Étalonnage des thermomètres infrarouges : corps noir, émissivité et taille de la cible

Que mesure réellement un thermomètre infrarouge?

Un thermomètre infrarouge, aussi appelé thermomètre à rayonnement ou pyromètre, fonctionne comme un appareil photo. Une lentille et un filtre passe-bande concentrent le rayonnement thermique sur un détecteur, et l'appareil convertit le signal en température (NPL Good Practice Guide No. 125, chapitre III). Comme il lit le rayonnement et non la température d'un capteur au contact de l'objet, il doit être étalonné sur une source connue de rayonnement thermique.

La bande spectrale dépend de la température visée. Les appareils pour la température ambiante travaillent le plus souvent entre 8 µm et 14 µm, d'autres entre 3 µm et 5 µm, et les appareils pour les hautes températures, au-dessus d'environ 700 °C, entre 0,65 µm et 1,0 µm (NPL GPG 125).

Quelles normes couvrent l'étalonnage des thermomètres infrarouges?

L'ASTM E2847 ne couvre ni les appareils au-dessus de 1000 °C ni les appareils à bande étroite, et ne traite pas de la conception des thermomètres infrarouges. Elle peut aussi s'appliquer à d'autres thermomètres à rayonnement et aux caméras thermiques.

Cavité à corps noir ou source à plaque?

Le NPL Good Practice Guide No. 125 appelle le corps noir la condition de référence : un étalonnage utilise une source de température connue avec une émissivité de 1 ou proche de 1, et les étalonnages à d'autres émissivités peuvent ensuite se calculer. Une cavité bien conçue s'en approche beaucoup. Les sources à température variable du NPL atteignent en général au moins 0,999, et le NPL indique qu'une cavité bien construite peut dépasser 0,9999. La température vient d'un capteur de contact étalonné, comme une sonde à résistance de platine ou un thermocouple, qui assure la traçabilité à l'EIT-90. Souvent, la cavité et le capteur sont étalonnés ensemble par rapport à un corps noir de référence.

Les cavités peuvent être grandes et lentes, aussi les plaques noircies, généralement rainurées, sont courantes. Une plaque est chauffée par l'arrière et porte un capteur près de sa surface. Comme la surface est exposée, son émissivité sera probablement nettement inférieure à 1, et il existe des écarts de température le long de la plaque et entre le capteur et la surface. Le guide du NPL indique que la plaque elle-même doit être étalonnée par rapport à un corps noir de référence.

• La traçabilité métrologique expliquée
• Incertitude du capteur de contact de la source
• Comment établir un budget d'incertitude de mesure

Comment régler l'émissivité pendant l'étalonnage?

Accordez le thermomètre à la source lorsque le réglage peut être changé. Le paragraphe 4.1.1 de l'IEC TS 62492-1:2008 donne les valeurs de la fiche pour un réglage d'émissivité de 1, sauf indication contraire, et pour un appareil à réglage fixe différent de 1 il exige que cette valeur soit indiquée avec la spécification.

Une surface réelle réfléchit aussi le rayonnement de son environnement. Le NPL Good Practice Guide No. 125 écrit la luminance qui atteint le thermomètre sous la forme L = εL(Ts) + (1 − ε)L(Tb), où ε est l'émissivité, Ts la température de la surface et Tb la température du fond. Avec une cavité et un réglage de 1, le second terme est proche de zéro. Avec une plaque, ou un thermomètre à réglage fixe différent de la source, utilisez cette relation pour calculer ce que le thermomètre devrait lire à partir de l'émissivité de la source et de la luminance du fond. L'ASTM E2847 donne le montage d'essai et une structure de calcul de l'incertitude.

Un certificat ne dit rien de l'émissivité de votre propre pièce. Le NPL prévient que des erreurs de plusieurs dizaines de degrés sont courantes lorsque l'émissivité d'une surface est mal estimée : l'utilisation en service demande donc son propre contrôle, avec une valeur connue pour ce matériau, ou un revêtement à forte émissivité lorsqu'il est permis (NPL GPG 125).

