FR2970331A1 - Procede et dispositif de determination de temperature d'un disque de frein par thermographie infrarouge - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé (50) de détermination à distance d'une répartition de température (T) d'une surface d'un objet (12), dans lequel - on capture (54), suivant deux angles de vue, au moins deux images d'un rayonnement électromagnétique de type infrarouge émis par ledit objet, lesdites images, - on calcule (64) une première et une deuxième luminances énergétiques (Lλ ; Lλ ) à une première et une deuxième longueur d'onde dudit objet, - on détermine (66) ladite répartition de température en fonction d'au moins les deux dites luminances.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE TEMPERATURE D'UN DISQUE DE FREIN PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif de détermination de température de disque de frein par thermographie infrarouge. Le domaine technique de l'invention est, d'une façon générale, celui de la thermographie. Plus particulièrement, l'invention concerne la détermination à distance d'une répartition de température à la surface d'un disque de frein de véhicule de type automobile.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION L'étude des phénomènes thermiques liés au freinage de véhicules automobiles a toujours présenté un intérêt technique considérable, notamment pour la sécurité des passagers. Dans l'art antérieur, la mesure de température d'un disque de frein se fait en général soit au moyen de thermocouples avec une instrumentation intrusive et ponctuelle, soit à l'aide de pyromètres infrarouges avec une mesure ponctuelle.
Avec les thermocouples, il est nécessaire de mettre en oeuvre une instrumentation toujours délicate. Avec un pyromètre infrarouge monochromatique, pour déterminer une température sans contact, il est nécessaire de connaître l'émissivité du matériau étudié.
Avec un pyromètre infrarouge bichromatique, on suppose que l'émissivité est identique aux deux fréquences de mesure choisies ; c'est l'approximation dite du corps gris. Pour rappel, l'émissivité d'un corps est le rapport entre l'émission d'énergie d'une unité de surface donnée à celle d'une unité de surface d'un corps noir à la même température et dans les mêmes conditions, géométriques et d'environnement. On peut considérer l'émissivité totale ou l'émissivité monochromatique, c'est-à-dire pour une longueur d'onde donnée du spectre. Dans le cas du corps noir, qui absorbe toute l'énergie sans en réfléchir ni en transmettre, =1 et, pour un corps quelconque, de température uniforme, on aura < 1.
Dans l'état de la technique, on connaît l'enseignement du document FR2703455 (Al) qui divulgue un pyromètre bichromatique servant à détecter la température d'un objet à partir de deux photodiodes sensibles au rayonnement dans un domaine de longueurs d'onde donné. Ce dispositif s'affranchit de l'émissivité de la surface mesurée grâce à l'utilisation de deux éléments de mesure correspondants à deux longueurs d'ondes différentes. Mais en pratique, ce dispositif ne permet que des mesures ponctuelles et non surfaciques. D'autre part, les mesures réalisées avec une seule caméra thermique ne tiennent pas compte correctement des variations très importantes d'émissivité de la surface du disque en cours de freinage. On connaît également l'enseignement du document US4956538 (A) qui divulgue une méthode de détection de température en temps réel via deux pyromètres infrarouges. Mais ces pyromètres ne s'affranchissent pas du facteur d'émissivité. 15 DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION L'invention propose de résoudre les problèmes techniques précédemment cités. Dans l'invention, on utilise deux caméras thermiques avec des filtres 20 infrarouges pour mesurer deux luminances et ainsi s'affranchir de l'émissivité. L'invention peut s'appliquer à de nombreux éléments. L'invention a donc pour objet un procédé de détermination à distance d'une répartition de température d'une surface d'un objet, dans lequel 25 - on capture, suivant un premier angle de vue, au moins une première image d'un rayonnement électromagnétique de type infrarouge émis par ledit objet, ladite première image comportant un premier nombre de pixels, - on calcule, pour chaque pixel de la première image, une première luminance énergétique à une première longueur d'onde dudit objet, 30 caractérisé en ce que - on capture, suivant un deuxième angle de vue, au moins une deuxième image dudit rayonnement, ladite image comportant un deuxième nombre de pixels, - on calcule, pour chaque pixel de la deuxième image, une deuxième 35 luminance énergétique à une deuxième longueur d'onde, et - on détermine ladite répartition de température en fonction d'au moins les deux dites luminances. Grâce à ces dispositions, on obtient une estimation précise, sans aucun contact avec l'objet, de la répartition de température dudit objet. La présente invention fournit ainsi un moyen de mesure de la température de surface d'un disque de frein qui est non intrusif et qui permet d'obtenir une cartographie, partielle ou, préférentiellement, complète du disque en s'affranchissant de l'émissivité du disque. Selon des caractéristiques particulières, - on étalonne en luminance les deux caméras, - on synchronise les captures d'images des deux caméras, - on superpose lesdites images et - on cartographie la répartition de température par une technique dite de fausse couleur.
