Pyro-réflectomètre bicolore à fibres optiques pour mesures “in situ”

HAL Id: jpa-00249367

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Submitted on 1 Jan 1995

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Pyro-réflectomètre bicolore à fibres optiques pour mesures “in situ”

D. Hernandez, E. Milcent

To cite this version:

D. Hernandez, E. Milcent. Pyro-réflectomètre bicolore à fibres optiques pour mesures “in situ”. Journal

de Physique III, EDP Sciences, 1995, 5 (7), pp.999-1011. �10.1051/jp3:1995173�. �jpa-00249367�

Classification

Physics

Abstracts 07.20K

Pyro-r4flectombtre bicolore h fibres optiques pour

_mesures

"in situ"

D. Hemandez _et E. Milcent

Institut de Science et de G6nie des Mat6riaux _et Proc6d6s, BP 5, Odeillo, 66125 Font-Romeu Cedex, France

(Regu

le 5 avril 1994, rdvisd le 18 novembre 1994, accepts le 3 avril

1995)

R4sumd. Cet article est _une synthbse de travaux conduits _pour d6velopper des m4thodes et des systbmes radiom6triques utilisant des fibres optiques _{en vue} de _mesures in situ. Nous

pr6sentons _un pyro-r6flectombtre associant des sondes I fibres optiques, _un module d'6mission I diodes lasers et _un module de d6tection h photodiodes. Le systbme est appliqu6 I la _mesure de temp6rature, de r6flectivit6 _et d'6missivit6 de surface Ies m6thodes _sont valid6es _sur des

6chantillons de propr16t6s _connues.

Abstract. This paper is _a review of studies devoted to the development of methods and radiometric devices in which optical fiber probes _are used for in situ measurements. A pyro-

reflectometer which associates _an optical fibers probe, _a laser diodes emission system ^and a

photodiodes detection system ^is presented. The apparatus ^{is used for} temperature, reflectivity

and emissivity determination; ^{the methods} _are ^field _proven by _a series of measurements.

Nomenclature

I _:

longueur d'onde,

16 _" 1,_{3 ~tm,}

lr

₌ 1, _{55 ~tm}

p(1)

r6flectivit6

rnonochromatique,

_pm

(1)

_: r6flectivitd

monochromatique

mesur4e

e(1)

dmissivit6

monochromatique

@I

angle d'incidence,

_@r

angle

de r6flexion, _@a

angle

d'ouverture des fibres

Qi

angle

solide d'4clairement d'un d16ment de surface de la fibre d'illumination _vers Sc fir

angle

solide

d'injection

dans la fibre d'observation

depuis

_un 61dment de surface de Sc

4l(1)

flux

monochromatique

d'illumination

r(I)

_: coefficient

monochromatique

de transmission du

syst4me optique

relatif _aux

propr16t6s optiques

des di1f6rents composants

(fibre optique, filtres,

miroir, lame

s6paratrice...

S(I)

sensibilitd

monochrornatique

du ddtecteur

P(I)

facteur de perte

monochromatique

de la fibre

optique

relatif _aux att6nuations propres h la

configuration

_: courbures des

fibres,

salissures de la face

optique, connectique

L°(I,T)

luminance

monochrornatique

du

Corps Noir,

=

Ci/(l~

_exp

(C2/(lT) I)

loi de Planck

(Ci

et C2 constantes de

Planck),

m

Ci/(l~

_exp

(C2/(lT)) approximation

de Wien

L(I, T)

_: luminance

monochromatique

d'un corps

rdel,

=

e(I, T)L°(I, T)

© Les Editions de Physique 1995

L'(I)

luminance directionnelle

monochromatique

de l'extr6mit6 de la fibre d'illumination

L"(I)

luminance directionnelle du flux r6flechi _{par un} 616ment de surface de SC et issu de la fibre d'illumination

(directions

d'incidence et de r6flexion ddfinies _par

@I et @r)

T _:

temp6rature r6elle,

To

temp6rature

ambiante,

Ts temp6rature

du support de chauife

Tc teInpdrature

de couleur ddfinie _par la relation _: L°

(lr, Tc) /L° (16, Tc

₌

L(lr, T) /L(16, T)

