Dispositif expérimental et mesure de température par utilisation d’une caméra

a. Dispositif expérimental

Le dispositif employé est similaire à celui présenté au chapitre II. L’avantage de ce dispositif étant de permettre un accès optique en face arrière, aucune modification n’est apportée au dispositif. L’image de la face arrière de la cible en nickel est renvoyée à l’aide d’un miroir infrarouge sur une caméra infrarouge de type Cedip Jade III (figure III.1). La cible en nickel n’est pas déposée directement sur le support isolant, composé de stumatite (conductivité thermique 1 1

1, 39 . .

stum W m K

    ) mais repose sur des picots sphériques en céramique de verre de diamètre 1,5mm (conductivité thermique : 1 1

1, 46 . .

céram W m K

    ) eux-mêmes disposés dans des cavités sphériques aménagées dans le support en céramique de diamètre de 1,9mm. Ces picots sont aux nombres de 3 et sont répartis à angles égaux de 120° afin de maintenir la cible la plus horizontale possible. Ces picots servent en majeure partie à limiter les pertes thermiques par conduction de la cible vers le support en céramique. Des tiges de 1mm de diamètre sont aussi placées autour de la cible de nickel afin de la centrer sur le support et d’empêcher son déplacement. Comme cela a été expliqué dans le chapitre précédent, le porte échantillon abrite les spires d’induction qui permettent de chauffer la cible en nickel.

La caméra infrarouge est une caméra matricielle d’une résolution de 320x240 pixels. Un objectif de 200mm est monté sur la caméra en complément d’une bague allonge de 35mm. La distance focale de 2m permet de placer la caméra à bonne distance de la scène. Pour des raisons de compacité, la caméra est disposée horizontalement sur un rail, au bout duquel un miroir renvoi l’image de la face arrière de la cible (figure III.1). La caméra dispose d’une matrice de détecteur quantique de type Insb (antimoniure d’Indium) fonctionnant dans la bande spectrale 3, 7 5,1 µmet d’un filtre monochromatique permettant de réduire cette bande à 3.974.01µm. Ce type de caméra dispose d’une vitesse d’acquisition élevée (60 images par seconde) mais nécessite un refroidissement permanent, afin de fonctionner à une température inférieure à la température ambiante dans le but de diminuer le bruit thermique.

figure III.1 : Schéma du dispositif expérimental employé pour les mesures de flux par caméra infrarouge.

b. Mesure de la température de la face arrière

Une caméra infrarouge ne mesure pas directement un champ de température, mais un signal (Digital Level)DL_vudépendant du flux de photons arrivant sur la matrice de détecteur, durant le temps d’ouverture de la caméra. Durant ce temps, le flux de photon mesuré DL_vuprovient directement de la face arrière de la cible de nickel, autrement dit, de la scène thermique observéDLst. Il existe aussi une contribution thermique DLblié au bruit dû au rayonnement de la cavité du boitier de la caméra, à la températureT_b. On peut traduire ce signal mesuré par :

Caméra Infrarouge Miroir incliné à 45 Spires d’induction Support isolant en céramique Picots Tiges

 exp

vu st b

DL DL T DL (3.1)

T_exp est la température de la face arrière de l’échantillon de nickel que l’on souhaite déterminée. La contribution DL_bpeut être considérée comme étant le produit de l’émission propre du boitier de la caméra  et de sa températureT_b, auquel il est nécessaire d’ajouter d’une constante correspondant à un offset dû à la conversion analogique/numérique du signal :

b b

DL    T C (3.2) Le flux de photons conduisant au signal DL_vuest la somme de plusieurs émissions (figure III.2) :

 L’émission propre de l’échantillon réfléchie par le miroir : 0 

exp

NiDL T



 L’émission de l’environnement réfléchie par l’échantillon et par le miroir :

1 _NiDL T _env

 

 L’émission de l’environnement réfléchie par le miroir :1DL T _env 0

DL est le flux de photons par pixel provenant d’une référence thermo-rayonnante, à savoir un corps noir (CN), _Nil’émissivité de l’échantillon, le coefficient de réflexion du miroir dans la bande spectrale visualisée par la caméra_{, et} T_envla température de l’environnement ambiant.

figure III.2 : Bilan radiatif de l’installation expérimentale permettant la mesure du flux thermique extrait à la paroi

Il est alors possible d’écrire pour la partie du flux venant de la scène thermique visualisée :