Grâce à ces dispositions, on améliore de façon significative la connaissance des phénomènes thermiques intervenant au cours des freinages et on permet des avancées pour une meilleure représentativité des modèles numériques. Selon des caractéristiques particulières, - l'objet est un disque de frein de véhicule de type automobile, et - on capture, avec chaque caméra, une succession d'images pendant une durée prédéterminée, - on simule un freinage, puis - on détermine une évolution de la répartition de température au cours du temps en fonction de ladite simulation. Grâce à ces dispositions, on peut étudier l'influence du freinage, autrement dit des frottements, sur l'échauffement dudit disque. Selon des caractéristiques particulières, les luminances La sont calculées au moyen de l'équation suivante : (°C230 L° ^ o°Clo°5e °Ta, dans laquelle C, est une constante qui vaut 1,191062*10-16W.m2 = 2hc2, où h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière, est l'émissivité dudit objet pour une longueur d'onde donnée, a est la longueur d'onde et Ta est la température absolue de la partie de la surface de l'objet en regard du pixel considéré.
Les inventeurs ont déterminé que ces dispositions étaient optimales. Selon des caractéristiques particulières, la température de la partie de la surface de l'objet en regard du pixel considéré est déterminée, en considérant que l'émissivité dudit objet est la même pour les deux dites longueurs d'onde, au moyen de l'équation suivante 1,4388*10-2 m.K = hc/k où k est la constante de Boltzmann. Grâce à ces dispositions, on s'affranchit complètement de la connaissance des valeurs et des variations de l'émissivité à la surface du 10 disque et on optimise la précision des valeurs de température. L'invention a également pour objet un dispositif de détermination à distance d'une répartition de température d'une surface d'un objet, ledit dispositif comportant - une première caméra thermique adaptée à capturer, à un instant 15 donné et suivant un premier angle, au moins une première image d'un rayonnement électromagnétique de type infrarouge émis par ledit objet, ladite image comportant un premier nombre de pixels, - un calculateur adapté à calculer, pour chaque pixel de la première image, une première luminance énergétique à une première longueur d'onde 20 dudit objet, caractérisé en ce que - il comporte en outre une deuxième caméra thermique adaptée à capturer, au même dit instant et suivant un deuxième angle, au moins une deuxième image dudit rayonnement, ladite image comportant un deuxième 25 nombre de pixels, - le calculateur est adapté à - pour chaque pixel de la deuxième image, calculer une deuxième luminance énergétique à une deuxième longueur d'onde, et - déterminer ladite répartition de température en fonction d'au 30 moins les deux dites luminances. Les avantages, buts et caractéristiques particuliers de ce dispositif étant similaires à ceux du procédé objet de la présente invention, ne sont pas C2~l ^1 ^ `DZ T 5 dans laquelle C2 est une constante qui vaut ln L,I / O L O ~ °z~ z rappelés ici. Selon des caractéristiques particulières, - les caméras présentent chacune un filtre infrarouge de bandes spectrales différentes, - les deux bandes spectrales sont étroites et proches. Selon des caractéristiques particulières, l'objet est un disque métallique de frein de véhicule de type automobile. Grace à ces dispositions, on peut optimiser les performances desdits disques et donc la sécurité des passagers dudit véhicule.
L'invention a également pour objet un banc d'essai caractérisé en ce qu'il comporte un tel dispositif. Les avantages, buts et caractéristiques particuliers de ce banc d'essai étant similaires à ceux du procédé objet de la présente invention, ne sont pas rappelés ici.