SF ^surface de _cceur des fibres

optiques

SE ^surface totale 6dair6e _par la fibre dans le

plan

de l'dchantillon

Sc surface

correspondant

it l'intersection des surfaces illulnin4e et observ6e dans le

plan

de l'6chantillon

D

signal

ddtect4

r rayon de _cceur des fibres

optiques

d _: distance

d'observation,

dM _i distance d'observation

correspondant

_au

signal optiInal

a

1/2

entre-axe des fibres optiques

e 4cartement des fibres optiques

(e

=

2(a r))

k coefficient de

proportionnalit6

Symboles

°

d6signe

une valeur de rdfdrence

'

d6signe

une valeur directionnelle

~

d6signe

une valeur relative _au mode d'6mission

~

d6signe

une valeur relative _au Inode de r6flexion.

Introduction

La1nesure de la temp6rature _par voie optique ^ndcessite la connaissance de l'dmissivitd de la surface observde. Diverses mdthodes et bancs de _mesures ont 6t6

d4veloppds

_pour d6terminer

ce

paramAtre

fondamental

ill analyse bichromatique

_[2] et

polychromatique

du rayonnement

(3-5],

d6termination indirecte de l'dmissivit6 _{par mesure en} rdflexion

[6,7]

ou en absorbtion [8],

analyse

de la

polarisation

du rayonnement 6mis _ou r6fl6chi [9,

lo],

utilisation de modules

r6flecteurs augmentant ^les 41nissivit6s apparentes

ill,12].

Toutefois,

le

problAme

de la ddtermination simultande de la

ternpdrature

et de l'dmissivitd

en condition in situ reste trks souvent entier.

Pour notre part, nous nous sommes attachds it

ddvelopper

_un

systAme

et des mdthodes _pou-

vant

rdpondre

it _ce besoin _en conditions

extrAmes(

haute tempdrature, accAs difficile

...).

Le

pj,ro-rdflectomAtre

Iris _au point associe de fa&on modulaire _une sonde Inunie de liaisons it fibres

optiques,

_un module d'dmission et un module de ddtection de rayonnement.

Les mdthodes sont basdes _sur des _mesures

bichromatiques

de flux radiatifs drnis et rdfl6chis.

Dans le _cas

g6n6ral,

elles permettent ^la d6terlnination de la

temp6rature

de couleur, de la r6flectivit6

Inonochromatique

directionnelle et, _pour des corps opaques ^et

diifusants,

la ddter- mination de l'6missivit6

monochromatique (m6thode indirecte)

et la

temp6rature

r6elle.

1.

Description

du

Pyro-Rdflectomktre

bicolore h fibres

optiques

L'appareil d6velopp6

est schdmatis6 _sur la

figure

I. On _y

distingue

trois _sous ensembles _une sonde de _{mesure avec ses} liaisons h fibres optiques, un

stage

d'6mission et _un

stage

de d6tection.

La sonde de _{mesure est} constitu6e de deux fibres

optiques plac6es

h l'int4rieur d'une protec- tion

mdcanique

et

thermique

de dimensions r6duites

(longueur

60 _mm, diamAtre 4

mm).

Les fibres utilis4es sont _en silice de type ^multimode et it saut d'indice

(diamAtres

du _cceur

ENV,

5

7

~

p

T,

Fig. 1. Sch6ma du pyro-r6flectombre P-M-T- Protection m6canique et thermique B-E- _: Etage

d'6mission MES. Zone _mesure F-O- Sonde fibres optiques ENV. Environnement s6vbre

B-D- Etage de d6tection P.

: Plan 6chantillon. 1) Coupleur Y k fibre optique diodes lasers-fibre d'illumination 2) S6parateur optique L lentilles de collimation

ou de focalisation S lame s6paratrice dichroique M miroir de renvoi F filtres monochromatiques (b 1,3 _~m et _{r :} 1,55

~m)

3) Diodes lasers

(a

: 1,3 _pm et b 1,55

pm)

4) Photodiodes

(InGaAs)

5) Commutateurs "tout _ou rien"

command6s par la base de temps 6) Commutateurs de tri command6s par la base de temps 7)

Base de temps 8) M6moires analogiques

(6chantilloneurs bloqueurs)

_a

~(Ab)

flux d'6clairement I 1,3 _pm, b

~(Ar)

flux d'6clairement k 1,55 _{pm, c}

D~(Ar,

T) _mesure 6mission propre h 1,55 _pm, d

D~+~(Ar,T)

mesure 6mission propre + r6flexion k1,55 _{pm, e:}

D~(Ab,T)

mesure 6mission _propre k

1,3 _pm, f:

D~+~(Ab, T)

_mesure 6mission _propre + r6flexion I 1,3 _pm 9) Connecteurs fibres optiques.

