PYROPHOT

Pyro PhotoPYROPHOTTM est un pyromètre Ultra Violet d’une précision inégalée. Il présente une forte sensibilité aux variations de température, une très faible sensibilité aux variations d’émissivité et à la température de l’environnement.

Caractéristiques clés :

  • A partir de 650°C
  • Sensibilité : 0,1°C
  • Pas de réglage d’émissivité
  • Adapté aux milieux industriels
  • Temps d’intégration ≥ 1ms
  • Pyrométrie UV
  • Chaine de mesure 100% numérique
  • Software modulaire

 
 
 
 
 
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Les autres principaux avantages sont :

  • la très grande sensibilité : 1% d’augmentation de la température entraîne un accroissement du signal de mesure de plus de 35% ;
  • la large étendue de gamme : le procédé fonctionne depuis l’ambiante jusqu’à 3000°C ou plus ;
  • la possibilité d’effectuer les mesures sur des durées allant de la microseconde jusqu’à plusieurs minutes selon les applications ;
  • une manipulation simplifiée : pas de préréglage de l’émissivité.

En utilisant le comptage de photons, qui est le procédé de détection du rayonnement le plus efficace, on obtient les avantages d’une chaîne de mesure entièrement numérique avec, en particulier, une parfaite tenue des performances dans le temps.

Sur tous les matériaux, PYROPHOT sera au moins 2,5 fois plus précis en température absolue que les pyromètres classiques et 2,5 fois moins sensible aux effets perturbateurs de l’environnement.

A titre d’exemple, le tableau suivant donne, pour un corps métallique porté à 700°C et en fonction de l’émissivité réelle, les résultats qu’afficheraient un PYROPHOT et un pyromètre infrarouge avec l’émissivité préréglée à 0,5.

Émissivité vraie
0,25 0,5 0,75
PYROPHOT
0,37µm
717°C 700°C 690°C
Pyromètre IR
1µm
748°C 700°C 674°C

On constate que la précision du PYROPHOT reste meilleure que 3% pour une variation de l’émissivité pouvant atteindre 50%.

Fiable, robuste, peu sensible à l’émissivité et avec une excellente précision. Notre PYROPHOT est idéal pour :

  • Intégration sur une chaine de production
  • R & D
  • Applications sur mesures

 

Métallurgie : Intégration sur une ligne de production, contrôle ou automatisation d’une chaine, optimisation énergétique. La faible sensibilité à l’émissivité du système PYROPHOT permet un contrôle précis de la température, indispensable sur des lignes utilisant des matériaux recyclés aux propriétés thermooptiques variables.
Verrerie : optimisation énergétique, contrôle sur chaine de production, automatisation, sécurité,…
Nucléaire : Sécurité, contrôle, recherche,…
Recherche : émissivité, études des matériaux,…

Plus généralement, toute application nécessitant une mesure précise de températures supérieures à 650°C.

Sur mesure : notre équipe d’ingénieurs de recherche est à votre écoute pour mettre au point, selon votre cahier des charges, un appareillage adapté à vos contraintes et spécificités.

N’hésitez pas à nous solliciter.

 irsn areva albert et duval

Les bases physiques …

Pour mesurer sans contact la température d’une surface, on utilise le flux de rayonnement électromagnétique d’origine thermique qu’émettent tous les corps. La loi physique qui régit ce phénomène est la loi de Planck qui décrit le comportement d’un corps idéal, le « corps noir ». Le réseau de courbes de la figure 1 montre la répartition spectrale de ce rayonnement pour quelques températures représentatives de celles couramment rencontrées, en particulier en métallurgie.

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On voit que les maxima de ces courbes en cloche se situent dans l’infrarouge (λ>0,8µm) et que, plus le corps à mesurer est chaud, plus sa courbe de rayonnement se décale vers les courtes longueurs d’onde.
Tous les appareils actuellement commercialisés fonctionnent dans l’infrarouge, c’est à dire près du maximum d’énergie, ce qui permet de minimiser leurs coûts de fabrication.

 

L’émissivité vient tout perturber …

Malheureusement, le corps noir est une entité purement théorique car, dans la nature, aucun corps n’est parfaitement « noir », ni même « gris ». La loi de Planck ne donne que la valeur maximale du rayonnement qu’un corps peut émettre et il faut la pondérer par un facteur, compris entre 0 et 1, appelé émissivité et habituellement désigné par la lettre grecque ε. Pour tout compliquer, ce facteur qui dépend de la nature du corps à mesurer varie en fonction de l’état de surface (métal oxydé ou non), de la longueur d’onde et, même de la température ! Si l’on veut piloter un processus industriel en suivant l’évolution de la température d’un corps en cours de chauffe, il faut disposer en continu d’une mesure précise de celle-ci. Or, le résultat obtenu à partir de la mesure du flux de rayonnement thermique dépend également, comme on l’a vu, de la variation de l’émissivité et l’on ne dispose pas d’études fiables et exhaustives qui permettraient de la représenter de façon analytique en faisant intervenir toutes les variables en cause (en particulier l’état de surface …), ou même seulement de la tabuler. Les appareils d’entrée de gamme actuellement disponibles utilisent une valeur pré-cablée de l’émissivité, fréquemment 0,8. Sur les équipements les plus performants, l’utilisateur dispose d’une possibilité d’afficher une valeur qu’il considère comme exacte et qui restera inchangée pendant tout le déroulement du processus industriel à contrôler! Très logiquement, le résultat de mesure est erroné et dans une proportion difficile à évaluer puisqu’on ne connaît pas les valeurs qu’aura pu prendre ε !