L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - figure 1 : une représentation schématique d'une vue d'ensemble d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ; - figure 2 : une représentation, sous forme d'un logigramme, des 25 étapes de mise en oeuvre d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ces figures, les éléments identiques conservent les mêmes références.
30 DESCRIPTION DETAILLEE DES FORMES DE REALISATION PREFEREES DE L'INVENTION La figure 1 représente, de façon schématique, une vue d'ensemble d'un dispositif 10 selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 10 est adapté à déterminer, à distance, une répartition de 35 température T d'une surface d'un objet 12.
Le dispositif 10 comporte une première caméra thermique 14 adaptée à capturer, à un instant donné et suivant un premier angle, au moins une première image d'un rayonnement électromagnétique de type infrarouge émis par ledit objet, la première image comportant un premier nombre de pixels. Le dispositif 10 comporte en outre une deuxième caméra thermique 20 adaptée à capturer, au même instant et suivant un deuxième angle, au moins une deuxième image dudit rayonnement, la deuxième image comportant un deuxième nombre de pixels.
Le dispositif 10 comporte, en outre, un calculateur 18 adapté à calculer, pour chaque pixel de la première image, une première luminance énergétique LÀ, à une première longueur d'onde À, de cette partie de l'objet en regard du pixel, Le calculateur 18 est également adapté à calculer, pour chaque pixel de la deuxième image, une deuxième luminance énergétique LÀ2 à une deuxième longueur d'onde À2 de cette partie de l'objet en regard du pixel. Typiquement, les caméras 14 et 20 présentent chacune un filtre infrarouge, respectivement référencés 22 et 24, de bandes spectrales différentes. De préférence, les deux bandes spectrales sont étroites et proches.
Des tests d'optimisation ont abouti au choix d'une première bande spectrale de 3.4 pm +/- 0.1 lm et d'une deuxième bande spectrale de 3.8 lm +/- 0.1 pm. Ce choix dépend, dans un premier temps, des réponses spectrales des deux caméras utilisées, et dans un second temps, d'un compromis à réaliser entre l'incertitude tolérée, en fonction de l'application, sur les mesures de températures et le respect de l'hypothèse de corps gris. Le calculateur 18 est adapté à fournir 28, par exemple sur un écran vidéo, une cartographie 26 de la répartition de température T par une technique dite de fausse couleur. Dans ce mode de réalisation de l'invention, l'objet 12 est un disque métallique de frein de véhicule de type automobile. La figure 2 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes de mise en oeuvre d'un procédé 50 selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, on capture, avec chaque caméra 14 et 20, une succession d'images pendant une durée prédéterminée.
Le procédé 50 de détermination, à distance, de la répartition de température T d'une surface de l'objet 12 comporte des étapes dans lesquelles, dans un premier temps, - on étalonne, au cours d'une étape 52, en luminance les deux caméras 14 et 20, - on synchronise, au cours d'une étape 54, les premières captures d'images des deux caméras 14 et 20, - on simule, au cours d'une étape 56, un freinage, - on synchronise, au cours d'une étape 58, les dernières captures d'images des deux caméras 14 et 20 afin de toujours réaliser les captures au 10 même moment et pendant la même durée. - on superpose, au cours d'une étape 60, les images issues des deux caméras 14 et 20. Le procédé 50 comporte des étapes supplémentaires dans lesquelles, dans un deuxième temps, on calcule, au cours d'une étape 64, la première 15 luminance énergétique LÀ1 à une première longueur d'onde de la partie de l'objet en regard de chaque pixel de la première caméra 14, et la deuxième luminance énergétique LÀ2 à une deuxième longueur d'onde de la partie de l'objet en regard de chaque pixel de la deuxième caméra 20. Dans un troisième temps, on détermine, au cours d'une étape 66, une 20 évolution de la répartition de température T au cours du temps en fonction de la simulation faite, au cours de l'étape 56 et des deux luminances LÀ1 et LÀ2. Enfin, on cartographie, au cours d'une étape 68, l'évolution de la répartition de température T par une technique dite de fausse couleur. Les luminances LÀ1 et LÀ2 sont calculées au moyen de l'équation 25 suivante : (°C2 L° ^ o°Clo°5e °Ta, dans laquelle C1 est une constante qui vaut 1,191062*10-16 W.m2 = 2hc2, où h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière, est l'émissivité dudit objet pour une longueur d'onde donnée, a est la longueur d'onde et Ta est la température absolue de la partie de la 30 surface de l'objet en regard du pixel considéré. La température de l'objet 12 est calculée, en considérant que l'émissivité dudit objet est la même pour les deux dites longueurs d'onde, au moyen de l'équation suivante C2~l ^1 T ^ `o2 5 dans laquelle C2 est une constante qui vaut ln Ln O ~L O 02 ~2 1,4388*10-2 m.K = hc/k où k est la constante de Boltzmann. L'invention concerne également un banc d'essai comportant un tel dispositif selon l'invention.5