[Pyro-r6flectometer

diagram P-M-T-: Thermomecanical protection, B-E- Emitting device, MES.: Mea-

surement area, F-O-: Optical fibers probe, ENV.: Rough environment, B-D-: Detection device, P.:

Sample plane. 1) Laser diodes to lighting fiber injection; 2) Optical separator: L collimation _or foca- lization lenses, S dichroic beam separator, M miror, F monochromatic filters (b: 1.3 pm and

r: 1.55

pm);

3) Lasers diodes (a: 1.3 pm and b: 1.55

pm);

4) Photodiodes

(InGaAs);

5) Laser diode drivers connected to time base; 6) Selection commutator drived by the time base; 7) Time base; 8) Analogic memories; _a: ~(Ab) laser lighting flux _at 1.3 pm, b:

~(Ar)

laser lighting flux at 1.55 pm, c:

D~(Ar,T)

sample emitted flux at 1.55 _pm, d:

D~+~(Ar,T)

sample emitted and reflected flux at 1.55 _{pm, e:}

D~(Ab,

T) sample emitted flux at 1.3 pm, f:

D~+~(Ab,

T) sample emitted and reflected flux at 1.3 _pm;

9) Optical ^fibers

connections.]

et de la

gaine

optiques 200 et 280

~tm).

Leurs

propridtds intrinsAques (tenue

_en

terl~p6rature, flexibilitd,

faibles dimensions, insensibilitd _aux

perturbations dlectromagndtiques)

_en font _un composant ^{de choix} pour la r6alisation de capteurs

d6port6s adapt6s

aux environnements sd- vAres et

l'implantation

de liaisons

souples.

Afin de _{conserver ces} avantages et de s'aifranchir des

op6rations

de mise _au

point,

elles _sont utilisdes _nues, c'est h dire _sans

optique

_sur leur face

d'observation.

Les deux fibres

optiques

de la sonde sont

g4n6ralement dispos6es parallAlement

et en vis6es normale it la surface de l'6chantillon. Dons le _cas des _mesures

directionnelles,

elles sont

s4par6es

et

disposdes

_{avec un} 6cartement

angulaire r6glable.

L'une des fibres est

coup16e

it

l'6tage

d'6mission _et joue le r61e de _source d'illumination de l'6chantillon la seconde est rel16e it

l'6tage

de

d6tection,

elle observe la surface _en

regard

et

joue

le r61e de capteur et de

guide

de rayonnement ^dmis et r4fl6chi.

L'6tage

d'61nission utilise deux diodes laser

pulsdes

centrdes

respectivement

it 16 et lr. Elles sont, d'une part,

coupldes

h la fibre d'illulnination _{par un} composant ^{h fibre} ofitique de type

Y

qui

_assure

l'injection

de deux flux

monochromatiques

et, ^d'autre part, ^command4es par une

base de temps

qui

fixe la

fr4quence (1 Hz)

et la durde du

pulse

d'illumination

(I

_~ts).

L'6tage

de d6tection

comprend

_un ^bloc

optique

et _un module

61ectronique.

Le

premier

_assure la

s6paration

et la s61ection

spectrale (lame s6paratrice dichroique,

filtres interf6rentiels centr6s h

16

et

lr)

des flux radiatifs vdhicu16s _par la fibre d'observation le

second,

leur d4tection

(photodiodes InGaAs)

et le traitement des

signaux.

Les

4tages

d'6mission et de ddtection _sont relids _par la mime base de temps.

