cours_thermographie

CT04 Printemps 04

Thermographie Infrarouge

Mesurer une température

Contact :

Rayonnement:

Simple à comprendre  Peu coûteux  Qualité du contact avec l’objet

Simple à mettre en oeuvre  Pas de contact (pas de perturbation)  Capteur plus élaboré coût supérieur  Grandeurs d’influence à prendre en compte





Mesurer une température

Contact :

Rayonnement:

Simple à comprendre  Peu coûteux  Qualité du contact avec l’objet

Simple à mettre en oeuvre  Pas de contact (pas de perturbation)  Capteur plus élaboré coût supérieur  Grandeurs d’influence à prendre en compte





Norme Norme AFNOR A 09-400 : thermographie = technique permettant d’obtenir, au moyen d’un appareillage approprié, l’image thermique d’une scène thermique dans un domaine spectral de l’infrarouge  Abus de langage : thermographie s’applique à tout le spectre électromagnétique : thermographie infrarouge, thermographie optique (ou pyrométrie), thermographie micro-ondes

Généralités

Fréquence (Hz)

Plusieurs niveaux d’informations Imagerie thermique Radiographie infrarouge Thermographie infrarouge Thermographie infrarouge : technique de mesure des luminances et des températures (quantitatif) + technique d’imagerie thermique (qualitatif)

Pourquoi contrôler en mesurant la température? Contrôle de pièces : Observation des effets thermiques de surface = informations sur la structure interne d’un matériau (mise en évidence des inhomogénéités de structure) Contrôle de procédés : qualité d’un produit est conditionnée par la rigueur du contrôle des paramètres thermiques de son procédé de fabrication

Principe de fonctionnement Chaîne de mesure : de l’émetteur (objet rayonnant) au récepteur (radiomètre)

L’émetteur Rayonnement thermique = onde électro-magnétique associée à l’énergie d’agitation thermique des particules de la matière Énergie rayonnante (tout l’ espace, tout le spectre )

Grandeur physique importante Luminance énergétique spectrique L : énergie par unité de temps , par unité de surface , par unité d’angle solide et par unité de bande spectrale (W.m-3.sr-1)

Corps noir Corps noir = émetteur parfait : absorbe tous les rayonnements incidents ∀λ et ∀ leur direction. Ex : cavité

Sa luminance énergétique spectrique obéit à la loi de Planck   L0λ

=

C 1 λ

π exp(

−5

C 2

λT 

en W.m-3.sr-1

) −1

Constantes du rayonnement C1=3.741.10-16 W.m2 C2=1.439.10-2 K.m

Loi de Planck  Loi de Planck ⇒la luminance spectrique dépend de λ et de T

Loi de Wien Faisceau de courbes paramétrées par T ⇒ pour chaque T, il existe λmax telle que L soit maximale  dL0λ     0 =  d λ      λ =λmax ∃

relation entre T et λmax

Loi de Wien

 L0λ (λ max )

λmax =

2898

= 1.286.10

T  −15

T 

5

Loi de Stefan-Boltzmann Loi de Stefan-Boltzmann⇒la luminance totale dépend de T ∞

 L

0

=∫ 

 L0λ 0

4 σ ⋅d λ = T  π

 Avec σ = 5.670.10-8 W.m-2.K -4 constante de Stefan-Boltzmann

Corps réels Corps réel ≠ corps noir : le flux émis est toujours inférieur à celui

du corps noir, ∀λ et ∀T

4 facteurs importants :

-émissivité -facteur de réflexion -facteur d’absorption -facteur de transmission

Emissivité Émissivité (facteur d’émission) : facteur de comparaison des émissions de l’objet réel et du corps noir (mêmes conditions)

 Lλ(r ,T ) ε(λ,r ,T )= 0  Lλ(T ) r

r

 L (r ,T )d λ ∫  ε(∆λ,r ,T )= ∫  L (T )d λ r

λ

r

 Valeur moyennée sur un intervalle de bande spectrale (largeur ∆λ)

0 λ

∆λ

Emissivité L’émissivité depend de 4 facteurs :  le matériau et son état de surface  La longueur d’onde  La direction d’émission  La température du matériau

