COURS THRMO PAJANI

THERMOGRAPHIE APPLIQUÉE AU CONTRÔLE DES INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES

MODULE 3 DE LA QUALIFICATION DES OPERATEURS POUR LE CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE -- TIR 3 -QUALIFICATION APSAD délivrée par le CNPP

Novembre 2002

Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

institut de la thermographie Les Prés Bouchard F- 91370 VERRIERES LE BUISSON (PARIS) tél – fax (33) 01 64 47 18 69 [email protected] www.institut-thermographie.com

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SOMMAIRE

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INTRODUCTION

5

1 - TEMPERATURES

9

2 - IMAGERIE THERMIQUE ET MESURE THERMOGRAPHIQUE

13

3 - EMISSION SUR CANAL INFRAROUGE

19

A -

LE SPECTRE DES RAYONNEMENTS

21

B -

LE RAYONNEMENT EMIS

23

C -

LE RAYONNEMENT REFLECHI

27

D -

LE RAYONNEMENT TRANSMIS

28

E -

LE RAYONNEMENT ABSORBE

28

4 - LA PLAQUE CHAUFFANTE DE LA CUISINIERE ELECTRIQUE

29

A -

LA PLAQUE CHAUFFANTE

31

B -

LE BILAN RADIATIF

36

C -

L'EMISSIVITE

39

D -

LE FACTEUR DE REFLEXION

43

E -

LE FACTEUR DE TRANSMISSION

47

F -

LE CORPS NOIR THEORIQUE ET LE "CORPS NOIR" REEL

50

G -

REMARQUES, CONCLUSION ET SYNTHESE GRAPHIQUE

52

5 - COMPRENDRE ET REGLER LA CAMERA

55

A -

LA CAMERA THERMIQUE

57

B -

THERMOSIGNAL, CALIBRE ET CONFIGURATION

62

C -

LE TRAITEMENT DU THERMOSIGNAL

66

D -

LE TRAITEMENT DE L'IMAGE THERMIQUE

70

6 - LA CAMERA THERMIQUE RISQUE DE MESURE SAUVAGE

73

A -

ESPACE DE L'IMAGERIE ET ESPACE DE LA MESURE

75

B -

LES COURBES D'ETALONNAGE ET L'EXACTITUDE

77

C -

LA RESOLUTION SPATIALE

78

D -

LA RESOLUTION THERMIQUE

86

E -

LES ASPECTS OPERATIONNELS

87

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7 - MATERIELS ET LOGICIELS

89

A -

LE SYSTEME DE THERMOGRAPHIE

91

B -

L'ENREGISTREMENT DES IMAGES THERMIQUES

92

C -

LE TRAITEMENT DES IMAGES THERMIQUES (redite)

93

D -

L'EDITION DES THERMOGRAMMES

94

E -

L'OPERATEUR

95

8 – EXAMINONS … THERMOGRAPHIQUEMENT

97

A -

LES PREMICES DE L'EXAMEN THERMOGRAPHIQUE

B -

APPRECIATION ET MAITRISE DE LA SITUATION

100

C -

LA TRANSCRIPTION EN TEMPERATURE

101

D -

L'INCERTITUDE DE MESURE

106

E -

MESURE ABSOLUE ET MESURE D'ECART

107

F -

LE RAPPORT D'INTERVENTION

108

G -

LA SIGNIFICATION DES MESURES

109

H -

SYNTHESE : LA DEMARCHE DE LA MESURE

9 - LA THERMOGRAPHIE, A QUOI ÇA SERT ?

99

111

113

A -

GENERALITES

115

B -

MAINTENANCE ET PREVENTION

116

C -

CONTROLE D'INSTALLATIONS ELECTRIQUES

117

D -

ISOLANTS, CALORIFUGES, REFRACTAIRES, …

119

E -

PETROCHIMIE

121

F -

MAINTENANCE MECANIQUE

122

10 - CONCLUSION

123

A -

LE ROLE DE L'OPERATEUR

125

B -

VERS LES SPECIALISTES

126

11 - LES SEPT REGLES DU THERMOGRAPHE

127

12 - BIBLIOGRAPHIE

131

ANNEXE 1 SCHEMA SYNOPTIQUE DES TEMPERATURES

135

ANNEXE 2 DETAILS SUR LES CAMERAS THERMOVISION 400, 700 et 800

139

ANNEXE 3 TABLEAU D'EMISSIVITES

145

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INTRODUCTION

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Dans le cadre de la Qualification des opérateurs pour le contrôle par thermographie infrarouge des installations électriques pour la prévention des risques d'incendie et d'arrêt de production, l'INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE conçoit et dispense le stage de THERMOGRAPHIE, Module 3 de la Qualification, TIR 3. Ce fascicule est un condensé des enseignements de thermographie appliquée. Il ne traite pas des exercices ni des travaux pratiques. Il ne s'agit pas d'un cours sur l'électricité, ni sur les installations électriques, ni sur la prévention des risques. Dans cette optique, "interprétation" signifie "validation des mesures thermographiques" et ne signifie pas "explication de la présence de cette température" et encore moins "action à mener pour corriger cette température" ou "risque de tel ou tel type". L'interprétation ainsi définie est la première démarche logique qui conduira ensuite à comprendre le pourquoi des températures mesurées, dans des conditions définies d'exploitation des installations électriques, et à annoncer les risques liés à ces températures. Nous conseillons toujours une certaine modestie lors de la mise en œuvre de la thermographie, apparemment facile du fait de l'image qu'elle procure, au même titre que la vidéo paraît simple, pour beaucoup, du fait de la large diffusion du caméscope. Il est toujours temps, après l'irruption massive des caméras thermiques dans l'industrie, de poursuivre cette professionnalisation du paysage thermographique français. On ne présente ici ni la théorie de la thermographie ni la technologie des caméras, mais on s'intéresse aux éléments concrets de compréhension et de mise en œuvre de la technique, éléments suffisants pour qu'un opérateur attentif, sensibilisé ou qualifié par ailleurs en matière d'installations électriques et de prévention, aborde les mesures avec une confiance fondée et une sage perspicacité sur les limites, tant les siennes propres que celles de la thermographie et celles de son équipement de mesure. Cet exposé montre en effet qu'il est capital, pour l'opérateur, de réaliser, ce qui lui sera ensuite familier, que des notions simples sur les rayonnements lui permettront d'exécuter des mesures de température correctes, dans des situations qu'il saura apprécier et maîtriser. Il est définitivement inutile de disserter autour d'intégrales triples pour atteindre ce but. Viendra ensuite, fondée sur ce stage et sur l'expérience qui poursuivra sans cesse cette formation de base, une clairvoyance constructive. Les bornes au savoir qu'entraîne la courte durée d'un stage doivent rester en permanence à la conscience des participants. Leur domaine d'intervention est délimité. Il y a, en effet, des situations de mesure où ces éléments se révéleront incomplets. Il est bon que les opérateurs identifient ces cas, surtout s'ils n'ont pas compétence à les aborder, afin de ne pas se fourvoyer tranquillement dans des interprétations erronées. Le niveau des stagiaires, à qui s'adresse cet enseignement, est au minimum un niveau de technicien supérieur en maintenance, en électricité, en électrotechnique ou en mesure physique. Tout au long du stage, nous respecterons le vocabulaire des normes de métrologie, de rayonnement et de thermographie. L'opérateur compétent se reconnaît par son langage exact. Il est apprécié en conséquence. Mais, il a le droit de s'expliquer sur sa propre terminologie, quand il le justifie en toute logique et qu'aucun usage plus judicieux et plus largement répandu ne vient opposer un discours mieux établi. [Et justement, nous n'utilisons pas l'expression normalisée de "caméra infrarouge", lui préférant désormais "caméra thermique", puisque les caméras de thermographie ne fonctionnent pas toutes dans l'infrarouge. Il sera néanmoins clair que les caméras utilisables en contrôle d'installations électriques sont nécessairement des caméras thermiques infrarouges. Même commentaire pour "thermographie" et "thermographie infrarouge".]

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Nous prendrons comme exemples concrets, lors des explications, des caméras thermiques disponibles chez les opérateurs ou fournies par les revendeurs. Ce sont des caméras utilisables en contrôle des installations électriques. Il n'est pas discuté si elles sont les meilleures pour cet usage et cet exposé ne préconise pas de matériels particuliers même si le stagiaire attentif comprendra ceux qu'il lui est souhaitable d'éviter pour les contrôles. Enfin, un stage n'est pas un lieu où l'on caractérise des matériels. Ceux qui sont mis en œuvre lors des exercices et les travaux pratiques en salle sont des appareils soit neutres (hors marché), soit conçus ou réalisés par l'Institut et ses intervenants. Ceux que l'on utilise pour les travaux pratiques sur site sont mis gracieusement à disposition par les représentants ou sont ceux des stagiaires, s'ils ont été acceptés par l'Institut. [Les passages en petits caractères et entre [] ont pour but, pour les personnes intéressées ou déjà plus expérimentées, de nuancer et de détailler le propos.]

On ne s'étonnera pas des redites. Elles sont propres à tout enseignement. Ce fascicule peut être remis à jour à chaque cession de stage, selon les évolutions de la Qualification, les recommandations du Comité d'Orientation concernant les stages, l'apparition de nouveaux matériels.

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1 - TEMPÉRATURES

NOTIONS DE BASE SUR LA TEMPÉRATURE ET LA MESURE DES TEMPÉRATURES

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La température est en relation avec l'état énergétique de la matière. On peut communiquer de l'énergie à la matière par : - conduction (casserole sur une plaque électrique) ; - convection (casserole sur une cuisinière au gaz) ; - rayonnement (casserole en métal ferreux sur une plaque à induction). La température peut résulter d'une action mécanique (frottements dus au cisaillement, comme dans le malaxage de la pâte à modeler, la rentrée d'un engin dans l'atmosphère terrestre), d'un passage de courant électrique ("frottements" dus à la résistivité du matériau), d'une action chimique (réaction endo- ou exothermique), etc ... La température s'exprime en degré Celsius (°C) ou en Kelvin (K). L'échelle en K est référencée au zéro absolu qui vaut - 273,15°C. La relation est donc T (en K) = T (en °C) + 273,15. Les degrés centigrades n'existent plus. La méthode de mesure de la température est une mesure indirecte. On mesure la valeur d'une grandeur "G" liée à la température "T" (volume d'un liquide, résistance d'un matériau, rayonnement émis) et l'on en déduit la valeur de T, en connaissant la loi physique liant G et T et en étalonnant les appareils de mesure. La température se mesure au moyen de thermomètres, que ce soit par contact (conduction), par immersion (convection) ou par absorption (rayonnement). Les thermomètres de contact (ou immersion) mesurent des températures par contiguïté du capteur (jonction d'un thermocouple par exemple) avec le fluide ou le solide dont on veut localement connaître la température. On suppose l'équilibre des températures entre le capteur et l'élément de surface ou de volume, et on compte sur le fait que l'"intrusion" du capteur ne modifie pas la température locale. Les thermomètres, qui mesurent des rayonnements dont les longueurs d'onde sont situées dans l'infrarouge, sont des thermomètres infrarouges. Ils sont basés sur des radiomètres (appareils de mesure du rayonnement) étalonnés en laboratoire par l'observation de corps de référence de température appelés "corps noirs". La courbe d'étalonnage peut être incluse dans un calculateur analogique ou numérique, intégré ou non au radiomètre, lequel calculateur indique des températures. Ce radiomètre devient alors un thermomètre. On dit aussi, savamment, un radio-thermomètre (thermomètre par mesure du rayonnement). On verra plus loin comment la mesure du rayonnement conduit à la mesure de la température. Normalement (il existe des exceptions), la présence du radio-thermomètre ne perturbe pas l'état thermique de l'objet observé. Mais il y a des cas où le radiothermomètre modifie l'état des rayonnements en provenance de l'objet qu'il observe. Pour les hautes températures, on parle plus souvent de pyromètres. Les caméras thermiques qui mesurent des températures sont des radiomètres à balayage spatial, balayage mécanique ou électronique, auquel on adjoint des calculateurs pour déterminer les températures.

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2 - IMAGERIE THERMIQUE ET MESURE THERMOGRAPHIQUE

LES DEUX APPROCHES DE LA THERMOGRAPHIE

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On peut aborder la thermographie suivant deux approches différentes aboutissant au même résultat. Il s'agit là de généralités destinées à positionner la technique de mesure au-dessus de la technique d'imagerie et pour les contrôles des installations électriques. Approche imagerie thermique, type d'approche historique d'AGEMA INFRARED SYSTEMS (absorbé par FLIR SYSTEMS), fabricant des caméras thermiques de marque THERMOVISION (qui contient le mot "vision") et qui ne fabrique pas de thermomètres. La racine "thermo" est, par contre, bien adaptée. C'est la même approche historique qu'a faite INFRAMETRICS (absorbé par FLIR SYSTEMS), mais en préférant le radical "metrics" qui évoque la mesure, tout en réduisant son domaine à l'infrarouge par le diminutif "infra". Ou approche mesure thermographique, type d'approche historique de LAND INFRARED et de IRCON, fabricants de pyromètres et de radiothermomètres, puis d'analyseurs-ligne, puis de caméras thermiques. On notera que NIPPON AVIONICS se situe historiquement à cheval en liant sa marque AVIO à TVS (Thermal Video System). Si "thermal" convient, "video" manifeste une volonté de vouloir ramener la caméra thermique de mesure (qui fournit un thermosignal, comme nous le verrons) dans le giron de la caméra vidéo (qui fournit un vidéosignal). Ce genre d'approche incorrecte (mais le constructeur a ensuite fait évoluer ses appareils) motive, en partie, la présence de ce chapitre. Restons dans l'infrarouge, domaine spectral obligatoire (nous le comprendrons plus loin) pour la thermographie appliquée aux contrôles des installations électriques. Dans l'approche imagerie, partant d'une caméra vidéo usuelle (donc fonctionnant dans le spectre visible), on peut imaginer de déplacer, vers l'infrarouge, le spectre de fonctionnement de cette caméra. On obtient une caméra thermique infrarouge de simple imagerie, plus communément appelée "imageur thermique", inapte à la mesure.

Figure 1 - Les deux approches de la thermographie

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Si l'on adjoint à cet imageur une aptitude à la mesure des rayonnements reçus, on obtient une caméra thermique infrarouge (de mesure). Nous distinguerons donc parfaitement imageur thermique et caméra thermique, la norme les confondant toutes deux sous la désignation indistincte de "caméra infrarouge". On ne confond pas une caméra vidéo avec une caméra de photométrie. Dans l'approche mesure thermographique, on part d'un radiomètre fonctionnant dans l'infrarouge. On adjoint à ce radiomètre un dispositif de balayage spatial et on obtient une caméra thermique infrarouge (de mesure). Nous privilégierons naturellement la seconde approche de principe. La caméra thermique est, dans notre exposé et pour les applications de contrôle des installations électriques, un appareil de mesure. Nous ne discutons pas ici de la qualité de cette mesure dépendante de la qualité des appareils mais surtout de l'aptitude des opérateurs à apprécier et à maîtriser les situations de mesure, quel que soit l'appareil utilisé. [Il est donc de très mauvais ton, pour des prestataires de service ou des organismes de contrôle, de diffuser des publicités mettant en exergue la marque de leur caméra, comme si leur caméra pouvait avoir une incidence capitale sur la qualité de leurs interventions. Il sera plus judicieux de mettre en avant la Qualification des opérateurs.] Nous ne discutons pas non plus ici de

l'intérêt, cas par cas, d'annoncer des températures avec une exactitude plus ou moins importante.

Dans tous les cas, nous ferons donc de la mesure, et comme pour toute mesure, une valeur annoncée sera associée à une incertitude de mesure.

L'IMAGERIE THERMIQUE On nous demande encore parfois si un simple imageur thermique n'est pas suffisant pour le contrôle des installations électriques, et si un imageur mis dans les mains d'un rondier (non formé), ne suffit pas pour alerter le service de mesure, intervenant alors avec l'équipement adapté. Nous répondons que les imageurs de bonne qualité sont à peine moins onéreux qu'un appareil de mesure, et que l'opérateur manipulant un simple imageur ne peut être un "simple" opérateur : sa formation en thermographie ne doit pas être banale, du fait des multiples pièges inhérents à cette technique. Les alertes qu'il provoquera risquent de n'être pas toujours justifiées. Inversement, il risque fort de passer à côté de l'essentiel. Et, dans ce cas, pourquoi acheter deux appareils au lieu d'un seul ? On évitera donc l'emploi des simples imageurs thermiques en contrôle des installations électriques visant à la prévention des risques. Ils ne sont d'ailleurs pas autorisés par le Document Technique D19 de l'APSADCNPP, puisqu'il est demandé aux opérateurs de mesurer les températures.

LA THERMOGRAPHIE La thermographie est la technique qui permet, à partir des rayonnements qu'émet une scène, d'appareillages adaptés et de techniques de maîtrise de la situation de mesure, d'obtenir la répartition spatiale et temporelle des températures de la scène observée. La caméra thermique est l'instrument de mesure de la thermographie. En particulier, la caméra thermique infrarouge est l'instrument de mesure de la thermographie infrarouge. Ne dites pas que vous contrôlez les installations électriques "par infrarouge" ou "par thermovision" (qui est une marque déposée). Vous mettez en œuvre la "thermographie" ou la "thermographie infrarouge". Définition plus complète de la thermographie, dans notre application : La thermographie est une technique de mesure des températures d'une scène observée. Elle met en œuvre une caméra thermique laquelle mesure des rayonnements et les transcrit en températures sous contrôle d'un opérateur qui apprécie et maîtrise la situation de mesure.

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La thermographie est, tout à la fois, une technique d'imagerie thermique, une technique de mesure des luminances (nous le comprendrons plus loin) et une technique de mesure des températures. Ce n'est pas une science. C'est une technique pluridisciplinaire, impliquant principalement • • • • • • • • • • • •

la mesure physique le rayonnement l'optique la détection des rayonnements l'électronique instrumentale l'électronique numérique et l'informatique le traitement du signal et de l'image la thermique et la mécanique la vidéographie les systèmes asservis multi-variables la compatibilité électromagnétique etc ...

CONTROLE ET CONTROLE NON DESTRUCTIF Appliquée au contrôle des installations électriques, la thermographie est bien une technique ou une méthode de contrôle. Ce n'est pas du tout une technique ou une méthode de contrôle non destructif (CND). En particulier, les normes applicables ne sont pas les mêmes dans ces deux secteurs forts différents. Le contrôle comprend plus spécifiquement toutes techniques de vérification de l'état de machines et installations. Le contrôle non destructif est une désignation pour le contrôle de la santé de la matière et des structures. Le contrôle non destructif est, généralement mais non exclusivement, exécuté hors fonctionnement des objets contrôlés. Le contrôle est exécuté normalement en fonctionnement. Le contrôle non destructif met en œuvre une excitation de la matière ou de la structure, excitation qui n'a rien de commun avec l'excitation qu'apporte l'exploitation normale des machines ou installations : rayons X pour le contrôle de l'état des armatures du béton armé d'un pont, ultrasons pour le contrôle d'une pale d'hélicoptère en matériau composite, échauffement de cette même structure par une lampe flash pour son observation par imagerie thermique… Le contrôle par analyse vibratoire, par thermographie, etc… tire partie de phénomènes physiques existants, non provoqués en vue du contrôle, donc sans apport d'excitation étrangère au fonctionnement normal des machines et installations. En ce sens, c'est l'exploitation des machines et installations qui peut être destructive, ce n'est pas leur contrôle. Le contrôle d'installations électriques tire profit de l'échauffement de conducteurs plus ou moins résistifs pour conclure sur le vieillissement, la malfaçon, le défaut pouvant évoluer vers une défaillance…

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3 - ÉMISSION SUR CANAL INFRAROUGE

ÉLÉMENTS SUR LES RAYONNEMENTS

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Ce chapitre est habituellement considéré comme difficile. Mais il est simple. Les notions abordées ici ne sont pas du tout théoriques. Les habitués de la thermographie ne seront des professionnels employant la thermographie (à défaut d'être des spécialistes de la thermographie - ce qui ne leur est pas demandé -) qu'en acceptant d'avoir à prendre en compte ces notions de base. C'est la réalité quotidienne dans laquelle nous vivons. Au même titre que M. Jourdain fait de la prose sans le savoir. Essayons donc de comprendre et de donner un nom à ce que nous voyons. L'intention est que chacun assimile clairement pourquoi il faut connaître les rayonnements pour comprendre la mesure des températures ... par rayonnement.

A -

LE SPECTRE DES RAYONNEMENTS

La matière émet, de façon naturelle, un rayonnement électromagnétique. Les ondes des émissions de la radio ou de la télévision, les rayons X, la lumière visible, l'ultraviolet, l'infrarouge, sont des rayonnements électromagnétiques. Bien noter que l'on ne dit pas "radiation" mais rayonnement et que "infrarouge" s'écrit en un seul mot. La figure ci-dessous est une représentation d'une portion du spectre des rayonnements électromagnétiques.

Figure 2 - Le spectre des rayonnements

Le spectre visible va sensiblement de 0,4 à 0,8 µm (micromètre), du violet au rouge. L'infrarouge va de 0,8 à 1 000 µm environ. En radiothermométrie et en thermographie, on parle toujours en longueur d'onde et exclusivement en µm. En thermographie infrarouge, on s'intéresse classiquement aux rayonnements compris entre 2 et 15 µm. On verra pourquoi plus loin. Ce sont les moyen et lointain infrarouges. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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INFRAROUGE = FROID Pourquoi parle-t-on d'infra(rouge) et d'ultra(violet), alors que les longueurs d'onde de l'infrarouge sont plus grandes que les longueurs d'onde de l'ultraviolet ? Ces noms d'"infra" et d'"ultra" sont reliés à l'énergie que véhicule le rayonnement. Cette énergie est proportionnelle à la fréquence du rayonnement, fréquence qui est une fonction inverse de la longueur d'onde. L'ultraviolet est plus "énergétique" que l'infrarouge. [Pour ceux qui s'y intéressent, l'énergie d'un photon, l'élément de rayonnement, vaut E = h * ν où h est une constante et ν est la fréquence du rayonnement. Et comme la fréquence ν est liée à la longueur d'onde λ par λ = c / ν, l'énergie E du photon est bien proportionnelle à l'inverse de la longueur d'onde.]

Un corps froid contient peu d'énergie. Si l'on communique, en le chauffant, de l'énergie à ce corps, il restitue une part d'énergie, sous forme de rayonnements, dans les longueurs d'onde de l'infrarouge. Puis, en poursuivant l'échauffement, il émet dans les longueurs d'onde du spectre visible (corps chauffé jusqu'au rouge). Le filament de tungstène d'une lampe à incandescence est un exemple de corps chauffé vers 3 000°C par un courant électrique. Il émet du rayonnement visible et surtout du rayonnement infrarouge. Une lampe "infrarouge" (celle qui sert à chauffer des objets) est plus froide qu'une lampe à incandescence normale destinée à l'éclairage, laquelle émet donc dans le spectre visible. C'est essentiellement pour une raison d'économie d'énergie que l'on emploie des lampes infrarouges au lieu des lampes habituelles. On constate donc que "infrarouge" est à relier au "froid", et non au "chaud", contrairement à l'idée reçue et répandue. Les installations électriques sont à faibles températures. Parmi les objets qui les composent, certains sont plus chauds, ce que met en évidence la caméra thermique. La caméra thermique infrarouge est conçue pour voir les objets à températures dites "ordinaires". Cette technologie n'est pas encore extrêmement répandue, ce qui explique son prix assez démesuré vis à vis de celui de la caméra vidéo.

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B -

LE RAYONNEMENT ÉMIS

La matière émet, de façon naturelle, un rayonnement électromagnétique dont la puissance est une fonction de sa température. A - 273°C, le corps est énergétiquement "inerte". Planck a calculé, en 1900, l'émission d'un corps idéal (théorique). La loi de Planck est explicitée sous forme de courbes très intéressantes à considérer. Elles sont la base même de la possibilité et de la pertinence de la mesure des températures par rayonnement.

Figure 3 - Les courbes de Planck

[Pour ceux qui s'y intéressent, la loi de Planck est de la forme L°(T) = A / [exp (B / T) - 1] où L°(T) est liée à la puissance du rayonnement émis (on écrit l'exposant ° pour spécifier un corps idéal, le "corps noir".) T est la température en Kelvin, A et B sont liés à la longueur d'onde.] THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Sur les courbes de Planck ci-dessus, on voit que, à 30°C, le maximum de rayonnement est émis vers 10 µm. A 500°C, le maximum se situe vers 3,7 µm. Ces courbes indiquent que, quelle que soit la longueur d'onde considérée, il y a toujours une puissance émise : le corps idéal émet à toutes les longueurs d'onde. Il n'est pas une radio émettrice sur une seule longueur d'onde. Les courbes sont continues : le spectre d'émission est un spectre continu. Même à - 50°C, un objet émet du rayonnement dans le spectre visible, mais cette partie visible de la puissance émise est infime. [Attention à l'échelle des ordonnées en luminances : elle est logarithmique.] Autre enseignement, à une longueur d'onde donnée ou dans une bande de longueurs d'onde (par exemple de 2 à 5 µm), si la température du corps idéal s'élève, la puissance de rayonnement qu'il émet s'accroît. Tracées pour différentes températures, les courbes de Planck ne se coupent pas. Le rayonnement émis par le corps idéal est une fonction croissante de sa température, quelle que soit la longueur d'onde ou la bande de longueurs d'onde considérée. Ceci est la base de la radiométrie destinée à la thermométrie. Imaginons un radiomètre, appareil qui mesure le rayonnement (la puissance de ce rayonnement), fonctionnant entre 2 et 5 µm, et pointons-le sur un corps idéal : les rayonnements dont les longueurs d'onde sont situées entre 2 et 5 µm sont reçus et mesurés par cet appareil.

Figure 4 - Le radiomètre (phase 1)

Pour un corps idéal de température To, le radiomètre fournit une valeur radiométrique (mesurée en volts à la sortie du radiomètre) correspondant à la somme L0 des puissances de rayonnement de toutes les longueurs d'onde comprises entre 2 et 5 µm. Pour un corps idéal de température T1, le radiomètre fournit L1, etc ... On obtient une courbe de correspondance entre la température (T) et la puissance de rayonnement mesurée (L). C'est la courbe d'étalonnage du radiomètre L(T). Le terme "étalonnage" se dit "calibration" en anglais ; "calibration" n'existe pas en français. Et le calibrage est l'opération qui consiste à ajuster les réglages internes d'un appareil de mesure pour qu'il puisse mesurer des valeurs dans un calibre spécifié (de -20°C à + 120°C, par exemple pour un thermomètre).

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Figure 5 - La construction de la courbe d'étalonnage Ordonnée des courbes : Planck = logarithmique ; étalonnage = linéaire.

Le radiomètre associé à sa courbe d'étalonnage (ou intégrant cette courbe) devient un thermomètre ou radio-thermomètre qui indique des températures [dites "apparentes", comme nous le verrons plus loin].

Figure 6 - Le radiothermomètre (phase 2)

Les courbes de Planck nous servent donc à comprendre comment fonctionne la mesure thermométrique par rayonnement, sur un corps idéal. Autre enseignement de la loi de Planck. Sur la figure des courbes de Planck, la courbe en pointillés donne le lieu des maxima d'émission du corps idéal, en fonction de sa température. C'est la "loi de déplacement de Wien". A chaque température, il y a une longueur d'onde pour laquelle l'émission est maximale. Quand la température croît, la longueur d'onde du maximum d'émission se déplace vers les faibles longueurs d'onde. Le rayonnement émis par le corps idéal chauffé au rouge commence alors à être visible pour nos yeux. Mais la plus grande partie du rayonnement est émise dans l'infrarouge. En continuant à chauffer le corps, celui-ci nous apparaîtra rouge puis blanc, à très haute température. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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A quelle température commençons-nous à voir, avec nos yeux, le rayonnement émis par un corps idéal ? Vers 500, 520°C. Pour voir un corps de température plus basse que 500°C, il faut un appareil dont le seuil de détection est plus bas que celui de l'œil humain. On peut aussi concevoir un appareil dont le spectre de fonctionnement est situé dans des longueurs d'onde plus élevées : c'est la caméra thermique, ainsi dénommée puisqu'elle voit les objets par l'énergie (ou la puissance de rayonnement) qu'ils émettent de par leurs températures. On justifie aussi de la sorte la désignation de rayonnement thermique pour le rayonnement émis, fonction de la température de l'objet. La caméra vidéo classique (mais sans filtre infrarouge) fonctionne de 0,4 à 1,1 µm : elle permet de voir les rayonnements émis par un corps idéal de température supérieure à 300°C environ. La photographie infrarouge utilise des films dont l'émulsion est sensibilisée par des rayonnements situés jusqu'à des longueurs d'onde de 1,2 µm. Cette technique permet de mesurer des températures supérieures à 250°C environ. Mais le rôle principal de cette technique est de photographier des objets sur lesquels se réfléchissent des rayonnements de longueur d'onde situés entre 0,8 et 1,2 µm. On l'utilise extrêmement peu pour la mesure des températures. Pour voir des corps à température ordinaire, on est conduit à imaginer des appareils munis de détecteurs donnant un signal pour des longueurs d'onde plus élevées, dans l'infrarouge moyen, au-delà de 2 µm. Ce sont les appareils de thermographie ou caméras thermiques infrarouges. Ces appareils sont donc conçus pour voir le froid et mesurer des basses températures. On pourra donc dire que la limite entre le "froid" et le "chaud" se situe aux environs de 250°C, température qui délimite des technologies de détection particulièrement différentes. On comprend maintenant qu'il puisse exister des appareils de thermographie fonctionnant dans le spectre du proche infrarouge (de 0,8 à 2 µm environ), dans le spectre visible (de 0,4 à 0,8 µm) ou dans le spectre ultraviolet (en dessous de 0,4 µm). Ces appareils sont conçus pour mesurer des températures plus élevées que les températures dites ordinaires que l'on rencontre dans les installations électriques. C'est pourquoi la thermographie n'est pas uniquement "infrarouge" et qu'il convient donc bien de parler de thermographie et non d'infrarouge. [On prendra garde à ne pas déduire, de la loi de déplacement de WIEN, la bande spectrale dans laquelle la caméra thermique doit fonctionner, pour la mesure de telle température ou de telle gamme de températures. On peut montrer, par des considérations sur l'exactitude de la mesure, qu'il est préférable que la caméra fonctionne dans une bande spectrale inférieure à la bande spectrale du maximum d'émission du corps idéal observé. Ainsi, les caméras "infrarouges" sont moins bien adaptées que les caméras "visibles" pour les mesures exactes de températures élevées(au delà de 500°C).]

