Développement d’un pyromètre bichromatique impulsionnel pour mesures de températures de surfaces solides et liquides en milieux perturbés

Short wavelengths active bichromatic pulsed pyrometer for solids and liquids designed for surface temperature measurements in harsh environments

• Auteur / Autrice : Lorris Navello
• Direction : Philippe Hervé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 26/11/2015
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Danièle Wagner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Hervé, Danièle Wagner, Luis Le Moyne, Marie-Pierre Planche, Yannick Bailly, Georges Descombes, Vincent Pina, Diogo Queiros-Condé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luis Le Moyne, Marie-Pierre Planche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Température

Rayonnements

Radiofréquences

Mots clés libres

Pyromètre bichromatique impulsionnel

Température de surface

Courtes longueurs d’ondes

Rayonnement émis

Environnements perturbés

Méthode active non intrusive

Bichromatic pulsed pyrometer

Surface temperature

Short wavelengths

Emitted radiation

Harsh environment

, active and non-intrusive method

Résumé

Les méthodes optiques passives de mesures de température comme la thermographie ou la pyrométrie optique sont intéressantes car elles permettent une mesure non intrusive de l’objet cible à condition de connaître le facteur d’émission. La connaissance de ce facteur est critique pour déterminer la température de surface par le rayonnement thermique émis dans un domaine spectral. Le pyromètre bichromatique impulsionnel permet de surmonter la connaissance de ce paramètre à condition que le choix des valeurs de longueurs d’onde soit fait avec précautions. Lorsque l’objet à mesurer est situé dans un environnement industriel, de telles méthodes optiques sont fortement perturbées par la présence d’un milieu optiquement absorbant. C’est également le cas pour des objets situés dans des environnements très chauds qui émettent d’intenses radiations interférentes. Dans cette thèse, nous présentons une méthode radiométrique active bichromatique pour mesurer la température d’une surface en milieu industriel. Cette méthode est basée sur une excitation locale par une source laser modulée dans l’infrarouge. La détection de la température qui est corrélé avec l’excitation permet d’extraire par détection synchrone le signal modulé noyé dans un bruit jusqu’à un million de fois supérieur. Travailler à courtes longueurs d’onde (domaine visible et proche infrarouge) offre une grande dynamique et minimise l’erreur induite par les variations d’émissivité avec la longueur d’onde. Ce système collecte le rayonnement émis par l’objet à distance, de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres selon la configuration du système optique. Le principe de la méthode de mesure, le système optique et l’appareillage sont présentés dans ce rapport ainsi que les études théoriques et expérimentales sur la sensibilité, sa calibration et les résultats obtenus sur différents sites industriels.

Optical passive methods of temperature measurements such as thermography or optical pyrometry are very interesting because they allow a non-intrusive measurement with the target object provided to know the emission factor. The knowledge of this factor is critical for determining the actual temperature of a surface from the thermal radiation emitted in a wavelength band. The bichromatic pulsed pyrometer allows to overcome the knowledge of this parameter provided that precautions are taken in the choice of the values of wavelengths. When the object to be measured is placed in industrial environments, such passive optical methods are greatly disturbed by the presence of an optically absorbing medium. It is also distorted for objects located in very hot environments emitting intense interfering radiation. In this thesis, we present an active bichromatic radiometric method for measuring the temperature of a surface in harsh environments. The method is based on a localized excitation by a modulated laser source in the infrared range. Detecting the temperature range which is correlated with the excitation allows a synchronous detection to extract the signal embedded in a noise up to 106 times superior. Working at short wavelengths (visible range and near infrared range) offers a large dynamic range and minimizes the error due to variations in emissivity with the wavelength. This system collects the radiation emitted by the object at a distance from a few meters up to dozens of meters depending on the configuration of the optical system. The principle of the measurement method, the optical wavelength separation system and the telemetry apparatus are presented in this report as well as the theoretical and experimental study of the sensitivity of the device, its calibration and the results obtained in different industrial sites.