Distance, taille de la cible et effet de taille de source

Le rapport de distance, souvent noté D:S, est la distance de mesure divisée par le diamètre du champ de mesure (IEC TS 62492-1:2008, paragraphe 3.1.6). Un thermomètre de 12:1 à 300 mm voit une cible de 25 mm de diamètre. La spécification devrait indiquer à partir de quelle partie de l'appareil la distance est mesurée (paragraphe 4.1.1.4.2), et l'étalonnage devrait utiliser ce point.

Le champ de mesure n'a pas de bord net. Le paragraphe 4.1.1.5 de l'IEC TS 62492-1:2008 le définit donc comme le diamètre qui contient une fraction déclarée du signal, au moins 90 % et typiquement 90 %, 95 % ou 99 %. Une partie du rayonnement venant de l'extérieur de ce cercle atteint quand même le détecteur, et la lecture change donc avec la taille de la zone rayonnante. C'est l'effet de taille de source (paragraphe 3.1.7). Le guide du BIPM sur la thermométrie par rayonnement l'attribue à la diffusion et aux réflexions dans l'optique et indique que la poussière sur l'objectif peut le modifier.

Il en découle deux règles pratiques. Utilisez une source nettement plus grande que la cible déclarée, comme le conseille le guide du NPL pour toute surface mesurée. Et testez l'effet : changez l'ouverture de la source ou la distance et voyez si la lecture bouge. Le paragraphe 4.1.1.7 de l'IEC TS 62492-1:2008 compare le champ de mesure nominal avec le double de sa surface.

Quelles conditions ambiantes comptent?

• Mise en température. Laissez d'abord le thermomètre se stabiliser dans la pièce. L'IEC TS 62492-1:2008 tient ses spécifications pour valables après le temps de mise en température et dans des conditions ambiantes stables, et définit une incertitude supplémentaire lorsque la température propre de l'appareil s'en écarte (paragraphe 3.1.10).
• Réflexions. Les lampes, les appareils de chauffage et même les personnes s'ajoutent au signal à basse température (NPL GPG 125). Une plaque réfléchit une partie de son environnement : gardez-le donc stable.
• Ligne de visée. La poussière, la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone peuvent absorber ou diffuser le rayonnement (NPL GPG 125). Gardez le trajet court et dégagé.
• Lentille. La poussière sur l'objectif peut modifier l'effet de taille de source (guide du BIPM sur la thermométrie par rayonnement). Nettoyez-la comme l'indique le fabricant.
• Enregistrez la température et l'humidité de la pièce, car un effet d'humidité peut aussi être déclaré (IEC TS 62492-1:2008, paragraphe 3.1.11).

Quelle différence entre une vérification d'exactitude et un étalonnage?

Le titre de l'ASTM E2847 porte à la fois sur l'étalonnage et sur la vérification d'exactitude. Un étalonnage compare le thermomètre à une source traçable dans des conditions déclarées et indique l'erreur et son incertitude en chaque point. Une vérification confirme que le thermomètre se comporte encore correctement, en un ou quelques points, et elle ne remplace pas un étalonnage ni ne repousse l'échéance.

Une vérification n'a de sens que si elle est répétée dans les mêmes conditions : même source stable, même distance et même réglage d'émissivité, comparés aux résultats antérieurs. Le paragraphe 6.4.10 de l'ISO/IEC 17025:2017 exige une procédure pour les vérifications intermédiaires lorsqu'elles sont nécessaires pour maintenir la confiance dans l'équipement.

• Étalonnage ou vérification
• Vérifications intermédiaires entre deux étalonnages

Pyromètres, appareils à bande étroite et très hautes températures

L'ASTM E2847 s'arrête à 1000 °C et exclut les appareils à bande étroite. L'ASTM E1256 donne les méthodes d'essai des thermomètres à rayonnement à une seule bande spectrale. Les appareils pour hautes températures utilisent de courtes longueurs d'onde, où l'erreur de température peut être 10 à 20 fois plus petite que l'erreur d'émissivité. Une erreur d'émissivité de 1 % donne alors moins de 0,1 % de la température en kelvin (NPL GPG 125).

Au-dessus du point de congélation de l'argent, 961,78 °C, l'EIT-90 est définie par la thermométrie par rayonnement, avec le point fixe de l'argent, de l'or ou du cuivre comme référence (Guide du BIPM pour la réalisation de l'EIT-90, thermométrie par rayonnement). Les pyromètres de cette plage sont raccordés à des corps noirs à point fixe ou à haute température par un laboratoire d'étalonnage.

