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1. Généralités : 1.1. Mesure de la température : Un corps chaud est caractérisé par sa température. La mesure évidente est celle par contact : - dilatation de liquide ou de solide; - thermocouple; - cristaux liquides. Mais l'inconvénient majeur est l'impossibilité de faire la mesure d'un grand nombre de points en temps réel. De plus, des problèmes d'accessibilité, de potentiel électrique… peuvent se poser. La seconde méthode, se fait par la mesure du rayonnement infrarouge. La thermographie infrarouge en temps réel se décompose en deux domaines : l'imagerie (militaire, cinéma, médical) et la mesure (recherche, maintenance préventive conditionnelle). L'étude de la signature thermique d'un système ou de ses composants permet de déterminer les zones d'échauffement qui sont souvent caractéristiques de la dégradation du système. Les avantages de cette méthode sont : * rapidité de mise en œuvre des mesures; * localisation des points chauds; * précision dans les mesures des températures; * mesures sans contact sur des objets : - en mouvement; - sous tension; - inaccessibles; - polluants ou polluables; * l'accès à des environnements sévères. 1.2. Principe : Chaque matériau émet naturellement un rayonnement électromagnétique de spectre normalement continu dont le niveau est fonction de sa longueur d'onde et de sa température. L'essentiel de ce rayonnement est émis dans la gamme des infrarouges. Les caméras thermographiques ont été conçues pour fournir une image, appelée thermogramme, de phénomènes statiques ou dynamiques dans le domaine spectral de l'infrarouge. Radiomètre infrarouge

Défaut source de chaleur

Calculateur

1ère analyse sur site : thermogramme

2ème analyse après transfert de données : - tendance; - historique; - diagnostic.

Enregistreur

Une caméra infrarouge est un radiomètre ayant comme signal d'entrée une puissance de rayonnement (W/m²) et comme signal de sortie une tension électrique proportionnelle au signal d'entrée. Cette tension est traduite en indications visuelles et numériques.

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1.3. Spectre infrarouge : 50 Hz 20 Hz

20 kHz

100 Hz 10 Hz

Domaine de la thermographie en maintenance

3 kHz

10 kHz 1 kHz

19

300 GHz 1 MHz 100 kHz

100 MHz 10 MHz

Ondes radio

Secteur

12

10 GHz 1 GHz

3x10 Hz 14

10 Hz 100 GHz

16

10 Hz 13

10 Hz

10 Hz

Infra-rouge

18

10 Hz 15

10 Hz 19

10 Hz

Ultra-violet

Ondes audibles

20

10 Hz 17

21

10 Hz

Rayons X

10 Hz

Rayons γ

Lumière visible

Le spectre électromagnétique est divisé plus ou moins arbitrairement en plages appelées bandes, principalement suivant les méthodes d'émission ou de détection des rayonnements. Il n'y a pas de différence fondamentale entre les rayonnements des différentes bandes du spectre électromagnétique. Ils respectent tous les mêmes lois, avec des nuances résultant des différences de longueur d'onde. La relation entre la longueur d'onde et la fréquence ou la période est la suivante :

c λ = c×T = f

λ est la longueur d’onde en m. c est la vitesse de propagation du rayonnement magnétique et de la lumière (3× 108 m/s). T est la période en s. f est la fréquence en Hz.

La thermographie utilise la bande spectrale infrarouge. A l'extrémité de la bande, côté ondes courtes, se trouve, dans le rouge sombre, la limite de notre perception visuelle (0,4 à 0,8 µm ou 375 000 à 750 000 GHz). De l'autre côté de la bande, où se trouvent les ondes longues, les infrarouges sont adjacents aux micro-ondes radio, dans la gamme millimétrique. Le spectre des rayonnements infrarouges est divisé également arbitrairement en 4 bandes : - infrarouges proches (0,75 à 3 µ m ou 100 000 à 400 000 GHz); - infrarouges moyens (3 à 6 µ m ou 50 000 à 100 000 GHz); - infrarouges lointains (6 à 15 µ m ou à 20 000 à 50 000 GHz); - infrarouges extrêmes (15 à 100 µ m ou 3000 à 20 000 GHz). Les longueurs d'ondes sont exprimées le plus souvent eu µ m (micromètres) ou nm (nanomètre) mais une unité ancienne est encore souvent utilisée : l’Ångström (Å). La relation entre ces différentes unités est : 10 000 Å = 1 000 nm = 1 µ m