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C -

LE RAYONNEMENT RÉFLÉCHI

Nous avons parlé de rayonnement émis par les corps, parfaits (idéal, théorique) ou non-parfaits (corps réels). Que se passe-t-il dans notre réalité quotidienne, dans le spectre visible ? Il y a des sources chaudes dans notre environnement : soleil, lampes à incandescence (excluons les sources sélectives ne fonctionnant pas par échauffement, comme les tubes néon). Elles émettent du rayonnement visible. Eteignons-les. Nous ne voyons plus rien. Mais il y a toujours des rayonnements émis par l'ensemble des corps qui nous entourent. Notre œil ne peut les voir. Ainsi dans la vie quotidienne, nous voyons les corps par les rayonnements qu'ils réfléchissent vers nos yeux, rayonnements en provenance de sources d'éclairage, à hautes températures. Les corps réels ont donc une aptitude à réfléchir les rayonnements qui leur parviennent : ils ont un facteur de réflexion. Nos yeux voient le rayonnement réfléchi, rayonnement situé dans le spectre visible. Il faudrait que nous ayons une température de plus de 520°C pour que nous nous voyions entre nous, par le rayonnement que nous émettons. C'est la différence de fond entre la caméra vidéo et la caméra thermique infrarouge. Pour la caméra vidéo, c'est principalement le rayonnement réfléchi qui intervient ; pour la caméra thermique infrarouge, c'est principalement le rayonnement émis. En fait, les deux phénomènes se superposent. Dans l'infrarouge, il y a également des rayonnements réfléchis et l'on serra bien en mal de les supprimer en éteignant les sources qui éclairent la scène qu'observe la caméra thermique ; tandis que l'"extinction des feux" rend aveugle la caméra vidéo ! Qu'est-ce que la couleur d'un corps (froids) ? D'abord un corps n'a une couleur, pour nos yeux qui le regardent, que s'il est éclairé par un rayonnement visible. Le rayonnement réfléchi sur ce corps est celui qui n'est pas absorbé par le corps. Si le corps est vert, c'est qu'il réfléchit la longueur d'onde correspondant au vert. Il faut donc qu'il y ait cette même longueur d'onde "verte" dans le rayonnement de l'éclairage, sans quoi le corps apparaîtra noir du fait de l'absence de rayonnement réfléchi. Le noir n'est donc pas une couleur ; c'est simplement l'absence de rayonnement visible.

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D -

LE RAYONNEMENT TRANSMIS

Dans notre réalité quotidienne, nous connaissons le rôle des vitrages des fenêtres : celui de transmettre les rayonnements en provenance du soleil, de l'extérieur. De même, les rayonnements visibles se transmettent au travers de l'atmosphère qui nous entoure. Ces corps (vitres ou atmosphère) sont semi-transparents : ils présentent une aptitude à se laisser traverser par les rayonnements. Ils ont un facteur de transmission.

E -

LE RAYONNEMENT ABSORBÉ

Quand on se chauffe les mains devant un radiateur électrique ou un feu de bois, les rayonnements émis par les résistances chauffantes ou par les flammes sont absorbés par la peau et échauffent celle-ci. Les corps présentent une aptitude à absorber les rayonnements. Ils ont un facteur d'absorption.

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4 - LA PLAQUE CHAUFFANTE DE LA CUISINIÈRE ÉLECTRIQUE

NOTIONS DE BASE SUR LES GRANDEURS ET LES UNITÉS RELATIVES AU RAYONNEMENT

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A -

LA PLAQUE CHAUFFANTE

Voici le passage le plus indigeste de la formation. Ce sont des notions de base, élémentaires mais délicates. Elles servent à ceux qui veulent décortiquer le rayonnement et comprendre la notion de luminance, mais elles ne sont pas au programme de la Qualification. Considérons une plaque chauffante (de cuisinière électrique) et portons-la au rouge (elle est donc à une température supérieure à 500°C). Cette plaque émet du rayonnement électromagnétique : elle rayonne de l'énergie. L'énergie émise par unité de temps est la puissance rayonnante, ou flux, exprimé en Watt (W). Les watts "électriques", qui sont fournis à la plaque chauffante par le réseau électrique, vont en partie être restitués sous forme de watts "électromagnétiques". Quelle que soit la direction d'observation quand on se déplace dans la cuisine, la plaque est toujours vue rouge. Mais si on se met accroupi, on ne la voit plus. L'émission de la plaque a lieu dans le demi-espace audessus du plan de la plaque, ou hémisphère.

Figure 7 - Le flux émis par la plaque chauffante

Entrons un peu plus dans le détail. La plaque est composée d'un ensemble d'éléments de surface. On s'intéresse à un élément de surface de la plaque, le cm2 par exemple. On définit le flux émis par cet élément de surface. C'est l'exitance, exprimée en W / m2 (ou en W / cm2 etc. ...). [Notion sans autre intérêt que de servir au développement de la démonstration.]

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Figure 8 - L'exitance sur la plaque chauffante On va maintenant considérer une seule direction d'émission, plutôt que l'hémisphère complet, direction d'émission définie par le centre de l'élément de surface et par un point situé sur l'hémisphère. Et autour de cette direction, on construit un cône de révolution dont le sommet est le centre de l'élément de surface et dont la base est une surface appartenant à l'hémisphère. Ce cône a un angle au sommet et définit une portion d'espace que l'on désigne en unités d'angle solide. Considérons l'élément d'angle solide ou unité d'angle solide, exprimée en stéradian (sr) ou en milli-stéradian etc ... Dans ce cône, passe une seule partie du rayonnement émis par l'élément de surface de la plaque. C'est la -2. -1 luminance, exprimée en W.m sr .

Figure 9 - La luminance totale THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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La plaque chauffante émet à toutes les longueurs d'onde. On considère maintenant une seule bande de longueurs d'onde autour d'une longueur d'onde donnée : c'est l'élément de bande spectrale, un micromètre (µm). Et la luminance dans un élément de bande spectrale est la luminance spectrique qui est exprimée en W.m-2.sr-1.µm-1. La luminance précédente, sur tout le spectre, était la luminance totale.

Figure 10 - La luminance spectrique

On est arrivé à l'élément de rayonnement. La luminance spectrique est indépendante de l'observation par un quelconque appareil. C'est le rayonnement émis par un élément de surface, dans un élément d'angle solide autour d'une direction donnée, dans un élément de spectre autour d'une longueur d'onde donnée. C'est cette grandeur qui est décrite par la loi et par les courbes de Planck.

On va maintenant passer à la réception du rayonnement par un œil ou par un appareil. Pour ceux qui ont l'habitude des appareils photographiques, les choses vont être assez simples. Les notions de base sont les mêmes. L'œil voit une surface élémentaire de la plaque suivant son "pouvoir séparateur". Cette surface élémentaire peut s'exprimer en nombre d'éléments de surface de la plaque. Ne pas confondre les deux notions : surface élémentaire et élément de surface. L'image fournie par la caméra semble un peu "floue", pas très bien définie. La caméra a un "pouvoir séparateur" moins bon que celui de l'œil. La surface élémentaire vue par la caméra est plus grande que celle de l'œil. Les yeux de différentes personnes ne sont pas identiques ; de même pour les caméras. C'est la caméra qui définit la surface élémentaire qu'elle observe. Ce sont les dimensions du détecteur et la distance focale de l'objectif (données par construction) qui en décident, ainsi que la distance entre la caméra et la plaque chauffante. En faisant l'analogie avec un projecteur de diapositives, projetant l'image de la surface de la diapositive sur un écran de projection, la surface élémentaire vue par la caméra est la projection du détecteur sur la scène observée (projection d'un seul détecteur pour des caméras à matrice de détecteurs). Le détecteur fait la somme des luminances émises par chacun des éléments de surface de la surface élémentaire qu'il observe. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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L'œil, ou la caméra, observe la plaque chauffante dans une direction donnée, direction choisie par l'opérateur. Le cône, dans lequel passe le rayonnement qui arrive sur notre œil, est défini par la surface de la pupille de l'œil. On parle également de pupille pour la caméra. Tous les rayonnements passant dans ce cône sont reçus par la caméra ; la caméra intègre les rayonnements passant par ce cône dont l'angle solide est exprimé par un nombre d'éléments d'angle solide. La dimension de la pupille d'entrée de la caméra est définie par l'ouverture ou diaphragme, comme pour un appareil photo. Cette ouverture est donnée par construction de la caméra. Elle ne peut être de surface nulle, sans quoi aucun rayonnement ne pourrait y passer, pas plus que l'eau dans un tuyau de section nulle. Enfin, la caméra intègre les rayonnements dans une bande spectrale donnée, exprimée en nombre d'éléments de longueurs d'onde, en µm. La bande spectrale est définie par construction de la caméra.

Figure 11 - La contribution des caractéristiques de la caméra

Ainsi, la caméra reçoit un ensemble de luminances spectriques en provenance d'une surface élémentaire, dans un angle solide autour d'une direction choisie et dans une bande spectrale déterminée. Ainsi, la caméra mesure un flux, qui, compte tenu de l'invariance des paramètres de la caméra (dans la configuration sélectionnée par l'opérateur), est proportionnel à une luminance. C'est pourquoi on dit que la caméra mesure des luminances. On comprend déjà que la caméra ne mesure pas des températures ! On constate que la caméra intervient, dans la mesure de la puissance de rayonnement (flux), par la distance et la direction d'observation, la distance focale, la dimension du détecteur, le diaphragme et la bande spectrale : la caméra doit donc être caractérisée et étalonnée pour que l'on sache parfaitement quel est son rôle dans la mesure effectuée. [On pourrait montrer qu'en fait, si l'objet observé est étendu et isotherme, la distance d'observation n'intervient pas dans la mesure. On verra, par contre, que peuvent intervenir les caractéristiques de l'atmosphère traversée par les rayonnements et, donc, l'épaisseur de cette atmosphère.]

En conclusion, on portera son attention sur l'aspect thermique (température) d'une scène observée, mais aussi sur les aspects spatial, directionnel et spectral. La caméra ne mesure qu'une très faible partie du rayonnement qu'émet le corps observé. Elle ne mesure donc pas toute la puissance de rayonnement émise par cet objet. Ce n'est pas un fluxmètre. ..... FIN DE L'INDIGESTION... THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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INTRODUCTION DE LA CONFIGURATION ET DE L'OPERATEUR Ainsi, la caméra est introduite dans la situation de mesure par l'opérateur. Celui-ci décide : • de la caméra qu'il met en œuvre ; • de la configuration de la caméra ; • de la direction d'observation ; • de la distance de mesure. La caméra, par construction et une fois que sa configuration est définie par l'opérateur, est responsable de : • la surface élémentaire observée dépendant des dimensions du détecteur, de la distance focale (OBJECTIF) et de la distance de mesure ; • l'angle solide sous lequel la surface élémentaire voit la pupille de la caméra, dépendant de l'ouverture de l'objectif (DIAPHRAGME) et de la distance de mesure ; • la bande spectrale dans laquelle la caméra reçoit les flux à différentes longueurs d'onde (FILTRE). Nous avons ainsi introduit la configuration de la caméra [OBJECTIF, OUVERTURE, FILTRE], notion que nous reverrons plus loin, de même que le rôle de l'opérateur dans la mesure. Pour les caméras à matrice de détecteurs et utilisées en maintenance et prévention, l'ouverture est fixe (maximale). Le paramètre sur lequel on joue pour diminuer le flux reçu par le détecteur est désormais le temps d'exposition ou temps d'intégration. Pour ces caméras, la configuration est donc définie par le triplet [OBJECTIF, TEMPS D'EXPOSITION, FILTRE].

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B -

LE BILAN RADIATIF

Supposons un corps placé dans le vide (ceci afin d'éviter les considérations sur les autres modes de transfert d'énergie : convection et conduction).

Figure 12 - Le bilan radiatif

Ce corps reçoit un rayonnement Φ en provenance d'un autre corps. Φ est le rayonnement incident. Une partie Φr du rayonnement Φ est réfléchie sur le corps, la ou les directions de réflexion n'étant pas considérée(s) à ce stade. Une autre partie Φa est absorbée par ce corps. Une dernière partie Φt est transmise au travers de ce corps. Le tamis de sable permet de bien comprendre la répartition des divers rayonnements. C'est une comparaison acceptable. Le sable arrivant sur le tamis (rayonnement incident) • rebondit en partie vers l'extérieur du tamis (rayonnement réfléchi) ; • est en partie conservé dans le tamis (rayonnement absorbé) ; • est en partie transmis au travers des mailles du tamis (rayonnement transmis). La quantité totale de sable reste toujours la même. On fait le bilan des rayonnements : Φ = Φr + Φa + Φt ou 1 = Φr / Φ + Φa / Φ + Φt / Φ • • •

Φr / Φ est le facteur de réflexion, ρ. Φa / Φ est le facteur d'absorption, α. Φt / Φ est le facteur de transmission, τ.

1=ρ+α+τ C'est l'équation de base résultant du bilan radiatif. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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La comparaison avec le tamis de sable s'arrête ici. En absorbant le rayonnement Φa, le corps s'échauffe jusqu'à un certain équilibre de température. Il émet du rayonnement, en fonction de sa propre température, comme on l'a vu auparavant. Il finit donc par émettre autant de puissance de rayonnement (Φe) qu'il en absorbe (Φa). Ainsi Φa = Φe et on a aussi α = ε, où ε est le facteur d'émission ou émissivité. [La démonstration ne peut entrer dans le cadre de cet enseignement.]

On peut donc écrire le cas général :

1=ρ+ε+τ [Noter que cette équation est valable pour une longueur d'onde donnée. Elle peut s'étendre à une bande spectrale, si les valeurs ne changent pas en fonction de la longueur d'onde, dans la bande spectrale.]

Cherchons à simplifier cette équation déjà très simple. En thermographie appliquée au contrôle des installations électriques, on s'intéresse essentiellement à des corps opaques aux longueurs d'onde reçues par la caméra. Que le corps observé soit opaque est l'une des conditions de validité de l'équation de transcription en température, équation incluse dans tout appareil actuel. Les corps opaques, qui ne transmettent pas de rayonnement, ont un facteur de transmission nul : τ = 0. C'est le cas de la porte métallique d'une armoire électrique. On ne peut observer les composants internes à l'armoire sans ouvrir la porte. D'où, 1 = ε + ρ Le corps noir est un cas particulier. Le corps noir est le corps de référence théorique, le corps idéal dont nous avons parlé plus haut et correspondant exactement à ce que prévoit la loi de Planck. Le corps noir absorbe intégralement tous les rayonnements qui lui parviennent (les rayonnements incidents), et, donc, n'en réfléchit aucun. C'est dire que son facteur de réflexion est nul, donc ρ = 0. Et ainsi, ε = 1. Nous ne voyons pas le corps noir avec nos yeux (s'il est à une température inférieure à 520°C), puisqu'il n'émet pas suffisamment de rayonnement dans le spectre visible. Comme il ne réfléchit pas les rayonnements qui lui parviennent, notre œil ne voit rien. Le corps est donc noir, d'où son nom. En fait, on devine les corps noirs, par leurs bords, leurs frontières avec les corps non noirs. (Naturellement, le corps noir devient rouge au delà de 500°C.) Le miroir idéal est également un cas particulier. Il réfléchit intégralement tous les rayonnements incidents. D'où α = ε = 0. Donc, ρ = 1. Nous ne voyons pas le miroir idéal avec nos yeux puisque l'intégralité des rayonnements réfléchis provient des corps qui émettent du rayonnement (ou réfléchissent eux-mêmes du rayonnement en provenance d'autres corps). Penser au labyrinthe, aux illusions des grandes pièces si un mur complet est remplacé par un grand miroir. Lorsque le miroir de la salle de bains est sale, il ne remplit plus sa fonction, on voit la salissure : on le nettoie pour voir sa propre image dans le miroir, non pour voir le miroir. Le miroir ne se distingue donc que par ses bords, ses frontières, avec le mur lequel n'est plus miroir. On verra plus loin les divers types de réflexion ou comment se réfléchissent les rayonnements selon les corps réflecteurs. Un corps n'est donc pas à la fois corps noir et miroir. Si le corps a une bonne émissivité, il a un mauvais facteur de réflexion. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Entre le corps noir et le miroir, il y a toutes les possibilités de corps opaques telles que ε + ρ = 1. C'est le cas général qui nous concernera. Par ailleurs, certains corps se laissent traverser par les rayonnements. C'est le cas des gaz (atmosphère) ou des fenêtres, de certains hublots. On s'intéresse à ces corps semi-transparents, non pour en mesurer les températures mais pour observer des corps opaques situés au-delà. Ces corps semi-transparents sont des milieux de transmission des rayonnements. Pour les gaz, le facteur de réflexion est nul. D'où ε + τ = 1. Pour le vide parfait, il reste τ =1. C'est le seul "corps" parfaitement transmetteur. Nous ne voyons pas le vide, ou l'atmosphère normale. On ne devine sa présence que par ses contours, ses frontières avec des corps qui ne sont pas transparents.

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C -

L'ÉMISSIVITÉ

Le corps noir est le corps idéal. Il émet un maximum de puissance de rayonnement à une température donnée. Nous avons vu que son comportement est décrit par la loi et les courbes de Planck. Les corps réels ne peuvent qu'émettre moins de rayonnement que le corps noir, quelle que soit la température ou la longueur d'onde. Nous parlons bien du rayonnement émis du fait de la température, donc du rayonnement thermique.

Moins ! Mais combien ? Il faut pouvoir le quantifier : tout simplement pour pouvoir ramener la valeur mesurée de rayonnement que le corps réel émet, au rayonnement qu'il aurait dû émettre, s'il avait été corps noir à la même température. On reviendra ainsi, par le calcul, sur la courbe d'étalonnage de l'appareil, établie pour un corps noir. Supposons un corps noir et un corps réel opaque côte à côte, de même température To. Supposons également qu'aucun rayonnement ne se réfléchit sur le corps réel. Le corps noir émet du rayonnement : la caméra mesure un flux L°. C'est le maximum que puisse mesurer la caméra pour un corps à cette température. L'aptitude du corps noir à émettre du rayonnement est maximale. Son émissivité est égale à 1. Le corps réel, de même température To, émet un rayonnement inférieur à celui du corps noir ; la caméra mesure un flux L'. L'émissivité du corps réel est le rapport ε = L' / L°. Si le corps n'est apte à émettre aucun rayonnement, la caméra mesure L' = 0. Et ainsi ε = 0. Ainsi, l'émissivité est comprise entre 0 et 1 : 0 ≤ ε ≤ 1. Dans une bande spectrale donnée, donc pour une caméra donnée, il se peut que l'émissivité du corps réel ne varie pas trop avec la longueur d'onde. On parle alors de corps gris. Une autre condition de validité de l'équation de transcription en température, incluse dans tout appareil actuel, est que le corps opaque doit être gris. Attention donc à bien comprendre que l'émissivité se définit en rayonnement, en luminance, et non en température ! L'émissivité du corps est une grandeur d'influence. Elle influe sur le résultat de la mesure de température. Il convient d'en tenir compte pour déduire la température vraie du corps observé au moyen des courbes d'étalonnage. C'est la première grandeur d'influence à considérer en thermographie. La deuxième courbe de la figure ci-après, décrivant la luminance émise par le corps réel d'émissivité inférieure à 1, en fonction de la température de ce corps réel, n'est pas une courbe d'étalonnage. La courbe d'étalonnage de la caméra est établie pour un corps noir (première courbe) ! Si, lors de l'observation d'un corps réel d'émissivité ε, la caméra fournit une valeur radiométrique L', et que l'on transcrit en température directement au moyen de la courbe d'étalonnage (ε = 1), on obtiendra une température T', dite température apparente, différente de la température vraie To. Pour un objet plus chaud que son environnement, la température apparente est inférieure à la température vraie. On mesure donc par défaut. Par la suite, nous verrons que la démarche consistera toujours à revenir sur la courbe d'étalonnage, par la connaissance de l'émissivité et d'autres paramètres. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Figure 13 - Courbe d'étalonnage (corps noir) et courbe de la luminance émise par le corps réel

Ainsi, le radiothermomètre qui prend en compte la grandeur d'influence (émissivité), laquelle est entrée par l'opérateur dans le calculateur de transcription, peut calculer des températures qui ne sont plus des températures apparentes, mais des températures mesurées, on dit plutôt "températures calculées".

Figure 14 - Le radiothermomètre (phase 3)

Dire que l'émissivité d'un corps opaque est inférieure à 1, c'est dire que ce corps présente un facteur de réflexion non nul. C'est inéluctable, l'un ne va pas sans l'autre. Il y a donc possibilité que du rayonnement soit réfléchi sur le corps réel observé et dans la direction de la caméra. La caméra reçoit un rayonnement constitué de deux contributions, le rayonnement qui est émis par le corps et celui qui est réfléchi par ce corps. Le rayonnement réfléchi provient d'autres corps situés dans l'environnement du corps observé. Ils peuvent être de températures plus ou moins élevées. S'il y n'a que des corps "infiniment" froids (zéro absolu) dans l'environnement du corps observé, il n'y a aucune réflexion. Cela n'empêche pas ce corps d'avoir un facteur de réflexion. Ne pas confondre le rayonnement réfléchi, ou réflexion, avec le facteur de réflexion, ou aptitude à réfléchir. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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De même pour l'émissivité, ou aptitude à émettre, qu'il ne faut pas confondre avec le rayonnement émis, ou émission, lequel dépend de la température du corps. Ainsi, on dira qu'un corps est émissif, s'il a une bonne émissivité et qu'il est émetteur s'il émet du rayonnement, ce qui est possible selon la valeur de son émissivité et de sa température. Il en est de même d'une antenne de radio : elle peut émettre mais n'est pas nécessairement en action. De même, pour chacun de nous, notre aptitude à "réfléchir" n'est pas annulée du fait que nous ne réfléchissons pas, par exemple durant le sommeil.

* L'émissivité est fonction du matériau et de son état de surface. Un béton, la moquette, le mur n'ont pas la même émissivité que le métal d'une connexion électrique ou que la potence chromée d'un rétroprojecteur. On comprend que l'on a la même chose dans le spectre visible - par analogie et non par identité - : le métal poli réfléchit les rayonnements. Dans l'infrarouge, on peut avoir le même comportement. Mais, la neige est blanche dans le spectre visible, elle réfléchit presque tous les rayonnements visibles. Dans l'infrarouge qui nous concerne, la neige est presque corps noir. Attention aux analogies qui ne sont pas des identités. Un isolant électrique a une forte émissivité. Un matériau conducteur est de faible émissivité. Un métal oxydé est recouvert d'une couche d'oxyde faiblement conducteur ou isolant : l'émissivité est plus élevée selon le degré d'oxydation. Dans une armoire électrique, on mesurera mieux la température des points chauds sur les isolants des conducteurs aboutissant à ces points chauds (connexions métalliques). La mesure n'est pas faite directement sur la source chaude, mais c'est une meilleure mesure. La valeur mesurée est beaucoup plus sûre. Si l'émissivité du métal est de 0,2, la caméra reçoit seulement 20 % du rayonnement "émis" qu'elle aurait dû recevoir. Il faut donc multiplier la luminance émise par 5 pour retrouver la luminance que le métal aurait dû émettre s'il avait été corps noir ; c'est dire aussi que l'incertitude de mesure (en luminance) est multipliée par 5. Si l'on mesure sur l'isolant dont l'émissivité est de 0,90, l'incertitude de mesure sera nettement plus faible. Ce n'est donc pas le tout de connaître l'émissivité du matériau observé, encore faut-il que cette émissivité ait une valeur satisfaisante. De plus, quand l'émissivité est faible (0,2 par exemple), le facteur de réflexion est de 0,8. Ce qui signifie que le rayonnement émis par l'environnement en direction du corps métallique va se réfléchir de façon plus importante en direction de la caméra. Et ce rayonnement peut être élevé si l'environnement est constitué de corps chauds. La caméra ne fait pas la distinction entre les deux contributions, dans le rayonnement qu'elle reçoit. Il est convenable de ne pas se faire une montagne de cette notion d'émissivité. Mais c'est une notion importante pour réaliser des mesures correctes ; ce n'est pas la seule question à se poser pour la mesure des températures. Nous reviendrons sur ce point quand nous en serons à la transcription en température. On peut simplifier en faisant des mesures en température apparente : on suppose que l'on a affaire à un corps noir, d'émissivité 1. On dit aussi température équivalente corps noir. Le corps réel apparaît à telle température si on le considère comme un corps noir. Bien sûr, même dans ce mode de travail en température apparente, il convient que les rayonnements réfléchis soient faibles. Cela n'évite donc pas de bien comprendre et de maîtriser la situation de mesure. Bien identifier les phénomènes avant de transcrire en température. Bien comprendre l'image thermique avant de la transcrire en thermogramme. Néanmoins, le but de la thermographie sera, pour nous, de mesurer des températures (supposées vraies), mais dites températures calculées.

* L'émissivité est fonction de l'angle d'observation. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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L'angle d'observation doit rester inférieur à environ 45, 50°. Au-delà, l'émissivité varie rapidement jusqu'à s'annuler aux angles proches de 90°. Dans la pratique, on fera donc en sorte d'observer les corps avec des angles d'observation relativement faibles. Sur les parties latérales d'un cylindre vertical (conducteur électrique), l'émissivité tend donc vers 0 pour les angles d'observation proches de 90°. C'est dire que le facteur de réflexion tend vers 1 et il y a un risque de mesurer des rayonnements réfléchis sur les bords de ces cylindres, rayonnement en provenance d'autres objets de l'armoire électrique. Le phénomène est le même sur la route observée en incidence rasante, on voit les véhicules d'en face par réflexion sur la route : son facteur de réflexion est élevé, dans la direction de l'observateur. [Rien à voir avec les "mirages" qui ornent la littérature para scientifique.]

Figure 15 - Angle d'observation et émissivité = f(angle) (1- caoutchouc ; 2- métal )

* L'émissivité est fonction de la longueur d'onde. Mais on ne s'en préoccupera pas plus ici. Il y a des cas plus difficiles, comme les mesures de température de verre ou de plastique de faible épaisseur qui sont des corps semi-transparents. Ces corps sont exclus des mesures habituelles de la thermographie et pour des opérateurs non spécialisés.

* L'émissivité est fonction de la température. Cette variation a très peu d'importance dans les applications envisagées dans ce stage. Les variations d'émissivité sont dues, le plus souvent, au fait que l'état de surface du corps et, même, la composition chimique de sa surface varient avec la température (oxydation). Dans nos cas, cette variation en fonction de la température ne sera jamais à prendre en compte.

Comment connaître l'émissivité ? Il n'est naturellement pas imaginable de mesurer l'émissivité d'un objet pendant un examen thermographique sur une installation électrique sous tension. La mesure se fait au bureau sur des objets identiques. Mais il restera naturellement une certaine incertitude. Nous avons indiqué l'émissivité de certains matériaux en annexe. Bien lire la précaution indiquée. En exercices pratiques de stage, la mesure de l'émissivité est présentée. Il existe plusieurs méthodes.

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D -

LE FACTEUR DE RÉFLEXION

On a parlé, plus haut, du miroir et du rayonnement réfléchi sur la surface d'un corps placé dans le vide. Il y a des types de réflexion différents. L'isolant en caoutchouc ou la peinture mate du mur réfléchissent un rayonnement incident dans toutes les directions. Le cuivre poli (ou le miroir de la salle de bain) réfléchit le rayonnement incident dans une seule direction. Les enfants s'amusent avec un miroir pour "renvoyer" les rayons du soleil dans les yeux des passants. L'orientation exacte du miroir est importante dans ce cas : la difficulté est de trouver les bons angles en orientant exactement le miroir. La réflexion est très "directionnelle". La quantité de rayonnement réfléchi est élevée puisque le soleil émet un flux élevé et que le facteur de réflexion du miroir est élevé : la réflexion est également élevée. Les enfants n'utilisent pas un simple verre à vitre pour éblouir les passants, le facteur de réflexion est plus faible même si le type de réflexion est le même : la réflexion est plus faible. Au cinéma, on utilise l'écran perlé qui réfléchit différemment. On voit le film sur l'écran, quelle que soit la place choisie dans la salle. De même, si on projette le film sur un mur mat, celui-ci réfléchit la lumière dans toutes les directions, mais en moindre quantité. L'écran perlé (ou le mur) a un facteur de réflexion de type diffus. On constate donc qu'il y a deux notions : la quantité réfléchie et le type de la réflexion (aspect directionnel).

Figure 16 - La réflexion spéculaire et la réflexion diffuse

Le facteur de réflexion directionnel, celui du miroir de la salle de bain, est un facteur de réflexion de type "spéculaire" (miroir). Les lois de la réflexion sont les lois de Descartes. Les angles d'incidence et de réflexion sont égaux et se situent dans le même plan. Tout se passe comme si le rayonnement incident venait d'un autre point de l'espace (de l'image de l'objet, par le miroir). Le facteur de réflexion est élevé (dans le spectre visible) et le type de réflexion est spéculaire. Mais dans le spectre infrarouge des caméras que vous utilisez, le miroir de la salle de bain a un facteur de réflexion faible (la réflexion ayant lieu sur la face arrière du miroir - le tain – et le verre étant un matériau très peu transparent dans l'infrarouge qui nous concerne). La réflexion reste néanmoins de type spéculaire. Un rayonnement qui arrive sur ce miroir suivant une direction donnée est réfléchi dans une seule direction. Ces miroirs servent en optique. Dans les caméras thermiques classiques, ils sont utilisés pour le balayage spatial, mais sont alors en métal ou recouvert d'une couche métallique. On fait en sorte que le facteur de réflexion soit le plus élevé possible. On ne mesure pas la température d'un miroir puisque son émissivité est très faible. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Sur l'écran perlé, le rayonnement réfléchi est très important ; l'écran perlé est fabriqué pour cela. Son facteur de réflexion est également élevé. Mais les rayonnements sont réfléchis dans toutes les directions. Un élément de surface du film, projeté sur un élément de surface de l'écran perlé, "envoie" du rayonnement que l'écran réfléchit dans toutes les directions. On dit que l'écran "diffuse" ce rayonnement. Toutes les directions ne sont cependant pas équivalentes ; la réflexion est de type diffus mais non "isotrope". L'écran perlé est constitué de perles à directions de réflexion multiples ; ce "miroir" est granuleux et parfois d'aspect métallique. Quand le facteur de réflexion d'un corps est élevé et qu'il y a de nombreuses directions de réflexion, on parle plus souvent de "diffusion". Pour le mur, le facteur de réflexion est faible et le type de réflexion est diffus. Dans la réalité quotidienne, tous ces phénomènes sont présents et le type de réflexion peut se situer entre le type spéculaire et le type diffus isotrope (identique dans toutes les directions). Exemples dans le spectre visible : corps cuivre poli écran perlé peinture laquée noire caoutchouc

facteur de réflexion élevé élevé faible faible

type de réflexion spéculaire diffus spéculaire diffus

En thermographie, on cherche à mesurer des températures de corps dont le facteur de réflexion est faible. Mais pour le type de réflexion, on aura tous les cas possibles, selon l'état de surface des matériaux : entre la réflexion spéculaire ou la réflexion diffuse. Pour des corps polis, à surface laquée, on aura le plus souvent un facteur de réflexion de type spéculaire. Pour des corps granuleux, on aura le plus souvent un facteur de réflexion de type diffus. Mais on peut avoir tous les cas. Un métal poli recouvert d'une faible couche de peinture mate, par exemple, aura un facteur de réflexion important et de type principalement spéculaire. Ce n'est pas parce que le matériau a un facteur de réflexion de type spéculaire que le facteur de réflexion est élevé ; ce n'est pas parce que la caméra voit l'opérateur par réflexion dans la porte métallique laquée de l'armoire électrique que le facteur de réflexion de la porte est élevé. La caméra observe, par exemple, un corps dont le facteur de réflexion est de type spéculaire. Devant ce corps, se trouve une source chaude (fer à souder, lampe à incandescence). Cette source se réfléchit sur le corps. Elle peut se réfléchir dans la direction de la caméra, selon la forme du corps et la direction d'observation. La source est dans l'environnement de la scène thermique ; elle n'est pas dans la scène observée. Mais on la voit comme si elle en faisait partie. Il est intéressant de voir cette source chaude, par réflexion sur le corps observé. Si l'on change la direction d'observation en déplaçant la caméra, l'image de la source chaude se déplace, elle n'est pas liée à la scène, elle est liée à l'environnement de cette scène. La mesure de température du corps n'est pas possible sur la zone correspondante de l'image fournie par la caméra. L'image est perturbée. L'intérêt est d'avoir identifié le phénomène. Si on ne peut pas déplacer la caméra, on cherche à masquer les rayonnements en provenance de la source chaude : après l'identification ou appréciation de la situation de mesure, on passe à la maîtrise de la situation de mesure. On éteint la source chaude en masquant cette source et pas seulement en éteignant le fer à souder ou la lampe à incandescence, lesquels vont continuer à rayonner tant que leur température reste élevée. On comprend l'intérêt d'éclairer les armoires avec des tubes fluo, de températures beaucoup plus faibles et donc moins perturbantes : on pourra certainement les laisser allumés au cours des inspections.