Matériau et état de surface Etat de surface

Surface rugueuse et/ou oxydée ⇒ ε élevée

Fer 1. 600°C/9h - 2. 400°C/9h - 3. Lisse non oxydé

Matériau

(conductivité électrique) Isolant : ε élevée Conducteurs : ε plus faible

Sélectivité d’un corps réel  Variation de ε=

avec la longueur d’onde

f(λ) ⇒ corps sélectif  ε indépendant de λ ⇒ corps gris ε =1 ∀ λ ⇒ corps noir Dans une bande spectrale ∆λ, corps sélectif = corps gris ou noir

Direction d’observation  Variation de

avec l’angle d’observation

1. Caoutchouc à 80°C chargé au

graphite entre 3 et 5 µm 2. Acier inox 304 à 5 µm

Impératif : Angles d’observation < 45°- 60°

Effet de la température  Variation de

avec la température

Tables d’émissivité

Réflexion, absorption, transmission -facteur de réflexion ρ -facteur d’absorption α -facteur de transmission τ Conservation de l’énergie : Énergie incidente = énergie transmise+énergie absorbée+énergie réfléchie

α(λ,r )+τ(λ,r )+ ρ(λ,r )=1 r

r

r

Principe de fonctionnement 2de loi de Kirchhof : flux absorbé = flux ré-émis

α(λ,r )=ε(λ,r ) r

r

ε(λ,r )+τ(λ,r )+ ρ(λ,r )=1 r

r

r

Corps opaque : τ=0 (hypothèse de base d’une mesure thermographique)

ε(λ,r )+ ρ(λ,r )=1 r

r

Cas limite du corps noir : corps opaque qui absorbe tous les rayonnements : τ=0 and ρ=0

ε(λ,r )=1 r

Cas particulier : transmission atmosphérique Existence de bandes interdites (composition chimique de l’atmosphère)

⇒Définition

bande spectrale fonctionnement détecteurs SW (OC) ondes courtes 3-5.5 µm LW (OL) ondes longues 8-12 µm

Épaisseur atmosphère = 30 m

Emetteur

Caractéristiques : Température T0 Émissivité spectrale directionnelle ε Facteur spectral de réflexion directionnel ρ Facteur spectral de transmission directionnel

Récepteur

ThermaCam PM595 - FLIR 

Caméra infrarouge = radiomètre à balayage spatial

Radiomètre Luminance  Lλ Grandeur radiométrique : tension V, courant I

détecteur de rayonnement = transducteur d’énergie

Equation du radiomètre

Gain de l’amplificateur

Facteur géométrique R : aire du récepteur Luminance spectrique

G  R π V (λ)= smax. sr (λ). 2 Lλ 4 N 

Sensibilité maximale de la Sensibilité spectrale relative caméra

N : nombre d’ouverture du radiomètre

Synthèse 3. Linéarité de la caméra V (λ ) =

4. Mesure de T V (λ ) =  f  (T )

AL0∆λ

2. Bande spectrale  L0∆λ

=

∫  L d λ 0 λ

∆λ

1. Loi de Planck   L0λ

=

C 1 λ

π exp(

−5

C 2

λT 

) −1

Types de détecteurs Détecteurs de rayonnement :  Détecteur thermique : signal fonction de sa température – détecteur lent, constante de temps : 10-3 s.  – peu cher, peu fiable, pas de mesures absolues  Détecteur quantique : signal proportionnel au nombre de photons reçus – détecteur rapide, constante de temps : 10-6 à 10-9 s.- nécessité d’un refroidissement en dessous de l’ambiante

Balayage spatial  Adjonction d’un scanneur au radiomètre : dispositif  opticomécaniques (miroirs, lames à faces parallèles, prismes…) Balayage 1D uniquement : analyseur-ligne

Hypothèses importantes pour la mesure •Linéarité de la caméra •Compensation de la dérive de la caméra •Surface élémentaire observée = corps gris dans la bande spectrale de la caméra •Objet observé = corps opaque pour la bande spectrale utilisée •Critère de mesurabilité spatiale vérifié •Environnement = corps noir de température uniforme •Homogénéité milieu de propagation (pas de diffusion) •Facteur de transmission spectral milieu constant sur la bande spectrale