Lorsque

les _me-

sures sont eifectu4es

pendant

le

pulse

d'6mission des diodes laser, elles sont

sp6cifiques

du

rayonnernent 4mis et r6fl6chi

lorsqu'elles

sont r6alisdes hors de cette

phase,

elles _sont uni- quement ^rel16es au rayonnement 6mis. Les

signaux

d6tect6s sont tr16s _en fonction de cette classification et des

longueurs

^d'ondes

(D~+~(lb)> D~+~(lr), D~(16), D~(lr))

_{puis trait6s}

61ectroniquernent

_ou

numdriquement

_pour la d6termination de la

temp6rature

de couleur

(Tc)

et des r6flectivit6s

monochromatiques

directionnelles

(p$(16), p$(lr)).

Dans le _cas des _corps opaques ^et

diifusants,

le traitement aboutit it la d6termination des 6missivitds monochroma-

tiques (e(16), e(lr))

et de la

temp6rature

rdelle

(T).

2. M4tl~odes de _{mesures :}

reflectivitd, tempdrature

de couleur

Depuis

les travaux

respectifs

de Dills [13] ^{et Traverse} [6], les fibres optiques et le principe de l'illulnination ont 6t6

largement

utilis6s _pour, d'une part, la _mesure de la

temp6rature

et,

d'autre part, la ddtermination simultan6e de l'4missivit4 et de la

tempdrature.

Notre apport a consistd h valider _ces

techniques

assoc16es h des Indthodes de _mesures

adapt6es

aux conditions

op4ratoires

^induites _par un environnement s6vAre

(haute temp6rature,

accAs

difficile)

et l'utilisation de fibres optiques "nues".

2.I. MESURE DE LA TEMPLRATURE _{DE couLEuR. Le}

pyre-r4flectomktre

_mesure le flux

therrnique

4mis par l'4chantillon _pour deux

longueurs

d'ondes

(16

et

lr)

_et,

aprAs traitement,

d61ivre la

temp6rature

de couleur

correspondante Tc.

Ce choix de

technique bichrornatique

est lid it

l'expression g6n6rale

du flux

monochromatique

d6tect6

D~(I, T)

=

kL(I, T)r(I)S(I)[I P(1)] (1)

En

eifet,

_pour des environnements

sdvAres,

le facteur de perte P

pr6sente

_un caractAre _va- riable _en fonction de

l'implantation (courbures, connectiques)

et

parfois

dvolutif

(salissure, vieillissement).

Ces conditions rendent les

procddures d'6talonnages particul14rement

lourdes

en mode

monochromatique

alors

qu'elles

_ne les aifectent _{pas en} mode

bichromatique

dans la

mesure oh les pertes restent relativement _{constantes pour} les deux

longueurs

d'ondes [14].

Le module

61ectronique

de traitement est con&u pour que ses fonctions

(diviseur, amplifica-

teur

logarithmique, gain

_:

A,

offset

B)

traduisent la relation

luminance-temp4rature

_correspon-

dant it

l'approximation

de Wien. Le

systAme

d61ivre la telnp6rature de couleur de l'dchantillon selon

l'expression

Tc ₌

A/lLog(D~(>r> T)/D~(>b, T)) Bl (2)

avec : A et B paramAtres

d'6talonnage rdglables,

Tc

= T _pour

e(16)

"

e(lr)

2.2. MESURE _DE R#FLECTIVIT#. La rdflectivitd est ddterminde _par

comparaison

des flux mesur4s r6fldchis _par l'4chantillon _{et une} rdfdrence de

propridtds

_connues, tout deux 4tant

pla-

c6s dans les mimes conditions d'illumination et d'observation.

L'utilisation de fibres

optiques

"nues" pose le

prob14me

de la d6finition de la r6flectivitd _mesu- r6e leur

emploi

_en conditions in situ, celui du contr61e des conditions

g60rndtriques.

~j~ §~~ j~~~

^a

3

4 3

s

~

' ' j

'

,'

_j

' j

Fig. 2. Sch6ma du montage pour la _mesure de r6flectivit6 directionnelle

I)

Diode laser, 2) Photo- diode, 3) Filtre monochromatique,

4)

Angle d'incidence 6,, 5) Angle de r6flexion 6r, 6) Fibre d'illumi-

nation, 7) Fibre d'observation.