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Dans l'autre cas de réflexion diffuse, on ne pourra pas aisément identifier les sources chaudes de l'environnement en cherchant à constater leurs réflexions sur la scène observée par la caméra. Les rayonnements de ces sources sont réfléchis dans toutes les directions, en particulier en direction de la caméra. Si on déplace la caméra, on ne pourra pas nécessairement déterminer qu'une source chaude trouble la mesure. Le rayonnement diffusé en direction de la caméra est faible. En fait, toute l'image thermique est perturbée : il se rajoute sur cette image thermique une image de réflexions. On cherche à faire en sorte que cette image de rayonnements réfléchis soit uniforme, donc qu'elle influe uniformément l'image thermique, afin de pouvoir calculer les températures en prenant en compte une valeur uniforme d'influence pour toute l'image : il faudra donc que la température des objets de l'environnement soit partout la même, uniforme. Mais, dans le cas des installations électriques, ce n'est pas possible, du fait de la variété des composants, donc de la variété des émissivités, des facteurs de réflexion et donc des rayonnements réfléchis, même en provenance d'un environnement de température uniforme. Il faut dire également qu'il n'est pas non plus utile d'obtenir des températures pour l'ensemble des composants. Seuls certains composants nous intéresseront. Les réflexions spéculaires sont "parasites" parce que l'on ne peut pas les prendre en compte dans les calculs de température. Il faut les identifier et les éliminer si possible. Lors de l'interprétation des images fournies par la caméra (c'est à dire lors de la validation de la mesure thermographique), il faudra en tenir compte et les indiquer pour éviter des rapports non signifiants. Il serait même préférable de les gommer par traitement d'image afin que les destinataires du rapport ne se posent pas des questions inutiles. Répétition. Les réflexions diffuses influencent l'image thermique et, dans les cas simples, on peut considérer que l'image des réflexions est uniforme. Cette image des réflexions (= constante sur toute l'image) pourra être soustraite de l'image thermique acquise pour aboutir à l'image thermique des seuls rayonnements émis, qui est la seule image qui nous intéresse en mesure de températures. Dans ces cas simples, les réflexions sont "influentes", elles ne sont pas "parasites". Ces cas simples sont ceux où tous les corps observés ont la même émissivité et où tous les corps de l'environnement de la scène thermique sont à la même température, appelée température d'environnement. La température d'environnement est une grandeur d'influence. Elle influe sur le résultat de la mesure. C'est la deuxième grandeur d'influence. Après l'émissivité. Ainsi, on fait en sorte d'effectuer des mesures thermographiques dans de tels environnements. Naturellement, c'est un idéal ; on ne le rencontre dans la pratique que si les corps plus chauds situés dans l'environnement sont dispersés, de faibles dimensions et de relativement faibles températures. Si l'armoire électrique observée par la caméra est en face de la surface étendue d'un réfractaire de four à 80°C, la température d'environnement sera de 80°C. Si elle voit un simple fer à souder placé dans une salle dont les murs sont à 20°C, la température d'environnement sera de 20°C. Ainsi, en conclusion, la température d'environnement doit être uniforme. Ceci constitue la deuxième condition de validité des mesures thermographiques, la première condition étant que l'on mesure des températures de corps gris et opaques. Ce sont les premières conditions de validité de l'équation de transcription en température incluse dans tout appareil actuel. Nous en verrons encore une autre importante et quelques autres moins conséquentes. Ceci nous permet de simplifier les situations de mesure pour rendre les températures mesurables au moyen de la caméra thermique. L'environnement de la scène thermique est défini par une sorte de "cloche", ou hémisphère que voit la surface du corps observé. En fait, selon la forme du corps, cette cloche peut être plus ou moins grande qu'un hémisphère.

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Les questions que doit se poser l'opérateur sont : - Qu'est-ce que voient les corps qu'observe la caméra ? (Quel est l'environnement de la scène thermique ?) - Cet environnement est-il à température uniforme ? Si oui, le calculateur associé à la caméra va alors pouvoir défalquer le rayonnement réfléchi. Après avoir entré, dans la machine, la valeur de l'émissivité (une seule valeur), on entrera la valeur de la température d'environnement (une seule valeur). Pour les mesures à courte distance et en vue directe des scènes observées, on s'en tiendra à ces deux grandeurs d'influence. C'est le cas normal. Si les objets sont de petites dimensions, on prendra en compte une autre grandeur d'influence. En conclusion. Pourquoi avons-nous ainsi détaillé et insisté sur cette notion de facteur de réflexion ? Parce qu'elle est largement inconnue et incomprise, donc non prise en compte. Combien de fois avons-nous eu des questions du genre : "Mais c'est quoi la "température ambiante" ?" ou les affirmations : "Mais je vois l'environnement par réflexion sur l'objet, l'émissivité est donc faible !" Cette notion de facteur de réflexion nécessite de réfléchir qualitativement sur les rayonnements. Les exercices pratiques permettent de se familiariser avec cette notion. Y méditer ensuite devient, petit à petit, un jeu instructif.

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E -

LE FACTEUR DE TRANSMISSION

On ne considère que certains cas particuliers entrant dans le cadre de cet enseignement : on se souviendra donc que, dans la pratique, on ne pourra mesurer la température que de corps opaques, corps dont le facteur de transmission est nul. C'est heureusement le cas général pour les composants des installations électriques. Mais certains corps nous intéressent du point de vue de la mesure. En particulier, les corps qui se trouvent sur le trajet entre la scène thermique et la caméra : essentiellement l'atmosphère ou un hublot. L'atmosphère est un corps semi-transparent. On s'intéresse au facteur de transmission de l'atmosphère. On constate, sur la figure ci-dessous, que l'atmosphère n'est transparente que dans certaines bandes spectrales. Les bandes du spectre où ce corps "atmosphère" est le plus transparent sont les bandes de 3 à 5 µm et de 8 à 14 µm.

Figure 17 - Exemple de facteur de transmission de l'atmosphère (cas typique à 30 m)

Ceci explique pourquoi les fabricants de caméras ont depuis toujours conçu des caméras thermiques fonctionnant dans ces bandes spectrales : les caméras Ondes Courtes (Short Waves, SW) et les caméras Ondes Longues (Long Waves, LW). Ce sont essentiellement la vapeur d'eau (qui est un gaz) et le gaz carbonique contenus dans l'atmosphère qui sont à l'origine de l'atténuation des rayonnements. Les rayonnements en provenance de la scène thermique sont partiellement absorbés au passage dans l'atmosphère. Ces bandes spectrales de bonne transmission sont appelées "fenêtres atmosphériques" puisque l'on peut voir à travers l'atmosphère seulement dans ces bandes spectrales. En dehors de ces bandes, l'atmosphère THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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est un mur opaque et on ne peut voir, au travers de ce mur, la scène thermique qui nous intéresse. Il faut se mettre en face de la fenêtre pour voir dehors.

Figure 18 - Le facteur moyen de transmission de l'atmosphère en fonction de la distance de mesure, pour une atmosphère à 50 % d'humidité relative

Cependant, dans ces bandes spectrales l'atmosphère n'est pas parfaitement transparente. On définit ainsi un facteur moyen de transmission de l'atmosphère. On simplifiera en facteur de transmission atmosphérique. Ce facteur est calculé par une équation qui prend en compte la distance de mesure et la bande spectrale de la caméra. On pourrait prendre également en compte le taux d'humidité relative de l'atmosphère, la teneur en gaz carbonique et la température de l'atmosphère. Cependant, dans la pratique industrielle normale, une modélisation simplifiée est largement suffisante. La complexification apportée peu à peu par les fabricants est une bonne démarche intellectuelle et de marketing, mais sans aucun intérêt en contrôle rapproché (courte distance). De plus, il n'est pas pensable que les opérateurs puissent mesurer tous les paramètres de l'atmosphère, et donc compliquer les interventions, alors que les influences de ces paramètres sur les résultats sont le plus souvent extrêmement faibles. Ainsi le facteur moyen de transmission atmosphérique est une grandeur d'influence. Il influe sur le résultat de la mesure de température. C'est la troisième grandeur d'influence. A 10 m, la caméra SW reçoit environ 7 % de rayonnement en moins de ce qu'elle aurait dû recevoir à courte distance (1 m environ). La même constatation est faite, mais pour une distance de 100 m, pour les caméras LW. Par ailleurs, on est amené parfois à mesurer au travers de hublots, souvent appelés "infrarouges", pour la mesure de température de corps placés dans des enceintes fermées. Ces hublots sont naturellement installés à demeure et en vue des contrôles thermographiques. Ce ne sont pas des hublots en plastique : ceux-ci sont quasiment opaques aux rayonnements infrarouges. On définit le facteur moyen de transmission de ces hublots. Mais attention au piège ! Un hublot peut éventuellement être transparent pour une caméra, et opaque pour une autre caméra, selon leurs bandes spectrales de fonctionnement. Il convient donc de vérifier quel type de hublot est installé et de quelle caméra l'on dispose pour dire si les mesures seront possibles ! Enfin, le calculateur de certaines caméras prend en compte le facteur de transmission d'un éventuel hublot. Si ce n'est pas le cas, on peut s'en sortir si l'objet, de bonne émissivité, est chaud dans un environnement froid. Ces "corps" (atmosphère ou hublot) atténuent les rayonnements en provenance de la scène qu'observe la caméra. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Classiquement, on considère que le facteur de réflexion de ces "corps" intermédiaires est nul : l'atmosphère ne contient pas de brouillard, d'aérosols, ni de particules denses en suspension. Pour l'atmosphère, on a donc l'équation ε + τ = 1, équation qui signifie que le milieu de propagation des rayonnements émet lui-même du rayonnement, fonction de sa propre température et de son émissivité. Ce rayonnement se rajoute aux rayonnements en provenance de la scène thermique. Ainsi, l'atmosphère atténue les rayonnements qui nous intéressent et rajoute du rayonnement qui ne nous intéresse pas. Voici donc la quatrième grandeur d'influence, la température de l'atmosphère, qui influe sur le résultat de la mesure. Ainsi, une image thermique uniforme (de rayonnements émis par le milieu de propagation) se rajoute à l'image thermique de la scène, elle-même uniformément atténuée par le facteur de transmission de l'atmosphère (ou du hublot), depuis la scène thermique observée jusqu'à la caméra. On peut, d'une part, défalquer, de l'image thermique reçue par la caméra, une "image thermique" des rayonnements rajoutés sur le trajet, et, d'autre part, corriger l'image thermique résultante, pour se retrouver dans les conditions de mesure à courte distance. On est alors dans le cas précédent, avec une image thermique due aux seuls rayonnements émis et réfléchis par la scène thermique. En conclusion, on cherchera à réaliser les mesures à courte distance et en vue directe des corps à mesurer. On évitera les mesures à l'extérieur par temps de brouillard ou de pluie. Pour des mesures à distance, on prend en compte la distance de mesure et la température moyenne de l'atmosphère sur le trajet. Nous venons là d'introduire deux autres grandeurs d'influence dont le rôle est cependant très faible dans les applications envisagées. Vous avez donc compris la différence entre température d'environnement et température d'atmosphère. Trop d'opérateurs confondent ces deux températures. Elle est souvent appelée à tort "température ambiante", que la norme, intentionnellement, a défini autrement : c'est la température de l'air dans lequel baigne la caméra elle-même. Dans les cas simples (quand les températures d'environnement et d'atmosphère sont égales ou proches), on peut admettre cette indistinction. Mais on comprendra que certains cas ne seront pas couverts par cette simplification ou confusion.

Figure 19 - La superposition des images thermiques (scène thermique iso-émissive)

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F -

LE CORPS NOIR THÉORIQUE ET LE "CORPS NOIR" RÉEL

Maintenant que nous avons détaillé les propriétés radiatives des matériaux (émissivité = facteur d'absorption, facteur de réflexion et facteur de transmission), nous pouvons revenir sur la notion de corps noir. Le corps noir théorique est une cavité isotherme de forme quelconque. Les parois internes de la cavité sont opaques aux rayonnements. Considérons un élément de surface dS1 de la paroi interne (voir figure ci-dessous). Cet élément de surface émet un rayonnement, fonction de l'émissivité du matériau et de la température de la cavité isotherme. Ce rayonnement est émis dans toutes les directions du demi-espace vu par dS1 et parvient, en particulier, sur l'élément de surface dS2. dS2 réfléchit une partie de ce rayonnement et absorbe l'autre partie, nous l'avons déjà vu. Le rayonnement réfléchi sur dS2 se réfléchit dans toutes les directions du demi-espace vu par dS2 (si le matériau a un type de réflexion spéculaire, le raisonnement est le même). Le phénomène se poursuit jusqu'à l'absorption complète du rayonnement émis par dS1 suite aux réflexions successives (le "nombre" de réflexions jusqu'à absorption "complète" dépend du facteur de réflexion du matériau.

Figure 20 - Le corps noir théorique et le "corps noir" réel.

Si nous imaginons de nous placer à l'intérieur de la cavité, nous observons un élément de surface dS quelconque, le rayonnement qui nous parvient est à la fois émis et réfléchi par dS. Ce rayonnement réfléchi provient de l'ensemble des autres éléments de surface dS de la cavité. Quel que soit l'élément dS observé, le rayonnement qui nous parvient est identique. L'observateur voit un rayonnement uniforme et ne peut distinguer un élément de surface d'un autre élément de surface : l'image sur sa "rétine" est uniforme. Le rayonnement interne à la cavité est dit isotrope, identique dans toutes les directions. Ce rayonnement est celui du corps noir à la température isotherme de la cavité. On parle de "rayonnement noir" pour dire "rayonnement du corps noir". Il règne dans la cavité un champ de rayonnement isotrope défini par la seule température de la cavité. On parle de "température de rayonnement" ou de "température de luminance" : la relation entre le rayonnement et la température est unique. Elle est décrite par la loi de Planck, lequel s'est précisément basé sur cette cavité isotherme pour établir la loi. Ceux qui ont déjà observé l'intérieur d'un four de métallurgie ou de verrerie connaissent ce phénomène ; on distingue mal les détails des objets internes au four chauffé uniformément, le rayonnement est quasi uniforme.

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Au lieu de nous placer dans la cavité, faisons un petit trou (de surface dS) dans la paroi, pour observer le rayonnement qui parvient sur ce dS, comme en tout élément de surface interne de la cavité. On comprend qu'il n'y aura pas de rayonnement réfléchi sur ce dS, puisqu'il a été supprimé. L'état d'équilibre de rayonnement interne au corps noir est alors légèrement perturbé, mais ceci est sans grande importance si dS reste très petit vis à vis des dimensions de la cavité. On peut ainsi connaître le rayonnement noir régnant à l'intérieur de la cavité, puisqu'il est partout identique. C'est le principe de construction des "corps noirs" qui servent de référence de température et de rayonnement pour l'étalonnage des radiothermomètres et des caméras thermiques. Plus le trou pratiqué dans la cavité est de grandes dimensions vis à vis des dimensions de la cavité et plus l'émissivité de ce trou diminue. De plus, l'émissivité du trou dépend alors de plus en plus fortement de l'émissivité du matériau interne de la cavité et du type de réflexion de ce matériau (de spéculaire à diffus). Il est donc préférable d'utiliser un matériau interne de forte émissivité et de type de réflexion diffus. Les "corps noirs" disponibles sur le marché sont dérivés de cette construction, mais l'on cherche naturellement à en simplifier la fabrication, en sélectionnant des formes adéquates de surfaces rayonnantes et en augmentant au maximum l'émissivité du matériau rayonnant. On trouvera des "corps noirs" de forme sphérique (onéreux mais d'émissivité proche de 1), des "corps noirs" en forme de double cône, de simple cône, et des surfaces planes rayonnantes, usinées et traitées de sorte à obtenir une émissivité élevée, suffisante selon les besoins. L'émissivité d'une simple plaque peinte peut être supérieure à 0,95, selon la peinture, son épaisseur et la longueur d'onde. A quoi nous servent ces détails sur la notion de corps noir ? A mieux comprendre les rayonnements. Voyons les implications pratiques. On constate déjà que l'observateur hypothétique placé dans la cavité isotherme et qui observe la surface dS1 voit un rayonnement noir, comme si le matériau avait une émissivité de 1. Le rayonnement perçu est donc indépendant de l'émissivité du matériau de la surface interne de la cavité. La notion d'émissivité du matériau est donc indéterminée pour un matériau (dS1) à la même température que les autres dS de la cavité. Les autres dS de la cavité (l'ensemble du demi-espace vu par dS1) constituent l'environnement de dS1. Cet environnement est à température uniforme (température d'environnement) et envoie un rayonnement isotrope sur dS1. Modifions la température du seul élément de surface dS1, dont la température T1 initiale était celle de la cavité isotherme. De T1, la température de dS1 passe à la valeur T2 (on chauffe dS1, ce qui ne modifie pas l'équilibre de la cavité, laquelle reste à la température T1). L'observateur hypothétique, placé dans la cavité et qui observe dS1 entouré d'éléments de surface adjacents dS restant à la température T1, observe, bien sûr, un rayonnement plus important en provenance de dS1. L'accroissement du rayonnement en provenance de ce dS1 est dû au surcroît de rayonnement émis par dS1 du fait de l'augmentation de sa température. Ce rayonnement supplémentaire dépend maintenant de l'émissivité de dS1. Dès lors, l'observateur peut voir dS1 parmi les autres éléments de surface adjacents. L'image sur sa "rétine" n'est plus uniforme, quand bien même le champ de rayonnement provenant de l'environnement et parvenant sur dS1 est le même qu'auparavant (quasiment). Cette situation est strictement celle que modélise l'équation de transcription en température utilisée par toutes les caméras thermiques ! La température T2 est celle que l'on cherche à mesurer et la température T1 est la température d'environnement. Cet environnement est donc supposé corps noir et uniforme en température.

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G -

REMARQUES, CONCLUSION ET SYNTHÈSE GRAPHIQUE

La situation de mesure doit pouvoir se ramener, par une modélisation simple, à une situation d'étalonnage. L'équation qu'utilisent tous les appareils actuels (nous la verrons plus loin) demande que certaines conditions soient respectées pour être applicable. Ceci est l'art du thermographe. Mais résumons déjà la situation de mesure sous forme d'un schéma : la caméra observe un objet lequel observe son environnement.

Figure 21 - La situation simplifiée de mesure

Dans certaines caméras à transcription intégrée (systèmes de thermographie), il y a confusion entre les grandeurs d'influence température d'environnement et température d'atmosphère. Par exemple. Les caméras THERMOVISION 470 et 487 confondent les deux grandeurs sous le nom de "Tamb" qui voudrait dire "ambient temperature", terminologie inadaptée à éviter. Les caméras INFRAMETRICS (740, 760 et THERMACAM au logiciel en anglais) prennent en compte la température d'environnement appelée "background temperature", température du fond, autre désignation incorrecte, mais très répandue chez les concepteurs et fabricants de caméras. Les caméras CYCLOPS TI 35 ou AVIO TVS 2000 prennent en compte l'émissivité et mesurent la température interne de la caméra en l'introduisant automatiquement dans les calculs, comme valeur de température de l'environnement. Cette façon de faire est valable dans les cas usuels mais ne permet pas de couvrir l'ensemble des applications. Nous avons jusqu'ici parlé des rayonnements. Comprendre qualitativement une image thermique, c'est comprendre les rayonnements, les identifier. C'est la démarche absolument indispensable avant toute tentative de transcrire les rayonnements en températures. C'est par un exercice quotidien que le rayonnement devient familier aux opérateurs intéressés. Ils seront alors clairvoyants et ne se laisseront pas berner par les images. Ils ne bernent pas non plus leur entourage ou leurs donneurs d'ordre. On exige du professionnel des compétences essentielles : comprendre le rayonnement lors de l'interprétation des images thermiques et comprendre la thermique et l'électricité lors de l'interprétation des thermogrammes, l'ensemble dans le cadre de la prévention des risques. Nous donnons ci-après le synoptique des terminologies utilisables et le schéma du radiothermomètre appliqué à la thermographie. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Figure 22 - Scène thermique, image thermique, transcription en température, thermogramme (Les expressions[N] sont normalisées.)

Figure 23 - De la scène thermique au thermogramme

On notera que l'expression "image infrarouge" n'est pas conforme à la norme et correspond à l'image fournie par l'optique infrarouge, et non à l'image thermique fournie par la caméra.

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5 - COMPRENDRE ET RÉGLER LA CAMÉRA

LA FORMATION DE L'IMAGE THERMIQUE

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Former l'image thermique, c'est obtenir une représentation quantifiée de la répartition des flux en provenance de la scène thermique, au moyen de la caméra thermique et d'un traitement approprié du thermosignal ou de l'image thermique que la caméra fournit. Nous parlerons donc : • • •

de la caméra en tant que radiomètre à balayage spatial ; du traitement du thermosignal ; du traitement de l'image thermique.

A -

LA CAMÉRA THERMIQUE

On s'intéressera peu à la technologie des caméras thermiques, l'important étant de considérer les principes de base. Nous verrons ensuite, au chapitre suivant, les caractéristiques importantes des caméras thermiques. La caméra thermique utilisable en contrôle des installations électriques est, à la base et dans son principe, un appareil de mesure, basé sur un radiomètre comprenant un détecteur et un objectif. Un mécanisme, ou une électronique, de balayage spatial permet à ce radiomètre d'analyser une surface entière, la scène thermique.

Figure 24 - L'optique simplifiée

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LE RADIOMETRE Le radiomètre est constitué d'un objectif (ou d'une simple lentille) qui concentre les rayonnements sur un détecteur de rayonnement. Celui-ci délivre un signal qu'une électronique amplifie. Il existe divers types de détecteurs selon les performances désirées et selon les types de caméras. Ceci n'est pas considéré dans le cadre de ce stage. Le détecteur est une petite surface sensible aux rayonnements. Il délivre une tension qui devrait être proportionnelle à la puissance de rayonnement qu'il reçoit. [Nous disons "qui devrait être", car, selon les technologies de détecteur ou selon les caméras, cette proportionnalité n'est pas toujours vérifiée, ce qui pose le problème de la linéarité des caméras, problème que nous évoquerons encore rapidement plus bas. C'est là une question de fond sur la validité des mesures thermographiques ; mais ces considérations sont du ressort des spécialistes.]

Pour que le détecteur reçoive du rayonnement et fournisse un signal, il doit avoir une certaine surface. Un "point" reçoit un rayonnement nul. (On parle néanmoins de détecteurs "ponctuels".) Cette surface est usuellement déterminée par le concepteur pour observer et mesurer de faibles températures (ou températures ordinaires) ou pour mettre en évidence de faibles écarts de température. Le détecteur observe une surface élémentaire ∆S sur la scène thermique, placée à la distance de mesure Dm. Cette surface élémentaire ∆S dépend donc de la distance focale f de la lentille du radiomètre et de Dm. En thermographie, l'angle plan sous lequel le radiomètre voit la surface ∆S est appelé IFOV, Instantaneous Field Of View. [On a l'équation, classique en optique, 1 / f = 1 / Dm + 1 / d où d est la distance entre la lentille et le détecteur.]

Le détecteur reçoit donc du rayonnement en provenance de la surface élémentaire ∆S. Il fournit un signal dont la valeur dépend de la température apparente de cette surface.

LE RADIOMETRE A BALAYAGE SPATIAL MECANIQUE Mais on veut mesurer le rayonnement en provenance d'une autre surface élémentaire ∆S, placée à côté de la précédente. Soit on déplace manuellement l'axe optique du radiomètre (balayage manuel), soit on fait pivoter un miroir interne au radiomètre pour modifier la direction des rayonnements et les faire parvenir sur le détecteur (balayage mécanique ou optico-mécanique). L'appareil est alors appelé "radiomètre à balayage spatial" ou caméra thermique. Le signal qu'il fournit est appelé le thermosignal. En faisant pivoter continûment le miroir, on obtient un balayage spatial continu de la scène thermique, suivant une ligne. C'est le balayage ligne. Le balayage se fait sur un segment de ligne, vu par la caméra sous un angle donné. On définit ainsi l'angle d'observation horizontal "A" sous lequel la caméra voit la scène thermique. C'est le balayage de base de la caméra. Le mot "horizontal" est usuel mais ne correspond pas nécessairement à l'horizontale.

On rajoute la deuxième dimension, en déplaçant légèrement la ligne balayée, parallèlement à elle-même. C'est un deuxième miroir qui assure ce deuxième balayage, appelé le balayage trame ou balayage "vertical". Même remarque.

La scène thermique est ainsi observée suivant deux angles, les FOV pour Field Of View. On parle donc d'objectif de 20° x 20° par exemple. La scène thermique peut être observée suivant des angles horizontal et vertical différents : 20° x 15°. Ceci dépend de la conception de l'appareil. [Les objectifs sont désignés par les angles sous lesquels la caméra voit la scène thermique. En thermographie, on ne désigne pas les objectifs par leur distance focale, contrairement à l'usage en photographie. La distance focale n'a aucun réalisme dans la pratique. En photographie au contraire, le réalisme tient au fait que l'on se réfère presque toujours au même format de pellicule 24 x 36 (ou "35 mm"). En thermographie, il n'existe pas de tel format "standard".]

Le mécanisme de balayage est appelé le scanneur, ou scanner en anglais. Les fréquences de balayage spatial sont les fréquences d'analyse. Il y a une fréquence ligne et une fréquence trame. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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La caméra analyse la scène thermique suivant une succession de trames constituées de lignes. Prenons l'exemple des caméras de technologie classique THERMOVISION de la série 400, toujours en usage. La fréquence trame est de 20 Hz. La fréquence ligne de 4 000 Hz. Il y a 200 lignes par trame dont 140 lignes utiles. La fréquence d'échantillonnage du signal donne 140 échantillons par ligne, soit 140 pixels (pour "picture elements" ou éléments d'image) par ligne. Les images thermiques sont donc de 140 lignes par 140 pixels pour une scène carrée vue sous 20° x 20° ou 7° x 7° etc ... Les miroirs balayent au cours du temps. Des signaux de synchronisation de balayage, générés par les retours en position des miroirs à chaque début de balayage -ligne ou -trame, permettent de construire l'image thermique lors de la restitution sur un écran (moniteur). Un convertisseur de standard peut assurer le passage de la fréquence d'analyse à la fréquence de restitution. La fréquence d'analyse n'est donc pas la fréquence de restitution. C'est pourquoi l'on distingue le thermosignal (issu du détecteur) et le vidéosignal (fourni par la caméra, après le séquencement de relecture destiné à la restitution selon le standard CCIR).

Figure 25 - Synoptique simplifié d'une caméra thermique classique

Pour les caméras THERMOVISION 400, la fréquence trame de restitution est, en Europe, celle du standard CCIR, soit 50 trames par seconde. La fréquence ligne est de 15 625 Hz. Il y a 287 lignes utiles par trame. Passer de 140 lignes à 287 lignes est réalisé en doublant une ligne sur deux (résultat : 210 lignes) et en mettant du noir ou des informations sur les lignes inutilisées. Passer de 20 trames / s à 50 trames / s est réalisé en doublant la première trame et en triplant la suivante, etc ...

AUTRES SOLUTIONS A BALAYAGE MECANIQUE Les caméras thermiques classiques basées sur un seul détecteur et sur un scanneur à double balayage spatial sont les plus courantes (THERMOVISION 400, INFRAMETRICS 700, AVIO TVS 100). Pour des caméras plus anciennes, le balayage n'est pas assuré par des miroirs tournants ou oscillants mais par des lames à faces parallèles agencées en un polygone tournant à facettes (THERMOVISION 700). D'autres solutions technologiques sont retenues par certains constructeurs. L'ensemble de détection peut être une barrette de N détecteurs qui fournissent N profils thermiques en parallèle. C'est le cas des caméras AVIO TVS 2000 et des CYCLOPS TI 35.

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LE RADIOMETRE A BALAYAGE SPATIAL ELECTRONIQUE Mais au lieu de ne disposer que d'un détecteur et de balayer mécaniquement, il est possible de disposer un très grand nombre de détecteurs agencés en lignes et en colonnes et de lire séquentiellement (électroniquement) les signaux fournis par ces détecteurs. Ce sont des matrices de détecteurs. On rejoint ici la technologie habituelle en imagerie visible, désormais universelle pour les caméras vidéo ou les caméscopes. La matrice est placée dans le plan de focalisation de l'objectif (on dit "dans le plan focal"). D'où le nom de "matrice plan focal" ou "Focal Plane Array" ou FPA. Les matrices sont réalisées en matériaux divers, ce qui n'est pas considéré dans le cadre de ce stage. Les caméras de mesure à matrice de détecteurs (N x M détecteurs) sont disponibles sur le marché depuis 1995. Elles permettent un gain de poids et de "rendement optique", du fait de l'absence du scanneur mécanique. L'électronique intégrée diminue également la consommation en énergie électrique. Ce sont les caméras THERMACAM, THERMOVISION 500, TVS 600, TH 7102, VINCI. Cette nouvelle technologie de caméra thermique remplace rapidement les caméras de technologie classique, en particulier pour les applications de maintenance et de prévention. Elles sont beaucoup plus simples à concevoir, à fabriquer et à mettre en œuvre.

COMMENTAIRES A TITRE CULTUREL Les matrices présentent un mode de fonctionnement différent des caméras à balayage mécanique où le détecteur fournit, de façon continue, un thermosignal à l'électronique qui l'amplifie et le traite. C'est le même détecteur qui fait tout le travail : fournir l'image thermique d'une scène, en un temps donné. Différemment, pour une matrice, on dispose de très nombreux détecteurs pour faire sensiblement le même travail. Entre deux lectures successives du signal du même détecteur, on a du temps pour réaliser un traitement : celui-ci consiste essentiellement à intégrer, par détecteur et entre deux lectures, le signal fourni par chaque détecteur. Cette intégration est faite par un condensateur. Chaque détecteur a son condensateur, tout cela à l'échelle de quelques dizaines de micromètres. Encore faut-il que ce condensateur ne se remplisse pas complètement (saturation). On définit donc un temps d'intégration (naturellement, ce temps est plus court que le temps entre deux lectures de la matrice). Ce temps d'intégration ou temps d'exposition conduit à faire un parallèle avec la photographie : le temps d'exposition et le diaphragme jouent le même rôle que dans un appareil de photographie. Le fait que l'on "expose" ainsi la matrice permet donc l'intégration, ce qui améliore le rapport signal / bruit (on comprendra mieux au chapitre suivant), mais cette amélioration est telle qu'elle dépasserait largement le besoin : on tire profit de cette amélioration (intégration du signal durant un temps donné), pour réduire la surface des détecteurs élémentaires (ce qui diminue la quantité de rayonnement qu'ils reçoivent et diminue corrélativement le thermosignal qu'ils fournissent), donc pour diminuer la surface élémentaire ∆S observée par chaque détecteur. Ceci améliore substantiellement la qualité de l'image fournie, sa "définition", donc la résolution spatiale de la caméra. Ainsi, résultant en un meilleur compromis entre la résolution thermique et la résolution spatiale, cette nouvelle technologie de caméra à matrice est un saut technologique dans le domaine de l'imagerie thermique. Par contre, le très grand nombre de détecteurs sur la matrice demande une uniformisation des réponses élémentaires de ces détecteurs ; de plus, l'absence de balayage mécanique rend plus complexe la compensation de la dérive de la caméra, dérive due à la variation de sa propre température. Cette uniformisation des détecteurs n'est pas nécessairement très bien réussie, selon les solutions mises en œuvre par les constructeurs et selon les types de matrice ; elle n'est pas non plus très stable dans le temps. Les caméras de ce type dérivent davantage que les caméras classiques (mais ceci s'améliorera au cours des années). Ces caméras doivent donc être équipées d'un dispositif (diverses technologies) permettant de recaler le thermosignal avant d'assurer la prise d'image thermique destinée à la mesure.

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La correction des non-uniformités ainsi que cette compensation de dérive sont effectuées pendant l'opération de correction de non-uniformité ou "Non Uniformity Correction" (NUC). De plus, compte tenu qu'elles numérisent le thermosignal directement en sortie de l'amplificateur qui suit les détecteurs, ces caméras présentent des calibres de plus faibles amplitudes que sur les caméras classiques et les calibres se recouvrent peu pour les caméras SW. Les caméras à matrice ne sont pas aussi souples que les caméras classiques. En conclusion. Si les caméras à matrice sont assurément agréables pour une meilleure qualité d'image et pour les applications de contrôle d'installations électriques, il est clair qu'elles ne valent pas encore leurs aînées pour la qualité et la souplesse des mesures thermographiques. Si elles sont sophistiquées du point de vue électronique, elles restent encore les filles pauvres de la famille : elles sont dotées de la beauté et d'une intelligence bien ciblée, pas encore de l'expérience adaptée ni de la pertinence souple. C'est pourquoi les caméras à matrice entrent encore difficilement dans les laboratoires de mesure.

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B -

THERMOSIGNAL, CALIBRE ET CONFIGURATION

LE THERMOSIGNAL A la suite du détecteur, un amplificateur amplifie le signal. Considérons le signal qui sort de la tête de mesure, de la caméra elle-même. Ce signal est donc appelé thermosignal (afin de ne pas le confondre avec un vidéosignal). Ce sont des volts proportionnels (du moins le faudrait-il) aux flux (puissances de rayonnement) que détecte le détecteur. Les valeurs que peut prendre le thermosignal sont comprises entre un minimum (supposons 0 V) et un maximum (supposons 5 V). Entre ces deux valeurs, le thermosignal peut prendre toutes les valeurs selon le flux reçu par le détecteur en provenance de la scène thermique.

LE CALIBRE Il y a une courbe de correspondance entre ces volts et les températures du corps noir. Cette courbe est la courbe d'étalonnage, comme nous l'avons déjà vu. Le minimum de température est de - 20°C (par exemple) et le maxi vaut + 200°C (par exemple). Cette plage de - 20°C à + 200°C s'appelle le calibre. Il s'agit, naturellement, de températures apparentes, puisque la caméra est étalonnée sur un corps noir. Le calibre représente donc la gamme de températures apparentes que peut mesurer la caméra, dans une configuration définie. Voir les deux figures ci-après pour une caméra classique et les caméras à matrice. Le premier calibre, le plus utilisé, est destiné à mesurer les températures les plus faibles.

Figure 26 - Exemple de courbes d'étalonnage - 3 diaphragmes (THV 487)

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Ce premier calibre dépend principalement de la bande spectrale de la caméra. Les suivants dépendent ensuite des choix du constructeur, s'il veut faire se superposer plus ou moins les calibres ou non. Mais il est évident que plus les calibres se superposent, meilleure est la flexibilité de la caméra, donc son adaptabilité à des mesures de plages de températures très variées.

Figure 27 - Les calibres des caméras à matrice

LA CONFIGURATION DE LA CAMERA Pour une caméra choisie, la configuration est l'ensemble de trois valeurs des variables possibles pour la caméra : [valeur de l'objectif, valeur du diaphragme, valeur du filtre]. Certaines caméras n'ont que les variables [objectif, filtre]. Les nouvelles caméras à matrice n'ont quasiment jamais de diaphragme mais modifient électroniquement le temps d'exposition. En tant que tel, ce temps d'exposition n'est modifiable par l'opérateur que par une fonction de sélection du calibre de mesure. On aura, en fait, les configurations définies par le triplet [valeur de l'objectif, valeur du temps d'exposition, valeur du filtre]. A une configuration correspond une courbe d'étalonnage représentée mathématiquement par ses constantes d'étalonnage, et correspond donc un calibre (en températures corps noir ou apparentes). Il apparaît sur les courbes d'étalonnage de la figure 26 (pour le filtre NOF = "sans filtre") que l'opérateur semble avoir le choix entre les trois diaphragmes (0, 1 ou 2) pour cadrer une scène thermique présentant des températures (apparentes) comprises entre 100 et 170°C. En effet, le thermosignal prend toujours une valeur mesurable par la caméra. Mais on comprend bien qu'il est préférable, pour cette plage de variation de températures, d'obtenir la plus grande variation de valeurs du thermosignal. On aborde ici la notion, sur laquelle on n'insistera pas, de sensibilité de la caméra, le terme "sensibilité" étant pris au vrai sens du mot, selon la "norme internationale de vocabulaire des termes fondamentaux de THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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métrologie". C'est le rapport de la variation du signal de sortie (thermosignal) et de la variation du signal d'entrée (température apparente). [Pour les férus de mathématique, on dira que la sensibilité est la dérivée de la courbe d'étalonnage, pour une température apparente observée donnée.] Plus la sensibilité est élevée et plus la mesure du flux (donc de la température) sera certaine, et plus l'image sera "propre" ou exempte de bruit ("neige" sur l'image). Avant d'effectuer le cadrage thermique, on choisira toujours la configuration qui donnera la meilleure sensibilité, donc la meilleure qualité de mesure. On comprend ainsi l'importance des courbes d'étalonnage et l'intérêt d'en disposer pour un choix optimal de la configuration. Mais les appareillages permettent aujourd'hui de sélectionner directement les calibres sans se préoccuper de la configuration et de ses implications. Les informations sur les modes d'obtention de ces calibres (temps d'exposition ? ou diaphragme ? ou filtre gris ? ou filtre spectral ?) ne sont pas toujours disponibles. La simplification va alors dans le sens de l'ignorance et non du professionnalisme. Le choix de la configuration est fait par l'opérateur selon les dimensions de la scène thermique à observer (choix de l'objectif), selon les températures à mesurer (choix du diaphragme / temps d'exposition et / ou du filtre), selon les spécificités de la scène thermique à observer (choix du filtre).

*- Choix de l'objectif Ce choix dépend des dimensions de la scène thermique à observer et de la distance à laquelle on peut placer la caméra pour cette observation.

*- Choix du diaphragme ou du temps d'exposition et / ou du filtre La question se pose lorsque l'on cherche à mesurer des températures élevées (selon la caméra). Comment savoir s'il est nécessaire de changer de diaphragme (ou de temps d'exposition) ou de filtre ? Simplement lorsqu'il est impossible de mesurer le maximum de température présent sur la scène thermique au moyen du diaphragme normal, le plus ouvert (celui qui permet de mesurer les températures les plus faibles). On vérifie également cette impossibilité en plaçant le NIVEAU au milieu de ses variations possibles et en commutant la GAMME au maximum de sa valeur (voir plus loin pour ces 2 notions). On couvre ainsi l'intégralité de la gamme de températures mesurables sur le diaphragme (ou temps d'exposition) considéré. Dans ce cas, si le thermosignal présente des valeurs saturées (au-delà du calibre), il conviendra de choisir un diaphragme plus fermé (= valeur immédiatement supérieure), ou un temps d'exposition plus court, ou de choisir un filtre (selon le type de caméra et les températures apparentes à mesurer).

*- Choix du filtre Nous considérons ici, et très rapidement, le cas de scènes thermiques particulières nécessitant l'emploi d'un filtre spectral approprié. Ces cas n'existent pas en contrôle des installations électriques. Mais, généralement, les filtres sont utilisés pour les mesures de hautes températures. [La mesure de température au travers de flammes, sur du verre ou du plastique de faible épaisseur nécessite de faire fonctionner la caméra à des longueurs d'onde particulières à l'intérieur de sa bande spectrale. Voir et mesurer des températures à travers les flammes demandent un filtre spectral centré sur 3,9 µm, là où les flammes sont froides. Mesures de température de peau de tube dans les fours de craquage de produits pétroliers : c'est une application très délicate demandant une grande expérience et réservée à quelques initiés. Mesurer correctement des températures de verre nécessite un filtre spectral sélectionnant la bande de 4,7 à 5,2 µm environ et dépendant de l'épaisseur du verre. On peut également sélectionner une bande spectrale vers 8 µm, mais elle n'est pas optimale (moindre exactitude de mesure). Mesurer correctement des températures de plastique de faible épaisseur ne relève pas des actions des opérateurs habituels.]

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*- Reconnaissance, par la caméra, de la configuration choisie La reconnaissance de l'objectif, du diaphragme et du filtre choisis est automatique ou manuelle, selon les caméras. Dans ce deuxième cas - devenu rare -, il est important d'indiquer au logiciel interne de la caméra la configuration sélectionnée, ou de se souvenir de cette configuration pour correction ultérieure, si l'enregistrement en mémoire de masse (disquette, …) ne la prend pas intégralement en compte.

COMMENTAIRES PAR ANALOGIE Il existe des appareils de photographie très simples, parce que tout automatiques. Certains sont jetables. Les appareils plus sérieux ont des automatismes débrayables. Les appareils des professionnels n'ont que des réglages manuels ou sont suffisamment "complexes", tout en intégrant certains automatismes, pour permettre l'expression de l'art du photographe. Le photo-reporter dispose d'appareils proposant plusieurs programmes de réglages commutables selon les types de scène. Par ailleurs, et c'est ici un commentaire plus intéressant, le professionnel de la photographie pourra mettre en œuvre des appareils de moindre qualité, avec des résultats meilleurs que ceux de l'amateur : pas de photos ratées, bougées, sous- ou surexposées, mal cadrées, prises dans des conditions où le résultat sera, à coup sûr, "photo ratée non facturée par la FNAC". La connaissance de l'appareil photo, même simplifié, vous permettra de savoir comment et dans quelles circonstances il pourra être mis en œuvre avec un résultat correct. Par votre professionnalisme acquis, vous ne pouvez pas vous permettre d'être taxés d'amateur, surtout si vous êtes Qualifiés. Les caméras thermiques récentes, conçues pour étendre le marché des opérateurs en maintenance et prévention sont des caméras simplifiées, surtout destinées aux applications rapides et simples. Ce ne sont pas des caméras pour les professionnels de la thermographie. Mais elles peuvent être mises en œuvre par des professionnels de l'électricité et du contrôle des installations électriques dans le but de la maintenance et de la prévention.

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C -

LE TRAITEMENT DU THERMOSIGNAL

Si l'on envoie ce signal directement sur un moniteur Noir et Blanc, le 0 V (- 20°C) correspondra au Noir et le 5 V (+ 200°C) correspondra au Blanc. On constate immédiatement que l'on aura un problème pour visualiser des températures apparentes d'une scène thermique variant seulement de + 20°C à + 40°C : les variations de température apparaîtront dans une faible plage de teintes de gris, ce qui n'est pas optimum. On va ainsi introduire sur le thermosignal un traitement permettant d'optimiser la visualisation des variations de flux (ou de températures), puisque les variations de températures de la scène thermique ne couvrent pas l'intégralité du calibre de la caméra. La caméra thermique de mesure est donc radicalement différente de la vidéo caméra, laquelle élimine le problème en se calant au niveau du plus faible signal présent.

LE CADRAGE THERMIQUE - LE NIVEAU ET LA GAMME (caméras classiques) Ce sous-chapitre ne servira pas aux opérateurs qui disposent exclusivement de caméras de nouvelle technologie. On choisit un niveau thermique moyen et une amplitude de variation autour de ce niveau moyen, afin de visualiser en Noir ce qui vaut + 20°C et en Blanc, ce qui vaut + 40°C. Le niveau thermique moyen correspondra à environ 30°C et la gamme thermique à environ 20°C. Nous disons "correspondra" et non "vaudra", puisque le traitement du signal se fait classiquement sur le thermosignal (donc en volts, en luminances ou en flux) et non sur les températures. Les températures sont rajoutées ensuite sur l'écran par le calculateur interne de l'appareil. Cette remarque reste applicable aux caméras de nouvelles générations, mais nous compléterons dans le paragraphe ultérieur "LE TOUT NUMERIQUE". Le traitement consiste à soustraire du thermosignal une valeur continue (le NIVEAU THERMIQUE ou THERMAL LEVEL ou simplement LEVEL) et à amplifier les variations de signal autour de ce niveau afin de faire entrer ces variations dans le gabarit des tensions que peut accepter le moniteur, entre le Noir et le Blanc : les variations sont incluses dans la GAMME THERMIQUE visualisable, appelée communément THERMAL RANGE, ou simplement RANGE. [Le terme SENSITIVITY, qui voudrait dire "sensibilité", au lieu de RANGE utilisé sur les caméras THERMOVISION 400 est à proscrire puisque non conforme à la norme internationale de vocabulaire de métrologie.]

Le schéma suivant montre l'action du soustracteur de NIVEAU et de l'amplificateur calibré donnant la GAMME. Sur les caméras classiques, le NIVEAU peut varier de façon quasiment continue (potentiomètre ou génération numérique sur 4 096 niveaux = 12 bits), la GAMME ne variant que de façon discontinue (commutateur de gains calibrés). Naturellement, les valeurs de NIVEAU et de GAMME sont connues ou à connaître, puisqu'elles vont nous servir au calcul des températures à afficher sur le moniteur : valeurs mini et maxi ou valeurs en correspondance d'une échelle de couleurs. Nous voyons encore ici la différence avec le vidéosignal. L'opérateur a donc adapté la visualisation sur le moniteur au contenu des températures de la scène thermique. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Figure 28 - Le traitement du thermosignal

La caméra peut comporter un automatisme qui définira lui-même les meilleurs NIVEAU et GAMME en fonction des valeurs mesurées des flux en provenance de la scène thermique. Cet automatisme est heureusement débrayable, car ce qui intéresse l'opérateur dans l'image thermique peut n'être qu'une partie de cette image, et les réglages de NIVEAU et de GAMME dépendent partiellement du but de l'inspection et du document à fournir en fin d'inspection. [On évitera de mettre en œuvre l'automatisme de "poursuite" (s'il existe), qui définit en permanence les "meilleurs" NIVEAU et GAMME. On ne comprend plus rien à l'image affichée qui change d'aspect sans discernement.]

On voit ainsi que ce qui est visualisé entre le Noir et le Blanc n'est pas nécessairement ce qui est à mesurer en température sur cette image, simplement parce que le fait de mesurer une température ne donne pas obligatoirement une bonne image à insérer dans un rapport. L'action "mesurer" est différente de l'action "visualiser". De plus en plus nombreuses sont les caméras qui ont des réglages de GAMME et de NIVEAU directement en températures. Cette tendance générale, si elle est très immédiate, n'est pas très didactique pour la compréhension du fonctionnement des appareils et rend parfois difficile le réglage, surtout quand le calculateur modifie les réglages manuels, sous son seul contrôle. L'ANNEXE 2 donne le détail de fonctionnement des caméras THERMOVISION de la série 400 et des opérations de cadrage thermique pour les caméras classiques THERMOVISION des séries 700 et 800.

LE TOUT NUMERIQUE (caméras de nouvelle génération) Le "tout numérique" s'est généralisé avec les caméras à matrice (de nouvelle génération). Ces appareils numérisent, directement sur 12, 14 ou 16 bits, le thermosignal issu de l'amplificateur du détecteur et peuvent n'afficher que les niveaux numériques utiles (= effectivement présents sur l'image numérisée). On peut ici aussi parler de GAMME et de NIVEAU, ceux-ci pouvant alors prendre toutes valeurs valides entre 0 et 4 095 (etc…). Naturellement, l'automatisme de réglage est contournable par des réglages manuels. Les désignations NIVEAU et GAMME disparaissent au profit des affichages directs en température. Néanmoins, usuellement on n'affiche que les valeurs extrêmes de l'échelle des températures puisqu'il n'y a pas une correspondance linéaire entre le flux mesuré (et l'intensité de l'affichage en Noir & Banc) et la température calculée. Mais certaines caméras affichent plusieurs valeurs sur l'échelle des THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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températures (Delta T constant), ce qui implique une modification de l'image à chaque modification des valeurs des grandeurs d'influence. Ce comportement n'est pas idéal. Les réglages des valeurs extrêmes de l'échelle des températures sont de deux types selon les caméras : • •

réglage par NIVEAU et GAMME comme classiquement, ce qui modifie simultanément les deux valeurs extrêmes ; réglages indépendants des deux extrêmes, ce qui est plus confortable.

LE CADRAGE THERMIQUE SELON LE MODE D'INTERVENTION Il peut y avoir, dans la scène thermique observée, des corps plus chauds ou plus froids que ceux qui sont pris en compte par le cadrage thermique, mais ces corps peuvent ne pas nous intéresser. Plusieurs buts du cadrage thermique se présentent classiquement ; ces buts différents conduisent à des cadrages thermiques différents.

*- Cas d'une édition immédiate Si l'on cherche, sans intention de réaliser un traitement numérique ultérieur de l'image thermique, à fournir directement un document thermographique (photographie, vidéo copie d'écran, certains types d'enregistrement sur magnétoscope), il importe que le cadrage thermique soit réalisé de sorte à rendre explicites les problèmes rencontrés, dans une scène thermique spatialement reconnaissable sur le cliché. Le cadrage, effectué selon la méthodologie indiquée, ne permettra pas toujours d'avoir une possibilité de "mesure" des zones chaudes parmi les zones à température ordinaire, mais donnera les détails spatiaux dans ces parties à température ordinaire. C'est le cas d'un point chaud dans une armoire électrique. Il est plus intéressant de "cadrer" les basses températures pour restituer correctement les détails spatiaux à rendre visibles parmi les zones froides. Naturellement, les points chauds dépasseront le gabarit de visualisation (on dit souvent qu'ils sont "saturés" : c'est un abus de langage à éviter), mais le document servira de référence pour que son destinataire puisse localiser spatialement ce point chaud, sans pouvoir, par la simple lecture de l'échelle des températures du document, en relire la température. Le rapport d'intervention indiquera, par ailleurs, les températures relevées sur les points chauds lors de l'inspection. De nombreux intervenants font une photographie classique de la scène observée et la joignent au document thermographique. La photo sert au repérage spatial. Ceci est imposé par le Document Technique D19.

*- Cas d'une édition différée Toutes les valeurs de rayonnement correspondant aux températures à mesurer doivent être présentes sur l'enregistrement (stockage numérique sur disquette, …) lequel va être traité en différé. Le traitement va permettre une mesure des températures et une édition du document final à insérer dans le rapport d'intervention. La fonction de "dilatation d'échelle" des logiciels permet de recadrer thermiquement le thermogramme final. Dans ce cas, et pour les enregistrements avec des caméras classiques avec NIVEAU et GAMME, il est évident que le cadrage thermique sur site se doit d'être parfait, puisque les informations absentes sur l'enregistrement ne pourront être restituées lors du traitement par logiciel externe. Certains appareils disposent de la fonctionnalité de détection de dépassement, qui évitera à l'opérateur le désagrément non professionnel de revenir au bureau sans pouvoir dépouiller les images stockées. Certains modes d'enregistrement, habituels sur les caméras les plus récentes, évitent en grande partie ce problème (enregistrement sur 12, 14 ou 16 bits du thermosignal issu du détecteur). Mais, il convient alors que l'opérateur vérifie que le détecteur n'est pas saturé, auquel cas, il devra modifier la configuration de la THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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caméra (voir plus haut) sous peine de se trouver dans le cas précédent d'informations stockées non exploitables. Néanmoins, la fonctionnalité de détection de saturation de certaines caméras permet d'alerter l'opérateur.

*- Le cadrage thermique a priori Les réglages du NIVEAU et de la GAMME (ou autres termes équivalents) peuvent être exécutés a priori, sans tenir compte des valeurs de températures présentes sur la scène thermique. Cette attitude est retenue pour des inspections systématiques où un critère d'intervention est défini a priori : ne détecter que les températures supérieures à une certaine valeur. On utilise alors la fonction de détection de dépassement. Il est intéressant également de noter, surtout à l'attention des nouveaux opérateurs, qu'il est fortement recommandé de régler a priori les valeurs de GAMME et de NIVEAU sur des scènes thermiques dont les valeurs approximatives de température sont connues par les donneurs d'ordre. Il est de mauvais ton et peu professionnel de procéder à des réglages par tâtonnements en regardant le seul aspect de l'image : l'opérateur serait rapidement suspecté d'incompétence. Malheureusement ! Le cadrage thermique a priori est impossible sur les caméras récentes qui nécessitent un cadrage automatique après leur mise sous tension pour assurer la compensation de dérive de la caméra et la correction de non-uniformité de la matrice.

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D -

LE TRAITEMENT DE L'IMAGE THERMIQUE

LOGICIELS INTERNES ET LOGICIELS EXTERNES Les caméras portables sont des "systèmes de thermographie" (voir Chapitre 7). La "caméra" contient un logiciel interne de traitement incluant la transcription en température et diverses fonctions élémentaires qui nous intéresseront ici. La plupart des caméras intègrent également un enregistreur des fichiers-images sur disquette 3,5", disque PCMCIA ou micro disque. (Noter la différence avec une vidéo caméra qui, si elle avait un enregistreur de ce type, serait simplement un appareil photo numérique.) Par ce support d'enregistrement qu'est la disquette, les fichiers-images sont transférés sur un ordinateur pour le traitement des images thermiques en différé et pour la rédaction des rapports, au moyen de logiciels externes. Mais l'autre intérêt des enregistrements sur disquette est de pouvoir retraiter les images thermiques directement dans la caméra-système. Retraiter signifie : rappeler à l'écran, modifier les grandeurs d'influence, modifier le cadrage thermique, modifier les traitements appliqués. Il faut bien comprendre que, sans cela, la caméra n'est pas utilisable en tant que système sans ordinateur séparé. Le but est d'éditer des données exploitables immédiatement sur site. Bien que cette démarche ne soit pas idéale, elle est parfois imposée par les donneurs d'ordre. Nous allons considérer quelques fonctions de base du traitement de l'image thermique.

LA TRANSCRIPTION EN TEMPERATURE C'est la fonctionnalité indispensable et présente sur toutes les caméras actuelles. La transcription en températures prend en compte la courbe d'étalonnage de la caméra (courbe fonction de sa configuration) et les valeurs des grandeurs d'influence entrées par l'opérateur. Les grandeurs d'influence essentielles dans notre application sont l'émissivité et la température d'environnement. Les autres grandeurs d'influence ne servent pas.

LA FONCTION ISOTHERME L'opérateur déplace manuellement une barre (l'isotherme) sur une l'échelle des températures ou des rayonnements. En correspondance, toutes les valeurs identiques de l'image thermique changent de teinte et passent en blanc, en noir ou en couleur, selon les caméras. C'est une fonction de mesure sur la surface entière de l'image thermique. La valeur de température affichée est calculée par la machine. Cette fonction sert parfois à la détection de dépassement.

LA DETECTION DE DEPASSEMENT Cette fonction permet de mettre en évidence les niveaux de rayonnement qui dépassent le cadrage thermique (soit par le haut, soit par le bas) délimité par les deux valeurs extrêmes de température de l'échelle affichée. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Bien que cette fonction n'apparaisse pas avec cette désignation dans les caméras, elle est néanmoins le plus souvent présente. Cette fonction est très efficace pour la mesure rapide du minimum et du maximum des températures apparentes de la scène thermique, valeurs intervenant dans le cadrage thermique (caméras classiques). Pour les possesseurs de caméras THERMOVISION 400, se reporter à l'annexe 2, pour les détails de cette fonction.

LA DETECTION DE SATURATION Elle est identique à la fonction précédente lorsque la GAMME est maximale (le NIVEAU est alors centré au milieu de l'étendue possible de mesure - en rayonnement). Le dépassement indique alors une saturation du détecteur (ou de l'électronique associée). Dans ce cas, le dépassement est toujours situé en haut de l'échelle des températures apparentes. Il convient alors de modifier la configuration de la caméra pour pouvoir mesurer les températures plus élevées.

LA FONCTION "MESURE PONCTUELLE" Désormais, toutes les caméras disposent de mesure ponctuelle de la température sur l'image thermique au moyen d'un ou de plusieurs curseurs. Du fait de l'avènement des caméras à numérisation sur 12, 14 ou 16 bits, cette fonction présente l'intérêt de pouvoir mesurer la température d'un composant, même si le cadrage thermique effectué par les réglages de NIVEAU et GAMME ne permet pas de visualiser directement cette température. Ceci est valable s'il n'y a pas saturation, naturellement. Nous verrons au chapitre suivant que la mesure ponctuelle peut poser un problème de principe, du fait de la résolution spatiale de la caméra.

De plus, un objet n'étant pas isotherme, il n'est pas aisé, avec la caméra tenue au poing ou à l'épaule de pointer le curseur sur le point intéressant. D'où le besoin d'enregistrer ou de "geler" l'image avant d'appliquer la fonction. L'utilisation de la mesure ponctuelle est donc préférable en différé.

LA FONCTION "PROFIL THERMIQUE" [L'expression profil thermique est normalisée au même titre que image thermique.] Cette fonction présente peu d'intérêt sur site et un intérêt quasiment nul en contrôle des installations électriques. C'est surtout une fonction de traitement de bureau et qui n'a de vraie signification que pour des surfaces étendues de la scène thermique (dans le sens du profil appliqué) : réfractaire, tuyauterie, canalisation etc ... C'est une fonction de visualisation plus que de mesure.

LA FONCTION "ZONE" La fonction "zone" permet la mesure de température moyenne, maxi ou mini, sur une surface. La mesure par "maxi sur zone" donnera, plus aisément que la mesure ponctuelle, la valeur d'un point chaud dans cette zone. Sur un objet plus étendu, on utilisera la mesure par "moyenne sur zone", par exemple lors de la vérification de la caméra sur un corps noir.

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LE NOIR & BLANC OU LA COULEUR Une image thermique ou un thermogramme présenté en échelle continue de Noir & Blanc (dégradé de gris ou "échelle de gris") est intéressante pour le repérage spatial des différents objets de la scène thermique observée. Ce type d'échelle est donc à utiliser lorsque les objets sont nombreux (armoire électrique) et que l'on cherche à repérer un point plus chaud parmi un ensemble d'objets de températures plus faibles. Par contre, pour des surfaces géométriquement simples ou uniformes à l'œil (paroi réfractaire d'un four, paroi d'un transformateur de puissance), on préfère l'échelle en faible nombre de couleurs ou les échelons de gris (classiquement de 5 à 16 niveaux). Cette quantification permet une représentation plus compréhensible de la répartition des températures sur une surface étendue et uniforme (les couleurs ou échelons sont alors un ensemble d'isothermes). On prendra garde cependant au type de quantification qui est effectuée dans la caméra ou par le logiciel externe. En effet, cette quantification est presque toujours réalisée à partir d'une échelle linéaire en rayonnements, donc non linéaire en températures. Sur les GAMMES élevées, la quantification en niveaux ne permet donc pas de déterminer les températures intermédiaires (correspondant aux différents passages d'un niveau à un autre), ce qui est dû à la forme exponentielle des courbes d'étalonnage, sauf si les couleurs discrètes de l'échelle des températures sont toutes renseignées en températures sur l'écran (ce qui est rarement le cas). La plupart des caméras permettent de produire des images en échelle continue de couleurs qui allie à la fois l'avantage de l'échelle continue de Noir et Blanc et une tendance à une certaine possibilité de mesure. Mais ce type d'échelle continue de couleurs est davantage destiné à l'esthétique d'un document qu'à la mesure thermographique sur site. Elle s'applique bien quand la caméra présente une bonne résolution spatiale ou, lorsque les objets sont peu nombreux sur l'image thermique (gros disjoncteur avec les départs de câbles) et quand les points chauds sont très localisés. En pratique, en intervention sur site pour le contrôle des installations électriques, le Noir & Blanc est obligatoire. Malheureusement, la faible qualité des écrans-couleurs des viseurs, lorsqu'utilisés en N & B, peut obliger à observer en échelle de couleurs continues. Un écran-couleurs peut être associé pour distraire les personnes qui tournent autour de l'opérateur. Pour le rapport, la couleur est le plus souvent sollicitée, donc nécessaire.