2. Eléments de radiométrie : 2.1. Principe :

Energie incidente

Objet

Absorption

Transmission Réflexion Emission Suivant les principes de la thermodynamique (loi de Kirchhoff) : Absorption = Emission L'émission est fonction de : - la température T°; - la longueur d'onde λ . D’après la loi de Kirchhoff : Emission + Transmission + Réflexion = 1. Si l'objet est considéré opaque, on a une transmission nulle, d'où : Emission + Réflexion = 1.

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2.2. Emissivité : Elle est notée ε et varie avec la température et la longueur d'onde. ε =

Quantité de rayons émis par l'objet réel Quantité de rayons émis par le corps noir

2.3. Emetteur parfait - Notion de corps noir : Le corps noir, par définition, est un objet idéal qui absorbe tous les rayonnements incidents dans n'importe quelle longueur d'onde. Le terme apparemment inapproprié de noir est relatif à la loi de Kirchhoff, qui stipule qu'un corps capable d'absorber toute l'énergie à n'importe quelle longueur d'onde est également capable d'émettre des rayonnements. La construction d'un corps noir est très simple en principe. Les caractéristiques d'une cavité ayant une température constante, équipée d'une petite ouverture, représente presque parfaitement les propriétés d'un corps noir. L'application pratique de ce principe est la réalisation d'une boîte n'ayant aucune autre ouverture qu'un petit trou sur un de ses côtés. Ainsi, le rayonnement qui pénètre par le trou entre et se réfléchit à l'intérieur de la boîte d'une manière répétitive en absorbant la totalité de l'énergie à l'exception d'une infime fraction pouvant ressortir par l'ouverture. Ce modèle de corps noir observé au niveau de l'ouverture a le comportement d'un corps noir idéal pour la totalité des longueurs d'onde. La qualité des mesures dépend du matériau de l'objet observé. Un corps noir est un matériau dont la réflexion est minimale et la réflexion nulle. Dans ce cas : Emission + Transmission + Réflexion = 1 ⇔

Emission = 1

Si le comportement d'un corps noir est connu, celui d'un autre corps ne l'est pas. On se sert donc du corps noir comme étalon pour déterminer l'émissivité du composant observé. 2.4. Notion de corps gris : Le terme de corps gris est une notion abstraite qui permet d'effectuer des mesures relatives. On pose comme hypothèse de base que dans la bande des 3 à 5µ m, l'objet mesuré est un corps gris. 2.5. Les corps brillants : Les corps brillants, tel les miroirs, ont une très grande réflectivité. En se reportant à l'équation de Drapper, on a : ε (λ ) = 0. En annexe, un tableau donne la valeur de l'émissivité de différents matériaux. 2.6. Equation radiométrique :

Environnement

R E

ε0

T Caméra IR Atmosphère

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L' étant la luminance reçue par la caméra, on a la relation suivante : L' = Lobjet × ε objet × τ atmosphère + Lenvironnement × (1 - (ε

objet

× τ

atmosphère

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))

La correspondance luminance / température est déterminée grâce à l'étalonnage sur une batterie de corps noir de référence.

3. Principe de la thermographie : 3.1. Fiabilité des mesures : Un des principaux problèmes posé par la thermographie infrarouge réside dans la fiabilité des mesures. Elle dépend : - du contrôle de la dérive des températures absolues; - du contrôle du bruit, c’est-à-dire de la perturbation, générée par l'élévation de température du capteur. Pour éviter ce phénomène, on peut refroidir le capteur mais les cameras de dernière génération n'ont plus besoin d'être refroidies, un système logiciel de correction de la dérive des mesures est inclus dans l'appareil. Régulièrement (toutes les 30 s) des sondes de température intégrées dans la caméra informent de la température. La partie traitement peut ainsi en tenir compte pour recalibrer la mesure. 3.2. Détection : Les caméras à infrarouge sont équipées d'une matrice en oxyde de vanadium regroupant une multitude de capteurs qui transforment le rayonnement reçu en tension électrique. Z