Claims (9)
- REVENDICATIONS1 - Procédé (50) de détermination à distance d'une répartition de température (T) d'une surface d'un objet (12), dans lequel - on capture (54), suivant un premier angle de vue, au moins une première image d'un rayonnement électromagnétique de type infrarouge émis par ledit objet, ladite première image comportant un premier nombre de pixels, - on calcule (64) une première luminance énergétique (LA1) à une 10 première longueur d'onde dudit objet, caractérisé en ce que - on capture (54), suivant un deuxième angle de vue, au moins une deuxième image dudit rayonnement, ladite image comportant un deuxième nombre de pixels, 15 - on calcule (64) une deuxième luminance énergétique (LÀ2) à une deuxième longueur d'onde, et - on détermine (66) ladite répartition de température en fonction d'au moins les deux dites luminances.
- 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 - on étalonne (52) en luminance les deux caméras, - on synchronise (54 ; 58) les captures d'images des deux caméras, - on superpose (60) lesdites images et - on cartographie (68) la répartition de température par une technique dite de fausse couleur. 25
- 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que - l'objet est un disque de frein de véhicule de type automobile, et - on capture (54 ; 58), avec chaque caméra, une succession d'images pendant une durée prédéterminée, 30 - on simule (56) un freinage, puis - on détermine (66) une évolution de la répartition de température au cours du temps en fonction de ladite simulation.
- 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les luminances LA sont calculées au moyen de l'équation suivante :5 (a Ta1 La = ~aC1~ - e dans laquelle C1 est une constante qui vaut 1,191062*10"16 W.m2 = 2hc2, où h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière, ~À est l'émissivité dudit objet pour une longueur d'onde donnée et Ta est la température absolue de la partie de l'objet en regard du pixel considéré.
- 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que - la température de la partie de l'objet en regard du pixel considéré est déterminée, en considérant que l'émissivité dudit objet est la même pour les deux dites longueurs d'onde, au moyen de l'équation suivante C, 1 _ 1 T = 22 21 5 dans laquelle C2 est une constante qui vaut ln Lai \ Lai .12 1,4388*10"2 m.K = hc/k où k est la constante de Boltzmann.
- 6 - Dispositif (10) de détermination à distance d'une répartition de température (T) d'une surface d'un objet (12), ledit dispositif comportant - une première caméra thermique (14) adaptée à capturer, à un instant donné et suivant un premier angle, au moins une première image d'un rayonnement électromagnétique de type infrarouge émis par ledit objet, ladite première image comportant un nombre prédéterminé de pixels, - un calculateur (18) adapté à calculer, pour chaque pixel de la première image, une première luminance énergétique (LÀ1) à une première longueur d'onde dudit objet, caractérisé en ce que - il comporte en outre une deuxième caméra thermique (20) adaptée à capturer, au même dit instant et suivant un deuxième angle, au moins une deuxième image dudit rayonnement, ladite image comportant un deuxième nombre de pixels, - le calculateur est adapté à - pour chaque pixel de la deuxième image, calculer une deuxième luminance énergétique (LA2) à une deuxième longueur d'onde, et - déterminer ladite répartition de température en fonction d'au moins les deux dites luminances.
- 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lescaméras présentent chacune un filtre infrarouge (22 ; 24) de bandes spectrales différentes et les deux bandes spectrales sont étroites et proches.
- 8 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que l'objet est un disque métallique de frein de véhicule de type automobile.
- 9 - Banc d'essai caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications 6 à 8.
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