ISO 14934-2:2013

NORME ISO
INTERNATIONALE 14934-2
Deuxième édition
2013-03-15
Essais au feu — Étalonnage et
utilisation des appareils de mesure du
flux thermique —
Partie 2:
Méthodes d’étalonnage primaire
Fire tests — Calibration and use of heat flux meters —
Part 2: Primary calibration methods
Numéro de référence
©
ISO 2013
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Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes . 1
4.1 Principes généraux . 1
4.2 Principe de la méthode de la cavité corps noir sous vide (VBBC) (Méthode 1) . 2
4.3 Principe de la méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2) . 2
4.4 Principe de la méthode du corps noir à température variable (VTBB) (Méthode 3) . 2
5 Aptitude d’un capteur à l’étalonnage . 3
5.1 Types de fluxmètres thermiques . 3
5.2 Conception des fluxmètres thermiques . 3
5.3 Étendue de mesure . 3
5.4 État du fluxmètre thermique avant l’étalonnage . 3
6 Méthode de la cavité corps noir sous vide (VBBC) (Méthode 1) . 3
6.1 Appareillage. 3
6.2 Mode opératoire de fonctionnement . 6
6.3 Incertitude . 6
7 Méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2) . 7
7.1 Appareillage. 7
7.2 Mode opératoire de fonctionnement .12
7.3 Incertitude .12
8 Méthode du corps noir à température variable (VTBB) (Méthode 3) .15
8.1 Appareillage.15
8.2 Mode opératoire de fonctionnement .18
8.3 Incertitude .19
9 Nombre de niveaux d’étalonnage .21
10 Expression des résultats.21
11 Rapport d’étalonnage .22
Annexe A (normative) Mode opératoire pour la méthode de la cavité corps noir sous vide (VBBC)
(Méthode 1) .23
Annexe B (normative) Calcul de l’éclairement énergétique produit par la cavité corps noir sous
vide (VBBC) sur le fluxmètre thermique .25
Annexe C (informative) Exemples de captures d’écran d’ordinateurpour le calcul de l’éclairement
énergétiqueproduit par la cavité corps noir sous vide (VBBC) .28
Annexe D (normative) Mode opératoire pour la méthode de la cavité
corps noir sphérique (Méthode 2) .30
Annexe E (normative) Calcul de l’éclairement énergétique produit par la cavité
corps noir sphérique sur le fluxmètre thermique.32
Annexe F (normative) Plans pour les refroidisseurs fixe et mobile par rapport à
la cavité corps noir sphérique .35
Annexe G (informative) Recommandations pour les opérateurs utilisant
la méthode de la cavité corps noir sphérique .39
Annexe H (normative) Mode opératoire du radiomètre à substitution électrique (ESR) .40
Annexe I (normative) Mode opératoire pour l’étalonnage du fluxmètre thermique
à l’aide de la méthode du VTBB de 25 mm (Méthode 3) .42
Annexe J (normative) Procédure de réduction des données pour la méthode du VTBB (Méthode 3)
Annexe K (informative) Fidélité de l’étalonnage .46
Bibliographie .47
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Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives
ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de
Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote.
Leur publication comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de
ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 14934-2 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 1,
Amorçage et développement du feu.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 14934-2:2006), qui a fait l’objet
d’une révision technique.
L’ISO 14934 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Essais au feu — Étalonnage
et utilisation des appareils de mesure du flux thermique:
— Partie 1: Principes généraux
— Partie 2: Méthodes d’étalonnage primaire
— Partie 3: Méthode d’étalonnage secondaire
— Partie 4: Lignes directrices pour l’utilisation des fluxmètres thermiques dans les essais au feu
Introduction
Dans de nombreuses méthodes d’essais au feu, le niveau de rayonnement est spécifié et, donc, il est très
important que le flux thermique radiatif soit bien défini et mesuré avec une exactitude suffisante. Le
transfert thermique radiatif est également le mode prépondérant de transfert thermique dans la plupart
des feux réels.
Dans la pratique, le flux thermique radiatif est habituellement mesuré au moyen des fluxmètres
thermiques totaux du type Schmidt-Boelter (thermopile) ou du type Gardon (feuil). Ces fluxmètres
enregistrent le flux thermique combiné par rayonnement et convection par rapport à une surface
refroidie. La contribution au transfert thermique par convection dépend principalement de la différence
de température entre les gaz environnants et la surface sensible et de la vitesse des gaz environnants.
Elle dépendra également de la taille et de la forme du fluxmètre thermique, de son orientation et de sa
température qui est proche de la température de l’eau de refroidissement. Dans de nombreuses situations
pratiques dans les essais de feu, la contribution de la convection à la surface sensible de l’instrument
peut s’élever à 25 % du flux thermique radiatif. Par conséquent, il est toujours nécessaire de déterminer
et contrôler cette composante.
Pour déterminer la fraction du flux thermique total dû au rayonnement, un schéma d’étalonnage a
été mis au point dans lequel l’étalonnage primaire est réalisé sur deux types différents de fluxmètres
thermiques: (1) un radiomètre hémisphérique total, sensible uniquement au rayonnement, et (2) un
fluxmètre thermique total (plus fréquemment utilisé), sensible à la fois au transfert thermique par
rayonnement et au transfert thermique par convection. La comparaison des mesures entre les deux
types d’appareils de mesure dans des méthodes d’étalonnage (ou de transfert) secondaire permet de
caractériser l’influence de la convection dans la méthode. Pour tous les étalonnages et mesures du flux
thermique radiatif, il convient dans toute la mesure du possible d’inclure dans les calculs d’incertitude
celle qui est associée à l’élimination de la composante de convection. Pour les méthodes d’étalonnage
secondaire, l’utilisation combinée des radiomètres hémisphériques et fluxmètres thermiques totaux
permet d’estimer la contribution de la convection. La même configuration peut être également utilisée
dans l’étalonnage des méthodes d’essais de feu.
L’étalonnage primaire est réalisé dans une cavité corps noir dans des conditions où la composante
convective du transfert thermique peut être négligée ou contrôlée. Un exemple d’un tel appareillage est
une installation de corps noir sous vide ayant la caractéristique unique de présenter des effets négligeables
de la convection et de la conduction décrits dans le présent document comme étant la méthode de la
cavité corps noir sous vide (VBBC pour vacuum black-body cavity) (Méthode 1). D’autres installations de
corps noirs (non sous vide) peuvent également être appropriées comme sources primaires de chaleur
pour l’étalonnage, sous réserve qu’elles soient complètement caractérisées, particulièrement en termes
d’effets convectifs éventuels sur la surface sensible du fluxmètre thermique qui est en cours d’étalonnage.
Un exemple d’une telle installation décrite dans le présent document comme étant la méthode de la
cavité corps noir sphérique (Méthode 2) est un four ayant un orifice orienté vers le bas afin de réduire la
convection au minimum. Un autre exemple en est la méthode du corps noir à température variable (VTBB
pour variable temperature black-body) (Méthode 3) dans laquelle l’effet de la composante convective est
réduit au minimum par l’adoption d’une procédure de substitution où le fluxmètre thermique devant
être étalonné est comparé à un radiomètre étalon primaire. Dans ces conditions, l’effet convectif pour
chaque mesurage peut être supposé comme étant d’un même ordre de grandeur.
NOTE Les fluxmètres Schmidt-Boelter et Gardon sont des exemples de produits appropriés disponibles sur
le marché. Cette information est donnée à l’intention des utilisateurs de la présente partie de l’ISO 14934 et ne
signifie nullement que l’ISO approuve ou recommande l’emploi exclusif des produits ainsi désignés.
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NORME INTERNATIONALE ISO 14934-2:2013(F)
Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de
mesure du flux thermique —
Partie 2:
Méthodes d’étalonnage primaire
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 14934 décrit trois méthodes d’étalonnage pour les radiomètres hémisphériques
totaux et les fluxmètres thermiques totaux, ces appareils étant exposés à un rayonnement bien défini
provenant d’une source de chaleur rayonnante. L’équipement est dimensionné pour minimiser les
influences du transfert thermique par convection pendant l’étalonnage. Il est important de noter que,
dans leur utilisation pratique, ces instruments mesurent une combinaison du transfert thermique
par rayonnement et du transfert thermique par convection. L’influence de cette dernière composante
dépendra de la conception du fluxmètre thermique, de l’orientation, des conditions locales de température
et d’écoulement ainsi que de la température de l’eau de refroidissement.
2 Références normatives
Les documents suivants, en tout ou partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables à son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 13943, Sécurité au feu — Vocabulaire
ISO 14934-1, Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du flux thermique — Partie 1:
Principes généraux
CEI 60584-2, Couples thermoélectriques — Partie 2: Tolérances
Guide ISO/CEI 98-3, Incertitude de mesure — Partie 3: Guide pour l’expression de l’incertitude de
mesure (GUM:1995)
Guide ISO/CEI 99, Vocabulaire international de métrologie — Concepts fondamentaux et généraux et termes
associés (VIM)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 13943, l’ISO 14934-1,
le Guide ISO/CEI 98-3 et le Guide ISO/CEI 99 s’appliquent.
4 Principes
4.1 Principes généraux
L’étalonnage des fluxmètres thermiques (radiomètres hémisphériques totaux et fluxmètres thermiques
totaux) est effectué avec une source de chaleur rayonnante de type corps noir.
4.2 Principe de la méthode de la cavité corps noir sous vide (VBBC) (Méthode 1)
2 2
Cette méthode est utilisée pour étalonner les fluxmètres thermiques entre 2 kW/m et 70 kW/m . Elle
est conçue pour les fluxmètres thermiques totaux ou les radiomètres hémisphériques totaux ayant un
diamètre hors tout de 50 mm au maximum. Ces appareils peuvent avoir des tubes pour l’eau et/ou l’air
qui sont placés dans la direction axiale. L’étalonnage des fluxmètres thermiques consiste à lire la tension
de sortie des fluxmètres thermiques totaux ou des radiomètres hémisphériques totaux lorsqu’ils sont
éclairés par une source rayonnante corps noir traçable fonctionnant sous vide. Le fait de baisser la pression
absolue dans la cavité corps noir à une valeur comprise entre 0,5 Pa et 2 Pa réduit considérablement
le transfert thermique convectif. Les fluxmètres thermiques devant être étalonnés sont fixés sur un
support et font partie intégrante du système fermé. Le mode opératoire en est donné en Annexe A. La
relation entre la température du four et l’éclairement énergétique au niveau du fluxmètre thermique est
donnée en Annexe B. Des exemples de captures d’écran d’ordinateur sont donnés en Annexe C.
4.3 Principe de la méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2)
2 2
Cette méthode est utilisée pour étalonner les fluxmètres thermiques entre 2 kW/m et 70 kW/m . Une
source de chaleur rayonnante corps noir conçue comme un four sphérique comportant une ouverture
à sa partie inférieure est utilisée. La température du four, réglée avec une précision élevée, est très
uniforme à l’intérieur du four, assurant un niveau élevé de précision de la chaleur rayonnante.
Les fluxmètres thermiques devant être étalonnés sont insérés par l’ouverture située au fond du four, la
surface sensible du fluxmètre thermique étant orientée horizontalement. L’influence de la convection
est réduite à un minimum. Le fluxmètre thermique ne «voit» que l’environnement contrôlé de l’émetteur
corps noir. Le niveau de rayonnement de cet émetteur corps noir dépend principalement de la température
mesurée, ce qui le rend traçable par rapport aux étalons internationaux de température.
L’exactitude de la méthode dépend de la conception de l’appareillage d’essai. Le mode opératoire est
donné en Annexe D. La relation entre la température du four et l’éclairement énergétique au niveau
du fluxmètre thermique est décrite en Annexe E. Les limites d’erreurs supposent que l’appareillage
est construit conformément aux figures montrées dans l’Annexe F. Des recommandations pour les
opérateurs sont données dans l’Annexe G.
4.4 Principe de la méthode du corps noir à température variable (VTBB) (Méthode 3)
La méthode exploite le principe de la radiométrie à substitution électrique pour étalonner des capteurs
de flux thermique pouvant atteindre 50 kW/m au maximum. Les capteurs sont étalonnés en se référant
à un radiomètre à substitution électrique à température ambiante dont l’étalonnage est traçable par
rapport à un radiomètre cryogénique de haute précision (HACR) étalon primaire. Il s’agit d’un étalon qui
est utilisé pour la puissance de rayonnement optique et qui est soutenu par une chaîne d’étalonnages
indépendants.
L’étalonnage utilise un corps noir à température variable (VTBB) de 25 mm de diamètre de cavité
comme source rayonnante à large bande. Le VTBB se compose d’une cavité double dans un tube de
graphite chauffé électriquement. La température de corps noir est régulée et stable à ± 0,1 K par rapport
à la valeur de consigne.
Le capteur de flux thermique devant être étalonné et le radiomètre étalon de référence sont placés à
une distance fixe de l’ouverture du corps noir, en fonction du niveau du flux thermique. La variation du
niveau du flux thermique incident au droit de l’emplacement du capteur est obtenue en faisant varier la
température du VTBB. Le mode opératoire pour le radiomètre à substitution électrique est donné en
Annexe H. Le mode opératoire de l’étalonnage est donné en Annexe I. La procédure de réduction des
données est donnée en Annexe J.
