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) Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

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 Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Mesure de température des gaz par pyrométrie. Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Spectre des gaz en équilibre RAPPELS SUR LES GAZ Spectre des gaz en équilibre 5µm Exemple de combustion propane - air Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Origine des transitions RAPPELS SUR LES GAZ Origine des transitions Spectres de rotation, de vibration et électroniques Remarque: Spectre électronique => grandes énergies => courtes longueurs d’onde Molécules homopolaires (H2, N2,…): pas de spectres de rotation vibration Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Exemple de l’influence de la température à pression constante RAPPELS SUR LES GAZ Exemple de l’influence de la température à pression constante Sur le CO2 1997 LEEE sur turbine d’ hélicoptère Turboméca Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie RAPPELS SUR LES GAZ Evolution expérimentale du spectre de CO2 avec la pression totale pour T2000 K (Résolution spectrale = 0.125 cm-1 Remarque : A haute pression des raies par collision apparaissent, le spectre est moins riche et moins de paramètres sont identifiables par inversion LEEE Johana VALLY 2000 Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Spectre de flamme Hydrogène/Air présence du radical OH° à 315 nm RAPPELS SUR LES GAZ Spectre de flamme Hydrogène/Air présence du radical OH° à 315 nm LEEE / LCSR (2001) (Spectromètre à réseau) Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie METHODES ACTIVES 1.1 – Fluorescences 1.2 – Diffusion RAMAN Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

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 Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Emissions d'une molécule active en Raman 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. Emissions d'une molécule active en Raman Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Mise en oeuvre de la DRASC RAMAN Mise en oeuvre de la DRASC C’est la méthode la plus employée en diffusion 2 ondes laser wl et ws sont mélangées dans un milieu possédant un mode de vibration actif en Raman wv 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 ws (ou wl). 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). Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Imagerie par RAMAN Cohérente Flamme Hydrogène – Air : Radical OH Flamme H2 Air Comparaison CRAS / LIF F.Grisch & Al (Aerospace Science Technology 6 (2002)) Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie METHODES PASSIVES 2.1 Émission de rayonnement 2.2 Problèmes d’inversion 2.3 Injection de particules Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

EMISSION DE RAYONNEMENT Exemple de spectre d’émission de H2O en fonction de P On remarque l’élargissement des raies avec la pression ainsi que l’apparition d’un fond continu (LEEE P. CHELIN 2003) Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

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 CO2 réacteur Rolls Royce) LEEE J.Vally 1999 Programme Européen 5ème PCRD : EUROJET Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

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) Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie 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 Simplicité appareillage Inversion Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Mesure de température des solides par pyrométrie. Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie LOI DE PLANCK Loi de Planck avec : Ll0(l,T) : luminance monochromatique du corps noir : longueur d'onde en mètre T : température en Kelvin C1=2hc²=1.191.10-16 W.m2 sr-1 C2=hc/kb=1.4388.10-2 m.K W .m-2.sr-1 Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie LA PYROMETRIE La pyrométrie : Mesure de la luminance émise par une surface opaque On ramène la luminance de tout corps réel à celle du corps noir :facteur d’émission 0< <1 :facteur de réflexion Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

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 TL « température de luminance ». 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 . Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

LA PYROMETRIE : ENVIRONNEMENT DE MESURE Erreurs dues à l’environnement Schématisation du flux reçu par un pyromètre cible  l’ambiance Il faut minimiser ou calculer le rayonnement perturbateur Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

EMISSIVITE DE DIFFERENTS MATERIAUX Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

COMPARAISON PYROMETRIE BICHROMATIQUE / MONOCHROMATIQUE Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie

Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie MESURE SIMULTANEE DE LA TEMPERATURE ET DE L’EMISSIVITE LORS DE LA SOLIDIFICATION D’UN BAIN DE NICKEL Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie