La Thermographie Infrarouge

April 5, 2018 | Author: Ahmed Souissi | Category: Thermography, Angular Resolution, Infrared, Electromagnetic Spectrum, Physical Phenomena
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Technique de maintenance préventive...

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Cours: Maintenance industrielle

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Thermographie infrarouge 1. Généralités 1.1.

Mesure de la température

Un corps chaud est caractérisé par sa température. La mesure évidente est celle par contact : 

dilatation de liquide ou de solide;



thermocouple;



cristaux liquides.

Mais l'inconvénient majeur est l'impossibilité de faire la mesure d'un grand nombre de points en temps réel. De plus, des problèmes d'accessibilité, de potentiel électrique… peuvent se poser. La seconde méthode, se fait par la mesure du rayonnement infrarouge. La thermographie infrarouge en temps réel se décompose en deux domaines : l'imagerie (militaire, cinéma, médical) et la mesure (recherche, maintenance préventive conditionnelle). L'étude de la signature thermique d'un système ou de ses composants permet de déterminer les zones d'échauffement qui sont souvent caractéristiques de la dégradation du système. Les avantages de cette méthode sont : 

rapidité de mise en œuvre des mesures;



localisation des points chauds;



précision dans les mesures des températures;



mesures sans contact sur des objets : - en mouvement; - sous tension; - inaccessibles; - polluants ou polluables;

 l'accès à des environnements sévères.

1.2.

Le Rayonnement Thermique

Tous les objets qui ont une température supérieure à 0°K (-273°C) émettent de l’énergie sous forme de radiations (appelé rayonnement électromagnétique). La relation entre la température de l’objet et sa radiation est exprimée par l’équation de Stefan-Boltzman.

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Équation de Stefan-Boltzman

Plus la température est élevée, plus le rayonnement est intense. Ce rayonnement électromagnétique se propage à la vitesse de la lumière et qui est très souvent imperceptible à nos sens. Lorsqu'un objet est suffisamment chaud (plus de 700 degrés), nous percevons une partie de ce rayonnement avec nos yeux : c'est le rayonnement visible ; par exemple le filament d'une lampe à incandescence (environ 1000 degrés) ou le soleil (égale à 5785 °K) émettent un rayonnement dont une bonne partie est visible. Mais notre corps ne possède aucun récepteur pour le rayonnement émis par les objets plus froids, par exemple les objets à température ambiante à la surface de la Terre (15 degrés en moyenne) ou même notre propre corps (environ 37 degrés). Lorsque nous regardons notre main, ce que nous percevons c'est le rayonnement visible diffusé par notre peau, ce n'est pas le rayonnement émis par la peau de notre main (d'ailleurs, la nuit, on ne voit plus notre main du tout). Qu'est-ce-qui différencie le rayonnement émis par un objet à 20°C et un objet à 6000°C ? Cette différence est d'abord liée au fait que ce rayonnement électromagnétique est composé d'ondes, lesquelles sont caractérisées en particulier par leur longueur d'onde. Plus la température du corps qui émet est chaude, plus la longueur d'onde est petite. Ainsi le Soleil dont la température est d'environ 5785 °K, possède un rayonnement électromagnétique composé essentiellement de rayons ultraviolets, de lumière visible et de rayons infrarouges de 0.4 et 0.7 micromètre C'est le domaine « visible ». Tandis que la surface de la Terre (température en moyenne d'environ 15°C) va émettre dans les longueurs d'ondes entre 4 et 20 microns. On appelle ces longueurs d'onde l'infra rouge.

1.3.

L'infrarouge, c'est quoi?

C’est une partie du spectre électromagnétique (voir figures 1 et 2) située juste après la bande du visible. Les bandes de longueurs d’onde ne sont pas définies strictement, elles changent graduellement et se chevauchent mais on peut situer la bande infrarouge entre 0.7μm et 14μm.

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Par comparaison, la bande des longueurs d’ondes visibles se trouve entre 0.4 et 0.7μm, seulement 0.3μm pour l’intégralité de toute la lumière qui parvient à notre œil. C’est donc une bande très large qui a le pouvoir de nous révéler le rayonnement thermique. Mais il n’est pas limité au seul domaine de l’infrarouge, l’énergie du soleil par exemple est bien plus intense dans le spectre visible qu’en infrarouge.

Figure 1 : Spectre électromagnétique 1.

Figure 2 : Spectre électromagnétique 2.

1.4.

Eléments de radiométrie

1.4.1. Principe Energie incidente

Objet

Absorption

Transmission Réflexion Emission

Figure 3:Emissivité.

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Suivant les principes de la thermodynamique (loi de Kirchhoff) : Absorption = Emission L'émission est fonction de : 

la température T°;



la longueur d’onde .

D’après la loi de Kirchhoff : Emission + Transmission + Réflexion = 1. Si l'objet est considéré opaque, on a une transmission nulle, d'où : Emission + Réflexion = 1

1.4.2. Emissivité Elle est notée  et varie avec la température et la longueur d'onde. =

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

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

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Si le comportement d'un corps noir est connu, celui d'un autre corps ne l'est pas. On se sert donc du corps noir comme étalon pour déterminer l'émissivité du composant observé.

1.4.4. Notion de corps gris : Le terme de corps gris est une notion abstraite qui permet d'effectuer des mesures relatives. On pose comme hypothèse de base que dans la bande des 3 à 5m, l'objet mesuré est un corps gris.

1.4.5. Les corps brillants Les corps brillants, tels les miroirs, ont une très grande réflectivité. En se reportant à l'équation de Drapper, on a : () = 0. En annexe, un tableau donne la valeur de l'émissivité de différents matériaux.

1.4.6. Equation radiométrique Environnement

R E



T Caméra IR Atmosphère

L' étant la luminance reçue par la caméra, on a la relation suivante : L' = Lobjet  objet  atmosphère + Lenvironnement  (1 - (objet  atmosphère)) La correspondance luminance / température est déterminée grâce à l'étalonnage sur une batterie de corps noir de référence.

1.5.

Principe de la thermographie

1.5.1. Fiabilité des mesures Un des principaux problèmes posé par la thermographie infrarouge réside dans la fiabilité des mesures. Elle dépend :

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 du contrôle de la dérive des températures absolues;  du contrôle du bruit, c’est-à-dire de la perturbation, générée par l'élévation de température du capteur. Pour éviter ce phénomène, on peut refroidir le capteur mais les cameras de dernière génération n'ont plus besoin d'être refroidies, un système logiciel de correction de la dérive des mesures est inclus dans l'appareil. Régulièrement (toutes les 30 s) des sondes de température intégrées dans la caméra informent de la température. La partie traitement peut ainsi en tenir compte pour recalibrer la mesure.

1.5.2. Détection Les caméras à infrarouge sont équipées d'une matrice en oxyde de vanadium regroupant une multitude de capteurs qui transforment le rayonnement reçu en tension électrique. Z

Optique Filtre

Y

Matrice

Champ total exploré

1.5.3. Résolution thermique C'est la plus petite variation de température discernable par l'appareil. C'est aussi ce l'on appelle le M.R.T.D (Minimum Resolvable Temperature Difference). En d'autres termes il s'agit du contraste de températures apparentes nécessaire pour séparer les détails d'une image. Exemple : 0,1°C à 30°C. Elle dépend : 

de la surface du détecteur;



de la bande passante de l'électronique (le bruit augmente avec la bande);



de la détectivité spécifique du capteur (minimum requis);

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de la quantité de flux émise.

1.5.4. Précision thermique (justesse) C'est la valeur absolue de la mesure, connue avec plus ou moins de précision. Exemple : 0,5°C d'erreur pour 15°C soit 3 %. Cette précision est appelée aussi N.E.T.D. : Noise Equivalent Temperature Difference. Le bruit apparaît comme l'effet de neige lorsqu'une caméra travaille avec une luminosité trop faible. Il ne faut pas confondre précision et résolution.

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

Lreçu = Lobjet + Lenvironnement 1.5.6. Conditions des mesures Il faut respecter les conditions suivantes : 

angle de mesure ne dépassant pas 45 ° par rapport à l'objet;



émissivité > 0,6;



taille de l'objet conforme à la résolution spatiale;



prise en compte de l'environnement extérieur.

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1.5.7. Emissivité de matériaux usuels Emissivité de matériaux usuels, pour un angle d'observation  = 0° à  = 5 m Matériau Température en °C Emissivité Or poli Laiton poli Argent poli Aluminium poli Cuivre poli Nickel poli Magnésium poli Acier poli Fer blanc Acier inoxydable 18/8 poli Fer, fonte, polis Nickel oxydé Aluminium anodisé Laiton oxydé Fer, fonte, oxydés Fer, fonte très oxydés Cuivre oxydé Acier oxydé Neige Sable Bois Béton Vernis blanc Papier Plâtre Terre sèche Brique rouge Verre poli Peinture à l'huile Carbone noir de fumée Terre saturée d'eau Eau distillée Vernis noir mat Carbone graphite Peau humaine Glace

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40 100 100 100 20 20 20 100 100 20 100 200 100 100 20 20 100 60 -10 20 20 20 100 20 20 20 20 20 20 20 20 100 20 32 -10

0,02 0,03 0,03 0,05 0,05 0,05 0,07 0,07 0,07 0,16 0,21 0,37 0,55 0,61 0,64 0,69 0,78 0,85 0,85 0,9 0,9 0,92 0,92 0,92 0,92 0,93 0,94 0,94 0,95 0,95 0,96 0,97 0,98 0,98 0,98

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2. Thermographie infrarouge C’est une technique de mesure de rayonnements thermiques émis par la surface de l’objet étudié, utilisant une caméra infrarouge. La figure 3 représente un exemple de caméra infrarouge moderne utilisée dans l’industrie pour la maintenance conditionnelle.

Figure 4: Caméra infrarouge.

Un détecteur infrarouge émet des signaux qui sont exploités de façon à fournir sur un écran approprié une image représentant la distribution thermique de l’objet (voir figure 4).

Figure 5:Distribution thermiquecaptée par une caméra infrarouge.

Les applications de la thermographie pour la maintenance conditionnelle sont nombreuses, par exemple :  Détection et localisation des fuites présentées par une canalisation enterrée de fluide chaux. SOUISSI Ahmed Saâdeddine

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 Détection et localisation des défauts sur des installations de chauffage électrique par le sol.  Détection des échauffements pour les lignes de transports électriques, et les points de connexion des appareillages (sectionneurs, disjoncteurs, etc.).  Contrôle de l’état des réfractaires de fours en fonctionnement.  Etc. La thermographie permet donc de prévenir les pannes, les arrêts de productions, des incendies ou départs d’incendies et d’entreprendre des actions correctives ciblées et programmées dans le temps.

2.1.

Types d’inspection

L'inspection peut être qualitative ou quantitative : Inspection qualitative : elle permet de localiser les points chauds sans en mesurer les températures. L'inspection quantitative : permet elle aussi de localiser les points chauds mais permet d'évaluer la variation de température selon certains critères et d'évaluer l'intervention corrective requise. Dans les deux types d'inspections un rapport couleur avec photo infrarouge et digital est remis au client ainsi qu'une version en fichier Adobe PDF. Et le rapport peut inclure un enregistrement vidéo digital. L'enregistrement de séquences infrarouges radiométriques permettent de voir les phénomènes en régimes transitoires, il est possible d'enregistrer un nombre d'images radiométriques par seconde (selon la performance de la caméra infrarouge) pour ensuite les analyser dans un logiciel (comme le Flir ThermaCAM, Reporter Pro ou le Flir ThermaCAM Researcher…).

2.2.

Domaines d’application

La thermographie est donc une méthode de contrôle de matériels de différentes natures et dans plusieurs domaines.

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2.2.1. Domaine électrique La Thermographie permet de vérifier les installations électriques sous tension sans aucun arrêt de production. Puisque l'opération est sans contact, il est possible de localiser rapidement les points chauds indécelables à l’œil nu résultant par exemple, de connexions desserrées ou oxydées, de mauvais sertissages de cosses, de mauvais contacts, de surcharges de câbles ou d’appareils (disjoncteur, fusible, transformateur). Avant une panne, il est fréquent de voir une élévation de la température des composants défectueux. La fiabilité des installations dépend directement de la capacité à prévoir les pannes. L'imagerie thermique permet de mesurer les écarts de température avec précision permettant ainsi quelle action corrective à entreprendre et à quel moment.  Une large palette d’applications Sous-stations électriques

       

disjoncteurs sectionneurs jeux de barres conducteurs groupes de mesures isolateurs inductances transformateurs

Lignes aériennes à haute tension

   

isolateurs manchons conducteurs mise à terre du fil de garde

Alternateurs

   

circuits magnétiques connexions rotoriques (à l'arrêt et en rotation) bobinages statoriques (brasures, connexions) localisation des défauts de court-circuit entre spires vérification de la qualité des réparations effectuées



Transformateurs

 

bornes de traversées primaires et secondaires connexions du couplage (pour les transformateurs à sec)

Distribution électrique

 

transformateurs sources d'alimentation, onduleurs, batteries, filtres démarreurs de moteur connecteurs raccords disjoncteurs fusibles relais, contacteurs

     

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 Prévention des incendies d’origine électrique. Sur les incendies en milieu industriel, 25% de ceux ci sont d ‘origine électrique (c’est la plus grande source d’incendie).

Figure 6: Incendie déclaré dans une armoire électrique suite à un mauvais serrage.

La prévention des incendies d’origine électrique intéresse tout particulièrement les assureurs qui peuvent être amenés à demander à leurs clients de faire procéder à des contrôles de leurs installations électriques par thermographie infrarouge avec fourniture de déclaration. Un programme d'inspection thermographique peut être très avantageux pour un client avec un retour d'investissement très rapide. En moyenne pour 1$ (environ 1,4 Dinars) d'inspection infra rouge sur une installation électrique il y a 4$ (environ 5,6 Dinars) de retour sur les matériaux et le temps de réparation avant le bris et selon certains facteurs le ratio peut aller jusqu'a 1/20 (référence de la revue Maintenance Technology 2005 Infrared Thermography Guide Par Linda K. Fischer).