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5 Aptitude d’un capteur à l’étalonnage
5.1 Types de fluxmètres thermiques
Les trois méthodes sont toutes prévues pour l’étalonnage des radiomètres hémisphériques totaux et des
fluxmètres thermiques totaux. Les fluxmètres thermiques totaux sont généralement du type Schmidt-
Boelter et du type Gardon. Les données d’étalonnage expérimentales sont normalement accompagnées
d’une expression indiquant la sensibilité du fluxmètre. Il convient de noter que le fluxmètre a une
sensibilité spectrale spécifique à chaque longueur d’onde λ. Toutefois, pour les fluxmètres thermiques
utilisés dans les essais de feu, la sensibilité peut être supposée indépendante de la longueur d’onde
sur la plage spectrale des sources rayonnantes communément examinées. Les écarts par rapport aux
caractéristiques idéales de réponse directionnelle peuvent être négligés.
Le champ de vue est supposé être hémisphérique (angle solide de 180°) et la surface est censée se
comporter comme un corps noir parfait, tant du point de vue des caractéristiques spectrales que de
celui de la réponse directionnelle.
Les méthodes peuvent être utilisées pour les radiomètres ayant un champ de vue limité, à condition que
ce champ soit bien caractérisé et que les corrections apportées pour ce champ de vue soient traçables.
5.2 Conception des fluxmètres thermiques
Les radiomètres et les fluxmètres thermiques ayant un diamètre hors tout maximal de 50 mm et un
diamètre de surface sensible pouvant atteindre 10 mm peuvent être pris en charge dans les Méthodes 1
et 2. Au cours de l’étalonnage, la température de corps du fluxmètre thermique doit rester constante. Un
refroidissement à l’eau permet de s’en assurer. Dans un certain nombre de cas, une alimentation d’air est
utilisée pour maintenir la fenêtre exempte de poussière. Dans la mesure du possible, les canalisations
d’eau et/ou d’air suivent un chemin parallèle à l’axe de l’appareil de mesure afin de maintenir les conduites
dans les limites du diamètre hors tout de 50 mm.
NOTE Pour le VTBB, aucune restriction n’est imposée sur le diamètre hors tout du capteur ou sur la manière
d’acheminer les conduites d’eau de refroidissement ou de gaz de purge. Toutefois, il est recommandé que la surface
sensible du capteur ait un diamètre inférieur ou égal à 10 mm.
5.3 Étendue de mesure
Les radiomètres étant généralement conçus pour être utilisés dans une certaine plage, il convient de
les étalonner dans cette plage. Pour les radiomètres qui seront utilisés hors de la plage de la méthode
choisie, il n’est pas permis, sauf justification, d’extrapoler les résultats d’étalonnage obtenus.
5.4 État du fluxmètre thermique avant l’étalonnage
Le revêtement sur le capteur est examiné visuellement et, si une réparation est nécessaire, le client
en est informé.
6 Méthode de la cavité corps noir sous vide (VBBC) (Méthode 1)
6.1 Appareillage
6.1.1 Description générale d’un appareillage pour la Méthode 1
L’appareillage d’étalonnage primaire est un système isolé fermé comportant deux pièces essentielles
(voir le schéma de la Figure 1):
— un canon qui est un tube cylindrique mobile (1) comprenant la cavité corps noir (4) chauffée
électriquement [(3), (6)], les diaphragmes (5), le fluxmètre thermique (10) et ses tubes de
refroidissement,
— une chambre isolée et refroidie (2).
Légende
1 porte-fluxmètre refroidi à l’eau
2 tube de céramique
3 dispositif de chauffage électrique
4 cavité corps noir
5 diaphragme
6 trois dispositifs de chauffage électrique
7 thermocouple radial multipoints
8 pompe à vide
9 chariot mobile
10 fluxmètre thermique
11 thermocouple longitudinal multipoints
a
Voir Figure 3.
b
Voir Figure 2.
Figure 1 — Coupe du four (VBBC)
6.1.2 Cavité corps noir sous vide (VBBC)
La cavité est un cylindre horizontal ayant un diamètre de 160 mm environ et une longueur de 420 mm
environ (voir Figures 2 et 3). Le fluxmètre thermique affleure le diaphragme afin de fermer le système
composé du corps noir et du diaphragme.
La cavité corps noir est mise sous vide au moyen d’une pompe primaire et d’une turbopompe moléculaire.