[Directional

reflectance device diagram: 1) Laser diode, 2) Photodiode, 3) Monochromatic filter, 4) Incident angle 6,, 5) Reflectance angle 6r, 6) Lighting fiber, 7) Receiving

fiber.]

2.2.1. MesI~res directionnefles. Les _mesures directionnelles ont 4t4 r4alisdes it

ternp4rature

arnbiante dans les conditions

pr6sentdes

_sur le schdma de la

figure

2.

La r4flectivit6

monochromatique

directionnelle ainsi mesur6e peut se d6finir _comme le rapport du flux r6fl6chi _par la surface

Sc

et

injects

darts la fibre d'observation _sur le flux incident issu de la fibre d'illumination

(surface

de _cceur SF et illuminant

Sc.

p$(I, To)

"

/ / L"(I)cos@rdordsc/ / / L'(I)cos@idojdsf (3)

Sc Q~(d,SF,ba) SF Q,(d,Sc,bo)

Le facteur mesur4 _sera d'autant

plus proche

de la rdflectivit6

monochromatique

bidirectionnelle que la surface de _cceur des fibres

SF

et leur

angle

d'ouverture _@a seront foibles _{et que} les

propr16t6s

de l'6chantillon seront Lambertiennes.

Afin

d'appr4cier

la r4solution directionnelle du

dispositif,

_{nous avons}

proc4d6

it des _mesures

sur des 6chantillons de

propr16t4s

_connues et

caract6ristiques

de

plusieurs

types ^{de rdflexion}

une surface

sp4culaire (or poli)

une surface diifusante

(rdfdrence

commerciale

Spectralon

de la Soc16t6

LabsphAre)

une surface orient6e

(dchantillon

dont la surface

pr6sente

_une microstructure orientde de

ZrB2

r6alisde _par

D6p6t

_en Phase

Vapeur)

Les r4sultats obtenus sont rassernb16s _sur la

figure

3.

Pour chacun des _cas

d'espAces,

les indicatrices de r6flexions sont _en accord _avec la

particularit4

de la surface ainsi

qu'avec

des _mesures de vdrifications r6alis6es it l'aide d'un montage

dassique

_:

source laser collirnat6e et ddtecteur muni d'un

diaphragme

_en lieu et

place, respecti,,ement,

^de

la fibre d'illumination et de la fibre d'observation.

L'analyse

de _ces rdsultats montre que, bien

qu'utilisdes "nues",

les fibres

optiques

restent

appropr14es

_{aux mesures} directionnelles.

° to

~ to

ao aa

so so

40 4a

so

~ to

a)

so

b)

so

C)

Fig. 3. Indicatrices de r6flexion des 6chantillons de r6f6rences _:

(.)

_: Points _mesures h A

= 0, 81 pm

a)

R6f6rence diffusante,

b)

R6f6rence sp6culaire, c) R6f6rence orient6e.

[Directional

reflectance results for particular samples: (m): Measures at

= 0.81 _pm a) Diffuse refe- rence,

b)

Specular reference, c) Oriented

reference.]

2.2.2. MesI~res de rdflectivitd et de distance. La ddterInination de la rdflectivitd _{par Inesure} comparative n6cessite la maitrise des conditions

g60m6triques.

Cette

obligation

peut Atre cri- tique _en environnement s6vAre.

Or,

de par son principe [15], ^{la sonde bifibre} permet le contr61e du

paramAtre fondamental,

la distance d'observation.

La m6thode de _{mesure a} 6td valid6e it

temp6rature

ambiante

(absence

de rayonnement ^ther-

mique 4mis)

et it l'aide du

dispositif

sch6matis6 _sur la

figure

4. Les fibres d'illumination et

d'observation sont

dispos6es parallAlement

et _en vis6e norrnale. Les 6chantillons choisis sont des r4f4rences diifusantes et oifrent

plusieurs

niveaux de r6flectivit6

(rdf6rences

commerciales

Spectralon

de la Socidtd

LabsphAre).

