Mesure de température des solides et des gaz par pyrométrie.

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1 Mesure de température des solides et des gaz par pyrométrie. Philippe Hervé, Nicolas Rambure, Pierre Vasseur (Université Paris X) et Jean Luc Bodnar (Université de Reims Champagne Ardenne) 1

2 PRESENTATION DES METHODES NON INTRUSIVES Mesure de température des gaz par pyrométrie. Rappels sur les propriétés des gaz Méthodes Actives Méthodes Passives Mesure de température des solides par pyrométrie. Rappels de rayonnement Pyrométrie monochromatique Exemples 2

3 Mesure de température des gaz par pyrométrie. 3

4 RAPPELS SUR LES GAZ Intensité (UA) H 2 O CO 2 CO N 2 O NO 2 NO Spectre des gaz en équilibre µm Nombre d'onde (cm -1 ) Exemple de combustion propane - air 4

5 RAPPELS SUR LES GAZ Origine des transitions Spectres de rotation, de vibration et électroniques Electronique Translation Vibration Rotation Remarque: Spectre électronique => grandes énergies => courtes longueurs d onde Molécules homopolaires (H 2, N 2, ): pas de spectres de rotation vibration 5

6 RAPPELS SUR LES GAZ Exemple de l influence de la température à pression constante Sur le CO Gaz : 1401K Pression totale=2 bar zone étudiée (émission) Intensité (UA) Gaz : 1221K Gaz : 1060K zone d'absorption émission des parois 10 5 Gaz : 771K Nombre d'onde (cm -1 ) 1997 LEEE sur turbine d hélicoptère Turboméca 6

7 RAPPELS SUR LES GAZ Evolution expérimentale du spectre de CO 2 avec la pression totale pour T 2000 K (Résolution spectrale = cm Ptot = 1 bar Ptot = 4,5 bar Ptot = 21 bar 50 Intensité (UA) Remarque : Nombre d'onde (cm -1 ) A haute pression des raies par collision apparaissent, le spectre est moins riche et moins de paramètres sont identifiables par inversion LEEE Johana VALLY

8 RAPPELS SUR LES GAZ Spectre de flamme Hydrogène/Air présence du radical OH à 315 nm LEEE / LCSR (2001) (Spectromètre à réseau) 8

9 METHODES ACTIVES 1.1 Fluorescences 1.2 Diffusion RAMAN 9

10 FLUORESCENCE Exemple d imagerie de Fluorescence induite par laser Sur OH ( Pierre Vasseur : mémoire d ingénieur 2002) Excitation à λ = 284 nm et fluorescence à λ = 307 nm 10

11 RAMAN Cohérente Principe: On utilise des processus optiques non linéaires à quatre ondes. Les composantes spectrales de la polarisation dépendent de la susceptibilité diélectrique du Gaz χ dont le premier terme non linéaire est χ (3). L intensité du signal DRASC est proportionnelle à χ (3) qui dépend de la température. onde anti-stokes 2ωl-ωs ωl ωs molécule ωv ωl ωs 2ωs-ωl onde Stokes Emissions d'une molécule active en Raman 11

12 RAMAN Mise en oeuvre de la DRASC C est la méthode la plus employée en diffusion 2 ondes laser w l et w s sont mélangées dans un milieu possédant un mode de vibration actif en Raman w v 2 émissions apparaissent : une onde Stokes une onde anti-stokes Les deux ondes caractérisent la concentration de la molécule et sa température La spectroscopie DRASC s'effectue en faisant varier w s (ou w l ). Les variations d'intensité de l'onde anti-stokes sont enregistrées. L'analyse du spectre fournit des informations sur les espèces présentes (position des raies), leur concentration (intensité du signal) ou leur température (forme du spectre ou intensité sur plusieurs niveaux de rotation-vibration). 12

13 RAMAN Imagerie par RAMAN Cohérente Flamme Hydrogène Air : Radical OH Flamme H2 Air Comparaison CRAS / LIF F.Grisch & Al (Aerospace Science Technology 6 (2002)) 13