La pression dans la cavité est mesurée et enregistrée en continu.
La cavité corps noir est chauffée électriquement à travers la paroi cylindrique au moyen d’enroulements.
Quatre régulateurs du type PID (commande proportionnelle-intégrale-dérivée) commandent le
chauffage de la cavité. Ces régulateurs PID maintiennent la température du corps noir à ± 0,3 K environ
par rapport à la valeur de consigne. Une chemise de céramique est placée autour de la cavité afin de
réduire les pertes thermiques. Le fluxmètre thermique est entouré de trois diaphragmes afin de réfléchir
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le rayonnement provenant de la cavité et de limiter les pertes créées par cette ouverture. Le corps noir
peut fonctionner jusqu’à une température d’environ 900 °C.
Légende
1 diaphragme
2 interface du fluxmètre thermique pour un corps lisse avec et sans collerette
3 fluxmètre thermique
Figure 2 — Coupe du fluxmètre thermique affleurant les diaphragmes
Dimensions en millimètres
421 ±0,5
Figure 3 — Coupe de la cavité corps noir
6.1.3 Mesure de la température
Les profils thermiques de la cavité sont mesurés à l’aide de thermocouples.
a) Un ensemble de thermocouples du type S mesure la variation de température radiale à l’arrière de
la cavité; en partant du centre, les emplacements radiaux des thermocouples sont 0 mm, 27 mm,
54 mm, 81 mm.
162 ± 0,5
b) Des thermocouples du type K sont insérés en différents points le long de la cavité pour mesurer le
gradient de température. Les thermocouples sont placés respectivement à une distance de l’avant
du corps noir de 0 mm, 17 mm, 33 mm, 50 mm, 67 mm, 83 mm, 100 mm, 133 mm, 167 mm, 200 mm,
250 mm, 300 mm, 350 mm, 410 mm.
c) Un tube de céramique, contenant un thermocouple de type S étalonné, est utilisé pour donner la
référence et vérifier la variation de température le long de la cavité.
6.1.4 Mesure de la pression
Le système de pompage comprend deux pompes:
a) une pompe primaire mécanique, qui abaisse la pression de la pression atmosphérique jusqu’à 10 000 Pa,
b) une turbopompe moléculaire, appelée pompe secondaire, qui permet d’abaisser la pression à moins
de 1 Pa. La pression est mesurée à l’aide d’un manomètre de Pirani.
Le retour à la pression atmosphérique est effectué sous azote.
6.1.5 Acquisition des données et logiciel – interfaçage de l’installation d’étalonnage
Le rayonnement thermique incident sur le capteur de flux thermique inséré dans la cavité corps noir
peut être déterminé à partir de la mesure des températures et de la pression dans la cavité et à partir de
l’emplacement et de la géométrie du capteur. Un calcul systématique a été mis au point pour déterminer
le rayonnement thermique incident.
Les réponses du fluxmètre et des différents thermocouples sont mesurées à l’aide d’un voltmètre ayant
l’exactitude appropriée. Toutes les tensions de sortie requises (manomètre, thermocouple, etc.) sont
enregistrées à l’aide d’un système enregistreur de données.
La réduction des données et le calcul de l’éclairement énergétique produit sur le capteur sont effectués
à l’aide d’un programme informatique spécial.
6.2 Mode opératoire de fonctionnement
Le fluxmètre thermique est inséré dans la cavité corps noir sous vide. Dans ce cas et en première
approximation, le signal de sortie délivré par le fluxmètre est proportionnel au flux thermique incident
total qui irradie le capteur.
Dans une étape préliminaire, la relation entre le flux thermique incident total arrivant sur un fluxmètre
type de laboratoire et la température de la cavité a été calculée à l’aide de la méthode du rayonnement
thermique net et de la modélisation du transfert thermique par convection à l’intérieur de la cavité corps
noir. Puis, lorsqu’un fluxmètre est étalonné, cette relation, avec les mêmes hypothèses relatives aux
conditions aux limites expérimentales, est utilisée pour obtenir le flux thermique incident total à partir
des mesures de la température de cavité.
Le mode opératoire de l’étalonnage est décrit dans le détail en Annexe A. La procédure de réduction des
données est décrite en Annexe B.
6.3 Incertitude
6.3.1 Incertitude en général
L’estimation de l’incertitude élargie d’une mesure est basée sur une analyse des principales sources
d’incertitudes. La contribution de chaque composante due à la méthode, au milieu et aux dispositifs
utilisés est analysée. Un récapitulatif des incertitudes estimées est consigné dans le Tableau 1.