La rdflectivit4

monochromatique

mesur4e n'est pas fonction de la direction et

correspond

_au

calcul

pm(>,To)

=

lD~(>,To)/D°(>,To)lp°(>,To) (4)

Avec _un

signal

^{d4tect4 de la} forme

D~(I,To)

=

kr(>)s(>)(i P(>))pm(>,To)~(>)r~/(2d~) (5)

Le coefficient de

proportionnalit4

k peut ^Atre

approchd

_par le calcul du rapport ^{de surfaces}

mw m~mm d

a

3~

^-

')j

==j"

j~aa$ '$'

'I '/~'

_.=" ."

~

).

Sc

Fig. 4. Sch6ma du montage _pour ^la mesure de r6flectivit6 _en vis6e normale

I)

Emission 2) D6tection 3) Angle d'ouverture Ho, d Distance d'observation, _a

1/2

_entre

axe F-O- _e dcartement F-O-

[Normal

reflectance device diagram: 1) Emission, 2) Detection, 3) Aperture angle _Ho, d: Observation distance, _a:

1/2

O-F- inter axis, _e: O-F- inter

distance.]

Sc/SE

_{et, en} assiInilant l'extr61nit6 des fibres it _un

point,

_{on a}

k ₌ 2

arctan

((dtan@a)~ a2) la (dtan@o)~ a~/(dtan@o)~

^a2

/ ix (dtan@o)~j (6)

Pour _une

configuration

de sonde donn6e

(a,

_go et r

fix6s),

la d6riv4e de

l'6quation (5)

_en

fonction de d montre

qu'il

existe _une distance d'observation _pour

laquelle

le

signal

d6tect6 _sera Inaxilnum

dM _" 1,

714a/ tango (7)

Dans _ces conditions, ^la m£trise des conditions

g60m6triques

est tide _au seul contr61e de la distance d'observation qui est obtenu _par

l'analyse

de la variation du

signal

_en fonction de d.

La

figure

5 perInet de coInparer les r6sultats

exp4rilnentaux correspondant

h la d6termination de dM et h la variation relative du

signal

d4tect6 _aux calculs obtenus h partir des

6quations (5), (6)

et

(7)

_pour

plusieurs configurations

de sondes. On constate que, bien _que

l'approche

th60rique

soit

simplifi6e,

les r6sultats sont _en accord.

La

figure

6 permet de comparer [es valeurs

exp6rimentales

et

th60riques (5)

relatives it la variation du flux r6fl6chi ddtect6 _en fonction de la distance. Elles sont en accord _entre elles et avec la courbe de r6ponse

caract6ristique

des capteurs ^bifibres [15] une partie lin4aire it

gauche

du maximuIn et en

(I/d~)

h droite.

Il taut toutefois remarquer que trAs prAs de la

surface,

alors que Sc tend _vers

z4ro,

le

signal

lui

n'y

tend _pas. On peut penser que les

ph6nomAnes

de diffusions _en surface viennent

61argir

la surface illulnin6e et "bruiter" la r6flexion _pure.

Enfin,

la

figure

7 rend compte ^des Inesures par coInparaison eifectu6es _sur les r6f6rences commerciales _en fonction de la distance. Les r4flectivit4s

monochromatiques

d4termin4es selon

l'dquation (4)

sont en trAs bon accord _avec les valeurs relatives h

chaque 4chantillon, except4

tout

prAs

de la surface oh le

phdnomAne

observd _sur la

figure

6 vient invalider la m4thode. Pour

pallier

h cet

inconvdnient,

il suffit de _se

placer

_au dell de dM.

L'enselnble des r4sultats obtenus _nous permet de condure _que la sonde bifibre est