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6 - LA CAMÉRA THERMIQUE RISQUE DE MESURE SAUVAGE

LES CARACTÉRISTIQUES IMPORTANTES DES CAMÉRAS THERMIQUES

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Après un positionnement rapide des caractéristiques des caméras thermiques, nous ne considérerons ensuite que les plus importantes dans l'objectif de ce stage.

A -

ESPACE DE L'IMAGERIE ET ESPACE DE LA MESURE

Certaines caractéristiques des caméras thermiques ont déjà été évoquées. De même, nous avons insisté sur les aspects de simple imagerie et sur les aspects de mesure. Rien d'étonnant donc que l'on positionne les caractéristiques des caméras thermiques dans deux espaces, l'espace de l'imagerie et l'espace de la mesure thermographique. Chaque espace comporte 3 axes : le thermique, le spatial et le temporel. (L'axe spectral est évoqué dans le médaillon). L'imageur thermique se décrit dans le premier espace. Pour les caméras thermiques, les deux espaces sont superposables et à considérer de façon croisée pour en comprendre les différences de fond. Les caractéristiques de l'espace de l'imagerie sont intéressantes essentiellement pour bien les distinguer des caractéristiques de l'espace de la mesure. Par exemple, pour les caméras à matrice, la résolution spatiale est donnée en nombre de détecteurs. Cette définition n'a pas de signification au sens de la mesure. Considérons donc les caractéristiques importantes pour les mesures thermographiques appliquées au contrôle des installations électriques.

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Figure 29 - Espace de l'imagerie ou espace des résolutions

Figure 30 - Espace de la mesure thermographique

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B -

LES COURBES D'ÉTALONNAGE ET L'EXACTITUDE

Nous avons parlé, plus haut, de la construction des courbes d'étalonnage de la caméra. Ces courbes dépendent de la bande spectrale de fonctionnement, SW ou LW. Disons très rapidement ici que pour les usages des caméras thermiques en maintenance et en prévention sur installations électriques, il est indifférent que la caméra fonctionne en SW ou en LW. Cette affirmation coupe court à tous les discours des revendeurs qui ne vendent que les appareils dont ils disposent. Néanmoins, les caméras LW sont, par essence, moins exactes que les caméras SW, et ce pour des températures plus élevées que les températures ordinaires, puisqu'elles sont moins sensibles, comme nous l'avons vu plus haut. Cette incertitude supplémentaire n'est pas déterminante dans l'application. Chaque configuration de la caméra donne lieu à une courbe d'étalonnage valable pour cette configuration. Le fabricant de caméra ne fournit pas toujours ces courbes. Et quand il le fait, elles sont souvent données avec des coordonnées particulières qui ne permettent pas de bien comprendre le fonctionnement de la caméra, ni la courbe optimale à choisir, donc la meilleure configuration à choisir (impliquant le meilleur calibre). Ce choix a été renseigné plus haut. Pour les caméras à matrice, les constructeurs ne fournissent plus de courbes d'étalonnage. Nous n'approuvons pas cette orientation pour les usages professionnels. L'exactitude de la caméra (éviter le terme "précision", inexistant dans la norme de vocabulaire international de métrologie) se spécifie plutôt en "incertitude" de mesure. Le constructeur donne une incertitude de mesure dans une plage de température ambiante spécifiée. Cette température ambiante (expression normalisée) est la température de l'air dans lequel baigne la caméra. Celle-ci est alors sensée respecter l'incertitude de mesure spécifiée. Le constructeur a tenu compte, lors de la conception de l'appareil, des variations du thermosignal que produit la caméra elle-même pour des variations de sa propre température. La technique aboutissant à minimiser ces variations s'appelle la compensation de dérive. La température ambiante n'est donc pas une grandeur d'influence (du moins pour l'application). En restant dans la plage de température ambiante spécifiée, la caméra devrait fournir une valeur de température apparente avec l'incertitude spécifiée. La caméra mesurant des flux et non des températures, l'incertitude devrait être spécifiée en flux ; ce n'est pas très pratique. [Par ailleurs, nous contestons les spécifications données, celles-ci contredisant les lois de la physique de la mesure. Mais restons-en là.]

Par exemple, l'incertitude est la valeur la plus élevée de ± 2°C ou ± 2 % (de la température apparente lue en °C, ou de la valeur maximale du calibre, ou de l'amplitude du calibre, selon les caméras), pour une plage de température ambiante de - 15°C à + 50°C. On considère que la caméra doit être stabilisée en température, à la température ambiante, pour que cette incertitude due à la caméra entre dans la spécification. Attention ! Bien comprendre que cette incertitude porte exclusivement sur la valeur de température apparente que fournit la caméra. En effet, il y a bien d'autres sources d'incertitude (dues à la plus ou moins bonne maîtrise de la situation de mesure par l'opérateur et aux grandeurs d'influence). Nous en reparlerons plus loin. L'incertitude finale sur une valeur de température vraie est donc plus importante que la seule incertitude due à la caméra. Ne pas confondre la spécification d'exactitude avec la spécification de résolution thermique (voir plus bas).

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C -

LA RÉSOLUTION SPATIALE

Le problème de la résolution spatiale est relativement délicat puisque les constructeurs ne se préoccupent pas sérieusement de présenter les limites des appareils suivant cette caractéristique. C'est encore plus vrai désormais pour les caméras à matrice ; néanmoins, le problème de la résolution spatiale est moins crucial pour ces caméras que pour les caméras classiques. Encore faut-il les caractériser ou en connaître les limites. Les caméras permettent de prendre en compte, dans la transcription en température, diverses grandeurs d'influence, comme nous l'avons vu, mais aucune n'intègre les dimensions des corps observés qui permettraient de corriger les résultats de mesure en fonction de cette dimension. Et pourtant, la dimension de l'objet doit impérativement être considérée comme une grandeur d'influence. Il est évident que les constructeurs ne se préoccupent pas de ce problème puisque les caméras, dites "d'usage général", peuvent observer n'importe quel type de scène thermique ; mais surtout, ils ne veulent pas poser des problèmes supplémentaires aux opérateurs, ce qui rendrait la thermographie plus délicate. Ils renvoient donc le problème chez l'opérateur. Dans tous les cas, il est clair que la mesure thermographique est le problème de l'opérateur : il se doit de connaître les limites de son appareil. Nous allons voir pourquoi la caméra a une limite en "pouvoir de résolution spatiale de mesure". Les exercices pratiques permettent de montrer cette limite.

CAMERA A BALAYAGE MECANIQUE (caméra classique) Voir la figure en page suivante. Considérons un ruban chaud à température apparente uniforme T1, de largeur dr, placé sur un fond de température apparente homogène T0, à une distance de 1 m de la caméra. Pourquoi un ruban et non un câble de diamètre dr ? Simplement pour ne pas avoir à considérer (en plus) la variation de l'émissivité avec l'angle d'observation. Nous avons vu que le détecteur observe une surface élémentaire ∆S que nous supposerons carrée. Les contributions, à la valeur que prend le thermosignal, de chacun des éléments de surface dS de la surface élémentaire ∆S sont supposées identiques. [La réalité est en fait plus complexe, mais cette présentation succincte, d'optique purement géométrique, est largement suffisante pour poser correctement le problème.]

Ainsi, lors du balayage de la ligne l, ∆S se déplace suivant l et la caméra fournit un thermosignal en correspondance des températures T0 ou T1, selon que ∆S analyse le fond ou le ruban. Si ∆S est entièrement sur le fond à T0, la caméra fournit un signal L0. Et si ∆S est entièrement sur le ruban à T1, la caméra fournit un signal L1. Mais quand ∆S se trouve à cheval sur le fond et sur le ruban, la caméra fournit un signal de valeur intermédiaire, en proportion des surfaces du fond et du ruban couvertes par ∆S. La forme du thermosignal, lors de l'analyse suivant la ligne l est donc trapézoïdale, alors que, si le détecteur était de dimension nulle (donc si ∆S était également nulle), on aurait un créneau parfait, comme il est parfait dans la scène thermique. Ainsi, l'image thermique ne recopie pas la scène thermique et donne de fausses valeurs (mais valeurs intermédiaires entre L0 et L1) dans les zones de transition de températures de la scène thermique.

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Si le ruban est suffisamment large (dr assez grand), les valeurs de L0 et de L1 seront correctement mesurées sur les paliers du thermosignal. Ainsi les valeurs de T0 et de T1 calculées seront exactes (non dépendantes de la largeur du ruban).

Figure 31 - Ruban chaud

Supposons maintenant que le ruban a une largeur dr plus faible, de même dimension que la largeur d de ∆S. Le thermosignal prendra une forme triangulaire et L1 ne sera mesurable que sur la crête de ce triangle. C'est la limite du pouvoir de résolution spatiale de mesure de la caméra. Si dr diminue encore, le ruban ne couvrira plus la totalité de ∆S, la valeur du thermosignal L' sera toujours plus faible que celle qu'elle devrait avoir pour mesurer L1, donc pour pouvoir calculer T1. Le détecteur fait la moyenne spatiale des luminances L0 en provenance du fond à T0 et L1 en provenance du ruban à T1. Le résultat T' de la mesure dépend donc de la température du fond T0, laquelle devient alors une grandeur d'influence. Mais dans ce cas, il faut bien constater que le ruban est toujours visible sur l'image thermique. Même quand dr est très faible. En effet, les réglages de NIVEAU et de GAMME qu'effectue l'opérateur sur site, lors de l'observation de points chauds ou de fils chauds, dépendent des mini et maxi effectivement présentés sur le moniteur de la caméra, donc après la mesure faite par le détecteur. Un réglage automatique de la GAMME et du NIVEAU fera de même. Il s'ensuit que rien n'amène l'opérateur à porter son attention sur la limite de possibilité de mesure de sa caméra, ... si ce n'est un stage. Il est habituel de tracer la courbe donnant l'amplitude relative du signal en fonction de la largeur du ruban dr, ou de l'angle sous lequel la caméra voit ce ruban. Cette courbe est nommée Fonction de Réponse à une Fente ; la caméra est en effet caractérisée en "pouvoir de résolution spatiale de mesure" à partir de mesure de luminance sur une fente de largeur ajustable, fente dont les lèvres sont à T0, placée devant un corps noir à température T1. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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On a ainsi FRF = (L' - L0) / (L1 - L0). Cette courbe dépend naturellement de la caméra et de l'objectif utilisé.

[Elle dépend également de la distance de

mesure, mais l'influence est moindre.]

On constate, sur la figure ci-dessous, que la limite de possibilité de mesure des caméras indiquées est d'environ 15 mm à une distance de 1 m, la scène thermique étant alors de 35 cm x 35 cm. On ne peut "mesurer" qu'environ 25 zones successives de températures nettement différentes, suivant une ligne de balayage (35 cm / 15 mm ≈ 23). La figure indique, en superposition de la FRF, un exemple de mesure (en température apparente) faite sur un fil chaud situé à 1 m de la caméra, sur un fond à 20°C, dont le diamètre est donné en abscisse et dont la température apparente est de 100°C. On estimera l'importance de l'erreur de mesure lorsque l'on appliquera des critères d'intervention.

Figure 32 - Courbe réelle de la Fonction de Réponse à une Fente, pour des caméras courantes de technologie classique. Correspondance en température pour un ruban chaud de 100°C sur un fond à 20°C

Par contre, on peut "voir" beaucoup mieux que cela. Les constructeurs donnent souvent, comme valeur de la résolution spatiale de la caméra, le nombre de zones défini par la valeur 0,50 de la FRF (soit 35 cm / 3,6 mm ≈ 100 dans l'exemple ci-dessus). On ne confondra donc pas les deux types de résolution spatiale. Celle qui nous intéresse en mesure est le "pouvoir de résolution spatiale de mesure". Celle qui nous est donnée par le constructeur est "le pouvoir de résolution spatiale d'observation" qui ne nous sert à rien en mesure. De même, on ne confondra pas ces résolutions avec le nombre de pixels par ligne (éléments d'images, donc après numérisation du thermosignal), ni avec le nombre de détecteurs pour les caméras à matrice.

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CAMERA A MATRICE DE DETECTEURS (caméra de nouvelle génération) La caméra à matrice de détecteurs se caractérise également en résolution spatiale. La FRF peut être établie pour ses valeurs élevées ; il est impossible de la relever pour les valeurs faibles. En effet, il n'y a plus de déplacement de la surface élémentaire ∆S vue par le détecteur sur la scène thermique, puisque les détecteurs sont fixes sur la matrice (on parle d'ailleurs de "starring array", matrice fixe). Chacun des détecteurs voit une surface élémentaire ∆S fixe, sous un angle IFOV (voir plus haut). L'espace de la scène thermique est discrétisé en un quadrillage de surfaces élémentaires ∆S. Par ailleurs, toutes les matrices actuelles sont composées de détecteurs non jointifs, les surfaces ∆S ne se touchent pas. Revenons au ruban chaud que nous avons observé plus haut : lorsque sa dimension dr diminue jusqu'à la valeur d, largeur de ∆S, le thermosignal fourni par la caméra à matrice dépend de la position relative de la caméra par rapport au ruban. Si l'on déplace la caméra lentement dans la direction de la ligne l, le thermosignal augmente et diminue alternativement. Et il ne faudra pas imaginer pouvoir déduire la valeur L1 d'une valeur L' mesurée, puisqu'on ne connaît pas la position relative de la caméra par rapport au fil chaud. En restant au stade de l'optique géométrique, comme précédemment, on constate qu'il n'y aura toujours au moins une surface ∆S superposée au ruban qu'à la condition que le ruban ait une largeur supérieure à 2 x d, deux fois la largeur de la surface ∆S ou 2*IFOV. C'est la limite théorique de ce type de caméra. (Nous verrons que la limite pratique est encore d'au moins 2 fois supérieure.) Du fait que nous n'avons pas encore caractérisé dans le détail ce genre de caméra, il n'y a pas, dans ce fascicule, de courbe de FRF réellement relevée. Le document ci-après présente le profil thermique relevé par une caméra THERMOVISION 570, dans les conditions indiquées. On aurait le même profil de principe avec toutes les caméras possédant une matrice de 320 x 240 détecteurs et un objectif de 24°x 18°. Pour ces caméras, c'est principalement le comportement de l'objectif qui limite la valeur de la FRF en dessous de 1. Mais les valeurs de FRF (aux valeurs élevées) sont meilleures pour ces caméras à matrice que pour les caméras classiques. On a non seulement une meilleure image mais on a aussi une meilleure aptitude à la mesure de la température de petits objets (fils chauds, "points" chauds). Nous conseillons simplement de prendre 4 fois la dimension projetée du détecteur pour assurer une mesure correcte, ce qui est une valeur habituelle pour ces caméras.

Exemple de la caméra AGEMA 570, avec objectif standard (24° x 18°), à 1 m de l'armoire de test servant aux Travaux dirigés des Stages Qualifiants TIR 3. Figure en page suivante. La caméra est spécifiée en résolution spatiale : valeur angulaire de ∆S = IFOV = 1,4 mrad = 1,4 mm à 1 m. La température apparente de tous les câbles est réglée à environ 50°C. On constatera que l'échauffement de la partie droite de l'armoire reste très secondaire (convection due à la puissance dissipée dans les câbles). Diamètre externe des câbles, de gauche à droite : 1,2 mm : correspondant à 1 x IFOV 2,5 mm : < 2 x IFOV 4,5 mm : > 3 x IFOV 7 mm : 5 x IFOV 13 mm : < 10 x IFOV Si l'on disposait de la courbe d'étalonnage de la caméra, on pourrait déduire de ce relevé quelques points de la Fonction de Réponse à une Fente. On note que les deux câbles de droite sont correctement mesurés. Le câble central est déjà sous-estimé. On sous-estime largement les températures des deux câbles de gauche.

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Figure 33 - Profil thermique pour la caméra AGEMA 570 de l'exemple du texte

Critères de mesurabilité spatiale : sur la scène thermique et sur l'image thermique (caméras FPA) Plaçons nous dans le cas d'un fil chaud vertical. Il s'agit de vérifier un critère pour dire si l'on peut mesurer. Le critère sur la scène thermique est défini par un simple calcul prenant en compte * l'IFOV de la caméra équipée d'un objectif donné (1,4 mrad pour un objectif de 24°, par exemple) ; * la distance de mesure (50 cm, par exemple). Naturellement, la distance de mesure est supérieure ou égale à la distance minimale de focalisation. 1,4 mrad étant égal à 1,4 mm @ 1 m, la dimension vue sur la scène thermique par un détecteur à 0,5 m est de 0,7 mm. Critère : la mesure est possible sur un fil de diamètre au moins égal à 4 fois cette dimension, soit 2,8 mm. Ce qui représente sensiblement le diamètre d'un fil isolé de 1,5 mm2.

Figure 34 - Critères sur la scène thermique et critère sur l'image thermique

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Le critère sur l'image thermique est un peu plus délicat ou un peu moins direct , il est défini pratiquement sur l'image thermique par déplacement d'un curseur sur l'image du fil chaud. Si l'on regarde la forme de la réponse de la caméra (image thermique), on constate qu'une réponse "insuffisante" est de forme pointue et qu'une forme "acceptable" est de forme arrondie. Ainsi, en déplaçant le curseur horizontalement sur l'image verticale du fil chaud, la valeur correspondante de température du fil variera rapidement dans le premier cas et progressivement dans le second cas. On peut admettre que 4 valeurs successives relativement identiques (2 valeurs maxi et 1 valeur légèrement plus faible de part et d'autre de ce maxi) conduiront à une mesure acceptable.

ATTITUDES PRATIQUES Le principe est de faire en sorte que le critère de scène thermique ou d'image thermique est vérifié. Que faut-il faire si le fil chaud (notre ruban) est de dimension plus petite que ce que peut mesurer directement la caméra ? 1- Approcher la caméra de l'objet. OUI si la distance minimale de focalisation de la caméra, selon l'objectif qui l'équipe, le permet ; NON, si des problèmes de proximité d'objets sous-tension interdisent les mesures rapprochées. 2- Changer d'objectif. OUI si les objets observés sont éloignés. NON s'ils sont déjà très proches. En effet, un objectif d'angle plus faible conduit à une distance minimale de focalisation plus grande, comme pour un appareil photographique habituel. On doit donc éloigner la caméra de l'objet et l'on retrouve le même problème (voir tableau suivant). L'emploi de bagues allonge ou de bonnettes est parfois possible mais assurément pas sur des installations électriques. 3- Se contenter d'annoncer des valeurs de température telle qu'elles apparaissent, donc par défaut, (s'il s'agit d'un objet chaud sur un fond plus froid et dans un environnement froid). OUI, si les valeurs absolues de température ne font pas l'objet de la mesure, si la sous-estimation n'est pas trop importante. NON, dans les cas contraires. Il est intéressant de bien comprendre qu'une telle mesure sur un objet chaud de dimension trop petite, sur un fond plus froid, est faite par défaut. C'est déjà une bonne constatation. La température est "au moins de ...". Cette mesure par défaut va dans le même sens que de travailler en température apparente, avec une émissivité de 1. Mais les mesures absolues seront la règle en thermographie appliquée à la prévention. Tableau : dimension vue par un détecteur à la distance minimale de mise au point (IFOV calculé). Attention ! Pour la mesure, il conviendra de multiplier par 4 les valeurs en mm. C'est un minimum. CAMERAS \ OBJECTIFS

objectif standard

objectif grand champ

téléobjectif 1

téléobjectif 2

THERMACAM 290, 390

17° x 16° 0,3 mm @ 25 cm

34° x 32° 1,2 mm @ 50 cm

8,5° x 8° 0,4 mm @ 70 cm

4,2° x 4° 1,4 mm @ 5 m

THERMACAM 57x, 595, 6X5

24° X 18° 0,7 mm @ 50 cm

45° x 34° 0,7 mm @ 30 cm

12° x 9° 1,3 mm @ 2 m

7° x 5,3° 2,3 mm @ 6 m

TVS 600

26° x 19° 0,4 @ 30 cm

N.C.

N.C.

N.C.

TH 7102

29° x 22° 0,8 mm @ 50 cm

55° x 42° N.C.

14,5° x 11° N.C.

xx

THERMOVISION 550

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4- Corriger les valeurs mesurées selon la dimension de l'objet, la température du fond T0 et selon la FRF de la caméra. OUI si la caméra n'est pas une caméra à matrice, si l'on en est capable (voir cas EDF sur les lignes Haute Tension) et si l'objet observé s'y prête bien : il faut qu'il ait une forme de "ruban", une uniformité de température et une deuxième dimension suffisante (dans la direction du ruban ou du fil). De plus, si sa largeur est vraiment trop faible, il n'est pas licite d'effectuer la mesure puisque la correction à apporter est trop importante et, partant, le résultat trop incertain.

CORRECTION EN FONCTION DE LA DIMENSION ET DE LA DISTANCE Ce paragraphe est donné ici à titre indicatif pour ceux qui veulent aller plus loin lors des mesures sur fils chauds. Cette démarche impose de disposer d'une caméra apte à fournir des valeurs radiométriques et non seulement des températures. Soit une caméra THERMOVISION série 700 ou 400 (sauf 489) ou 870 équipée d'un objectif de 20°. Elle possède une FRF donnée par le fournisseur et vérifiée périodiquement par l'opérateur. (En effet, cette caractéristique peut se dégrader avec l'encrassement et le vieillissement de la caméra). Voir Figure plus haut. Soit un objet rectiligne répondant aux conditions indiquées plus haut, donc : • •

de forme allongée (la grande dimension est supérieure à la limite de résolution spatiale de mesure ; sensiblement isotherme sur une longueur identique.

Sa petite dimension vaut dr (en mm). La distance de mesure vaut dm (en m). L'angle sous lequel la caméra voit la petite dimension du corps est AL = dr / dm (en mrad). On en déduit, sur la figure ci-dessus, la valeur C de la FRF pour cet angle AL. La température du fond sur lequel se présente l'objet donne une valeur radiométrique L0 mesurée par la caméra (en UI ou en UA). Sur le corps, la caméra mesure une valeur radiométrique L' (en UI ou en UA). On cherche la valeur radiométrique L1 que la caméra aurait dû mesurer, si le corps (à la même température) avait été suffisamment étendu. On a un écart de valeur thermique de L' - L0 et cet écart représente C fois l'écart L1 - L0 que la caméra aurait dû mesurer. Soit : L' - L0 = C x (L1 - L0). D'où L1 = L0 + (L' - L0) / C. On est alors ramené à un corps de dimension correcte vis à vis du pouvoir de résolution spatiale de mesure de la caméra utilisée. Le calcul se poursuit ensuite par la prise en compte des autres grandeurs d'influence, comme nous le verrons dans un prochain chapitre.

DIVERTISSEMENT Un prestataire de service, très ancien sur le marché de la maintenance, nous a téléphoné un jour pour savoir quelle émissivité il devait adopter, lors du dépouillement des images, pour un fil de cuivre de 100 µm de diamètre, fil défilant en sortie d'un bain de vernis chaud. La mesure était faite par une caméra d'usage général à une distance de 60 cm avec un objectif de 20°. La question aurait dû être posée avant l'intervention : nous aurions alors précisé que la mesure n'était pas possible avec une caméra de ce type. Le problème de l'émissivité intervient après correction, dans cette situation. De plus, cette intervention ne relève pas de la compétence d'un prestataire sans qualification en thermographie (ce que nous n'avons pas dit). THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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N'ayant pu nous faire comprendre (la personne soutenait sans en démordre qu'elle avait une image du fil sur son écran ; il cherchait désespérément à avoir également la mesure, ce qui n'était pas possible), nous avons indiqué qu'une émissivité de 0,45 conviendrait peut-être. Ce prestataire n'a pas rappelé ensuite, mais il n'a assurément jamais pu dépouiller ses images sans une émissivité de l'ordre de 0,01, valeur qui ne pouvait être acceptée par son logiciel. Le truandage est parfois de mise ... pour gagner sa vie.

CONCLUSION En conclusion, la caméra pourra "voir" des petits objets chauds à température élevée, mais ne pourra pas directement en "mesurer" la température. Cette limite est importante à considérer surtout dans les cas des armoires électriques ou des lignes Haute Tension. Alors que, souvent, le calculateur interne à la caméra permet de prendre en compte l'atténuation du rayonnement due à la distance de mesure, et même au taux d'humidité relative de l'atmosphère, elle ne s'intéresse pas à la dimension du corps observé, laquelle provoque une atténuation bien plus importante. C'est effectivement le problème de l'opérateur. Ainsi, l'équation de transcription, intégrée ou non dans les appareils, n'est applicable que si le corps observé a une dimension supérieure à la dimension minimale définie par la FRF aux environs de 0,98. Nous verrons ce sujet en exercices et en travaux pratiques. C'est une condition supplémentaire pour la validité de cette équation.

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LA RÉSOLUTION THERMIQUE

La résolution thermique est un nombre, exprimé en °C, qui correspond à la valeur efficace du bruit superposé au thermosignal, valeur ramenée en température par les courbes d'étalonnage, pour un corps noir à une température définie (classiquement + 30°C). C'est à la fréquence d'analyse de la caméra qu'est spécifiée la résolution thermique, et non à la fréquence de restitution (sinon, il faut le dire, comme le demande la norme). Attention donc aux spécifications des documentations commerciales où la résolution thermique peut être celle d'une image résultant d'une moyenne temporelle, ce qui n'est pas nécessairement explicité. Le bruit superposé au signal provoque de la "neige", comme sur l'écran du téléviseur, lorsqu'on a oublié de brancher le câble en provenance de l'antenne. La réception est bruitée du fait d'un signal trop faible, comme si l'émission était elle-même très faible. Nous sommes bien dans le domaine de l'émission et de la réception. On peut avoir une résolution thermique de l'ordre de 0,1°C à 0,5°C (sur cible à 30°C) pour des caméras d'usage général. Cette caractéristique ne donne pas l'incertitude sur la mesure, comme on le croît trop souvent, mais une seule possibilité d'avoir des images de bonne qualité, sans trop de "neige" lors de la visualisation de faibles écarts de températures ou aux basses températures. Il est indispensable, lors d'inspection d'armoires électriques, d'avoir une caméra de bonne résolution thermique, afin de repérer un point chaud parmi un ensemble de composants à températures plus faibles et relativement uniformes. Si la qualité de résolution thermique est insuffisante (valeur trop élevée), ces composants à température uniforme seront noyés dans le bruit de l'image. On ne pourra les distinguer ni exactement localiser le composant chaud, à partir de la seule image thermique. De plus, certains échauffements faibles (le long des câbles) sont révélateurs de connexions chaudes masquées par les capots des appareillages. 0,2°C (ou moins) @ 30°C est une valeur acceptable pour la résolution thermique, en temps réel, pour les observations d'installations électriques. La résolution thermique nous intéresse donc dans un but de repérage spatial sur des scènes à faibles ∆T. La résolution thermique peut être améliorée par moyennage temporel d'images successives identiques. Ce moyennage est possible sur certaines caméras, pourvu qu'elles soient immobilisées durant le moyennage. Les logiciels externes le proposent parfois. Pour que ce moyennage soit valide, il convient de stocker une série d'images thermiques dans des conditions statiques : caméra sur pied stable. Commentaires. Il peut être étonnant de constater que les caméras assurent un balayage d'analyse à une fréquence trame élevée (habituellement entre 10 Hz et 50 Hz) alors que le besoin en maintenance et prévention n'est pas de stocker des images thermiques à ce rythme élevé, puisque les événements observés sont statiques. Il est donc dommage que les caméras n'analysent pas plus lentement ; le compromis (réalisé par le constructeur lors de la conception de l'appareil) entre les résolutions thermique et spatiale n'en serait que meilleur. Mais le constructeur pense au confort de l'opérateur, lequel porte sa caméra au poing ou à l'épaule. Ainsi, de statique, la scène thermique devient évolutive. De plus, il est bon que les images défilent rapidement sur le moniteur (ou le viseur) afin que la mise au point (focalisation sur l'objet) ait un effet immédiat sur l'image. Les caméras lentes sont moins onéreuses, mais n'assurent pas le confort de l'opérateur, lequel paye donc ce confort.

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E -

LES ASPECTS OPÉRATIONNELS

Parmi les aspects opérationnels d'exploitation des systèmes de thermographie, apparaissent les contraintes de refroidissement du détecteur ou de la matrice, la portabilité ou transportabilité, les besoins en révision et étalonnage etc ... Nous n'examinerons que quelques-uns uns de ces aspects. D'autres commentaires seront faits dans le chapitre suivant. Les détecteurs des caméras thermiques portables SW (Ondes Courtes) doivent être refroidis afin d'améliorer la résolution thermique de façon très importante, c'est à dire afin de pouvoir observer et mesurer des scènes thermiques à basses températures (températures ordinaires) et où se présentent de faibles écarts de température. [Ces détecteurs sont dits "quantiques".] Le refroidissement peut être assuré par des moyens considérés comme contraignants : azote liquide, détente de gaz (certaines AVIO) ; ou par des moyens d'emploi aisé : réfrigérateur autonome dit "à cycle Stirling" (INFRAMETRICS 700, THERMACAM SW, THERMOVISION 489, 550), effet thermoélectrique (autres THERMOVISION 400, ou 870, CYCLOPS TI 35, AVIO TVS 100). Certaines caméras (quasiment toutes les nouvelles) ne nécessitent pas de refroidissement. [Leurs détecteurs sont dits "thermiques".] Ce ne sont actuellement que des caméras LW (Ondes Longues), équipées presque toujours de matrices de micro-bolomètres (assimilables à des micro-thermocouples) : THERMOVISION 570, THERMACAM X95, THERMACAM 575, TH 7102, AVIO TVS 600, VINCI... L'avantage est donc l'absence de refroidissement, consommateur d'énergie et qui demande un délai de 5 à 10 minutes après la mise sous tension pour obtenir une image. La matrice de ce type de caméra est néanmoins stabilisée à une température de l'ordre de 30°C. Globalement et sans plus de nuances, il est avantageux que le détecteur fonctionne à la température la plus basse possible. On obtient ainsi de meilleur compromis entre la résolution thermique et la résolution spatiale. Les caméras à refroidissement par azote liquide et cycle Stirling donnent de meilleurs résultats, mais sont généralement plus onéreuses et de moins en moins bien considérées du fait des contraintes. En maintenance et prévention, les caméras à refroidissement par effet thermoélectrique (à l'exception de l'une d'entre elles) ou les caméras à matrice non refroidies sont le plus souvent suffisantes.