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6.3.2 Température de corps noir, modélisation du transfert thermique et émissivité
La composante «température de corps noir» prend en compte tous les détails d’une mesure de
température. La composante «modélisation de transfert thermique» s’obtient par une analyse de
l’influence qu’ont les positions des thermocouples, la modélisation du rayonnement et de la convection
ainsi que la résistance thermique (environ 1,3 % au bas niveau de flux thermique). Cette composante
est la plus importante source d’incertitude. L’incertitude liée à l’émissivité de chaque partie de la cavité
corps noir peut être considérée comme étant une contribution négligeable à l’incertitude totale.
6.3.3 Relevé de la pression de sortie
L’incertitude liée au relevé de la pression de sortie est déterminée par les détails relatifs à l’étalonnage
et à la résolution des instruments.
6.3.4 Lecture du radiomètre
Cette contribution est calculée pour un capteur refroidi à l’eau. La répétabilité et l’influence du flux de
refroidissement sont en particulier prises en compte. En fonction du niveau du flux thermique, différents
scénarii sont appliqués pour l’acquisition de données des relevés du radiomètre. Le résultat obtenu est un
compromis entre l’effet du temps d’équilibre aux niveaux de flux thermique du programme d’étalonnage
et la résistance du revêtement du capteur.
Tableau 1 — Récapitulatif des sources d’incertitude
Incertitude relative
Source d’incertitude Type
± % à
272 °C 375 °C 542 °C 671 °C 700 °C 800 °C
Composante
2 2 2 2 2 2
(5,0 kW/m ) (10,0 kW/m ) (25,0 kW/m ) (45,1 kW/m ) (50,8 kW/m ) (75,2 kW/m )
Température de
A-B 0,24 0,20 0,20 0,19 0,19 0,18
corps noir
Modélisation du
B 1,27 1,07 0,85 0,73 0,71 0,64
transfert thermique
Émissivité de corps
B 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
noir
Relevé de la pression
B 0,10 0,07 0,03 0,02 0,02 0,01
de sortie
Lecture du radio-
A-B 0,84 0,54 0,43 0,42 0,41 0,41
mètre
Incertitude relative
(k = 2) 3,1 2,4 1,9 1,7 1,7 1,6
élargie combinée
L’incertitude relative élargie (k = 2) est estimée comme étant inférieure à ± 2,5 % pour la plage des flux
2 2
thermiques compris entre 10 kW/m et 75 kW/m .
7 Méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2)
7.1 Appareillage
7.1.1 Description générale d’un appareillage pour la Méthode 2
Il s’agit d’une méthode semi-fermée qui est basée sur l’utilisation d’une chambre de four sphérique bien
isolée, chauffée électriquement. Un porte-fluxmètre refroidi à l’eau contenant le fluxmètre thermique
est inséré dans l’ouverture pratiquée au fond du four. Le four est représenté à la Figure 4.
Il convient que le four sphérique, pour fonctionner comme émetteur corps noir presque parfait, ait une
grande superficie par rapport à l’ouverture. L’ouverture dans le tube de visée refroidi à l’eau définit le
facteur de forme sous lequel le four rayonne vers le fluxmètre thermique. Le tube de visée et le fluxmètre
avec son porte-fluxmètre sont placés au fond du tube pour réduire l’effet des courants de convection.
7.1.2 Chambre du four sphérique
1)
Le four sphérique consiste en une coque interne en matériau à base d’Inconel qui est fortement oxydé
pour améliorer son émissivité spectrale. À l’extérieur de cette coque d’Inconel, des enroulements
chauffants électriques uniformément répartis sont fixés avec un composé céramique ayant une bonne
conductivité thermique. La chambre du four est enrobée dans un matériau isolant thermique céramique
résistant aux hautes températures afin de réduire au minimum les pertes thermiques et établir une
distribution uniforme de la température. Il convient que le diamètre intérieur de la chambre du four soit
supérieur à 4,5 fois l’ouverture limitante du tube de visée refroidi à l’eau.
7.1.3 Tube de visée et porte-fluxmètre
Le tube de visée refroidi à l’eau consiste en un assemblage de cylindres concentriques ayant un système
de canaux d’eau entre eux. Le tube de visée doit être soigneusement usiné à des cotes précises. Son
ouverture supérieure forme une ouverture par laquelle le four rayonne vers le fluxmètre thermique.