adapt4e

h

la _mesure de rdflectivit4 par

comparaison.

~~~~~~~'~~) ~~

fill

o. o

o. i

o

o.

o

2 ^o

o o

0.2

o. i o

0.1 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 _fin

e

Fig. 5. Evolutions du flux maximum d6tect6 et de la distance optimale d'observation

en fonction de I'6cartement _e pour des fibres optiques de 200 pm de _cceur

(x)

Flux maximum mesur6,

(+)

Distance

optimale mesur6e, 1) Courbe de flux maximum calcuI6, 2) Courbe de distance optimale calcuI6e.

[Optimal

observation distance and maximum flux _versus optical fibers probe inter distance

(O.F.

diameter ₌ 200

pm) (x)

Measured maximum flux,

(+)

Measured optimal distance, 1) Calculated

maximum flux Curve, 2) Calculated optimal distance

Curve.]

3, Mesures simultan4es de l'4missivitd _{et de} la

tempdrature

De fa&on

g4n6rale,

la d6termination de l'6missivit6 des corps opaques par voie indirecte n4cessite

la _mesure de la r6flectivit6 directionnelle

h6misph4rique

et se limite it _une seule direction

d'observation _pour le _cas particulier des surfaces Lambertiennes. Bien _que la sonde it fibres

optiques

soit

adaptable

_aux deux types de _{mesures, nous}

pr6sentons

uniquement des r6sultats

relatifs it des 6chantillons de la seconde famille.

Les conditions

op6ratoires correspondent

it celles de la

figure 4,

l'6chantillon 6tant cette fois ci it _une

temp6rature

T > 500 °C.

La m6thode _est bas6e _{sur un}

cycle

^de trois _mesures eifectudes _par le

pyro-r6flectomAtre

_pour

chacune des deux

longueurs

d'onde 16 et

lr

D~+~(l, T)

_mesure du flux 6mis _et r6fl6chi _par l'dchantillon.

D~

ii, T)

_{: mesure} du flux 6mis par l'6chantillon.

D°(I, To)

_mesure du flux rdfl6chi _{par une} r6fdrence de

propr16tds

Lambertiennes, h

temp4rature ambiante, plac6e

dans les mAmes conditions

g60mdtriques

_que l'6chantillon et de r6flectivit6

monochrornatique p°(I, To)-

,y ~R 200 180

160 ~

140 + 120

+

+

20

0 2 3 4 5 _{d nn}

Fig. 6. Evolution du flux r6fl6chi mesur6

en fonction de la distance d'observation _: (+) Mesures Modkle.

[Reflected

flux _versus observation distance: (+) Measures, Calculated results

Curve.]

I

loo

x ao REF. 7e

.

"

W ^"

~ ~

. .

"

REF. eo

"

x x

U ~ ^x

x

~

~ _x

REF. ~o

~ X

~~~~

REF. ~

O

O O.E I I-E ~ ~.E B

d _{en mm}

Fig. 7. Mesures de r6flectivit6 normale _en fonction de la distance Valeur du standard,

(I),

(x),

(A), (+)

_: Mesures.

[Normal

reflectivity measurement versus observation distance: Standard value,

(I), (x), (A),

(+): Measures.]

La r6flectivit4

monochromatique

est calcu16e selon

l'expression p(I, T)

=

[(D~+~(l,T) D~(I, T))/D°(I, To)jP°(I, To) (8)

L'4missivit6

monochromatique

est d6terrnin6e _par la relation

e(I, T)

= I

p(I, T)

_[16]

(9)

Le

pyro-r6flectomAtre

permet donc la _mesure et la d6termination simultandes de la tem-

pdrature

de couleur de l'6chantillon Tc et des 6missivitds

monochromatiques

it 16 et lr la

temp6rature

rdelle T est d6duite _par calcul it6ratif des

6quations

de d6finitions de base _:

e(lr,T)L°(lr, T)le(16, T)L°(16, T)

=

L°(lr, Tc)/L°(16, Tc) (lo)

Les rdsultats

exp6rimentaux prdsent6s correspondent

_iL des

cycles

de chauife eifectuds _sur des

poudres

de terres _rares

d6pos6es

_par sddimentation _sur des rubans de

platine

chauifants dont la

temp6rature

Ts est contr616e par

thermocouple.

Ces mat6riaux _se caract6risent par un

comportement Lambertien et des

propr16t4s

optiques variables it16 et lr

ii?,18].

La

figure

8 rend compte des _mesures obtenues _sur

l'oxyde

de

Prasdodyme.

Lors du

cycle

de chauife les 4missivit4s varient _en fonction de T _{et restent}

(gales

_pour 16 et lr. Nous _nous

trouvons dans le _cas id4al

d'application

de la

pyrom4trie bichromatique

la

temp4rature

de

couleur Tc est

identique

h la

temp4rature

r4elle T et _en accord _avec la

temp4rature

du support Ts.

