Fig. 5 montre l’émission d’un émetteur théorique parfait connu sous le nom de « corps noir ». Un corps réel émet moins qu’un corps noir à la même température. Le rapport entre l’énergie émise par un corps réel et l’énergie émise par un corps noir à la même température est appelé l’émissivité (ε - epsilon). L’émissivité peut ainsi varier de 1,0 (corps noir) à 0,0. Les corps présentant une émissivité constante inférieure à 1,0 sont appelés corps gris. Les corps dont l’émissivité varie avec la longueur d’onde et/ou la température sont appelés corps non gris.

Il est facile de montrer que pour un récepteur la somme des énergies Absorbée (A), Réfléchie (R) et Transmise (T) est égale à l’énergie incidente. Si on normalise cette dernière à 1 on peut alors écrire :

A + R + T = 1 (1) 

La plupart des corps solides ont une transmission nulle dans l’infrarouge (T = 0). La loi de Kirchhoff montre par ailleurs que pour un corps à l’équilibre thermique, l’émission est équivalente à l’absorption. Il est alors possible d’écrire :

 E = 1 – R (2) 

En plus de l’énergie émise par la cible, le capteur peut rece-voir de l’énergie réfléchie et de l’énergie transmise
Fig. 6: En plus de l’énergie émise par la cible, le capteur peut rece-voir de l’énergie réfléchie et de l’énergie transmise.

Le corps noir (émetteur parfait) ne présente aucune réflexion (R=0) ni transmission (T = 0), il s’en suit que E = 1

Bien des matériaux non métalliques tels le bois, le plastique, le caoutchouc, les produits organiques, la roche, le béton ont des surfaces très peu réfléchissantes. Leurs émissivités se situent entre 0,80 et 0,95 (voir le émissivité - non métaux). A l’opposé, les métaux et particulièrement si leur surface est polie ou brillante, ont une émissivité proche de 0,10. Cette disparité peut (et doit) être compensée sur le pyromètre IR par un réglage correct de l’émissivité (voir le émissivité - métaux). Voir Fig. 7.

Emission spécifique à différentes longueurs d’onde
Fig. 7: Emission spécifique à différentes longueurs d’onde

 

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