  0    0    0 

exp exp 1 1

st Ni Ni env env

DL T  DL T   DL T   DL T (3.3) qui peut se réécrire :

  0 env DL T   0  1_Ni DL T_env 0  exp NiDL T    0  0

 

  0    0 

exp exp 1

st Ni Ni env

DL T  DL T   DL T (3.4) Ainsi, le flux de photon total reçu par la caméra infrarouge s’écrit sous la forme :

  0    0 

exp exp 1

vu Ni Ni env b

DL T  DL T   DL T DL (3.5) Afin de déterminer la température expérimentale de l’échantillon (la cible en Nickel ici), il est nécessaire de déterminer trois paramètres dans l’équation (3.5), à savoir :

- 0 

exp

DL T , paramètre de la loi du corps noir (CN). - DL_b, paramètre du rayonnement du boitier de la caméra.

- _Ni, produit de l’émissivité de l’échantillon et du coefficient de réflexion du miroir sur la bande spectrale  _{visualisée par la caméra..}

Le paramètre, appelé « paramètre de la loi du corps noir » décrit l’évolution du flux de photon perçue par la caméra en fonction de la température de celui-ci. Ce paramètre ainsi que celui relatif au boitier de la caméra s’obtiennent grâce un étalonnage de la caméra en utilisant ce même corps noir. Il suffit pour cela, de placer le corps noir face à la caméra, ce qui conduit à:

0

st

DL DL . La température du corps noir est ensuite modifiée, en s’assurant que l’équilibre thermique est atteint pour chaque point de mesure, où l’on mesure alors le flux de photons reçu. Cet étalonnage donne l’évolution du flux de photons vu par la caméra infrarouge en fonction de la température du corps noir 0  

,exp exp

vu

DL  f T , T_exp étant connue grâce à une sonde de température placée au sein du corps noir (figure III.3).

figure III.3 : Evolution du flux de photons mesuré par la caméra en fonction de la

température de l’échantillon. Mesures extraites de [59].

400 500 600 700 800 900   exp T C 300 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 ,exp vu DL 0 ,mod vu DL

Le flux de photon reçu par pixel par la caméra infrarouge et provenant du corps noir est directement proportionnel à la luminance du corps noir  0

L_ via un coefficient de proportionnalité, qui dépend des propriétés du détecteur de la caméra, des optiques utilisées ainsi que des paramètres d’acquisition. On peut alors modéliser le flux de photon par l’expression :   0 0 0 ,mod exp vu b b DL T DL DL A L_ DL (3.6) avec A _{une constante de proportionnalité. La loi de Planck donne l’expression de la} luminance du corps noir 0

L_ : 0 ₁ 2 exp exp 1 C L C T          (3.7)

L’équation (3.6) peut se réécrire, en posant₃DL_b :

  0 1 ,mod exp 3 2 exp exp 1 vu DL T T  _           (3.8)

où ₁ AC₁et ₂ C₂. Ces coefficients se déterminent alors en minimisant l’écart entre le flux de photon vu par la caméra 0

,exp

vu

DL connu expérimentalement grâce à un étalonnage, et le flux de photon modélisé de l’équation (3.8) 0

,mod

vu

DL . A l’aide de cet ensemble de coefficient, le paramètre de la loi du corps noir et celui du rayonnement du boitier de la caméra sont connus. Il reste à déterminer le produit _Ninécessaire à la conversion du flux de photon en un champ de température.

Ce produit entre l’émissivité de la cible de nickel _Ni et le coefficient de réflexion du miroir s’obtient grâce à un nouvel étalonnage utilisant la caméra infrarouge. Ce second étalonnage s’effectue dans la configuration nominale de mesure de la température. La face arrière de la cible de nickel, chauffée par induction et dans laquelle est inséré un thermocouple est observée à l’aide de la caméra infrarouge à l’aide du miroir. Le chauffage par induction est ensuite coupé et deux mesures sont effectuées simultanément : à l’aide de la caméra infrarouge, l’évolution du flux de photon durant la phase de relaxation ainsi que la température de la cible de Nickel grâce au thermocouple. L’émissivité de la cible de nickel sur la face arrière_Niétant supposée constante et homogène du fait de l’oxydation de cette dernière (voir le chapitre II), il est alors possible de déterminer le dernier paramètre _Ni

permettant d’accéder à la température de la face arrière, dont l’expression finale est donnée par :

   