Introduction

Lors de la mesure d’un objet immobile avec un thermomètre infrarouge, il est généralement assez simple d’obtenir une valeur stable si la distance de mesure, l’émissivité, la taille de la cible et les autres conditions sont adaptées. En revanche, lorsqu’une cible se déplace rapidement, tourne ou traverse en continu la zone de mesure, le résultat peut varier sensiblement même si les spécifications de précision de l’appareil restent inchangées.

L’une des principales raisons est le temps de réponse.

Un thermomètre infrarouge a besoin d’un certain temps pour recevoir le rayonnement infrarouge émis par la surface de la cible et le convertir en température. Si la cible quitte la zone de mesure avant que l’instrument ait suffisamment réagi, la valeur affichée peut représenter une combinaison de la température de la cible et de celle de l’arrière-plan, plutôt que la véritable température de surface de la cible.

Pour la mesure d’objets rapides, il ne suffit donc pas de considérer la plage et la précision de mesure. Le temps de réponse, la vitesse de déplacement, les dimensions de la cible et la taille du spot doivent également être pris en compte.

Points essentiels

● Le temps de réponse indique la rapidité avec laquelle un thermomètre infrarouge réagit à une variation de température de la cible.
● Plus la cible se déplace rapidement, plus le temps passé dans le spot de mesure est généralement court.
● Si la durée de présence dans la zone de mesure est nettement inférieure au temps de réponse de l’instrument, la valeur affichée peut ne pas atteindre la température réelle de la cible.
● Les cibles rapides peuvent provoquer une atténuation des pics thermiques, un retard d’affichage ou des mesures instables.
● Pour déterminer si un instrument convient aux mesures dynamiques, il faut considérer ensemble le temps de réponse, la vitesse, la taille de la cible et la taille du spot.
● Les lignes de production rapides, les pièces rotatives et les phénomènes thermiques de courte durée exigent une attention particulière à la capacité de l’instrument à suivre rapidement les variations de température.

Qu’est-ce que le temps de réponse d’un thermomètre infrarouge ?

Le temps de réponse peut être défini comme le temps nécessaire à un thermomètre infrarouge pour réagir à une variation du rayonnement reçu et rapprocher la valeur affichée de la nouvelle température.

Par exemple, si l’appareil mesure d’abord un arrière-plan relativement froid puis est rapidement dirigé vers une cible chaude, la valeur affichée ne passe pas instantanément à la température finale. Le détecteur, le traitement du signal et le système d’affichage nécessitent tous un certain temps.

Le temps de réponse varie selon les thermomètres infrarouges. Les spécifications indiquent souvent des valeurs de quelques millisecondes à plusieurs centaines de millisecondes. En règle générale, un temps de réponse court est mieux adapté à la détection de variations thermiques rapides.

Il ne faut toutefois pas confondre temps de réponse et précision de mesure.

Un appareil peut être très précis en régime stable tout en étant incapable de mesurer correctement un événement thermique très bref si sa réponse est trop lente.

Pourquoi les objets en mouvement rapide sont-ils particulièrement sensibles au temps de réponse ?

Avec une cible immobile, le thermomètre infrarouge reçoit en continu le rayonnement d’une même zone de surface. Il dispose donc généralement de suffisamment de temps pour stabiliser la mesure.

Avec une cible rapide, la situation est différente.

Une fois entrée dans le spot de mesure, la cible n’y reste que pendant une durée limitée. Si elle en sort avant que l’instrument ait suffisamment réagi, le rayonnement reçu par le détecteur change à nouveau.

L’instrument tente alors en permanence de suivre un signal variable.

Dans une mesure dynamique, la question essentielle n’est donc pas seulement « À quelle vitesse la cible se déplace-t-elle ? », mais aussi :

● Pendant combien de temps la cible reste-t-elle dans la zone de mesure effective ;
● Cette durée est-elle suffisante pour permettre à l’instrument de réagir correctement.

La durée de présence de la cible dans la zone de mesure est déterminante

Une relation simplifiée permet de comprendre ce phénomène :

Temps de présence effectif dans la zone de mesure ≈ longueur de mesure effective ÷ vitesse de déplacement

Toutes choses égales par ailleurs :

● Plus la vitesse est élevée, plus le temps de présence est court ;
● Plus la zone de mesure est petite, moins la cible met de temps à la traverser ;
● Plus la cible est petite, plus la durée pendant laquelle elle couvre entièrement le spot peut être réduite.