 Applications Contrôle de produits et contrôle de procédés Maintenance industrielle et surveillance Recherche et Développement 

Contrôle de produits Propagation des flux de chaleur dans le matériau⇒informations sur sa structure interne Nécessité d’un régime thermique transitoire : Caractère impulsionnel ou local du chauffage CND matériaux composites⇒défauts de collage ou délaminage 

Banc de CND par thermographie

Contrôle de procédés Méthode passive : Utilisation de la chaleur du procédé pour cartographier le produit

PASSIVE

Comparaison avec un modèle de difusion parfait

Méthode active: Choc thermique créé sur le produit refroidi Mesure de la propagation de l’onde thermique⇒présence de défauts

 ACTIVE

Contrôle du refroidissement du verre plat Refroidissement du verre doit être très lent (éviter la cristallisation) ⇒passage en étenderie (gradient thermique de refroidissement) avec contrôle par thermographie IR 

Contrôle de calandrage de papier

 Variation importante de température ⇒variation d’épaisseur du papier

Contrôle du laminage de l’acier Détection d’une chute de gradient thermique sur les rives du laminé ⇒correction du procédé par réchauffement local

Contrôle de soudures Cordon de soudage

Soudage à la molette

0.2 mm largeur 25 mm longueur

2 à 10 cm largeur ∆T=1°

Génération d’alarmes en cas d’écart aux bonnes règles de procédés

Contrôle du refroidissement en cimenterie

 Valeur moyenne de température sur chaque zone ⇒ pilote la ventilation avec critères multiples (minimum consommation énergétique,récupération maximale des calories, sécurité de fonctionnement des grilles de

Diagnostic – génie civil Contrôle étanchéitéisolation de bâtiments

Surveillance Possibilité de suivre un objet en mouvement ⇒applications militaires

Mesure de contraintes Équation de Kelvin

α ∆T  = −T 0 ∆σ ρc p

cp capacité thermique massique, α coefficient de dilation thermique, ρ masse volumique, T0 température initiale

Bras de suspension sollicité à 7 Hz ⇒cartographie des contraintes en surface

R&D (agroalimentaire) Contrôle du séchage de la surface de citrons

durée optimale du séchage (selon épaisseur cire, vitesse de flux d’air chaud) ⇒

Control of citrus surface drying by image analysis of infrared thermography, Journal of  Food Engineering, Volume 61, Issue 3, February 2004, Pages 287-290 P J Fito M D Ortolá R De los Reyes P Fito and E De los Reyes

R&D (vulcanologie) Birth, growth and morphologic evolution of the `Laghetto' cinder cone during the 2001 Etna eruption, Journal of Volcanology and Geothermal Research, Volume 132, Issues 2-3, 30 April 2004, Pages 225-239 Sonia Calvari and Harry Pinkerton

R&D (biomédical) Avec chauffage

30 s après coupure du chauffage

Mesure des pertes énergétiques d’enfants prématurés suite à une variation brutale de la température ambiante

90 s après coupure du chauffage Infrared thermographic calorimetry applied to preterm infants under radiant warmers, Journal of Thermal Biology, Volume 24, Issue 2, April 1999, Pages 97-103 J.R. Ek, E. F. Bell,

Conclusion Thermographie infrarouge Avantages Inconvénients Pas d’interférence avec la Personnel formé scène mesurée Paramètres d’influence (émissivité…) Sécurité de l’utilisateur  Tous types matériaux  Nécessité d’un étalonnage (isolant, conducteur, du récepteur   biologiques…) Équipement coûteux (caméra+logiciel) Large gamme de températures d’utilisation Variété des contrôles (produits, procédés) Réactivité de la mesure Automatisation 

En savoir plus… •Mesure par thermographie infrarouge, D. Pajani, Add Editeur, 1989 •La thermographie infrarouge, G. Gaussorgues, Ed. Tec&Doc, 1999 •L’observation et le mesurage par thermographie, J. Caniou, Ed.  AFNOR, 1991 •Site Internet : http://www.institut-thermographie.com •Normes AFNOR