 

100 fois plus de signal dans l’ultraviolet …

La pyrométrie et son extension, la thermographie, dans l’ultraviolet apportent la solution au problème en effectuant la mesure dans la partie du spectre où la dynamique du signal en fonction de la température est tellement importante qu’elle occulte l’influence de l’émissivité. On réalise mal sur la figure 1, du fait de l’échelle choisie, que  les courbes plongent de façon abrupte pour les valeurs de λ inférieures à celle du maximum d’énergie. La Figure 2, représente, avec une échelle logarithmique, un zoom vers les courtes longueurs d’onde pour deux températures 800 et 1000°C.

 

tbx2

 

On constate qu’à 0,3 µm, c’est-à-dire dans l’ultraviolet, la variation de signal pour cet écart de 200°C est de 1000, alors qu’à 1 µm, elle n’est que de 10 ! La contrepartie, c’est que les niveaux d’énergie mis en jeu à 0,3 µm sont 10-10 fois plus faibles.

Une solution ultra-sensible, robuste et fiable …

Il existe des détecteurs, les photomultiplicateurs utilisés en compteurs de photons, pour lesquels ces niveaux d’énergie infimes sont la norme. Ceux que l’on utilise n’ont que 10 photoélectrons de bruit (dark count) par seconde et il suffit de 100 photoélectrons (c’est-à-dire 10-16 Joules) pour avoir un résultat significatif. Grâce à l’extrême sensibilité des détecteurs que nous utilisons, nous pouvons travailler dans une bande très étroite de longueur d’onde, en quasi monochromatique et, avec un signal qui double tous les 20°C, on obtient une excellente précision. Autre avantage d’une telle chaîne de mesure : elle est entièrement numérique depuis le capteur jusqu’au traitement du signal. On s’affranchit ainsi des problèmes de dérive rencontrés avec les composants analogiques utilisés dans les appareils conventionnels et on obtient une excellente répétabilité. De plus, on a pu constater que les tubes photomultiplicateurs utilisés se révèlent d’une extrême robustesse et d’une très grande longévité, même dans les environnements les plus sévères.

Return to basics

To measure a surface temperature we use the radiation flux of thermic origin that all bodies emit. The physical law that governs this phenomenon is Planck’s Law that describes the behavior of an ideal entity called the blackbody. The set of curves in Figure 1 describes the spectral distribution of this radiation for several temperatures representative of those commonly encountered, particularly in metallurgy.

 

 

 

We see that the peaks of these curves are located in the infrared (λ>0,8µm) and that the hotter the body is, the more the curve shifts toward short wavelengths.
All equipment currently marketed work in the infrared, meaning close to energy peak, which allows reducing the cost of their fabrication.

 

Emissivity gets in the way

 

Unfortunately the blackbody is a purely theoretical entity for, in nature, no body is perfectly black or even grey. Planck’s Law gives only the maximum radiant energy that a body can emit. This value must be weighed by an inclusive factor between 0 and 1 called emissivity and symbolized by the Greek letter ε. To complicate everything, this factor which depends on the nature of the body to be measured, varies according to the condition of the surface (oxidized or not), the wavelength and even the temperature! If controlling an industrial process is desired in following the evolution of the heating of a body, a constant and precise temperature measurement is necessary. However, as we have seen, the result obtained by measuring the flux depends also upon the variation in emissivity. Up to now, there has been no reliable and exhaustive experimental data available that would allow an analytical representation of this factor, or even a reliable interpolation with all the parameters concerned. In the low-cost equipment that can be found on today’s market there is a pre- defined emissivity value, usually 0.8. On the more sophisticated equipment the user chooses an emissivity value that remains unchanged until the end of the running process. As a direct consequence, the measurement result is false and the estimation of the error value is very unpredictable since we have no idea of the amplitude of variation of ε !

 

Signal variation 100 times greater in ultraviolet

Ultraviolet pyrometry and its generalization, ultraviolet thermography, bring the solution because the measurement is done in a spectrum range where the signal variation with temperature is so large that it hides the consequences of an emissivity variation. Due to the linear scale used in Figure 1, there is no evidence of the steep slope of the curves on the left of the energy peak. In Figure 2, with a logarithmic scale, we zoom toward the short wavelengths for the two temperatures 800°C and 1000°C.

 

 

It can be seen that at 0.3µm, in the UV, a 200°C variation results in a multiplication by 1000 of the energy signal, whereas it is only multiplied by 10 at 1µm. The drawback is that the energy levels in the UV are 10-10 times lower.

A reliable solution, highly sensitive and sturdy

Photomultipliers are detectors that have been designed to deal with these extremely weak energy levels. We use photomultipliers in the photon counting mode whose intrinsic noise is only 10 photoelectrons/second and a 100 photoelectron/second signal (that is to say 10-16 joules) is good enough to get a significant measurement result. Due to the extreme sensitivity of our detectors we can work with a very narrow bandwidth, almost monochromatically. Since the signal doubles every 20°C, we obtain very precise results. Another advantage of such a measurement process is that it is fully digital, from the captor to the display of the result. Thus we get rid of the drift problem that is the main flaw with analog devices and we get an excellent repeatability of results. Moreover, these photon counting devices have proven to be very sturdy and they can work continuously in a harsh environment for years.

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