Par exemple, si une cible ne couvre complètement la zone de mesure que pendant quelques dizaines de millisecondes alors que le thermomètre a besoin de plusieurs centaines de millisecondes pour réagir largement à la nouvelle température, la valeur affichée peut ne jamais atteindre la température réelle de la cible.

Cette relation est surtout utile pour comprendre le principe. Le comportement réel dépend également du détecteur, du traitement du signal, de l’intervalle d’échantillonnage et de la fréquence d’actualisation de l’affichage. Une formule simple ne suffit donc pas à déterminer la précision finale.

Que se passe-t-il lorsque le temps de réponse est trop long ?

L’un des effets les plus fréquents est l’atténuation du pic de température.

Imaginons une petite pièce chaude, nettement plus chaude que l’arrière-plan, qui traverse rapidement la zone de mesure. L’instrument commence à détecter l’augmentation de température, mais la pièce peut quitter le spot avant que la valeur réelle ne soit atteinte. L’affichage n’augmente alors que partiellement.

Le phénomène inverse peut se produire lorsqu’une cible froide traverse rapidement un environnement plus chaud : la température minimale affichée peut rester supérieure à la température réelle de la cible.

D’autres effets sont possibles :

● La température affichée est décalée par rapport à la position réelle de la cible ;
● Les valeurs fluctuent au passage successif des pièces ;
● Les pics mesurés diffèrent d’un cycle à l’autre ;
● Les pics thermiques très courts peuvent ne pas apparaître clairement ;
● L’écart apparent entre une cible chaude et un arrière-plan froid peut être réduit.

Du point de vue du signal, le système agit alors comme un lissage temporel des variations thermiques rapides.

Un temps de réponse plus court est-il toujours préférable ?

Pour une cible dynamique dont la température varie rapidement, un temps de réponse court constitue généralement un avantage, car l’instrument suit plus rapidement les changements.

Il ne doit cependant pas être considéré isolément.

Si le spot de mesure est plus grand que la cible, même un instrument très rapide recevra simultanément du rayonnement provenant de la cible et de l’arrière-plan. Le résultat pourra donc rester incorrect.

Une mesure dynamique exige au minimum de considérer ensemble :

● Le temps de réponse ;
● La vitesse de la cible ;
● La taille de la cible ;
● La distance de mesure ;
● Le rapport distance/spot D:S ;
● La taille réelle du spot de mesure ;
● L’écart de température entre la cible et l’arrière-plan ;
● L’émissivité de la surface.

Un temps de réponse court n’apporte réellement un avantage que si ces autres conditions sont elles aussi correctement maîtrisées.

Pourquoi la taille du spot et le temps de réponse influencent-ils ensemble le résultat ?

Un thermomètre infrarouge ne mesure pas le point laser lui-même. Il mesure le rayonnement infrarouge provenant d’une zone définie par son système optique.

La cible en mouvement doit donc couvrir autant que possible l’ensemble du spot.

Si la cible est plus petite que le spot, l’appareil reçoit simultanément du rayonnement de la cible et de l’arrière-plan. Même avec un détecteur très rapide, la température obtenue peut alors rester une valeur combinée.

Lorsque la cible couvre entièrement le spot, l’instrument a davantage de chances de recevoir principalement le rayonnement de la surface à mesurer pendant son passage.

En pratique, il est préférable que les dimensions de la cible soient supérieures au spot théorique afin de conserver une marge face aux erreurs de visée, aux vibrations et aux variations de trajectoire.

Quel est l’impact du temps de réponse lors de la mesure d’un convoyeur en mouvement ?

Un convoyeur fonctionnant en continu constitue un exemple typique de cible dynamique.

Si la température de la bande est relativement homogène, une vitesse élevée ne pose pas forcément de problème important de temps de réponse, car le thermomètre continue à observer une surface de nature comparable.

En revanche, si l’objectif est de détecter un point chaud localisé, un raccord, une zone chauffée par frottement ou une courte section à température élevée, le temps de réponse devient particulièrement important.

Plus la zone chaude traverse rapidement le spot, plus il est difficile pour l’instrument d’afficher sa température maximale réelle.

Pour détecter un point chaud localisé, il convient donc d’évaluer ensemble :

● La longueur réelle de la zone chaude ;
● La vitesse du convoyeur ;
● La taille du spot de mesure ;
● Le temps de réponse de l’instrument.