Une collerette se trouve à une certaine distance vers le bas (X dans les Figures 5 et 6). Cette collerette
sert partiellement d’écran contre le rayonnement parasite, mais surtout d’appui, pour positionner
précisément le porte-fluxmètre refroidi à l’eau. Le tube de visée avec le porte-fluxmètre est montré à la
Figure 5 où les principaux détails sont identifiés.
Le tube de visée est calculé pour être utilisé avec le porte-fluxmètre en deux positions, sans occasionner de
réflexions par les parois du refroidisseur: la position supérieure (sans bague d’entretoise) et un emplacement
situé à 40 mm en dessous (avec bague d’entretoise) prenant en charge des plages de rayonnement de
2 2 2 2
6 kW/m à 75 kW/m et de 2 kW/m à 25 kW/m , respectivement, à l’intervalle de températures de 400 °C
à 1 000 °C. Le tube de visée et le porte-fluxmètre doivent être fabriqués avec précision afin de fournir la
donnée d’entrée exacte pour le calcul du niveau de rayonnement à la surface sensible.
La Figure 5 montre le porte-fluxmètre à sa position supérieure. Le porte-fluxmètre comprend un certain
nombre de collerettes qui protègent le fluxmètre contre le rayonnement réfléchi par la paroi du porte-
fluxmètre refroidie. Les collerettes aident également à maintenir la stratification de l’air, qui réduit le
transfert thermique convectif vers la surface sensible du fluxmètre.
La Figure 6 montre le porte-fluxmètre à sa position la plus basse, la bague d’entretoise étant insérée entre
la collerette d’arrêt et le porte-fluxmètre. La bague d’entretoise amovible contient une autre collerette
servant d’écran contre la réflexion. La bague d’entretoise sert également à assurer le positionnement
exact du porte-fluxmètre à sa position la plus basse.
Si le diamètre du corps du fluxmètre est inférieur au diamètre intérieur du porte-fluxmètre, une fixation
doit être utilisée pour positionner le fluxmètre le long de la ligne médiane du porte-fluxmètre.
1) Inconel est un exemple de produit approprié disponible sur le marché. Cette information est donnée à
l’intention des utilisateurs de la présente partie de l’ISO 14934 et ne signifie nullement que l’ISO approuve ou
recommande l’emploi exclusif du produit ainsi désigné.
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Légende
1 cavité sphérique avec dispositif chauffant en céramique moulée
2 matériau isolant thermique en céramique basse densité
3 carter intérieur en acier inoxydable
4 thermocouple fixé à la surface intérieure de la sphère
5 isolant thermique en céramique dure
6 tube de visée refroidi à l’eau
7 fluxmètre thermique
8 pare-chocs d’isolant céramique
9 porte-fluxmètre mobile refroidi à l’eau
10 structure support intérieure
11 semelle frontale inférieure
Figure 4 — Coupe verticale du four sphérique
Dimensions en millimètres
Légende
1 ouverture limitante
2 collerette écran supérieure et appui pour le porte-fluxmètre
3 disque d’ouverture
4 collerettes écran du porte-fluxmètre
5 partie interne du tube de visée avec canaux d’eau
6 porte-fluxmètre avec canaux d’eau
7 surface sensible
8 corps du fluxmètre (schématique)
NOTE 1 Le diamètre d’ouverture, d , est de (60,18 ± 0,01) mm et la distance X est de (13,05 ± 0,03) mm. Notons
1 1
que la distance X variera en fonction de la conception du fluxmètre, car il s’agit de la distance entre le haut du
g
porte-fluxmètre et la surface sensible du fluxmètre. Normalement, elle est de 17 mm environ.
NOTE 2 La figure montre la section au niveau du plan de coupe. Les parties normalement visibles qui sont
situées derrière le plan de coupe n’y sont pas incluses.
Figure 5 — Coupe de la partie interne du tube de visée refroidi
à l’eau, le porte-fluxmètre étant à sa position supérieure.
Cette option est dite «sans bague d’entretoise»
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Dimensions en millimètres
Légende
1 bague d’entretoise avec collerette écran
2 surface sensible
3 corps du fluxmètre (schématique)
NOTE 1 La distance X est de (40 ± 0,02) mm.
NOTE 2 La figure montre la section au niveau du plan de coupe. Les parties normalement visibles qui sont
situées derrière le plan de coupe n’y sont pas incluses.