PORTABILITE ET TRANSPORTABILITE Les caméras d'usage général sont proposées en unités distinctes ou en monobloc. En unités distinctes, le déplacement des unités se fait classiquement sur chariot ou, en portable, à l'aide de harnais spécialement conçus (INFRAMETRICS 700, THERMOVISION 480). La délocalisation de la caméra elle-même permet d'aborder les cas d'accès difficiles. En monobloc, le système de thermographie (voir chapitre suivant) est en un seul bloc : caméra, calculateur, convertisseur de standard, moniteur (ou viseur) et touches de fonction pour entrer les paramètres et appliquer quelques fonctions d'analyse. Il est plus qu'intéressant de disposer d'un enregistreur intégré à disquette et de batterie d'accumulateurs intégrée et débrochable : cette dernière option n'est possible que pour les caméras de faible consommation mais elle est un atout pour la sécurité d'intervention (elle évite les câbles vers une ceinture de batteries). Les caméras monoblocs peuvent être un problème pour accéder à des scènes thermiques élevées ou peu accessibles.

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BESOIN EN REVISION ET RE-ETALONNAGE Si l'on ne dispose pas de moyens d'étalonnage ou de vérification de quelques points d'étalonnage, il est bon de suivre les indications du fournisseur qui préconisent un entretien avec étalonnage une fois par an. C'est une garantie de mesures acceptables au cours du temps. Les étalonnages pourraient être faits par des laboratoires dits "raccordés", mais l'entrée des courbes dans les calculateurs intégrés aux systèmes reste du ressort des fournisseurs. Il est souhaitable de vérifier ou de faire vérifier la Fonction de Réponse à une Fente lors de la révision de l'appareil, surtout pour les caméras classiques : l'optique interne de la caméra peut s'encrasser et se désaligner. Cette donnée, trop négligée, est une nécessité qui permet de s'assurer de la mesure correcte, spatialement parlant. Que valent les étalonnages faits par les fournisseurs eux-mêmes ? Ils sont suffisants pour des usages de contrôle des installations électriques. Par contre, les certificats d'étalonnage, que les fournisseurs peuvent délivrer, ne valent que leur poids de papier et ne servent pas de garantie en cas d'expertise ou de litige, sauf si le laboratoire d'étalonnage du constructeur ou de son représentant est "raccordé". On ne confondra pas néanmoins un constructeur dont le laboratoire d'étalonnage est raccordé, avec son représentant ou sa filiale locale qui doit prouver qu'elle est elle-même raccordée.

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7 - MATÉRIELS ET LOGICIELS

LE SYSTÈME DE THERMOGRAPHIE

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A -

LE SYSTÈME DE THERMOGRAPHIE

Un système de mesure thermographique est un ensemble d'appareils possédant les fonctionnalités d'acquisition, de visualisation, de mesurage, d'analyse et d'édition d'une représentation de la répartition des températures d'une scène thermique. Nous étendons ainsi la notion normalisée de "système de mesure". Le système est donc constitué d'un capteur (caméra thermique), d'un moniteur ou d'un viseur (écran), d'un calculateur, de fonctions de traitements et d'un dispositif d'édition.

Figure 35 - Synoptique d'un système de thermographie

Pour les applications de prévention, nous préférons, et de loin, les systèmes de thermographie qui prévoient une séparation entre l'acquisition sur site et le traitement des images thermiques, alors effectué au bureau au moyen d'un logiciel plus ou moins évolué. Revoir à ce sujet le paragraphe "Logiciels internes et logiciels externes" au Chapitre 5. En effet, déplacer sur site des moyens de traitement provoque une perte de temps d'intervention et un surplus de matériels souvent peu compatibles avec les encombrements ou les accessibilités du site. Nous avons déjà passé en revue les différents aspects de la caméra thermique, tout au long de l'exposé.

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B -

L'ENREGISTREMENT DES IMAGES THERMIQUES

Il y a une différence de fond entre les appareils qui enregistrent des images thermiques et ceux qui enregistrent des thermogrammes. On le voit sur la figure précédente, si la transcription (des images thermiques) en températures (= thermogrammes) est déjà faite à l'enregistrement, le traitement ultérieur ne permettra pas de modifier les grandeurs d'influence [sauf cas très particuliers, relevant de la pirouette] et le cadrage thermique. Or, en réalité, les grandeurs d'influence n'ont réellement besoin d'être entrées dans les logiciels qu'en différé, ce qui représente un gain de temps sur le site, si l'on est capable de se souvenir des conditions d'intervention lors du dépouillement.

L'ENREGISTREMENT NUMERIQUE ET L'ENREGISTREMENT ANALOGIQUE L'enregistrement numérique sur disquette présente l'avantage d'une bonne qualité. Il est, par contre, limité en rapidité d'enregistrement. Mais il est peu commun en contrôle des installations électriques de devoir enregistrer un événement en temps réel (à la fréquence d'analyse de la caméra). Les appareils récents enregistrent tous sur cassette de type PCMCIA ou équivalent. Dans le cas d'enregistrement temps réel, l'enregistrement doit se faire sur magnétoscope ou sur un enregistreur numérique temps réel, habituellement réservé aux usages de laboratoire. Comme différence, la caméra CYCLOPS TI 35 enregistre en option sur une mémoire interne à l'appareil pour retraitement en différé sur le logiciel LIPS. L'enregistrement sur magnétoscope est moins onéreux, de moins bonne qualité et relève de l'histoire ancienne. L'enregistrement se fait selon deux types différents selon la destination des documents à établir.

BUT D'EDITION IMMEDIATE (SUR SITE) L'enregistrement est alors, en lui-même, une "édition". Il est définitif et n'est pas retraitable en différé. Il donne lieu à des photos d'écran ou des vidéo-copies, sans possibilité de modifier les thermogrammes. Cependant et désormais, la plupart des caméras permettent le rappel des images pour des modifications immédiates par le logiciel interne avant l'édition sur site.

BUT D'EDITION EN DIFFERE (AU BUREAU) Si l'enregistrement est fait sur magnétoscope, il doit alors être fait en noir et blanc sans aucune fonction de traitement superposée à l'image thermique, afin qu'un ensemble d'acquisition de bureau puisse l'accepter, le numériser et le traiter. L'édition d'un thermogramme traité se fait ensuite par tous moyens classiques, comme l'imprimante-couleurs par exemple. Cette méthode reste de faible qualité et est devenue obsolète. Pour les caméras qui enregistrent en numérique sur 12 (14 ou 16) bits, le recadrage thermique pour l'édition en différé est simplifié, pourvu que la caméra n'ait pas fourni une image saturée lors de l'inspection.

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C -

LE TRAITEMENT DES IMAGES THERMIQUES

(REDITE)

Nous ne reparlerons pas des fonctionnalités déjà listées dans les traitements par logiciel interne de caméra. Bien que de nombreuses applications se passent aisément de traitements par des logiciels externes plus ou moins évolués, certaines d'entre elles nécessitent une extraction d'informations ou un traitement minimum afin de faire ressortir avec plus d'évidence des points particuliers. La première fonction d'un traitement d'image thermique est d'assurer la transcription en température en affectant une échelle de températures : le résultat est un thermogramme. Par ailleurs, les caméras qui ne donnent que le mini et le maxi de l'échelle des températures présentent une insuffisance pour l'édition des thermogrammes. C'est pourtant la majorité des cas. A fortiori pour les caméras de ce type dont les niveaux de gris ou de couleurs ne représentent pas des écarts de températures constants le long de l'échelle. En effet, il n'y a pas de correspondance linéaire entre les flux mesurés et les températures, du fait de la forme exponentielle des courbes d'étalonnage, comme nous l'avons déjà vu. Voir figure ci-dessous.

Figure 36 - Correspondance non linéaire entre les flux mesurés et les températures

Outre les fonctions de traitement et d'analyse classiques, déjà listées, d'autres fonctions peuvent se révéler intéressantes comme le couper / coller, lequel conduit à établir un seul thermogramme à partir d'un ensemble de thermogrammes acquis dans cette intention sur site : meilleure restitution d'une surface étendue. Peu d'applications en électricité. La fonction de moyennage temporel des images thermiques permet d'aboutir à un thermogramme débruité, lorsque les températures ou les écarts de températures sont faibles (meilleure résolution thermique). Certains logiciels anciens proposent une fonction de calcul d'incertitude de mesure donnant une échelle des incertitudes ou une valeur de l'incertitude sur les fonctions profils et curseurs. Naturellement, cette fonction ne permettra jamais de connaître les incertitudes pour des situations de mesure mal maîtrisées. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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D -

L'ÉDITION DES THERMOGRAMMES

L'intérêt premier de l'édition est d'insérer des documents pertinents dans un rapport d'intervention. Il est très agréable, et nous le considérons comme essentiel, de pouvoir éditer une seule partie de l'écran sur la partie souhaitée du papier. C'est en ce sens que nous préférons l'imprimante-couleurs à l'imprimante vidéo (ou vidéo copieur), laquelle fournit l'intégralité de l'image présentée, dans un format sinon minuscule du moins onéreux. La photographie d'écran ou les photographies instantanées ne donnent que des résultats médiocres. Si l'on désire éditer un rapport contenant des thermogrammes avec ou sans traitements, des textes, un logo, et éventuellement des images visibles acquises avec des appareils photographiques permettant un transfert des images sur ordinateur, il faut bien avouer que le "tout informatique", bien que de plus en plus intéressant, n'est pas encore l'idéal (en 2002) pour l'opérateur qui doit passer davantage de temps au bureau que sur le site. De plus, l'obligation de travailler sous Windows sur des PC devenant "caduques" en quelques mois ne s'allie pas avec la rapidité de transfert d'images, de composition de page (PAO), d'édition sur imprimante-couleurs et d'archivage compact des données générées. Mais l'informatique, désormais en fin d'adolescence, fera encore des progrès importants. Les logiciels de thermographie qui proposent à la fois de réaliser du traitement thermographique, de la capture d'écran (total ou partiel) ainsi que de la mise en page de rapport ne peuvent qu'être limités puisqu'ils ne peuvent prétendre à rivaliser avec leurs équivalents pour chacune des fonctions qu'ils assurent (traitement thermographique, capture, mise en page). Ils peuvent manquer de la souplesse nécessaire aux rapports personnalisés tels que les prestataires de service ou les organismes de contrôle en ont besoin. Ils sont cependant une solution beaucoup plus rapide pour la rédaction des rapports standardisés.

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E -

L'OPÉRATEUR

Depuis le début de sa "carrière thermographique", l'opérateur prend conseil et se documente précisément sur son système et sur la thermographie, afin d'améliorer sa culture et mieux asseoir son expérience lors de ses interventions. Il deviendra un professionnel indiscutable, à la fois modeste et assuré. L'opérateur gouverne la thermographie, en maître responsable. L'opérateur fait partie du système de thermographie, puisque les résultats dépendent de lui. L'opérateur de thermographie gagnera à être appelé le thermographe. Il apprécie et maîtrise les situations de mesure, sélectionne les informations pertinentes, interprète les thermogrammes par sa connaissance de la thermographie (des rayonnements), de l'électricité, des installations qu'il inspecte, des règles de la prévention. Il produit enfin un rapport d'intervention. Sous son contrôle et sa responsabilité de professionnel. Ainsi, l'opérateur est maître de ses mesures et de son rapport. Le D19 spécifie que l'opérateur et le rédacteur du rapport sont tous deux Qualifiés. Nous disons que le rédacteur doit être l'intervenant, même s'il se fait aider pour des cas particuliers où ses compétences se révèlent insuffisantes.

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8 – EXAMINONS … … THERMOGRAPHIQUEMENT

L'EXAMEN THERMOGRAPHIQUE

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A -

LES PRÉMICES DE L'EXAMEN THERMOGRAPHIQUE

L'examen thermographique (expression normalisée) est l'opération qui permet, au moyen d'appareillages appropriés et de techniques de maîtrise de la situation de mesure, d'obtenir l'image thermique, puis le thermogramme, d'une scène thermique. L'opérateur met en œuvre son savoir-faire et son matériel pour "examiner thermographiquement". Il prépare son intervention. Et ceci, dès la fin de l'intervention précédente par la remise en condition immédiate des matériels (mise en charge des batteries, vérification des consommables, vérification de l'état de la caméra et de son système, inventaire des matériels divers). Il a en tête qu'un matériel maintenu en bon état, nettoyé et rangé, permet également à ses collègues-opérateurs de ne pas perdre leur temps à "rassembler les morceaux" avant leurs propres interventions. Il re-règle la caméra dans une configuration de base de "cadrage thermique a priori", si cette possibilité est présente. La préparation de l'intervention demande de connaître les besoins du client (interne ou externe), d'enquêter sur les scènes thermiques à observer afin de projeter les bonnes configurations de la caméra et les bons équipements périphériques (ordinateur, imprimante...). Avec sa caméra, l'opérateur dispose normalement des courbes d'étalonnage et des dimensions des scènes thermiques observées en fonction des distances de mesure et des objectifs. Il dispose de la FRF de son instrument ou connaît, par des aide-mémoire qu'il intégrera mentalement petit à petit, les dimensions limites que peut mesurer directement sa caméra, compte tenu de la distance de mesure et de l'objectif.

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B -

APPRÉCIATION ET MAITRISE DE LA SITUATION

L'opérateur conserve en tête, lors de son arrivée sur le site, que son examen sera nécessairement suivi de la rédaction d'un rapport et qu'il ne devra rien oublier, dans la hâte ou le "stress" de l'intervention. Revenir chercher des informations pour terminer un rapport coûte cher et n'est pas de bon aloi pour un prestataire. Sur site, l'opérateur procède à un examen visuel de la scène thermique, de son environnement et du milieu de propagation des rayonnements, afin de déterminer les éventuels rayonnements parasites et de s'en protéger par des angles d'observation bien choisis, par des masquages des sources chaudes etc ... Il détermine quelles grandeurs d'influence sont à prendre en compte et quelles sont leurs valeurs. Il estime si les mesures sont possibles, plausibles, pertinentes ou certaines, dans les conditions actuelles, documenté qu'il est sur les installations à contrôler. Il procède alors à l'examen par caméra et réalise le cadrage spatial et le cadrage thermique, en s'aidant éventuellement des courbes d'étalonnage de la caméra. Il choisit ainsi la meilleure configuration possible et passe un temps minimum pour les réglages du NIVEAU et de la GAMME (selon la caméra et selon la destination des documents à fournir). Il met en œuvre l'ensemble des "tours de main" qu'il aura accumulé au cours de sa carrière de thermographe. En particulier, il commencera par regarder ce que voit la scène thermique : son environnement ! L'observation de l'environnement se fait au moyen de la caméra elle-même. La mesure de la température d'environnement est une moyenne (si celle-ci a un sens, donc si les températures des objets de l'environnement de l'objet observé sont relativement identiques) des températures indiquées par la caméra quand celle-ci est réglée avec une émissivité de 1 et une courte distance : l'environnement est considéré comme un corps noir, c'est donc sa température apparente qui importe. Souvent, des préréglages standards permettent de gagner du temps d'intervention en ne réalisant finement le cadrage thermique approprié que lorsque cela se présente utilement, pour l'édition d'un document ou l'enregistrement de l'image thermique. Il est donc bon que la caméra ait été pré-configurée au calme et avant l'intervention, avec un cadrage thermique a priori, si la caméra le permet. Pour les acquisitions numériques, il acquiert l'image thermique en se souvenant que les logiciels de traitements de bureau ne pourront pas retrouver l'information qui n'a pas été stockée. Il prend donc garde, aidé par les fonctions de détection de dépassement ou de saturation, à ce qui se présente sur l'image thermique de son moniteur ou de son viseur. Il prend des notes, enregistre des commentaires sur un dictaphone de poche ou en enregistrement vocal dans le fichier-image stocké sur site (selon caméra). Si des calculs particuliers doivent être menés (si l'objet chaud est trop petit pour la résolution spatiale de la caméra), le cadrage thermique, lors de l'acquisition, devra pouvoir permettre la mesure de la température de fond et de la température apparente maximale du point chaud. Sinon, l'opérateur devra faire la mesure des températures apparentes sur site et les noter pour en déduire ensuite la température vraie de l'objet.

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C -

LA TRANSCRIPTION EN TEMPÉRATURE

RAPPEL DES 8 TEMPERATURES (se reporter au schéma en Annexe 1) *- Température (dite "vraie") Température réelle du corps observé. C'est celle que l'on cherche à déterminer. *- Température calculée Température du corps observé, calculée par la mesure de rayonnement, la courbe d'étalonnage et les grandeurs d'influence. Elle est aussi proche que possible de la température vraie. *- Température apparente Température calculée directement à partir des courbes d'étalonnage, comme si l'on observait un corps noir, sans prendre en compte les grandeurs d'influence : émissivité = 1, distance de mesure = distance d'étalonnage ou distance nulle (selon les caméras). *- Température d'environnement C'est la température moyenne (pourvu que cette moyenne soit pertinente) des objets de l'environnement de la scène thermique observée, ensemble des objets que peut voir chacun des éléments de surface de la scène thermique. C'est habituellement un ensemble d'objets solides. Les rayonnements de ces objets peuvent se réfléchir sur la scène thermique en direction de la caméra. La température d'environnement doit être uniforme. C'est une grandeur d'influence. *- Température d'atmosphère C'est la température de l'atmosphère entre la scène thermique et la caméra. Elle intervient dès que la distance de mesure est importante (au-delà de 2 m pour les caméras SW et de 10 m pour les caméras LW) ou quand cette température est élevée. C'est une température de gaz. C'est une grandeur d'influence. Il se peut que cette température devienne une température de hublot dans certains cas particuliers non pris en compte par la suite.

*- Température de fond C'est la température de la partie de la scène thermique sur laquelle se présente un objet dont on mesure la température, objet trop petit vis à vis du pouvoir de résolution spatiale de mesure de la caméra. Ce n'est pas une grandeur d'influence, si l'on respecte les conditions de validité de l'équation de transcription en température. Mais elle intervient avant tout calcul de transcription, si l'objet est trop petit, pour définir le rayonnement qu'aurait dû recevoir la caméra si l'objet avait été plus étendu. *- Température ambiante (expression normalisée) Température de l'air dans lequel se trouve la caméra thermique. Pour les caméras classiques, ce n'est normalement pas une grandeur d'influence puisque la compensation de dérive est permanente. Pour les caméras à matrice, il convient de réaliser l'opération de compensation de dérive (synchrone de la NUC) avant l'enregistrement d'une image thermique. *- Température ambiante de composant (ou de la scène thermique, ou etc …) Température de l'air dans lequel se trouve un composant (ou la scène thermique, ou etc …). Ce n'est pas une grandeur d'influence en thermographie, mais le résultat de la mesure dépend de cette température (grandeur d'influence en thermique).

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RAPPEL DES GRANDEURS D'INFLUENCE Emissivité : ε. Température d'environnement : Tenv. Température d'atmosphère : Tatm. Facteur de transmission atmosphérique τatm à la distance de mesure Dm. Dimensions de l'objet et température de fond. Ne seront pas prises en compte par la suite : se reporter au chapitre traitant de la résolution spatiale.

RAPPEL DES CONDITIONS DE VALIDITE DE L'EQUATION - TRANSCRIPTION • • • •

Objet corps gris et opaque (dans la bande spectrale de la caméra). Température d'environnement uniforme et environnement supposé corps noir. Atmosphère gazeuse. Objet de dimension suffisante vis à vis du pouvoir de résolution spatiale de mesure de la caméra équipée de son objectif.

MESURE EN TEMPERATURE APPARENTE On veut travailler en situation de mesure comme en situation d'étalonnage, donc comme s'il s'agissait de corps noirs. Les grandeurs d'influence sont donc fixées et entrées dans la caméra ou dans le système :

ε=1

Tenv et Tatm = indifférentes

τatm donné par Dm = distance d'étalonnage ou minimale La caméra observe un objet dans une scène thermique. Elle mesure une valeur radiométrique :

Lm = L° (en unités arbitraires UA). L'application de l'équation de la courbe d'étalonnage L° = f(To) donne directement la température apparente To. Le calcul est fait par le calculateur inclus dans l'appareil. Ainsi :

Lm = L°(Tapp). Par exemple, pour les caméras THERMOVISION 400 et 800 : To = B / [ln (R / L°) + F] - 273,15 (en °C). où R, B et F sont des constantes d'étalonnage, paramètres de l'équation qui représente la courbe d'étalonnage passant par les points de mesure lors de l'étalonnage.

MESURE SUR UN OBJET CHAUD D'EMISSIVITE ELEVEE, COURTE DISTANCE ε = connue et assez élevée

Tenv = beaucoup plus faible que la température To de l'objet Tatm = indifférente τatm donné par Dm = distance d'étalonnage ou minimale On a, par définition de l'émissivité, THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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ε = Lm / L° où Lm (en UA) est le rayonnement que mesure la caméra sur l'objet et L° ce qu'elle aurait dû mesurer sur l'objet, si celui-ci avait été corps noir. Ainsi, on a l'équation de mesure :

Lm = ε . L° = L°(Tapp) d'où L° puis To par l'équation de transcription du paragraphe précédent. On est donc revenu sur la courbe d'étalonnage. C'est le principe de base de la démarche en situation de mesure. Puisque l'émissivité est toujours inférieure à 1, on voit que, si l'on suppose que l'on a affaire à un corps noir, on obtient une température apparente Tm inférieure à la température vraie To, puisque Lm < L°. Dans ce cas de mesure, on a négligé la température d'environnement Tenv. Ceci est valable si l'objet est beaucoup plus chaud que l'environnement et si son émissivité est élevée. De l'équation donnée, on constate que, au lieu de sortir To, on peut sortir ε, si l'on connaît To. C'est une méthode de mesure de l'émissivité quand on connaît la température par un autre moyen de mesure.

MESURE HABITUELLE, AVEC TEMPERATURE D'ENVIRONNEMENT L'environnement émet un rayonnement sur la scène thermique. Ce rayonnement est en partie réfléchi en direction de la caméra. Celle-ci reçoit donc un rayonnement émis par l'objet et un rayonnement réfléchi par l'objet. On a donc Lm = partie émise + partie réfléchie. Le rayonnement noir émis sur la scène thermique par l'environnement de température Tenv vaut L°env (en UA). L°env est donnée par la courbe d'étalonnage. Ce rayonnement L°env se réfléchit en partie sur l'objet au prorata du facteur de réflexion. L°env est donc "atténué" par le facteur ρ. Le facteur de réflexion vaut ρ = 1 - ε (si la température d'environnement est uniforme).

Lm = ε . L° + (1 - ε) . L°env Il faut donc retrancher du rayonnement Lm, mesuré par la caméra, le rayonnement réfléchi par l'objet, soit

(1 - ε) . L°env. On a toujours Lm = L°(Tapp). Si l'émissivité entrée dans l'appareil vaut 1, celui-ci calcule et affiche la température apparente Tapp. Le calculateur en déduit donc le rayonnement émis :

ε . L° = Lm - (1 - ε) . L°env d'où L° puis To. La mesure de l'émissivité est également possible en prenant en compte la température d'environnement : on obtient

ε = (Lm – L°env) / (L° - L°env), qui redonne ε = Lm / L° si L°env = 0, donc si Tenv est très faible. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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On peut montrer par cette équation qu'il est impossible de mesurer l'émissivité d'un objet de même température que la température de son environnement. Il faut pratiquement que la température de l'objet soit à plus de 20°C au-dessus de la température de son environnement. [Mais ceci dépend de l'émissivité.]

MESURE MOINS COURANTE, A DISTANCE Ce sont des cas moins courants en thermographie appliquée au contrôle des installations électriques. C'est le pain quotidien cependant pour les mesures sur les lignes Haute Tension faites par EDF. On l'évoque donc rapidement, sans prendre en compte, ici, le fait que l'objet puisse être trop petit pour une mesure directe de température. (Se reporter au chapitre traitant de la résolution spatiale ou au fascicule des stages pour EDF, disponible pour les opérateurs EDF). La distance de mesure Dm provoque une atténuation des rayonnements en provenance de l'objet. Nous disons "en provenance" ; nous ne disons pas "émis". Le facteur de transmission atmosphérique τatm est calculé par le logiciel en fonction de la bande spectrale de la caméra, de la distance de mesure Dm et (éventuellement pour certaines caméras) de la température de l'atmosphère, de la distance d'étalonnage et du taux d'humidité relative de l'atmosphère (cette dernière étant sans grand intérêt). La bande spectrale de la caméra est prise en compte par des coefficients d'atténuation atmosphérique. Ces coefficients varient donc avec les filtres éventuels utilisés. Dire que l'atmosphère a un facteur de transmission τatm, c'est dire qu'elle a une émissivité

εatm = 1 - τatm L'atmosphère émet un rayonnement La (en UA) fonction de sa propre température Tatm. On a donc La = εatm L°atm. L°atm est donnée par la courbe d'étalonnage. Ce rayonnement La s'ajoute au rayonnement en provenance de la scène thermique, rayonnement atténué par la traversée de l'atmosphère. Lm =

rayonnement émis atténué par τatm + rayonnement réfléchi atténué par τatm + rayonnement émis par l'atmosphère.

Lm = ε . L° . τatm + (1 - ε) . L°env . τatm + (1 - τatm) . L°atm Le calculateur retranche donc les rayonnements "trop perçus", pour obtenir le rayonnement émis :

τatm . ε . L° = Lm - τatm . (1 - ε) . L°env - (1 - τatm) . L°atm d'où L°, puis To, comme précédemment. En conclusion, on cherche à faire en sorte d'avoir un Lo le plus élevé possible et le plus proche possible du Lm mesuré par la caméra. Alors, l'influence des grandeurs d'influence sera réduite au minimum et l'incertitude de mesure sera la plus faible possible.

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GENERALITES SUR L'INFLUENCE DES GRANDEURS D'INFLUENCE Lm mesuré par la caméra est transcrit en température par un calculateur interne ou par un logiciel de bureau. On peut modifier les valeurs des grandeurs d'influence pour ce calcul. Du moins, est-ce la moindre des choses à la fois pour les logiciels de bureau et pour le logiciel interne à la caméra, lors du rappel des images stockées : sous peine d'insignifiance de ces logiciels externes ou internes. Il est intéressant de savoir ce qu'il advient des résultats de mesure si une grandeur d'influence est modifiée dans ce calcul. Attention : on ne modifie pas l'image thermique stockée, mais bien les grandeurs d'influence prises en compte par l'opération de transcription. On ne modifie pas la scène thermique. Les raisonnements ci-dessous sont valables pour la mesure de points chauds dans des environnements plus froids et à des distances classiques en contrôle d'installations électriques. On suppose, bien sûr, que la situation de mesure est maîtrisée, qu'il ne s'agit pas de réflexions parasites.

Si l'émissivité ε est augmentée (dans le calcul ! pas sur la scène thermique), on s'approche du cas du corps noir ; le résultat s'approche de la température apparente, et donc To calculée diminue. Si la température d'environnement Tenv est augmentée (dans le calcul ! pas sur la scène thermique), la contribution de L°env augmente, donc le rayonnement réfléchi (à défalquer de Lm) augmente. Comme Lm est inchangée, ε . Lo diminue et donc To calculée diminue. Même raisonnement avec la température d'atmosphère. Si la distance de mesure Dm est diminuée (dans le calcul ! pas sur la scène thermique), le facteur de transmission atmosphérique augmente et le résultat diminue. C'est le facteur de transmission qui est la grandeur d'influence, et non la distance. Ainsi, en considérant les vraies grandeurs d'influence entrées, si on augmente la valeur d'une grandeur, on augmente son influence et, ainsi, ce qui relève du rayonnement émis par l'objet (donc de sa température) diminue : la température calculée diminue. Et inversement. MEMO - Lors du calcul de la température de points chauds dans un environnement froid, si les grandeurs d'influence entrées augmentent, la température calculée diminue. Ce raisonnement simple fait comprendre le sens de variation de la température calculée quand on fait varier une grandeur d'influence entrée dans le calcul. Il permet également de "retomber sur ses pattes" quand on connaît la température de l'objet par un autre moyen. Et surtout, il assure de ne pas se laisser aller à modifier les valeurs successivement dans tous les sens, ce qui apparaît comme peu professionnel, sur site. En effet, le calcul (de températures) par la caméra est postérieur à la mesure (du rayonnement) par la caméra. Le raisonnement est donc également valable pour les interventions sur site. Tableau de l'influence, sur la température calculée, de la valeur de l'émissivité (entrée) en fonction de la valeur de la température d'environnement (entrée). si TenvE > Tcalculée

alors, si εE ↑, Tcalculée ↓

si TenvE = Tcalculée

alors, si εE ↑ ou ↓, Tcalculée ne bouge pas

si TenvE < T calculée

alors, si εE ↑, Tcalculée ↑

Dans ce tableau, TenvE et εE sont les grandeurs d'influence entrées (E) dans la calculateur !

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D -

L'INCERTITUDE DE MESURE

Un résultat de mesure est toujours accompagné d'une incertitude. Mais annoncer cette incertitude serait beaucoup demander aux opérateurs. L'incertitude sur le résultat est due à l'incertitude de la caméra et à l'incertitude sur les grandeurs d'influence. Mais elle peut être due en majorité à une maîtrise incorrecte de la situation de mesure par l'opérateur. Cette mauvaise maîtrise ne peut être prise en compte par les calculs d'incertitude intégrés à certains logiciels de thermographie. Ces calculs sont trop complexes pour être développés dans le cadre de cet exposé. Disons simplement que la contribution de la seule caméra à l'incertitude sur la mesure est spécifiée par le constructeur. Cette contribution est donc l'absolu minimum d'incertitude que l'on puisse annoncer, usuellement ± 2°C en dessous de 100°C. Cette incertitude est applicable à la seule température apparente calculée par la caméra, en supposant un état nominal de cette caméra. On voit en exercices pratiques sur logiciel, un exemple de calcul d'incertitude de mesure. Ceci pour permettre aux opérateurs de bien comprendre la limite de la mesure thermographique comme pour toute technique de mesure. MEMO : Ne pas annoncer des températures à 1/10°C dans un rapport, même si l'échelle des températures du thermogramme les indique.

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E -

MESURE ABSOLUE ET MESURE D'ÉCART

LA MESURE ABSOLUE Mesure absolue ne signifie pas mesure absolument exacte ! (Une mesure absolument exacte donnerait une température calculée identique à la température vraie.) Depuis le début des années 1980, les caméras thermiques sont capables de mesure absolue (et donc de mesure de température absolue). En effet, les caméras sont compensées en dérive. Nous avons indiqué la moins bonne qualité de principe des caméras à matrice suivant cette caractéristique. Néanmoins, c'est l'opérateur qui est responsable de l'état et de la vérification de son matériel. La mesure absolue des températures prend en compte les courbes d'étalonnage et les grandeurs d'influence dans une situation de mesure maîtrisée par l'opérateur, situation qu'il est licite de modéliser par l'équation simple de transcription que nous venons de voir. Le calcul de l'incertitude sur la valeur absolue mesurée est faisable, mais est hors du propos de ce stage.