Pourquoi le temps de réponse est-il également important sur les rouleaux et les pièces en rotation ?

La surface des rouleaux, arbres, poulies, pièces de moteur et autres éléments rotatifs passe continuellement devant le point de mesure.

Si la température est relativement uniforme sur toute la circonférence, la variation du rayonnement reçue reste faible et il est généralement possible d’obtenir une valeur stable.

En revanche, si seul un petit secteur présente un point chaud, celui-ci peut ne rester que très brièvement dans la zone de mesure à chaque rotation.

Plus la vitesse de rotation est élevée et plus le point chaud est petit, plus le temps disponible pour le détecter est court.

La température réelle du point chaud peut alors être nettement supérieure à la valeur maximale affichée.

Pour ce type d’application, un temps de réponse court et une fonction MAX peuvent être utiles, à condition que le point chaud couvre correctement le spot de mesure.

Pourquoi les petites pièces défilant en continu sont-elles plus difficiles à mesurer ?

Sur une ligne de production, de petites pièces, emballages, composants métalliques ou produits usinés peuvent passer en continu devant le point de mesure.

La difficulté vient du fait que le thermomètre peut observer alternativement « pièce – espace – pièce – espace ».

Entre deux pièces, le spot peut couvrir la bande transporteuse, une partie de la machine ou une autre surface d’arrière-plan.

Le rayonnement reçu varie alors très rapidement.

Si ces variations sont plus rapides que la capacité réelle de suivi de l’instrument, la température affichée peut correspondre à une combinaison temporelle de plusieurs surfaces plutôt qu’à la véritable température de chaque pièce.

Pour les applications à cadence élevée, il convient donc d’utiliser un capteur infrarouge suffisamment rapide et d’optimiser la position de mesure afin que chaque cible couvre la zone de mesure de manière aussi stable et prolongée que possible.

Pourquoi la température de l’arrière-plan aggrave-t-elle le problème lors d’une mesure dynamique ?

Lorsqu’une cible rapide ne couvre pas entièrement la zone de mesure, le rayonnement de l’arrière-plan contribue au résultat.

Si la cible et l’arrière-plan sont à des températures proches, l’impact peut rester limité.

En revanche, si la cible est à 150 °C et l’arrière-plan à seulement 25 °C, une part importante d’arrière-plan dans le spot peut entraîner une valeur affichée nettement inférieure à la température réelle de la cible.

Le même principe s’applique à une cible froide devant un arrière-plan chaud, avec une erreur pouvant se produire dans le sens inverse.

Plus l’écart thermique entre cible et arrière-plan est important, plus les effets d’une couverture insuffisante du spot et d’un temps de réponse trop long deviennent visibles.

Comment améliorer la mesure infrarouge d’objets en mouvement rapide ?

● Choisir un thermomètre infrarouge dont le temps de réponse est adapté à la vitesse de la cible.
● Réduire, lorsque cela est possible, la distance de mesure afin que le spot reste entièrement à l’intérieur de la cible.
● Utiliser le rapport D:S de l’instrument pour déterminer la taille réelle du spot à la distance de mesure prévue.
● Choisir une position où la trajectoire de la cible est stable et sans obstacle.
● Pour des pièces défilant en continu, maximiser la durée pendant laquelle chaque pièce couvre entièrement la zone de mesure.
● Une fonction MAX peut aider à mémoriser une valeur élevée de courte durée, mais ne compense pas entièrement un temps de réponse trop long.
● Pour un procédé critique, effectuer si possible une comparaison à vitesse de ligne réduite afin de vérifier si la température mesurée varie sensiblement avec la vitesse.
● Pour les procédés très rapides ou les phénomènes thermiques très brefs, envisager un capteur infrarouge plus rapide ou un système de mesure spécialement conçu pour la surveillance de procédé.

Comment déterminer si une mesure est influencée par le temps de réponse ?

Il est possible d’effectuer une vérification pratique en modifiant certaines conditions de mesure.

Si le procédé le permet, réduire la vitesse de déplacement. Si la température maximale mesurée augmente nettement alors que les autres conditions restent pratiquement identiques, la mesure à haute vitesse peut avoir été limitée par le temps de réponse de l’instrument.

La distance de mesure peut également être modifiée.