Figure 6 — Coupe de la partie interne du tube de visée refroidi à l’eau,
le porte-fluxmètre étant à 40 mm sous la position supérieure et la bague d’entretoise étant
insérée. Cette option est dite «avec bague d’entretoise»
7.1.4 Mesure de la température
La température du four est mesurée avec un thermocouple de type S (platine-platine/rhodium) avec un
gainage protecteur en alumine de haute pureté. Les fils nus du thermocouple sont soudés ensemble avec
une épaisseur du cordon de soudure de 1,2 mm environ. Le thermocouple est en outre protégé contre les
rayonnements en l’insérant dans un tube soudé introduit dans la coque intérieure de la sphère en Inconel.
La température de l’eau de refroidissement est mesurée avec un thermocouple de type K. Le thermocouple
servant à mesurer la température de l’eau de refroidissement est inséré dans un tube d’eau à proximité
du fluxmètre et du porte-fluxmètre.
Les thermocouples doivent appartenir à la classe de tolérance 1 conformément à la norme CEI 60584-2.
L’étalonnage final du système complet doit être effectué par radiométrie, en utilisant un pyromètre
étalonné avec une incertitude d’étalonnage de ± 1 °C jusqu’à 1 000 °C ou meilleure.
7.1.5 Mesure des dimensions
La profondeur (X ) du fluxmètre doit être mesurée avec un capteur ayant une résolution de 0,01 mm.
g
L’aire de la surface sensible du fluxmètre doit être déterminée avec une incertitude-type relative
inférieure à 10 %.
7.1.6 Enregistreur de données
Il convient que l’exactitude du système enregistreur de données soit adéquate pour gérer les signaux
délivrés par les capteurs de température et le faible niveau de tension délivré par le fluxmètre. Il convient
que l’erreur après étalonnage soit inférieure à ± 10 µV. L’exactitude sur le relevé de température doit être
déterminée de sorte que l’incertitude totale sur la température soit inférieure à 1,4 °C.
Afin de tenir compte des erreurs possibles qui entachent le reste de la chaîne de mesure, il convient,
dans toute la mesure du possible, d’utiliser le même enregistreur et les mêmes connecteurs lors de
l’étalonnage et de la mesure réelle.
7.2 Mode opératoire de fonctionnement
Il convient d’étalonner les fluxmètres thermiques à 10 niveaux de flux différents, uniformément répartis.
Le mode opératoire pour un étalonnage normal est donné en Annexe D. La procédure de réduction des
données est décrite en Annexe E.
7.3 Incertitude
7.3.1 Incertitude en général
L’estimation de l’incertitude élargie d’une mesure est basée sur une analyse des principales sources
d’incertitudes. La contribution de chaque composante due à la méthode et aux dispositifs utilisés est analysée.
Un récapitulatif des incertitudes estimées est consigné ci-dessous et dans le Tableau 2 et le Tableau 3.
L’analyse d’erreur pour le système suppose que le tube de visée refroidi à l’eau et le porte-fluxmètre
sont fabriqués conformément aux plans fournis (Annexe F). Pour une analyse d’erreur détaillée, voir les
[5] [11]
Références et.
7.3.2 Approximations dans le modèle d’enceinte et erreur due à la réflexion
Les incertitudes dues aux approximations dans le modèle d’enceinte (voir la partie droite de la Figure E.2
dans l’Annexe E) et aux erreurs de réflexion agissent dans des directions différentes. Le modèle
d’enceinte supposant que le refroidisseur est un cylindre donne une erreur relative de 0 % à 0,5 % tandis
que l’erreur de réflexion est estimée comme étant comprise entre –0,8 % et 0 %. En les combinant en
utilisant la racine carrée de la somme des carrés et en supposant une distribution rectangulaire des
erreurs, on obtient une incertitude-type relative de 0,54 %.
7.3.3 Convection
L’erreur maximale due à la convection est estimée à ± 0,5 %, ce qui conduit à une incertitude-type
relative de 0,29 %.
7.3.4 Émissivité des parois
L’émissivité des parois du four influence l’émissivité apparente du four. Le coefficient de sensibilité
relatif calculé par variation des paramètres est de 0,017. En supposant une émissivité des parois du
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four de 0,7-0,9 et une distribution rectangulaire, on obtient une incertitude-type relative de 7,2 %. La
contribution de la mesure du flux thermique à l’incertitude relative combinée est de 0,12 %.
7.3.5 Diamètre d’ouverture
L’ouverture du four influence à la fois l’émissivité apparente du four et les facteurs de forme. Le
coefficient de sensibilité relatif calculé par variation des paramètres dépend de l’utilisation ou non d’une
bague d’
...