Les pyromètres bicolores ou à rapport aident pour les petites cibles qui ne remplissent pas le champ de mesure et dans les atmosphères sales, mais ils ne suppriment pas le problème d'émissivité : l'émissivité ne s'annule que si elle est la même aux deux longueurs d'onde (NPL GPG 125).

À quelle fréquence étalonner un thermomètre infrarouge?

Aucune norme ne fixe l'intervalle, et le NIST ne recommande pas d'intervalle de réétalonnage fixe. L'ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 énumère les facteurs à peser, dont la tendance à la dérive et la sévérité de l'utilisation. Partez de la recommandation du fabricant, puis ajustez-la avec votre historique avant ajustage et les résultats de vos vérifications. Raccourcissez-le après une chute, un dommage à la lentille ou une utilisation près des limites de l'étendue, et notez la raison de chaque changement.

• Comment fixer les intervalles d'étalonnage
• Calculateur d'intervalle d'étalonnage

Que doivent montrer le certificat et l'enregistrement?

L'ASTM E2847 précise les éléments d'un rapport d'étalonnage (section 5.3), et le paragraphe 7.8 de l'ISO/IEC 17025:2017 fixe le contenu général d'un rapport pour les travaux accrédités. Conservez au moins ce qui suit.

• Le thermomètre et son réglage d'émissivité pendant l'étalonnage.
• Le type de source, cavité ou plaque, avec sa taille, son émissivité et la référence utilisée pour sa température.
• La distance de mesure et le point du thermomètre à partir duquel elle a été mesurée.
• Les températures étalonnées, avec la valeur de la source, la lecture, l'erreur et l'incertitude en chaque point.
• La température et l'humidité de la pièce.
• Les lectures avant et après tout réglage, la date, l'auteur du travail et la prochaine échéance.

• Exigences d'un certificat d'étalonnage
• Modèle de certificat d'étalonnage (Excel)

Et si un thermomètre infrarouge est hors tolérance?

Enregistrez les relevés avant ajustage avant que quiconque le règle. Si un relevé sort de sa limite, le thermomètre a pu être hors tolérance pendant une partie inconnue du temps écoulé depuis son dernier étalonnage ou contrôle satisfaisant. Le paragraphe 7.1.5.2 de l'ISO 9001 attend de vous que vous repreniez ce qu'il a mesuré et que vous traitiez tout ce qui peut être faux. Pour un thermomètre infrarouge, regardez ce que ses lectures ont décidé, par exemple la température d'un four, une limite de procédé ou un contrôle de sécurité.

• Que faire quand un instrument échoue à l'étalonnage
• Relevés avant ajustage et après ajustage

La place d'Axiospec

Axiospec est un logiciel de gestion des étalonnages. Il conserve chaque thermomètre infrarouge et chaque pyromètre avec son historique d'étalonnage, ses certificats et sa prochaine échéance. Chaque étalonnage indique l'étalon de référence utilisé, en texte libre ou par un lien vers un instrument maître, comme votre source à corps noir. Un enregistrement d'étalonnage accepte jusqu'à 100 points d'essai, chacun avec sa température nominale, sa propre tolérance et ses relevés avant ajustage et après ajustage, et l'enregistrement garde aussi la température et l'humidité de la pièce.

Pour un étalonnage à l'interne, une indication finale hors de sa tolérance fait passer le résultat à Non conforme, et enregistrer malgré tout un résultat conforme exige un motif écrit. Un Non conforme ou Endommagé accepté met le thermomètre En quarantaine. Tout enregistrement approuvé Non conforme, Endommagé ou Conforme avec des relevés avant ajustage hors tolérance demande un impact écrit, et ceux qui n'en ont pas apparaissent dans À traiter. Axiospec ne réalise pas la comparaison et ne choisit ni les points, ni la limite, ni l'intervalle. Ces décisions restent les vôtres ou celles de votre laboratoire.

Le forfait gratuit couvre jusqu'à 50 instruments actifs. Un nouvel espace de travail démarre avec un essai de 45 jours de Professional, avec de la place pour 1 500 instruments actifs et sans carte de crédit. Nous chargeons vos enregistrements existants pour vous, sans frais, quel que soit le forfait.

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