 Exemples

Figure 7 : Problème de connexion.

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Figure 8:Domaine électrique Haute tension

Figure 9: Défaut de serrage à la borne d'un transfo HTA.

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Figure 10: Oxydation à la borne d'un disjoncteur.

Figure 11 : Mauvais serrage de la connexion.

Figure 10 : Disjoncteur : mauvais serrage de la connexion, entraînant une élévation de température très importante. Câble très dégradé et très oxydé pouvant provoquer un début d'incendie.

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Figure 12 : Mauvais serrage de la connexion.

Figure 13 : Exemple de détection d’élévation de température des composants électrique.

2.2.2. Procédé industriel La thermographie permet de localiser les surchauffes des roulements à billes, des boîtiers d'engrenages, des moteurs. Elle permet aussi de localiser des fuites dans des trappes à vapeur, des vannes d'isolement, la dégradation du réfractaire des fourneaux et des niveaux à l'intérieur des réservoirs.

 Exemples

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Figure 14: Echauffement au niveau de l’arbre du moteur.

Figure 15: Localisation des niveaux à l'intérieur des réservoirs.

Figure 16: Contrôle d'échauffement sur des roulements.

2.2.3. Secteur Bâtiment

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La Thermographie permet de vérifier les pertes thermiques dans les murs, plafonds et les fenêtres. Elle permet aussi de localiser des problèmes d'infiltration d'eau dans les toits et les structures et de localiser de câble chauffant et de chauffage radiant à l'eau chaude.

Figure 17: Localisation précise de la fuite. Gain de temps, travaux ciblés et localisés.

Figure 18: Localisation de perte thermique et d’infiltration.

2.2.4. Autres domaines La thermographie infrarouge est utilisée notamment dans d’autres domaines. Tel que :  Militaire (voyance nocturne,…)  Protection civile (par exemple en Suisse : détection des personnes disparues lors des avalanches « chute de neige »).  Médicale : cette technique est utilisée en extrême orient (Chine, Corée …), dans le but de détecter les personnes atteintes de la maladie grippe aviaire. Une caméra infrarouge est un outil très efficace pour le dépistage des maladies virales au stade précoce. Elle produit des images infrarouges qui mettent en évidence le moindre écart de température. La thermographie infrarouge permet d'élaborer une véritable « carte » de SOUISSI Ahmed Saâdeddine

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la température de la peau en temps réel. En outre, les caméras infrarouges sont des appareils d'une grande sensibilité. Les caméras infrarouges FLIR sont capables de détecter des écarts de température de 0,08 ºC.

Figure 19: Dépistage des maladies virales par thermographie infrarouge.

3. Conclusions La thermographie infrarouge est devenue un des outils de diagnostic les plus précieux pour la maintenance préventive. Les applications de cette technologie sont très variées dans la maintenance électrique, et la maintenance mécanique. Elle possède plusieurs avantages : 

Augmentation de la disponibilité des installations par détection rapide des défauts sans interruption du fonctionnement de l'installation.



Détermination des priorités pour les tâches de maintenance.



Diminution du temps consacré aux tâches de maintenance préventive.



Satisfaction aux exigences fixées par les assurances.



Protection du capital investi.



Accélération et amélioration du diagnostic.



Vérification des travaux de réparation.



Détection des anomalies d’échauffement invisibles à l’œil nu, nous pouvons anticiper et prévenir la coupure ou l'arrêt intempestif ou, beaucoup plus grave, le départ de feu et incendie.

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Références bibliographiques BOUCLY Françis, Le management de la maintenance : Evolution et mutation, AFNOR, Paris, 1998. ISBN 2 12 466 721-1.

Références Electroniques http://www.cnes.fr (Février 2009). http://auvergne-infrarouge.com (Février 2009). http://www.auratec.fr/bureau-controle-chambery.htm (Février 2009). http://www.lucducharme.com/html_fr/Thermographie.html (Février 2009). http://flickr.com/photos/[email protected]/2328692289/ (Février 2009). http://www.flir.fr/thermographie/formation.php (Février 2009). www.infrarouge-carmin.com (Février 2009). http://www.ge-connect.ch/2007/rubriques/produits/connect-thermoelec.php (Février 2009). http://www.thermographie-services.com/electricite_ir.html (Février 2009). www.infrarouge-carmin.com (Février 2009). http://www.maint-control.com/site/actualites (Février 2009).

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