Optique Filtre

Y

Matrice

Champ total exploré

3.3. Résolution thermique : C'est la plus petite variation de température discernable par l'appareil. C'est aussi ce l'on appelle le M.R.T.D (Minimum Resolvable Temperature Difference). En d'autres termes il s'agit du contraste de températures apparentes nécessaire pour séparer les détails d'une image. Exemple : 0,1°C à 30°C. Elle dépend : - de la surface du détecteur; - de la bande passante de l'électronique (le bruit augmente avec la bande); - de la détectivité spécifique du capteur (minimum requis); - de la quantité de flux émise. 3.4. Précision thermique (justesse) : C'est la valeur absolue de la mesure, connue avec plus ou moins de précision. Exemple : 0,5°C d'erreur pour 15°C soit 3 %. Cette précision est appelée aussi N.E.T.D. : Noise Equivalent Temperature Difference. Le bruit

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apparaît comme l'effet de neige lorsqu'une caméra travaille avec une luminosité trop faible. Il ne faut pas confondre précision et résolution.

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3.5. Résolution spatiale : C'est la capacité à mesurer avec précision la température de petits objets, "petit" étant défini par rapport à la dimension totale de l'image. C'est aussi le nombre de points séparables. La résolution spatiale est liée à des facteurs tels que la qualité de l'optique, la bande passante de l'électronique, les caractéristiques du balayage donc du détecteur. Elle définit la taille du phénomène que l'on peut observer sur un corps en fonction de la distance d'enregistrement. On sait que :

Lreçu = Lobjet + Lenvironnement 3.6. Conditions des mesures : Il faut respecter les conditions suivantes : - angle de mesure ne dépassant pas 45 ° par rapport à l'objet; - émissivité > 0,6; - taille de l'objet conforme à la résolution spatiale; - prise en compte de l'environnement extérieur.

4. Exemple de caméra à infrarouge : Marque

Flir Systems

Caractéristiques

Champ d'observation (horizontal × vertical)

24° × 18°, intégré

de l'image

Distance minimale de focalisation

0,5 m

Résolution thermique

0,l °C à 30°C

Détecteur

Mesure

Type

Matrice à plan focal non refroidi, 320 × 240 éléments

Réponse spectrale

7,5-13 µ m; Filtre atmosphérique

Temps de mise en route

Environ 45 secondes

Etendue de mesure

-20°C à + 500°C en 2 gammes et jusqu'à +1500°C en option

Filtre spectral

Filtre optionnel sélectionné par le menu

Exactitude de mesure sur corps noir

+ 2 % ou + 2 °C

Correction de la transmission atmosphérique

Automatique, liée à la distance, à la °C

Informations stockées

Toutes les informations sont stockées

D'image

Image au moment de l'enregistrement

Batteries

Autonomie

2 heures de travail continu

Environnement

Température de fonctionnement

-15°C à +50°C

Protection

IP 54 IEC 529 boiter en aluminium

Mémorisation

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5. Annexe : Emissivité de matériaux usuels, pour un angle d'observation ϕ = 0° à λ = 5 µ m Matériau

Température en °C

Emissivité

Or poli

40

0,02

Laiton poli

100

0,03

Argent poli

100

0,03

Aluminium poli

100

0,05

Cuivre poli

20

0,05

Nickel poli

20

0,05

Magnésium poli

20

0,07

Acier poli

100

0,07

Fer blanc

100

0,07

Acier inoxydable 18/8 poli

20

0,16

Fer, fonte, polis

100

0,21

Nickel oxydé

200

0,37

Aluminium anodisé

100

0,55

Laiton oxydé

100

0,61

Fer, fonte, oxydés

20

0,64

Fer, fonte très oxydés

20

0,69

Cuivre oxydé

100

0,78

Acier oxydé

60

0,85

Neige

-10

0,85

Sable

20

0,9

Bois

20

0,9

Béton

20

0,92

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Vernis blanc

100

0,92

Papier Plâtre

20

0,92

Terre sèche

20

0,92

Brique rouge

20

0,93

Verre poli

20

0,94

Peinture à l'huile

20

0,94

Carbone noir de fumée

20

0,95

Terre saturée d'eau

20

0,95

Eau distillée

20

0,96

Vernis noir mat

100

0,97

Carbone graphite

20

0,98

Peau humaine

32

0,98

Glace

-10

0,98