Si une réduction de la distance, et donc du spot, fait apparaître un pic thermique plus marqué, la mesure précédente pouvait être influencée à la fois par une couverture insuffisante de la cible et par les limites de réponse dynamique.

Ces méthodes sont utiles pour l’analyse sur site, mais ne remplacent pas une vérification métrologique ou un étalonnage formel.

Le temps de réponse et la fréquence de rafraîchissement de l’affichage sont-ils identiques ?

Non.

Le temps de réponse décrit la rapidité avec laquelle le capteur et le système de mesure réagissent à une variation de température. La fréquence de rafraîchissement indique simplement à quelle fréquence la valeur affichée à l’écran est mise à jour.

Par exemple, l’électronique interne peut effectuer plusieurs mesures alors que l’écran ne change que quelques fois par seconde.

Pour une mesure manuelle classique, cette différence est souvent peu visible. Dans une application dynamique rapide, elle devient importante.

Un affichage qui change rapidement ne garantit donc pas que le système de mesure dispose d’un temps de réponse suffisamment court.

Pour le choix d’un appareil destiné à des cibles dynamiques, il convient de se référer au temps de réponse indiqué dans les spécifications plutôt qu’à la seule vitesse visible de l’affichage.

FAQ

Peut-on mesurer un objet en mouvement rapide avec un thermomètre infrarouge ?
Oui. De nombreuses cibles mobiles peuvent être mesurées correctement si le temps de réponse, la taille de la cible, sa vitesse, le spot de mesure et la distance sont correctement adaptés.

Un temps de réponse plus court garantit-il une mesure dynamique plus précise ?
Non. Le temps de réponse n’est qu’un facteur parmi d’autres. Une cible plus petite que le spot, une mauvaise valeur d’émissivité ou une réflexion importante du rayonnement environnant peuvent provoquer des erreurs même avec un appareil très rapide.

Pourquoi la température mesurée diminue-t-elle lorsque la vitesse de production augmente ?
Une raison possible est que la cible reste moins longtemps dans la zone de mesure. L’instrument n’a alors pas le temps de réagir complètement avant son départ. Une couverture insuffisante du spot peut produire un effet similaire.

La fonction MAX peut-elle compenser un temps de réponse trop long ?
Pas complètement. La fonction MAX mémorise uniquement la valeur la plus élevée réellement mesurée. Si l’instrument n’a jamais atteint le vrai pic thermique, la valeur MAX restera elle aussi inférieure à la température maximale réelle.

Quels paramètres sont importants pour mesurer un arbre tournant à grande vitesse ?
Il faut considérer le temps de réponse, le diamètre de l’arbre, la taille du spot, la vitesse de rotation, la taille du point chaud éventuel et l’émissivité. Sur une surface métallique très réfléchissante, l’émissivité et le rayonnement réfléchi de l’environnement sont également importants.

Comment savoir si un thermomètre infrarouge convient à ma ligne de production ?
Déterminez d’abord la taille de la cible, sa vitesse, son temps de présence effectif dans la zone de mesure et la distance de mesure. Comparez ensuite ces paramètres au temps de réponse et au rapport D:S de l’appareil. Pour les procédés rapides, des essais comparatifs à plusieurs vitesses peuvent également être utiles.

Conclusion

Le temps de réponse détermine la rapidité avec laquelle un thermomètre infrarouge peut suivre une variation de température de la cible.

Pour une cible fixe ou une évolution thermique lente, il n’est généralement pas le principal facteur limitant. En revanche, pour des pièces se déplaçant rapidement, des points chauds localisés sur un convoyeur, des rouleaux à grande vitesse ou des composants rotatifs, la cible peut ne rester que très peu de temps dans la zone de mesure. Le temps de réponse peut alors déterminer directement si le véritable pic thermique est détecté.

Une mesure infrarouge dynamique ne doit donc jamais être évaluée uniquement à partir du temps de réponse. La vitesse, la taille de la cible, le rapport D:S, le spot de mesure, la distance, l’émissivité et la température de l’arrière-plan doivent être considérés ensemble.

En termes simples, l’instrument doit non seulement « voir » la cible, mais également disposer de suffisamment de temps pour « répondre » à sa température. Ce n’est que lorsque la couverture du spot et la réponse temporelle sont toutes deux adaptées que la mesure d’objets en mouvement rapide peut fournir des résultats fiables.