> Capteur par transmission à Infra Rouge (NIR4)
 


Le meilleur choix pour la mesure sélective de couche.

Principle.

Ce capteur est fait pour mesurer le grammage ou l’épaisseur (quand la densité est constante) de matériaux de composition constante ou de couches spécifiques de matériaux multi couches. Il est aussi très intéressant pour mesurer le taux d’humidité de matériaux relativement légers jusqu’environ 200g/m2.

Une source de lumière, située dans la tête émettrice, délivre un spectre dont une partie des fréquences se situe dans l’infra rouge. Quatres détecteurs situés dans la tête réceptrice du NIR4, et munis d’un filtre différent en entrée, mesurent sélectivement différentes longueurs d’onde dans l’infra rouge. Le signal de chaque détecteur est comparé avec et sans matériau interposé entre les têtes. Bien que plus complexe que la mesure par absorption de rayons X ou l’absorption de rayons bêtas, il s’agit aussi d’une méthode par transmission.

L’absorption est due aux modes de vibrations des différentes molécules présentes dans le matériau. Quand une longueur d’onde correspond à l’énergie d’un mode de vibration elle est fortement absorbée, et plus la masse de matière interposée est élevée plus l’absorption est importante. Inversement une longueur d’onde ne correspondant à aucun mode de vibration est très peu absorbée. Chaque matière présente donc un spectre infra rouge typique qui la caractérise.

En exemple nous donnons le spectre d’un film de 190µm de polyester.



Il suffit alors de sélectionner un pic d’absorption bien particulier. Sa hauteur est une mesure de l’absorption par la matière donc une mesure indirecte de la quantité de matière interposée. On voit tout de suite que la situation est beaucoup plus complexe que pour les autres techniques d’absorption où le signal représentant l’énergie perdue dans le détecteur suffit seul à effectuer la mesure.

Il faut premièrement sélectionner la bonne longueur d’onde ce qui implique de filtrer physiquement la lumière de l’émetteur à l’aide d’un filtre spécifique. Il faut ensuite s’affranchir du fond sous le pic qui pollue la mesure. La figure 2 représente la longueur d’onde du pic en rouge, en vert la partie du spectre qui doit être enlevée et en bleu l’absorption effective.


Pour déterminer l’absorption effective d’autres longueurs d’ondes sont nécessaires. C’est pourquoi une seule mesure nécessite plusieurs détecteurs chacun ayant un filtre sélectionnant une longueur d’onde requise.

L’absorption effective est alors liée à la masse surfacique ou à l’épaisseur par une relation de Berr Lambert (décroissance exponentielle) dont on doit déterminer le coefficient d’atténuation (figure 3)


Le principe de la transmission infra rouge implique que le détecteur soit préparé pour la mesure d’un matériau donné. C’est une limitation bien entendue, mais c’est en même temps une propriété très intéressante puisque l’on peut mesurer sélectivement les couches à condition que les spectres IR différent suffisamment d’une couche à l’autre. La mesure d’humidité est un autre exemple ou le détecteur est préparé pour mesurer un mode de vibration de la molécule d’eau.

Mesures ponctuelles.

Il y a, pour simplifier, deux mises en œuvre possibles:

  • 1. On peut sélectionner les longueurs d’onde dans l’émetteur. Dans ce cas il faut interposer les filtres les uns après les autres dans la lumière de la source. Cela impose un dispositif mécanique mobile dans l’émetteur. Par contre un seul détecteur suffit dans la tête réceptrice. Le grand désavantage de cette conception est que la mesure n’est pas ponctuelle. La matière se déplace pendant le temps de passage de l’ensemble des filtres devant la source. S’il y a des variations d’épaisseurs durant ce temps, la mesure finale est complètement faussée.
  • 2. On sélectionne les longueurs d’onde dans le récepteur. L’émetteur est beaucoup plus simple mais il faut alors avoir autant de détecteur que de longueurs d’ondes. Scantech a choisi la seconde solution pour avoir une mesure ponctuelle indépendamment de la vitesse de ligne.

Scantech a choisi la seconde solution pour avoir une mesure ponctuelle indépendamment de la vitesse de ligne.

Caractéristiques.

  • Gammes de mesure. Nos capteurs fonctionnent sur une plage de longueur d’onde étendue de 1 à 4µm. Cela permet un meilleur choix quand à la sélection des pics d’absorptions et donc d’étendre globalement les gammes de mesure. En effet les coefficients d’atténuation sont différents d’un pic à un autre. On peut donc en conséquence affecter certains pics à certaines plages d’épaisseur. Par exemple, pour le polypropylène, un premier jeu de filtres est bien adapté aux faibles épaisseurs (en dessous de 30 / 35µm). Un second permet des mesures jusque plusieurs centaines de µm. D’une manière générale le chois du pic, donc du jeu de filtre, va dépendre de la plage de mesure recherchée et évidemment de la nature du matériau.
  • Bonne précision. Le capteur NIR4 offrent une bonne précision. Le bruit intrinsèque de mesure est particulièrement faible et la résolution est de l’ordre de 0,1g/m2 pour les faibles grammages (en dessous de 50g/m2).
  • Très court temps de réponse.Les temps de réponse intrinsèques et le temps de calcul des mesures sont très courts. On moyenne les mesures individuelles sur des pas qui correspondent à des temps de l’ordre de 10msec. On évite ainsi tout effet de lissage artificiel du profil.
  • Bonne résolution spatiale.La résolution spatiale est liée à la taille du spot soit environ 10 à 12 mm.
  • Emetteur. Plutôt que d’utiliser une lampe dont la durée de vie est réduite et dont l’efficacité est très mauvaise, nous utilisons des diodes.
  • Pas de formalité administrative ni autorisation légale. Ces capteurs ne présentent aucun danger pour la sécurité des utilisateurs ni pour le personnel de maintenance. Aucune formalité administrative ni autorisation d’aucune sorte n’est nécessaire à sa détention et à son utilisation.

Design.

Notre conception présente les grands avantages suivants:

  • Mesures ponctuelles
  • Pas de dérive dans le temps quel que soient les variations de température, de pression et d’humidité. Pas de dérive électrique (pour un film de 20µm, l’écart type sur une tendance de 10 heures est inférieure à 0,02µm).
  • Pas de d’influence liée aux variations de température d’air.
  • Entrefer d’au moins 4cm.
  • Influence due au désalignement entre têtes émettrice et réceptrice négligeable.
  • Influence négligeable des variations de distance entre les têtes.
  • Désensibilisation aux variations d’intensité de la lumière ambiante.
  • Désensibilisation aux interférences lumineuses.