Repérage des changements de phase par thermographie bi-spectrale

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1 Repérage des changements de phase par thermographie bi-spectrale Philippe HERVÉ Julie CEDELLE Laboratoire d Énergétique et d Économie d Énergie, Université Paris X Nanterre, 50 Rue de Sèvres, Ville d Avray

2 Soudage TIG. Mesure du champ de températures par photo-thermométrie impulsionnelle bi-chromatique.

3 Analyse d une scène de soudage par thermographie impulsionnelle Analyse spectrale de 2 plasmas d arc en soudage TIG au CEA Luminance (W/(cm^2.sr.nm)) 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 Argon I soudage = 200A I soudage = 80A Luminance (W/(cm^2.sr.nm)) 0,40 0,35 Hélium 0,30 I 0,25 soudage = 120A 0,20 I soudage = 80A 0,15 0,10 0,05 0, Longueur d'onde (nm) 0,20 0, Longueur d'onde (nm)

4 Résultat de la mesure Température ( C) 2mm T fusion

5 Fusion du Silicium dans un creuset froid (collaboration avec le laboratoire Madylam) Dentrites de silicium Solidification en colonnes T O ε Si solide> ε Si liquide Les particules solides plus froides émettent plus que le liquide plus chaud!

6 Rappel: Loi de Planck Luminance en unité arb itraire E m is s ion d'un co rps n oir Loi de P lan ck 1,E+13 1,E+12 1,E+11 1,E+10 1,E+09 1,E+08 Sensible à T T= 52 3 K T= 77 3 K T= 97 3 K T= K T= K T= K T= K T= K Sensible à ε 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 0, L ong ueur d'o nde en mic ro mètre L( λ, T ) = ε ( λ, T ) L o ( λ, T ) 1 équation 2 inconnues: Émissivité ε Température T

7 Vue simultanée d aluminium et de peinture noire Infrarouge T/T = (6, ) λ T ln ε Ultraviolet λ = 3 µm T/T = 20 % λ = 0,37 µm T/T = 2 %

8 Banc de mesure de rayonnement Spectroscopie d émission : Spectromètre à transformée de Fourier IR Spectromètre UV et visible Détecteur : Caméra matricielle Princeton16 bits ou Photomultiplicateur (0,3-1µm) Détecteur InSb (1-10µm) Bolomètre Ge dopé Or (0, µm) Fenêtres: Fenêtre KBr (1,5µm - 25µm) Fenêtre polyéthylène diamant (16-800µm) Fenêtre diamant (0,3-1000µm) Photo : Bolomètre refroidi He

9 Schéma du système de mesure Mesure de la température Comptage de photons Photomultiplicateur Filtre 0.38µm Caméra CCD Princeton UV / Visible camera Fenêtre en Quartz Double enceinte refroidie à 77K Echantillon Spectromètre à réseau séparatrice Fenêtre en ZnSe Corps noir séparatrice Enceinte à vide Spectromètre ATF Bolomètre

10 Émissivité de l aluminium en fonction de la longueur d onde pour l état solide et liquide. Changement de phase de première espèce

11 Émissivité de l alliage CuSn en fonction de la température Changement de phase de deuxième espèce

12 Cas d un changement de structure Spectres de luminance de l acier écroui et recuit

13 Cycle d oxydation du Nickel poli : chauffages et refroidissements

14 Surfaces rugueuses ou lisses: déterminer T et ε Méthodologie pour un corps aux propriétés inconnues : 1. Mesure de la température par pyrométrie à la plus courte λ possible : 2 λt ε T = 14388µmK ε 2. On fait une hypothèse grossière sur la valeur de ε dans l ultraviolet Ex : T = 2500 K εuv supposée = ± 50 % T = 70K ε UV ε ε ε ε UV UV IR IR = λ λ UV IR T ε ε UV UV ε IR

15 Exemple : Bain de Nickel

16 Exemple : Bain de Nickel

17 Enregistrement sur un Four de Recuit de Galvanisation (MYRIAD) T IR λir = 1 µm λuv = 0,39 µm εir à 4 µm ε T UV

18 Bande de cisaillement adiabatique Micrographie Post mortem Thermographie λ = 0,8 µm

19 Mesure de luminance à λ=5 µm 4 1,25 3,5 Temps d'ouverture caméra 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Changement de phase du 2ème ordre Tiα Tiβ T=925 C Temps de pose 8 µs (image précédente) 1,2 1,15 1,1 Signal détecteur infrarouge Signal détecteur infrarouge 0 1, en µs Temps en µs Utilisation du signal IR pour synchroniser l ouverture de la caméra à 0,63 µm

20 CONCLUSION Par des mesures de rayonnement à la plus courte longueur d onde possible : Pour une surface lisse à 2500K T mesurée = 2500 K ± 7 K ε IR mieux que 0,5 % Pour une surface rugueuse à 2500K T mesurée = 2500 K ± 30 K ε IR mieux que 2 % Dans tous les cas les changements de phase de 1er ordre et de 2eme ordre sont repérés sans ambiguïté par la variation de l émissivité, ce qui permet éventuellement de recaler les températures mesurées et de gagner un facteur important sur la précision en température.

21 Développement en cours Conjugaison d 1 caméra visible ou UV et d 1 caméra IR (λ=5 µm) pour obtenir des cartographies en température et en émissivité, c est-à-dire des zones de changement de structures Exemple d application : analyse d une scène de soudage : contours du bain liquide et des zones de changements de structures

22 Matériau sous choc

23 Emissivités en fonction de la pression

24 Température de fusion du Bi en fonction de la pression.

25 Mesures en environnement difficile Le rayonnement reçu par l appareil de mesure est : L λ,tm =ε s.l 0 λ,tm = ε.l0 λ,t + ρ.ε v.l0 λ,tv L mesuré = Cte ε e C2 λt + (1 ε ) e C λ 2 T voûte Voûte chaude Tôle en déplacement

26 Erreur due au rayonnement de la voûte en fonction de la longueur d onde

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