LA MESURE D'ECART Compte tenu de la forme exponentielle de la courbe d'étalonnage, laquelle est une relation non linéaire entre le rayonnement et la température apparente, la mesure d'écart de températures résulte essentiellement d'une soustraction entre deux résultats de mesures absolues. Il n'existe donc pas de mesure d'écart de températures qui prendrait en compte une mesure d'écart de rayonnements transcrit ensuite en écart de températures. Mais, du fait que les mesures absolues sont réalisées au même instant, sur le même thermogramme, les incertitudes de mesure se compensent fortement lors de la soustraction. Il en résulte que la valeur d'un écart de températures est moins incertaine que les deux valeurs de températures absolues. On peut annoncer des écarts à quelques dixièmes de degré près. Il s'agit d'un échauffement ou d'un refroidissement. Un mot sur l'expression "mesure relative" : c'est une mesure absolue qui prend en compte une référence de température (absolue) placée dans la scène thermique : la mesure absolue est réalisée relativement à cette référence. On évitera donc de parler de mesure relative quand on parle de ∆T.

PRATIQUEMENT Si la température ambiante de la scène thermique subit une variation au cours du temps (selon la saison par exemple), et du fait du caractère linéaire des échauffements (du moins dans les zones de températures couramment rencontrées dans les applications qui nous concernent), la mesure absolue sera affectée des mêmes variations, alors que la mesure d'écart n'en sera pas tributaire. Cette remarque est valable sous réserve des mêmes conditions d'intervention et d'exploitation (voir plus bas). En maintenance brute, on est amené à s'exprimer, le plus souvent, en écart de températures. En prévention, au-delà de la maintenance, on a besoin de températures absolues (voir stage de prévention). Les précautions d'intervention et les conclusions doivent donc prendre en compte les évolutions supposées de la température ambiante de la scène thermique.

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F -

LE RAPPORT D'INTERVENTION

L'EDITION DES THERMOGRAMMES POUR LE RAPPORT Quand on sait que l'on peut (et il est primordial que l'on puisse) modifier à loisirs les grandeurs d'influence et, parfois, la configuration de la caméra, on comprend que les échelles de températures associées aux images thermiques ne constituent pas une preuve de la qualité de l'intervention et de l'interprétation. Néanmoins, les thermogrammes sont des documents contractuels qu'impose le Document Technique D19, ce qui implique la qualification et la responsabilité de l'opérateur. Un rapport d'intervention, répondant au Document Technique D19, doit donc intégrer des thermogrammes. Selon la destination du rapport et les scènes thermiques thermographiées, ces documents peuvent servir à l'un ou l'autre des deux aspects de la thermographie : image et / ou mesure. Dans une édition surtout destinée à la mesure, toutes les températures à mettre en évidence apparaissent. Dans une édition surtout destinée à l'imagerie, le repérage spatial est prioritaire et peut empêcher le repérage de certaines températures. Dans certains cas, comme les armoires ou composants électriques, les points chauds peuvent n'occuper qu'une faible partie de la surface du thermogramme complet ; leurs valeurs de température peuvent être trop élevées pour que l'échelle de gris ou de couleurs puisse permettre d'avoir simultanément un repérage spatial évident de ces composants, parmi les autres à faible température quasi uniforme, donc de couleur uniforme. Un tel document ne sert à rien. On a bien la température mais on n'a pas la localisation. Dans de tels cas, on préfère éditer un document où le cadrage thermique est réalisé dans les températures plus basses tout en indiquant, dans le rapport, la valeur des températures élevées apparaissant en dépassement de l'échelle retenue. La solution, désormais imposée par le D19, est de fournir en complément une image prise avec un appareil photo, avec le même cadrage spatial que celui du thermogramme. Faut-il préférer le Noir et Blanc ou la Couleur ? Même commentaires que faits plus haut sur le sujet.

LE RAPPORT Dans le cadre de ce stage, le rapport d'intervention se fait en respectant le Document Technique D19. S'y reporter. Nous ne donnons pas d'exemple de rapport d'intervention, chaque société ayant à cœur de définir son propre rapport-type selon son destinataire (client interne ou externe). Les éléments devant figurer dans un rapport sont entre autres : • • • • • •

localisation de l'intervention / date / opérateur / matériels mis en œuvre ; description exacte des composants mesurés avec références ; conditions d'exploitation à l'instant de l'intervention ; conditions d'intervention en thermographie ; validation de la mesure thermographique avec indication des grandeurs d'influence, de la dimension des objets, de la maîtrise éventuelle de la situation de mesure ; références aux anciennes inspections / interprétation / actions à mener. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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G -

LA SIGNIFICATION DES MESURES

RAPPEL SUR LES DEUX TYPES D'INTERPRETATION Nous avons indiqué, en introduction, la différence entre l'interprétation au sens thermographique et l'interprétation au sens du contrôle d'installations électriques et au sens de la prévention des risques. Les deux sont essentielles. La première conduit à préciser tous les éléments nécessaires qui justifient la validité de la mesure par l'opérateur au moyen du système de mesure thermographique. La seconde conduit à motiver les valeurs et la répartition des températures observées, au sens de la thermique des composants, de l'électrotechnique et de l'électricité. Elle est destinée à donner les indications ou directives utiles pour mettre les installations en état d'exploitation sûre, donc de prévenir les risques. Lors de cette seconde interprétation, l'opérateur met à profit son expérience et sa connaissance des scènes que la thermographie contribue à mieux connaître, en tant que technique d'inspection et de mesure. Cette technique s'allie à d'autres pour les besoins de contrôle des installations électriques (analyse électrique, …).

LES MESURES THERMOGRAPHIQUES SONT 2 FOIS CONJONCTURELLES 1- Conjoncture d'exploitation des installations Les résultats de mesure dépendent des conditions d'exploitation des composants situés dans la scène thermique à l'instant de l'inspection. C'est pourquoi, les mesures "exactes" sont souvent considérées comme luxueuses ou parfois inutiles. Elles le sont effectivement si les conditions exactes d'intervention ne sont pas précisées et si le contrôle est fait sans intention de maintenance conditionnelle ou de prévention des risques. "C'est chaud ! Combien ? C'est sans importance puisqu'il faudrait intervenir, sans plus." On utilise alors les caméras comme de simples imageurs thermiques. Encore faut-il bien apprécier et maîtriser la situation d'inspection. En maintenance, on intervient en espérant gagner en durée d'exploitation des installations en espaçant les arrêts programmés et en évitant les défaillances impliquant des arrêts et de la maintenance corrective. En prévention, on intervient en espérant diminuer les risques d'incendie ou d'arrêt de production, donc en assurant d'abord une approche de type maintenance préventive ou conditionnelle et en y adjoignant les implications des températures absolues observées et leurs incidences sur les équipements environnants et en général sur l'"environnement" (au sens classique) de l'installation électrique. Se reporter au stage de prévention.

La température ambiante des composants ou de la scène thermique Parmi les conditions d'exploitation, l'une des grandeurs est particulière, et aisément quantifiable ou prévisible : c'est la température ambiante de la scène thermique. Du fait de cette facilité d'appréciation, on ne la considère pas toujours comme faisant partie des conditions d'exploitation. Cette température influence directement les valeurs absolues mesurées (aujourd'hui) : la prévision que l'on peut faire sur ses variations (demain) permet d'annoncer plus clairement les risques. Comme exemple, il se peut que la température ambiante du composant soit faible lors de l'inspection alors que le composant en cause présente une THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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température de 55°C. Si l'on a fixé un seuil de température maximale de 70°C, qu'adviendra-t-il en été, quand la température ambiante du composant sera plus élevée de 20°C ? NOTA - Attention aux confusions très fréquentes ! En thermographie, la température d'environnement est clairement définie, même si l'expression n'est pas normalisée. Mais dans l'usage industriel, ce que nous venons d'appeler "température ambiante des composants ou de la scène thermique" est souvent nommée "température environnante" ou "température de l'environnement".

L'extrapolation à d'autres conditions d'exploitation Une démarche plus complète (et plus complexe) demande de quantifier (aujourd'hui) les températures dans le contexte de l'ensemble des conditions actuelles connues d'exploitation et d'estimer précisément les implications (demain) des variations des conditions d'exploitation. Cette démarche demande une modélisation thermique, éventuellement simplifiée donc non nécessairement réaliste. La méthode est fiable : elle donnera un résultat hypothétique mais normé à des conditions standard ou extrêmes. L'extrapolation, que fait en particulier EDF, à partir des mesures actuelles, pour des conditions d'exploitation plus sévères, est l'illustration d'une meilleure estimation des risques potentiels. On verra un exemple d'extrapolation, en exercices pratiques sur logiciel appliqué aux lignes HT. Mais on n'en demandera pas tant aux stagiaires, bien que cette démarche très élaborée soit la plus significative pour l'évaluation des risques. Dans tous les cas, il ne s'agit pas de thermographie (mesure actuelle), mais de thermique (calculs pour demain).

2- Conjoncture de l'intervention thermographique Le résultat de la mesure dépend de l'objet observé, du type de caméra employée et de son état, de l'objectif sélectionné, de l'angle de visée avec la caméra, de la distance de mesure, ... et de l'opérateur. Dans certains cas, les sources d'échauffement ne sont pas directement accessibles : contacts électriques défectueux au contact même des pièces, échauffement des conducteurs par propagation de chaleur mais en provenance de composants cachés (capots de protection, postes blindés). Dans ces cas, les températures mesurées ne sont pas directement celles des pièces défectueuses ou sur lesquelles se révèlent des problèmes dus à des causes non situées sur l'installation électrique observée ellemême. Mesurer exactement des températures peut être d'un intérêt immédiat limité. Il faut ici évoquer que certains prestataires, peu scrupuleux, n'hésitent pas à affirmer qu'ils sont capables de mesurer des points chauds inaccessibles visuellement (au travers de portes métalliques ou dans des postes blindés). Voilà une démonstration qu'ils gagneraient à nous faire connaître.

Cependant, les inspections successives sur les mêmes objets, dans les mêmes conditions d'exploitation et d'intervention, donneront des valeurs dont l'évolution dans le temps est d'un grand intérêt. Encore faudra-t-il corréler les valeurs mesurées avec les valeurs que l'on aurait dû mesurer sur les vrais points chauds et les ramener à des conditions identiques d'exploitation. Ceci relève de l'expérience et du retour d'expérience. Supprimer (partiellement) l'aspect conjoncturel de l'examen thermographique est possible. Il n'est que de se rapporter aux anciens rapports d'inspection (les thermogrammes lisibles ont alors leur importance entière) et d'intervenir toujours dans les mêmes conditions. Les donneurs d'ordre ont donc intérêt à fidéliser les intervenants et à appliquer le Document Technique D19 pour des interventions, qui, standardisées, sont destinées à être comparées.

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CONCLUSION La mesure des températures par thermographie conduit à annoncer des valeurs affectées d'une incertitude d'au minimum de ± 2°C. Une mesure correcte n'a d'intérêt que pour un suivi temporel des défauts potentiels (éviter la défaillance), pour éclairer alors la décision en cas d'environnement industriel à risque (prévention des risques d'incendie et d'arrêt de production). La plupart du temps, les mesures sont aisées mais deviennent plus délicates pour les câbles ou points chauds vus sous un angle trop faible, pour les objets métalliques (faible émissivité) ainsi que pour les connexions cachées par d'autres objets.

H -

SYNTHÈSE : LA DÉMARCHE DE LA MESURE

Figure 37 - Synoptique de la démarche de mesure thermographique

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9 - LA THERMOGRAPHIE, A QUOI ÇA SERT ?

LES APPLICATIONS DE LA THERMOGRAPHIE EN MAINTENANCE ET PREVENTION

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A -

GÉNÉRALITÉS

Ce chapitre est proposé à titre culturel ou aux personnes qui, de fait, ne limitent pas leurs interventions aux contrôles des installations électriques. Le stage ayant un tronc commun avec des stages de thermographie appliquée à d'autres sujets, il est nécessaire d'élargir un peu le champ de ce fascicule. Nous exclurons, parmi les applications passées en revue, les usages de la thermographie en contrôle de produits et procédés, tous contrôles qui ne sont pas du ressort des utilisateurs de caméras "de poing", ni des prestataires de services classiques. L'expression anglaise "condition monitoring" regroupe les utilisations des caméras thermiques en maintenance et en contrôle de procédés (en excluant la conduite de procédés). Cette expression pourrait se traduire par "vérification et suivi de l'état des équipements et des installations". Il conviendrait de distinguer "utilisation" et "application". Dans le premier cas, la thermographie est considérée comme un simple moyen pour résoudre un problème : on ne se préoccupe guère d'expliquer pourquoi et comment cette technique est adaptée et apporte la solution. Dans le deuxième cas, il s'agit plutôt de thermographie appliquée : on décrit alors les caractéristiques de la situation de mesure, la façon de la maîtriser et on justifie alors le choix des matériels adaptés. Illustrons cette différence. L'opérateur de l'EDF utilise la thermographie comme un moyen d'inspection de l'état des lignes HT : il peut alors démontrer l'intérêt de cette inspection en termes de gain de temps et d'argent selon le nombre d'interventions, de défauts repérés et réparés, et d'incidents évités. Par contre, le responsable des mesures décrira de façon détaillée l'application de la thermographie : comment prendre en main un matériel de thermographie, comment appréhender les grandeurs d'influence propres à cette inspection de lignes et en déduire des valeurs de températures. C'est plutôt cette deuxième démarche qui présente un intérêt dans le cadre de cet exposé ou au cours d'échanges techniques, lors de colloques de thermographie.

CLASSEMENT GENERAL DES APPLICATIONS DE LA THERMOGRAPHIE

Figure 38 - Schéma général des applications de la thermographie

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MAINTENANCE ET PRÉVENTION

La maintenance industrielle bénéficie depuis longtemps de l'emploi des caméras thermiques. Aujourd'hui, la thermographie y est honorée au même titre que les autres techniques de maintenance, comme l'analyse des vibrations. Mais cette tendance est due davantage à une population croissante de prestataires du fait de caméras d'emploi moins contraignant et à la banalisation corrélative de l'utilisation de la technique, qu'à une information convenable des industriels et des donneurs d'ordre, à une normalisation adaptée et à une qualification des opérateurs en ce domaine. Il reste encore quelques méfiances dans les centres de fabrication et de production. La QUALIFICATION contribuera à la professionnalisation des opérateurs, même si elle est applicable dans le but de Prévention et non dans un cadre plus restreint de Maintenance. L'avantage décisif de la thermographie est de permettre l'estimation de la qualité d'un équipement ou d'une installation en exploitation normale, sans arrêt des machines et avant la défaillance effective. Bien entendu, il est nécessaire que la dégradation conduise à une évolution des répartitions de températures : ce qui est très souvent le cas. La thermographie dévoile ce qui va arriver, si l'on ne fait rien. Elle dit où le feu va démarrer, les matériaux se détériorer. On distinguera l'inspection et la surveillance. La première est une action ponctuelle destinée à vérifier la progression lente d'une dégradation éventuelle ou inéluctable. Cette inspection est exécutée périodiquement par un opérateur approprié qui intervient sur le site, avec un matériel approprié. La seconde est une inspection permanente destinée à éviter les conséquences d'événements aléatoires pouvant se produire à tout instant. L'appareil de mesure est alors installé à poste fixe, programmé pour prendre en compte divers paramètres et équipé d'une électronique de seuillage ou d'alarme. Nous n'aborderons pas ces cas. On distingue également la maintenance préventive et la maintenance conditionnelle. Dans le premier cas, l'inspection par thermographie désigne les éléments en cours de dégradation et conduit à une réparation rapide, avant la limite d'exploitation possible des éléments en cause : la maintenance préventive réduit la probabilité de défaillance. Dans le second cas, l'expérience de l'opérateur et l'accumulation des données recueillies dans le passé par la profession autorisent peu à peu la formulation de critères d'intervention. De la quantification de la dégradation constatée, on définit des délais de nouvelles inspections ou de réparations, ni trop tôt, ni trop tard. Les divers coûts impliqués sont quantifiés et comparés aux risques encourus. Les statistiques sur les matériels inspectés conduisent aux modifications sur les composants dont le taux de défaut est plus élevé. Bien que, à strictement parler, les opérations de mesures et contrôles lors de la réception d'installations industrielles (en présence des maîtres d'ouvrage et maîtres d'œuvre, tels que sociétés de conception, de réalisation, bureaux d'études, etc ...), ainsi que les examens thermographiques d'expertise (avant ou en cours de contrat ou d'intervention des compagnies d'assurance) ne relèvent pas de la maintenance ni de la prévention proprement dites, nous les classons cependant dans ce segment. Les méthodes utilisées et les matériels inspectés sont en effet identiques. Pour les "maintenanciers", l'intervention de prévention doit être considérée comme une suite logique de l'intervention classique de thermographie appliquée à la maintenance. Il convient de définir quels sont les risques encourus par l'installation électrique et par son environnement (matériel, humain), du fait de cet environnement. Le stage de Module 2 est institué, entre autres, pour que les professionnels de la maintenance puissent élargir leurs compétences et fournir des rapports en vue de réduire les risques d'incendie et d'arrêt de production. Pour les opérateurs de prévention, l'orientation de son intervention vers la maintenance elle-même se déduit des conclusions de son rapport. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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C -

CONTRÔLE D'INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES

Le contrôle d'installations électrique est la plus importante application de la thermographie dans l'industrie. On l'estime à environ 50 % des utilisations. Elle a été jusqu'ici essentiellement orientée vers la maintenance. L'inspection va du centre de production d'énergie électrique (centrale thermique ou hydraulique) jusqu'au moindre tableau de distribution dans les étages d'un immeuble d'administration, en passant par les réseaux de transport d'énergie sous haute tension inspectés régulièrement par hélicoptère.

L'INSPECTION DES LIGNES A HAUTE TENSION Quand elle a lieu en hélicoptère, cette inspection par caméra thermique complète l'inspection visuelle classique. Le pilote maintient la direction du vol à une distance de 50 à 100 mètres de la ligne, tandis qu'un opérateur pointe la caméra et observe le moniteur. La fréquence d'analyse de la caméra doit donc être suffisante et sa résolution thermique assez basse. En effet, l'opérateur doit pouvoir suivre la ligne dont la température est souvent peu différente de celle du fond sur lequel elle se détache (ciel, nuages, paysage). C'est une nécessité de repérage spatial et non de mesure. Afin d'améliorer ce repérage, certains adoptent des dispositifs de superposition des images visibles et thermiques. C'est un luxe nécessité par des caméras de qualité insuffisante en résolutions spatiale et / ou thermique. On utilise des caméras avec image en Noir et Blanc. Les points chauds sont détectés aux raccords sur les isolateurs et aux manchons qui joignent deux tronçons de ligne. Les dégradations produisant une élévation de température sont souvent internes aux composants, donc invisibles à l'inspection visuelle. Certains opérateurs découplent l'intervention en détection et en mesure : les survols de ligne par hélicoptère permettent de localiser les points chauds (détection) ; ceux-ci vont alors être mesurés lors de visites ultérieures au sol (mesure). Les grandeurs d'influence sont : intensité dans la ligne, émissivité du matériau, facteur de transmission atmosphérique, températures de l'atmosphère et ambiante des composants, ensoleillement et vitesse du vent, température de fond (paysages ou ciel), température d'environnement (nuages ou paysage) ... La transcription en température implique une procédure spéciale consistant à extrapoler les résultats actuels à des conditions standard d'exploitation de ligne : intensité nominale de la ligne (signifiant intensité maximale admissible en permanence, IMAP), vent minimum (1 m / s), ensoleillement maximum, température ambiante des composants maximale. L'expérience a conduit les inspecteurs de ligne à définir des seuils d'écarts de températures extrapolées (entre la ligne et le manchon, par exemple) : en deçà de 50°C, pas de problème ; entre 50 et 100°C, inspections plus fréquentes, et au-delà de 100°C, intervention au plus tôt. L'inspecteur avertit alors l'exploitant. Dans le passé, celui-ci a eu tôt fait, après plusieurs catastrophes prévues par l'inspecteur, de comprendre l'intérêt de la technique et de s'adapter aux exigences de l'inspection des lignes : assurer, depuis le centre de dispatching, que le courant de ligne a une intensité supérieure à 0,4 fois la valeur de l'IMAP, au moment de l'inspection, afin de permettre une mesure significative, modifier la répartition de son réseau pour éviter localement une charge risquée et arrêter l'exploitation pour réparer quand les calculs montrent que la ligne peut tomber.

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L'INSPECTION DES POSTES HT ET DES ARMOIRES ELECTRIQUES Les élévations de température demandent un "certain temps" selon les puissances dissipées et les matériaux / matériels en cause. Il convient de vérifier, lors du contrôle, que les appareillages contrôlés sont bien traversés par un courant, et ne sont pas seulement sous tension. On inspecte les transformateurs, les têtes de disjoncteurs, les sectionneurs, les raccords et cosses de toutes natures, les contacteurs, les porte-fusibles, les borniers de connexion et de répartition, etc ... On ne confond pas un échauffement normal (transformateur, bobines de relais ou de contacteur) avec ce qui est une dégradation, habituellement située aux connexions. L'électricien sait bien qu'il ne suffit pas qu'une cosse soit bien serrée pour qu'il n'y ait pas d'échauffement ; le défaut est souvent dû à l'oxydation des surfaces en contact. Dans les armoires électriques, le repérage spatial des points chauds nécessite une caméra de bonne résolution thermique. La mesure des points chauds se fait sur des parties de bonne émissivité : boulons oxydés, gaine caoutchouc ou plastique. L'opérateur fait la différence entre un échauffement en un point et un échauffement le long d'un câble, dû au passage du courant. Le premier se propage le long des conducteurs en s'atténuant rapidement. Le second est quasiment constant sur toute la longueur du câble, les variations locales de température dépendant des variations locales de la convection et de la conduction. La thermographie met en évidence des défauts d'équilibrage sur les phases du triphasé ou les courants de jonction de terre. Mais, il ne s'agit pas nécessairement de défauts : ces déséquilibres peuvent être normaux, selon les configurations de l'exploitation des équipements électriques alimentés, à un instant donné. Mais au-delà des mesures d'écarts de température révélant un défaut de connexion ou un défaut d'équilibrage, la mesure des valeurs absolues des températures est importante : elle peut révéler un défaut de conception ou une absence de précaution pour l'exploitation de l'installation. Les composants et surtout les isolants sont prévus pour supporter une température maximale donnée. Une dégradation à plus ou moins long terme peut en résulter, ainsi qu'un risque d'incendie, d'explosion, d'arrêt de production, selon l'environnement des installations. Dans le cadre de la prévention, les températures absolues sont donc une nécessité, contrairement à l'idée classique en maintenance pure où l'on se contente souvent de mesures d'écarts de températures. On détecte par thermographie la présence de courants induits dans des composants métalliques, surtout pour des fréquences harmoniques du 50 Hz, sur des installations à régulation de puissance, par exemple. Les pertes fer peuvent échauffer anormalement la carcasse d'un transformateur non dimensionné pour un emploi en mode haché. De même, les courants "harmoniques" échauffent les câbles, davantage que ne laissent supposer les valeurs efficaces de courant, puisqu'ils circulent sur la périphérie des câbles, et ce, d'autant plus que l'harmonique est d'ordre élevé. Il convient de reconnaître la présence de ces courants et éventuellement d'effectuer une analyse électrique pour quantifier, localiser la source des harmoniques, puis y remédier par des filtres, par le redimensionnement de certains composants ou simplement par une réparation : un moteur triphasé ayant un problème sur l'un des enroulements produira un taux élevé d'harmoniques. Le thermogramme nécessite une interprétation par l'opérateur. Celui-ci n'est pas un simple support mobile de caméra portable : il doit s'y connaître en appareillage électrique. La caméra est de type portable à fréquence d'analyse suffisante, pour le simple confort d'exploitation : caméra au poing. Elle doit avoir une résolution thermique faible ; il est avantageux qu'elle ait un pouvoir de résolution spatiale de mesure élevé. Sur certains sites, les courants très importants peuvent produire des inductions magnétiques si élevées que les caméras ou les écrans à tube cathodique des moniteurs s'en trouvent perturbés. Les appareils à écran à cristaux liquides (LCD) sont alors plus avantageux.

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ISOLANTS, CALORIFUGES, RÉFRACTAIRES, …

Ce type d'inspection est davantage qualitatif lorsqu'il concerne les enveloppes métalliques brillantes des calorifuges de circuits-vapeur, circuits-sodium des centrales nucléaires, des réservoirs de produits froids, ... L'émissivité est faible et il faut prendre des précautions dans l'interprétation, observer sous divers angles la scène thermique afin de ne pas se faire piéger par les réflexions parasites nombreuses. Les zones présentant un défaut d'isolation, dû à la dégradation des mousses ou de laine de verre (tassement, fuite), restent alors à la même place sur l'image de l'objet : elles lui sont donc liées. S'agissant de phénomènes thermiques, ils peuvent être très diffus et de limites mal définies. Dans les cas de gaines à réfractaires, circuits de vents chauds en sidérurgie, cheminées industrielles, les observations par thermographie sont plus aisées. Mais l'inspection devient délicate quand des calorifuges (extérieur) masquent les écarts de température dus aux dégradations des réfractaires (intérieur). La thermographie met en évidence les fuites aux joints qui plaquent mal ou qui se dégradent au cours du temps, du fait des températures élevées, des fréquentes manœuvres, des agressions chimiques... Il en résulte des infiltrations de matière indésirable (poussières, eau, ...) qui perturbent les procédés ou endommagent les équipements. Les fuites de canalisations enterrées (chauffage industriel ou urbain) sont aisément repérables pourvu qu'on ait un accès optique direct à la surface des terrains (absence de végétation, de construction, ...). Dans ce cas, l'interprétation est délicate pour définir l'urgence et la priorité des réparations. Infiltrations d'eau saine dans les circuits d'assainissement, fuites aux fissures et porosités des ouvrages en béton (barrages, digues, canaux, ...), etc ... Par opposition, la caméra thermique détecte les zones où un comportement isolant anormal s'est établi : encrassement d'échangeurs thermiques, dépôt de poussières et agrégats le long de tuyauteries, cokage de tubes de fours de pétrochimie. L'inspection des bâtiments (isolation thermique) entre dans cette catégorie. Le diagnostic thermographique peut se faire en complément du diagnostic thermique traditionnel : il est exécuté de l'intérieur de l'habitation ou de l'extérieur. Cette activité est réservée à quelques prestataires de service qui n'auront que quelques semaines par an et quelques heures par jour pour opérer : il convient en effet que le bâtiment soit chauffé avec une différence de température acceptable avec l'extérieur, qu'il n'ait pas subi un ensoleillement préalable, qu'il ne pleuve pas sur les façades, etc ... On peut localiser des infiltrations d'air froid ou des fuites importantes, des ponts thermiques... Contrairement à une idée toujours en vigueur, l'inspection des bâtiments par caméra thermique représente un total d'activités très faible parmi l'ensemble des applications de la thermographie en France. Les survols des villes par avion, à la mode à une certaine époque de crise du pétrole, ont au moins contribué à sensibiliser la population aux économies d'énergie. Mais plus que cet aspect, c'est davantage le confort qui est recherché par la détection des anomalies ou des dégradations dans les constructions. Une application plus classique que l'isolation thermique des bâtiments est la détection des défauts ou des malfaçons dans les planchers chauffants ( à l'électricité ou à eau chaude) ou dans les corps de chauffe (encrassement, blocage de vannes). Par ailleurs, les infiltrations d'eau dans les isolants des toits-terrasses peuvent être mises en évidence par thermographie. Dans le même ordre d'idée, nous classerons ici l'entretien et la restauration des monuments à caractère historique, qui utilisent la thermographie pour déterminer les zones humides ou les structures internes des constructions. THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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Ces cas relèvent principalement de l'imagerie thermique plutôt que de la mesure thermographique. Enfin, la dégradation lente et inéluctable des fours des industries lourdes (métallurgie, industrie verrière, ...) ou des bacs d'électrolyse (aluminium), des poches de coulée, des wagons-cigares est suivie par thermographie. On arrive ainsi à économiser quelques mois sur la réfection des réfractaires ou à colmater des défauts qui apparaissent trop tôt dans la vie de l'équipement. Certains utilisateurs et prestataires attentifs ont pu établir une corrélation utile entre l'épaisseur des réfractaires et les températures des surfaces extérieures des fours.

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E -

PÉTROCHIMIE

L'usage spécifique de caméras thermiques en pétrochimie consiste à inspecter les "peaux de tube" à l'intérieur des fours de craquage des produits pétroliers. Ces produits circulent dans les tubes ; du coke (carbone) se dépose lentement sur les parois internes, créant petit à petit une couche isolante : la paroi du tube peut alors être échauffée par les flammes du four jusqu'à la température de fluage, si l'on y prenait garde. La caméra portable SW équipée d'un filtre spectral centré sur 3,9 µm et protégée par une cagoule en amiante à hublot "infrarouge", mesure la température des tubes (500°C à 700°C) depuis des regards pratiqués dans le réfractaire du four. L'émission de la flamme et ses réflexions sur les tubes sont quasiment inexistantes dans la bande spectrale sélectionnée, pourvu que la flamme soit en excès d'air. La présence de suies (carbone) à haute température dans la flamme empêcherait la mesure : ces suies émettent un rayonnement de corps noir à toutes les longueurs d'onde et formeraient un rideau infranchissable. Il existe peu de spécialistes de cette situation de mesure délicate. Nous indiquons aux donneurs d'ordre que l'inspection d'un four doit toujours être exécutée par la même équipe d'intervenants. L'interprétation est ici essentiellement une affaire d'expérience qui se transmet lentement et ne s'improvise pas.

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F -

MAINTENANCE MÉCANIQUE

La contribution de la thermographie en maintenance mécanique est encore bien peu répandue. Dès qu'il y a échauffement par un frottement devenu anormal (usure, manque de lubrification, déformation dynamique des pièces mécaniques ...), la caméra thermique peut dénoncer les points défectueux : • • • • •

paliers de moteurs ; roulements à bille ; courroies (défauts d'alignement de poulies) ; chaînes ; accouplements rigides ou souples.

Les Assureurs commencent à prévoir la suite qui sera donnée à la QUALIFICATION actuelle (installations électriques) : elle devrait se poursuivre vers le "bris de machines".