Tap. c

go)

isoo 1350

~

e(1~)

1200 1050

~~

° o E(~k

)

900

~ ~O is ^~

750 +~o°

Tc 600

450 300 iso

0.0 7,4 14.8 44.4 66.6 74.0~~~

Fig. 8. Rdsultats des

mesures de tempdratures et d'dmissivitds _sur Pr203 _{au cours} d'un cycle de

chauffe.

[Pr203

temperature and emissivity measurement results during a thermal cycle.]

TEXP.

e(h)

4000 3600 3200 2800 2400

+

e(h~)

2000 1600 1200

~~

Boo

<oo

Fig. 9. Rdsultats des _mesures de temp6ratures et d'dmissivit6s _sur Dy203 _{au cours} d'un cycle de

chauffe.

(Dy203

temperature and emissivity measurement results during _a thermal cycle.]

La

figure

9 rend compte ^des mesures obtenues _sur

l'oxyde

de

Dysprosium.

Lors du

cycle

de chauife

e(16, T)

_>

e(lr, T)

et leurs 6volutions _en fonction de T sont di1f6rentes. La

temp6rature

de couleur Tc est

largeInent sup6rieure

h la

temp6rature

r6elle T obtenue par calcul alors _que

cette demiAre _{reste en} accord _avec la

temp6rature

du support

Ts.

Nous _{nous trouvons} dans

un cas oh la pyrom6trie

bichromatique

induit _{une erreur}

largement

prohibitive _que le pyro- r6flectom4tre

parvient

h cornpenser.

4, Discussion-Conclusion

L'enselnble des _Inesures r6alis6es _a

montr6,

d'une part, _que les fibres

optiques

utilisdes "nues"

6taient

adaptdes

it la ddtermination de la rdflectivitd

spectrale

directionnelle et, d'autre part,

que le

pyro-rdflectomktre

s'appliquait it la ddtermination simultan4e de l'4missivitd monochro- matique et de la

temp6rature

des corps opaques ^et diifusants. La mise _en pratique de la m6thode par coInparaison dtant _par ailleurs facilit6e _par la

possibilitd

de contr61e de distance oiferte _par la sonde bifibre.

Les m4thodes ont 6t6 6valu6es _avec succAs _sur des r6f6rences _{connues sans} que l'on _en aft

analys6

les _causes d'erreuis. Ces dem14res

correspondent

it des

paramAtres intrinsAques

tels que l'ouverture

nu1n6rique

des

fibres,

les

proc6dures d'dtalonnages

et it la maitrise effective des

conditions

g601ndtriques

de la1nesure.

Le domaine

d'application d6pend

directement des

propr16t6s

directionnelles des coefficients optiques des mat6riaux.

Adapt6e

_aux surfaces diifusantes et,

th60riquement,

_aux

sp6culaires,

la m6thode

pr6sent6e

dans le

paragraphe

3 n'est _pas utilisable dans le _cas de comportements

quelconques

la rdflectivit6

comp14mentaire

de l'4missivit6 devant alors Atre d6terminde de

fa&on h6misphdrique

_[16].

Toutefois,

les sondes it fibres

optiques

restent _une voie de _mesure

bien _que leur utilisation in situ soit

plus

difficile.

En conclusion, si les

sjstAmes photoniques

_ne s'avArent _pas, tout _comme leurs

pr6d6cesseurs,

des

systAmes universels,

ils n'en sont pas moins tr4s intdressants de par

leur

simplicit6

de mise _{en ceuvre}

proche

des conditions

industrielles,

leur

possibilit6

d'utiliser des sondes

adapt6es

_aux environnements

s6vAres,

leur

ad6quation

_aux

ph6nomAnes transitoires,

le nombre

important

de

param4tres physiques auxquels

ils donnent

acc4s,

leur modularitd et leur caractAre 6volutif.

Les rdsultats obtenus it _ce

jour

_en

font,

de _par leur

pr6cision

et leur

reproductibilit6,

des instruments trAs attractifs dans _un domaine oh des _mesures

primordiales,

telles _que celle de la

telnp6rature,

restent difficiles.

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