14 METHODES PASSIVES 2.1 Émission de rayonnement 2.2 Problèmes d inversion 2.3 Injection de particules 14

15 EMISSION DE RAYONNEMENT Exemple de spectre d émission de H 2 O en fonction de P luminance (W/(cm 2.sr.cm -1 )) 3,5E-04 3,0E-04 2,5E-04 2,0E-04 1,5E-04 9,5E-05 Pf = 1,96 bar Pf = 3,89 bar Pf = 8,8 bar Pf = 19,7 bar Pf = 38 bar 4,5E-05-5,0E nombre d'onde (cm -1 ) On remarque l élargissement des raies avec la pression ainsi que l apparition d un fond continu (LEEE P. CHELIN 2003) 15

16 PROBLEMES D INVERSION Comparaison du profil de température obtenu avec le spectromètre et avec les mesures intrusives du DeRA (spectrométrie à partir des têtes de bandes du CO 2 réacteur Rolls Royce) T(K) Spectromètre T DeRA 550 Température (K) Distance à partir du centre de gaz (cm) LEEE J.Vally 1999 Programme Européen 5 ème PCRD : EUROJET 16

17 PROBLEMES D INVERSION Exemple d application: Détermination des profils de températures et de concentrations sur un statoréacteur avec visées orthogonales Mesures en X Mesures en Y P.Hervé, E.A. Artioukhine, J. Vally, R.Kail ESTIMATION OF THE TEMPERATURE AND CONCENTRATION PROFILES OF A HOT COMBUSTION GAS (1998) 17

18 CONCLUSIONS KURLBAUM Combinaison émission absorption Simplicité de mise en œuvre Ne peut être appliquée qu à un milieu homogène en Température Sinon, encensements locaux DRASC Diffusion non-linéaire Signal cohérent Résolution spatiale Méthode rapide Interférences Modèle d'identification Matériel complexe Spectroscopie à large bande Emission naturelle Mesure passive Appareillage simple Valeur moyenne d un profil de température Spectroscopie d absorption Absorption dépendant de la longueur d onde Signal intense Transmission perturbée par le milieu Inversion difficile Spectroscopie d émission Emission naturelle Mesure passive Simplicité appareillage Inversion Résolution spatiale 18

19 Mesure de température des solides par pyrométrie. 19

20 LOI DE PLANCK Loi de Planck avec : L λ0 (λ,t) : luminance monochromatique du corps noir λ: longueur d'onde en mètre T : température en Kelvin C 1 =2hc²= W.m 2 sr -1 C 2 =hc/k b = m.k C ( λ, T) = λ C2 exp( ) 1 L λ λt W.m -2.sr -1 Luminance en unité arbitraire 1,E+13 1,E+12 1,E+11 1,E+10 1,E+09 1,E+08 1,E+07 1,E+06 Emission d'un corps noir Loi de Planck T= 523 K T= 773 K T= 973 K T= 1073 K T= 1273 K T= 1773 K T= 2273 K T= 2773 K 1,E+05 1,E+04 0, Longueur d'onde en micromètre 20

21 LA PYROMETRIE La pyrométrie : Mesure de la luminance émise par une surface opaque L= dω. d ds ² Φ.cosθ On ramène la luminance de tout corps réel à celle du corps noir ε λ, θ,t) ( 0 ( λ, θ,t) = = 1 ρ L ( λ,t) L ε:facteur d émission 0< ε<1 ρ:facteur de réflexion 21

22 LA PYROMETRIE : PRINCIPE Principe de la pyrométrie : Comparaison de la luminance émise par la surface étudiée et de celle du corps noir ayant la même luminance mais à T L «température de luminance». ε ( λ, θ 0,T) L (( λ,t) = L 0 ( λ, θ, La méconnaissance de ε est la principale cause d erreurs dans la mesure de température par pyrométrie. On a en effet 1 mesure pour 2 inconnues: T et ε. T L ) 22

23 LA PYROMETRIE : ENVIRONNEMENT DE MESURE Erreurs dues à l environnement Schématisation du flux reçu par un pyromètre l ambiance cible τ Lrecue = τ atm εl (T) ρl + + atm. amb ( 1 τ ) L ο Il faut minimiser ou calculer le rayonnement perturbateur atm 23

24 EMISSIVITE DE DIFFERENTS MATERIAUX 24

25 COMPARAISON PYROMETRIE BICHROMATIQUE / MONOCHROMATIQUE 25

26 MESURE SIMULTANEE DE LA TEMPERATURE ET DE L EMISSIVITE LORS DE LA SOLIDIFICATION D UN BAIN DE NICKEL 26