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10 - CONCLUSION

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LE RÔLE DE L'OPÉRATEUR

Nous avons vu le rôle important que joue l'opérateur lors de l'appréciation et de la maîtrise de la situation de mesure. L'opérateur doit être étalonné tout autant que sa caméra ! C'est également l'opérateur qui décide des grandeurs d'influence et qui entre leurs valeurs dans le calculateur associé à sa caméra. C'est encore l'opérateur, par sa connaissance des scènes thermiques observées et son expérience des matériels d'inspection, qui détecte les éventuels problèmes de mesure dus à ces matériels. C'est encore lui qui utilise et entretient ses équipements de mesure afin qu'ils lui rendent les services inestimables qu'il en attend. La thermographie nécessite des opérateurs formés aux interventions pertinentes et rapides sur le site et à la rédaction ultérieure de rapports d'examen circonstanciés. L'édition d'un rapport est un acte important pour les sociétés intervenant au bénéfice d'un client interne ou externe. Ce rapport n'est pas rédigé par le système de thermographie ni par l'ordinateur de traitement : ici, l'"erreur de l'ordinateur" ne sera pas acceptée. C'est un domaine où il est conseillé de faire appel à la prestation de service de sociétés performantes dont les opérateurs auront donc nécessairement suivis un stage dans un organisme de formation compétent en thermographie appliquée (et non chez un représentant vendeur de caméras). Cette recommandation s'adresse aux entreprises qui hésitent à s'équiper de matériel de thermographie et à celles qui ne veulent ou ne peuvent pas investir en matériel et en personnel. Le coût d'un opérateur (technicien supérieur) et l'amortissement d'un matériel nécessitent un budget annuel d'environ 250 à 350 milles francs français (2000). C'est l'opérateur qui coûte le plus cher. L'opérateur compétent, assuré et modeste, a appris où s'arrêtent les possibilités de l'instrument qu'il manipule et où lui-même doit s'arrêter et passer la main à d'autres spécialistes.

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VERS LES SPÉCIALISTES

Céder la place en faisant appel aux services d'autres connaisseurs plus expérimentés dans les cas délicats, c'est tout à l'honneur d'un nouvel opérateur et même des plus chevronnés en matière de thermographie. Ces autres spécialistes vont au-delà des instruments et développent des compléments de matériels et de logiciels, compléments indispensables pour mener à bien des mesures en conditions trop délicates pour les équipements standard des fournisseurs. Vous qui êtes formés à la thermographie appliquée aux contrôles des installations électriques, n'intervenez pas en contrôle de produits ou de procédés et encore moins en recherche et développement, sans un très sérieux complément de formation.

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11 - LES SEPT RÈGLES DU THERMOGRAPHE

RÈGLES EN CONTRÔLE DES INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES

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1 - ATTENDRE QUE ÇA CHAUFFE

N'est-ce pas ?! Une installation ou partie d'installation, hors tension ou sans courant, n'est pas contrôlable par thermographie. L'électricien du site, qui vous assiste, saura vous dire si les composants sont sollicités et comment ils le sont. Vous devrez l'indiquer dans vos rapports.

2 - REGARDER AILLEURS, PUIS REGARDER

Commencer par regarder ailleurs. Derrière la caméra, c'est là que se trouve l'environnement de la scène qu'elle observe. Regardez donc cet environnement avec la caméra pour estimer si les mesures peuvent être perturbées. Agissez en conséquence. Regardez la scène avec vos yeux. Vous comprendrez alors ce que la caméra voit. Vous comprendrez ainsi l'image thermique.

3 - NE PAS MESURER MAIS DEDUIRE, PUIS MESURER

Ne pas mesurer sur un câble de section trop faible. Ne pas mesurer un objet froid dans un environnement chaud. Ne pas mesurer au travers d'un objet semi-transparent, sauf spécialement conçu à cet effet. Ne pas mesurer à grande distance. Ne déposez pas les protections ni les capots des appareillages (demandez qu'ils soient déposés). Déduisez la présence d'échauffements cachés. Mais n'en déduisez pas des valeurs de température. Ne laissez pas la caméra mesurer seule, elle ne sait rien faire sans vous. Mesurez les grandeurs d'influence.

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4 - MESURER DES VALEURS DE TEMPÉRATURES

Les 1/10

èmes

de °C ne sont pas significatifs.

Arrondissez au degré C les valeurs absolues ou les écarts. La mesure est incertaine, ou certaine à TANT de °C près.

5 - LA CAMÉRA VOIT. L'OPÉRATEUR VOIT ET MESURE

La caméra thermique voit dans l'infrarouge. Vous voyez dans le visible. La caméra ne mesure pas des températures à votre place. C'est vous qui mesurez les températures.

6 - ETRE SÛR DE SOI

L'appréciation et la maîtrise de la situation de mesure se confirment par l'expérience. Vous deviendrez sûr de vous, avec le temps. Vous serez un professionnel. Passez du temps à vous documenter et à apprendre.

7 - MAIS RESTER MODESTE

Ne criez pas victoire devant un point chaud sur une installation électrique. De légers détails sont peut-être plus importants. Vous êtes un professionnel qui rend service avec un outil puissant. Vous n'êtes certainement pas un professionnel de la thermographie.

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12 - BIBLIOGRAPHIE

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OUVRAGES DE RÉFÉRENCE MESURE PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE, de Dominique PAJANI. ADD Editeur. 1989. 450 pages. THERMOGRAPHIE INFRAROUGE APPLIQUEE A LA MAINTENANCE INDUSTRIELLE, de Dominique PAJANI. Institut de la Thermographie. 1999. 100 pages.

NORMES FRANÇAISES DE THERMOGRAPHIE NF A 09 400 Vocabulaire de thermographie. 1991. NF A 09 420 Caractérisation des appareillages. 1992. NF A 09 421 Méthodes de caractérisation des appareillages. 1992. NF EN 13187 Isolation thermique. Méthode infrarouge pour la détection qualitative d'irrégularités thermiques dans la structure externe des bâtiments. 1999. (vieille norme X 10-023 de 1982)

AUTRES NORMES FRANÇAISES NF X 07-001 Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie. 39 p. AFNOR. Décembre 1994. NF X 02-206 Grandeurs et unités. Rayonnements électromagnétiques et optiques. 21 p. AFNOR. Décembre 1993.

DOCUMENT TECHNIQUE CNPP D19 – Document Technique - Thermographie infrarouge – Contrôle des installations électriques. Edition 03.1999.0 (mars 1999). APSAD - CNPP ENTREPRISE.

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ANNEXE 1 SCHÉMA SYNOPTIQUE DES TEMPÉRATURES

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ANNEXE 2 DÉTAILS SUR LES CAMÉRAS THERMOVISION 400, 700 et 800

POUR LES UTILISATEURS DE CES CAMÉRAS

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LES RANGE et LEVEL sur les caméras THERMOVISION 400 Sur ces caméras, le NIVEAU est réglable sur 4 096 niveaux numériques ou NN (numérisation sur 12 bits). La GAMME ou RANGE est appelé SENSITIVITY. Nous donnons, en figure, la correspondance avec le RANGE classique sur les caméras plus anciennes du même fabricant. Chez celui-ci, les unités retenues pour les flux mesurés par le détecteur sont appelées "unités isothermiques" ou UI. C'est dans ces unités que sont tracées les courbes d'étalonnage et qu'elles sont introduites dans le calculateur interne. On déduit les variations autorisées du NIVEAU et de la GAMME. Valeur minimale du NIVEAU : 0 UI ou 0 NN. Valeur maximale du NIVEAU : 1 000 UI (caméras 700) ou 500 UI (caméras 800) ou 4 095 NN (caméras 400). Les 4 096 NN des caméras 400 correspondent exactement aux 500 UI des caméras 800. Nombre de GAMMES : 9 (caméras 700) ou 8 (caméras 800 ou 400) positions discrètes. La GAMME maximale permettant d'avoir toute la plage de fonctionnement présentée sur le moniteur couvre donc les 1 000 UI ou les 500 UI ou les 4 096 NN (SENSITIVITY = 8). Sélectionnons cette GAMME. Le seul NIVEAU autorisé est alors théoriquement de 500 UI (caméras 700) ou 250 UI (caméras 800 ou 400) soit 2 047 NN. Si maintenant, on diminue le NIVEAU, ceci signifie que l'on voudrait visualiser des flux négatifs (inférieurs à 0 UI ou à 0 NN). On a alors un message d'erreur. En fait, le réglage du NIVEAU à 2 047 NN fait sortir la caméra du calibre spécifié par le fournisseur (- 20°C minimum en température apparente). En effet, on obtient des luminances nulles en correspondance du Noir sur le moniteur. On a alors un message d'erreur. Il faut remonter le NIVEAU jusqu'à obtenir une température minimale de - 20°C (calculée sur la température apparente). Si, maintenant, le NIVEAU est augmenté, le fabricant laisse la possibilité à la plage de rayonnement de 500 UI (GAMME = 500 UI ou SENS = 8) de dépasser de 20 % le réglage maximum théorique normal de 500 UI : le maxi peut donc aller jusqu'à 600 UI ou 4 096 x 1,2. Au-delà, il y a un message d'erreur. La non-linéarité des détecteurs utilisés dans ces caméras a conduit le fournisseur à une limitation à 600 UI lors de la transcription en température : les 600 UI représentent donc le résultat maximum des calculs de rayonnement qu'aurait reçu la caméra en provenance d'un corps noir à la température recherchée, avant utilisation des courbes d'étalonnage (on comprendra mieux ce fait au Chapitre 8). Le NIVEAU étant bien réglé, on commute la GAMME sur 200 UI (SENSITIVITY 7). Les variations du NIVEAU autorisées seront maintenant beaucoup plus larges. Dans le principe et sans considérer désormais les messages d'erreur apparaissant aux bornes, on voit que le NIVEAU peut prendre des valeurs (en UI) comprises entre la demi GAMME et le NIVEAU maximum diminué de la demi GAMME. Etc ... en diminuant la GAMME (ou la SENSITIVITY). Ainsi, quand un message d'erreur apparaît, il convient de modifier les réglages de NIVEAU ou de GAMME selon les minimum et maximum de température qui apparaissent sur l'image du moniteur. Schéma en page suivante.

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GAMME ou RANGE ou SENSITIVITY pour les caméras THERMOVISION 400

LA DETECTION DE DEPASSEMENT sur les caméras THERMOVISION 400 Sur les caméras THERMOVISION de la série 400 (et 800 avec CU 800 V), cette fonction est intégrée à la fonction isotherme. La fonction isotherme permettra de savoir immédiatement s'il y a des zones dans l'image thermique qui dépassent la plage des températures visualisées, que ce soit en haut de la GAMME ou en bas de la GAMME. A une GAMME et un NIVEAU fixés, et en plaçant l'isotherme de couleur noire tout à fait en haut de la plage visualisée, toutes les valeurs dépassant la plage des températures visualisables seront présentées en noir. En accroissant progressivement le NIVEAU, ces zones noires vont disparaître petit à petit, la plage de températures visualisables étant déplacée vers le haut. A la limite de disparition de l'isotherme noire, on obtient bien la valeur du maximum de température apparente de la scène thermique. Il en est de même vers le noir de l'image thermique, en plaçant l'isotherme de couleur blanche tout à fait en bas de la plage visualisée. Les zones de la scène thermique dont la température est inférieure à la plage des températures visualisées apparaîtront en blanc. En abaissant le NIVEAU, on fera disparaître ces zones blanches. A la limite de disparition de l'isotherme blanche, on obtient la valeur du minimum de température apparente de la scène thermique. Ayant ainsi les valeurs du mini et du maxi, on en déduit les valeurs optimales du NIVEAU et de la GAMME, selon la méthodologie du cadrage thermique exposée plus haut. Les caméras INFRAMETRICS disposent d'une échelle particulière de couleurs et Noir & Blanc qui permet de régler la GAMME et le NIVEAU très rapidement. L'image thermique est présentée en échelle continue de gris. Le dépassement en bas est en bleu et le dépassement en haut est en rouge. C'est la solution la plus agréable ; elle est reprise par les caméras de nouvelle technologie.

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LE CADRAGE THERMIQUE sur les caméras THERMOVISION 700 et 800 travaillant en Unités Isothermiques Comment faire des réglages corrects du NIVEAU et de la GAMME ? Bien que la méthodologie présentée ci-après ne soit pas utilisable de façon réaliste sur le site, elle est la plus logique. Elle permet de comprendre. On verra ensuite d'autres méthodes plus rapides de réglages corrects. S'il n'a pas accès aux valeurs de rayonnement mesurées (ce qui est désormais le cas général), l'opérateur mesure (ou estime) d'abord les mini et maxi de températures apparentes sur la scène thermique observée. Nous verrons ensuite comment ces mesures sont effectuées. Au moyen de la courbe d'étalonnage de la caméra (si le constructeur les fournit), donnée en Unités Arbitraires UA, on détermine les mini et maxi en luminances (en UA). Le NIVEAU optimum est au centre de la plage et vaut donc : NIVEAU = (maxi + mini) / 2 en UA. La GAMME est la valeur existante incluant le Mini et le Maxi : GAMME supérieure à [maxi - mini] en UA. Par exemple : Tmini (température apparente) = + 15°C et Tmaxi (température apparente) = + 45°C. Sur la courbe d'étalonnage de la figure ci-après, donnée pour une caméra THERMOVISION 782 SW avec un objectif de 20°C, sans filtre, sur le diaphragme 1.8, on obtient en UI (unités arbitraires du constructeur) : mini ≅ 18 UI et maxi ≅ 48 UI. D'où NIVEAU = (48 + 18) / 2 = 33 UI = 33 x 4 096 / 500 NN = 270 NN Et GAMME = Sup [48 - 18] = 50 UI ==> SENSITIVITY = 5

Début de la courbe d'étalonnage servant pour l'exemple donné dans le texte

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Ce sera le réglage optimum. On obtient un Mini affiché de - 6,5°C et un Maxi affiché de + 52°C (températures apparentes). Mini < mini et Maxi > maxi. Ceci constitue la base du cadrage thermique. L'opération de cadrage thermique consiste donc à cadrer thermiquement la scène thermique observée. Les mini et maxi sont définis par l'opérateur selon le but de l'inspection ou de l'édition de document.

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ANNEXE 3 TABLEAU D'ÉMISSIVITÉS

Recommandation importante Les valeurs d'émissivités normales données ci-après sont des valeurs indicatives. Elles peuvent être utilisées, avec précaution, pour dégrossir les calculs de température. Pour les matériaux isolants, on vérifiera que leur épaisseur est suffisante pour que les valeurs d'émissivités indiquées aient un sens. T est la température en °C à laquelle a eu lieu la mesure. "dλ" est la longueur d'onde ou la bande spectrale en µm. ε (dλ,T) est l'émissivité normale pour dλ et T. n

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T

dλ

ε (dλ,T) n

ACIER Acier classique en feuille Acier classique en feuille Acier classique en feuille Acier de fonderie poli Acier doux en fusion Acier en fusion Acier en fusion Acier en fusion Acier forgé Acier galvanisé Acier inoxydable Acier inoxydable Acier inoxydable Acier inoxydable Acier inoxydable 18-8 Acier inoxydable 18-8 Acier inoxydable 304 Acier inoxydable 310 Acier laminé à froid Acier laminé à froid Acier oxydé Acier oxydé Acier oxydé Acier oxydé Acier oxydé Acier oxydé à 600°C Acier rouillé Acier poli Acier poli en feuille Acier poli en feuille Acier poli en feuille Acier zingué en feuille

100 30 30 770/1040 1600/1800 1400 1400 1500/1650 950/1100 30 100 20/700 30 30 30 500 215/490 215/520 30 30 100 100 200/600 30 30 200/600 20 100 100 30 30 30

2 5 8 à 12 2à5 2à5 2 5 2à5 2à5 2à5 2 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 5 8 à 12 2 2à5 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2 5 8 à 12 2à5

0,6/0,7 0,5/0,7 0,4/0,6 0,52/0,56 0,28 0,25/0,4 0,1/0,2 0,42/0,53 0,55/0,60 0,28 0,2/0,9 0,16/0,45 0,15/0,8 0,1/0,8 0,16 0,35 0,36/0,44 0,9/0,97 0,8/0,9 0,7/0,9 0,8/0,9 0,74 0,8 0,7/0,9 0,7/0,9 0,79 0,69 0,07 0,2 0,1 0,1 0,23

30 20 20/50 50 100 35/600 100 30 100 20 100 30 30 30 100 30 30

2à5 2 à 12 2à5 3 2à5 2à5 2 8 à 12 2à5 2à5 2 5 8 à 12 5 2 5 8 à 12

0,55 0,04 0,06/0,07 0,09 0,09 0,1/0,2 0,4 0,3 0,2/0,3 0,83/0,94 0,2/0,4 0,2/0,4 0,2/0,4 0,4 0,2/0,6 0,1/0,4 0,1/0,3

ALUMINIUM Aluminium anodisé Aluminium brillant (feuille) Aluminium brut Aluminium en feuille Aluminium en feuille mate Aluminium légèrement oxydé Aluminium A3003 oxydé Aluminium A3003 oxydé Aluminium (oxyde de) Aluminium fortement oxydé Aluminium oxydé Aluminium oxydé Aluminium oxydé Aluminium A3003 oxydé Aluminium grossier Aluminium grossier Aluminium grossier .../...

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T .../... Aluminium lingot brut Aluminium non oxydé Aluminium non oxydé Aluminium non oxydé Aluminium poli Aluminium poli Aluminium poli Aluminium poli

dλ

εn(dλ,T)

50 100 30 30 100 30 30 50/100

3 2 5 8 à 12 2 5 8 à 12 2à5

0,28 0,02/0,1 0,02/0,2 0,02/0,1 0,02/0,1 0,02/0,1 0,02/0,1 0,07

100 30 30 100 200/600

2 5 8 à 12 2à5 2à5

0,02 0,02 0,02 0,05 0,02/0,03

50/150 30 50

2à5 2à5 2à5

0,55 0,8 0,1

100 30 30 100 30 30

2 5 8 à 12 2 5 8 à 12

0,8/0,9 0,7/0,9 0,7/0,8 0,8/0,9 0,8/0,9 0,8/0,9

100 30 30 100/1000 50

2 5 8 à 12 2à5 2à5

0,05/0,3 0,03/0,3 0,02/0,2 0,08/0,4 0,1

1100/1300 100 30 30 800/1100 100 30 30 50 30

2à5 2 5 8 à 12 2à5 2 5 8 à 12 2à5 2à5

0,13/0,15 0,05/0,2 0,05/0,15 0,05/0,1 0,55/0,65 0,7/0,9 0,5/0,8 0,4/0,8 0,7 0,78

ARGENT Argent Argent Argent Argent poli Argent poli BRONZE Bronze brut Bronze en poudre Bronze poli CARBONE Carbone graphite Carbone graphite Carbone graphite Carbone non oxydé Carbone non oxydé Carbone non oxydé CHROME Chrome Chrome Chrome Chrome poli Chrome poli CUIVRE Cuivre en fusion Cuivre grossier Cuivre grossier Cuivre grossier Cuivre (oxyde de) Cuivre oxydé Cuivre oxydé Cuivre oxydé Cuivre oxydé Cuivre fortement oxydé .../...

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T .../... Cuivre poli Cuivre poli Cuivre poli laminé Cuivre poli miroir

100 30 20 100

dλ

εn(dλ,T)

2à5 8 à 12 10 2à5

0,03 0,03 0,01 0,05

ETAIN Etain oxydé Etain poli

30 20/50

2à5 2à5

0,4 0,04/0,06

100 100 30 30 0/200 20 100 30 30 20 1300/1400 1300 100 30 30 20 30 20 200 400/1000 200 1515/1680 100 100 30 30 200/600 30 900/1100 20 100 20 30 30 40/250 500/1200 30 40/250

2à5 2 5 8 à 12 2à5 2à5 2 5 8 à 12 2à5 2à5 2 2 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 2 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5

0,07 0,1/0,3 0,05 0,05 0,6 0,24 0,1/0,3 0,05/0,25 0,05/0,2 0,45 0,29 0,4/0,6 0,95 0,9 0,9 0,91 0,25 0,66 0,2 0,14/0,38 0,06 0,42/0,45 0,7/0,9 0,74 0,6/0,9 0,5/0,9 0,64/0,78 0,8 0,87/0,95 0,69 0,6/0,9 0,61/0,85 0,5/0,8 0,5/0,7 0,95 0,78/0,82 0,94 0,28

FER Fer blanc en feuille Fer blanc non oxydé Fer blanc non oxydé Fer blanc non oxydé Fer blanc très oxydé Fer brut non oxydé Fer non oxydé Fer non oxydé Fer non oxydé Fer de coulée Fer de fonderie en fusion Fer en fusion Fer forgé mat Fer forgé mat Fer forgé mat Fer fortement rouillé Fer galvanisé Fer laminé en feuille Fer poli Fer poli Fer poli électrolytique Fer pur en fusion Fer oxydé Fer oxydé Fer oxydé Fer oxydé Fer oxydé à 600°C Fer oxydé en feuille Fer oxydé en lingot Fer oxydé état brut Fer rouillé Fer rouillé Fer rouillé Fer rouillé Fer très oxydé brut Fer (oxyde de) Fer trempé oxydé Fer trempé poli

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T

dλ

ε (dλ,T) n

FONTE Fonte brute Fonte en fusion Fonte en fusion Fonte en fusion Fonte en fusion Fonte non oxydée Fonte non oxydée Fonte non oxydée Fonte oxydée Fonte oxydée Fonte oxydée Fonte polie

50 1300 1300 1300 1300 100 30 30 100 30 30 200

2à5 2 2à5 5 8 à 12 2 5 8 à 12 2 5 8 à 12 2à5

0,81 0,3/0,4 0,28 0,2/0,3 0,2/0,3 0,3 0,25 0,2 0,7/0,95 0,65/0,95 0,6/0,95 0,21

100 30 30 100 30 30 100 30 30

2 5 8 à 12 2 5 8 à 12 2 5 8 à 12

0,3/0,6 0,3/0,6 0,3/0,6 0,6/0,9 0,6/0,9 0,7/0,95 0,25 0,15 0,15

100 200/600 30 30 100 30 30 30 100 30 30

2 2à5 5 8 à 12 2 5 8 à 12 2à5 2 5 8 à 12

0,6 0,6 0,5 0,5 0,01/0,05 0,01/0,05 0,01/0,05 0,03 0,4 0,3 0,3

100 30 30 30 275/825 900/1670 20

2 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5

0,05/0,2 0,03/0,15 0,02/0,1 0,86 0,2/0,55 0,2 0,07

INCONEL Inconel microbillé Inconel microbillé Inconel microbillé Inconel oxydé Inconel oxydé Inconel oxydé Inconel poli électrolytique Inconel poli électrolytique Inconel poli électrolytique LAITON Laiton oxydé Laiton oxydé Laiton oxydé Laiton oxydé Laiton poli Laiton poli Laiton poli Laiton poli miroir Laiton satiné Laiton satiné Laiton satiné MAGNESIUM Magnésium Magnésium Magnésium Magnésium Magnésium Magnésium Magnésium

en poudre oxydé oxydé poli

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T

dλ

ε (dλ,T) n

MERCURE Mercure Mercure Mercure Mercure

0/100 100 30 30

2à5 2 5 8 à 12

0,09/0,12 0,05/0,15 0,05/0,15 0,05/0,15

100 30 30 100 30 30

2 5 8 à 12 2 5 8 à 12

0,1/0,3 0,1/0,15 0,1 0,4/0,9 0,3/0,7 0,2/0,6

100 30 30 30 30 180/1010 650/1250 100 200/600 30 30 20 100 50/1050 50/500 50/1000

2 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5

0,1/0,2 0,11 0,1/0,15 0,05/0,15 0,05 0,09/0,19 0,59/0,86 0,4/0,7 0,37/0,48 0,3/0,6 0,1/0,14 0,05 0,14 0,64/0,76 0,95/0,98 0,65/0,79

100 30 30 100

2 5 8 à 12 2à5

0,01/0,1 0,01/0,1 0,01/0,1 0,02

2 5 8 à 12 2à5 2 5 8 à 12 2à5

0,1/0,4 0,05/0,3 0,02/0,3 0,14/0,18 0,95 0,9 0,9 0,05/0,1

MOLYBDENE Molybdène non oxydé Molybdène non oxydé Molybdène non oxydé Molybdène oxydé Molybdène oxydé Molybdène oxydé NICKEL Nickel électrolytique Nickel électrolytique Nickel électrolytique Nickel électrolytique Nickel électrolytique poli Nickel en fil Nickel (oxyde de) Nickel oxydé Nickel oxydé Nickel oxydé Nickel oxydé Nickel poli Nickel alliage argent Nickel alliage chrome Nickel-chrome en fil oxydé Nickel-chrome en fil poli OR Or Or Or Or poli PLATINE Platine Platine Platine Platine brut Platine noir Platine noir Platine noir Platine poli

100 30 30 1000/1500 100 30 30 200/600

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T

dλ

ε (dλ,T) n

PLOMB Plomb brillant Plomb brut Plomb brut Plomb brut Plomb légèrement oxydé Plomb oxydé Plomb oxydé Plomb oxydé Plomb oxydé Plomb poli Plomb poli Plomb poli Plomb pur non oxydé

250 100 30 30 25/300 100 20 30 30 100 30 30 125/225

2à5 2 5 8 à 12 2à5 2 2à5 5 8 à 12 2 5 8 à 12 2à5

0,08 0,5 0,4 0,4/4 0,2/0,45 0,3/0,7 0,30 0,2/0,7 0,2/0,6 0,05/0,2 0,05/0,2 0,05/0,1 0,06/0,08

100 30 30 100 30 30

2 5 8 à 12 2 5 8 à 12

0,6/0,8 0,5/0,7 0,5/0,6 0,2/0,5 0,1/0,3 0,05/0,2

100 200 30 30 600/1000 3300 100 30 30

2 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2 5 8 à 12

0,1/0,6 0,05 0,05/0,5 0,03 0,1/0,16 0,4 0,1/0,3 0,05/0,25 0,03/0,1

100 50 30 30 100 30 30 400 1000/1200 400 100 200/300 30 30

2à5 2à5 2à5 2à5 2 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2 2à5 5 8 à 12

0,21 0,2 0,82 0,28 0,15 0,1 0,1 0,11 0,5/0,6 0,01 0,05 0,04/0,05 0,03 0,02

TITANE Titane oxydé Titane oxydé Titane oxydé Titane poli Titane poli Titane poli TUNGSTENE Tungstène Tungstène Tungstène Tungstène Tungstène Tungstène (filament) Tungstène poli Tungstène poli Tungstène poli ZINC Zinc en feuille Zinc en feuille Zinc en poudre Zinc (oxyde de) Zinc oxydé Zinc oxydé Zinc oxydé Zinc oxydé Zinc oxydé Zinc oxydé à 400°C Zinc poli Zinc poli Zinc poli Zinc poli

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T

dλ

ε (dλ,T) n

MATERIAUX MINERAUX Amiante Amiante Amiante Argile Argile Argile Basalte Basalte Béton Béton Béton Béton Brique blanche Brique blanche Brique réfractaire Brique rouge Calcaire Calcaire Carbone noir de fumée Carborundum Carborundum Carborundum Céramique Céramique Céramique Céramique Chaux Ciment Craie Craie Email Email blanc Fibre de verre Gravier Gravier Magnésie en poudre Marbre Pierre Plâtre Porcelaine blanche Porcelaine vitreuse Quartz fondu Sable Sable Sable Scories de hauts fourneaux Scories de hauts fourneaux Scories de hauts fourneaux Scories de hauts fourneaux Shingle Silice en poudre Sol .../...

100 30 30 100 30 30 30 30 100 20 30 30 100 1000 1100 20 30 30 90/220 100 30 30 100 100 30 600 30 30 30 30 30 20 20 30 30 30 20 20 30 20 20 20 20 30 30 0/100 200/500 600/1200 1400/1800 20 20 30

2 5 8 à 12 2 5 8 à 12 5 8 à 12 2 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 5 8 à 12 2à5 2 5 8 à 12 2 2à5 5 2à5 2à5 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 8 à 12

0,8 0,9 0,95 0,8/0,95 0,85/0,95 0,95 0,7 0,7 0,9 0,94 0,9 0,95 0,9 0,7 0,75 0,95 0,4/0,98 0,98 0,95 0,95 0,9 0,9 0,8/0,95 0,85/0,95 0,85/0,95 0,6/0,9 0,3/0,4 0,54 0,4/0,97 0,8/0,95 0,9 0,9 0,80/0,98 0,95 0,95 0,2/0,3 0,93 0,92 0,92 0,7/0,75 0,92 0,93 O,6/0,9 0,9 0,9 0,93/0,97 0,78/0,89 0,7/0,76 0,67/0,69 0,74/0,96 0,48 0,9/0,98

THERMOGRAPHIE APPLIQUEE AU CONTROLE DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES - Edition de Novembre 2002 Copyright  INSTITUT DE LA THERMOGRAPHIE 1998-2002

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T .../... Sol humide Sol sec Terre cuite Verre à four Verre époxy Verre paraison Verre paraison Verre plat Verre plat Verre plat Verre plat classique

20 20 70 200/550 20 1100/1200 1100/1200 100 30 30 0/200

dλ

ε (dλ,T) n

2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2 5 2 5 8 à 12 2à5

0,95 0,9 0,91 0,85/0,95 0,86 0,4/0,9 0,9 0,2 0,98 0,85 0,85

2à5 5 8 à 12 5 2à5 2à5 5 5 8 à 12 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 3 2à5 2à5 2à5 2 à 12 2à5 2à5 5 8 à 12 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 2à5 8 à 12 2 à 50,95 2à5 2à5 2à5 2à5 8 à 12 2à5

0,85 0,95 0,95 0,97 0,78 0,83 0,87 0,9/0,95 0,9/0,95 0,8/0,9 0,9/0,95 0,95 0,86 0,95 0,94 0,86 0,8 0,96 0,83/0,98 0,75/0,8 0,98 0,78 0,8/0,95 0,95 0,95 0,91 0,85/0,9 0,84/0,94 0,98 0,84 0,95 0,95

MATERIAUX ORGANIQUES Asphalte Asphalte Asphalte Bande adhésive noire Bois Bois brut Bois de construction Bois naturel Bois naturel Bois planche Caoutchouc Caoutchouc Caoutchouc brut Caoutchouc dur Caoutchouc dur brillant Caoutchouc souple Carton lisse Charbon de bois Contreplaqué Cuir Feuille d'arbre, écorce Laine Papier Papier Papier Papier enduit Papier peint Papier plastifié Peau brute Plastique blanc Plastique noir Plastique opaque Plastique opaque Plexiglass Polypropylène épais Soie Textile Textile vêtements Vinyle épais

0/200 30 30 30 30 20 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 20 30 30 30 0/100 30 30 30 30 30 30 30 30 30 50 30 20 30 30 30 30

0,86 0,97 0,78 0,95 0,95 0,75/0,93

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T

dλ

ε (dλ,T) n

PEINTURE ET EAU 3M black velvet 9560 Eau Eau Givre Glace Glace Huile Krylon blanche mate 1502 Krylon noire mate Krylon noire ultra mate Laque noire brill. (spray) Laque noire mate Laque noire ou blanche Neige Neige Peinture Peinture brillante Peinture à l'huile Peinture huile grise mate Peinture huile noire mate Peinture huile vernie grise Peinture huile vernie noire Peinture mate Peinture pour radiateur

40 0/100 0/100