LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

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1 LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE 1 EMISSION THERMIQUE DE LA MATIERE LE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE LES CORPS NOIRS LES CORPS GRIS 3 2 APPLICATION A LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE DISPOSITIF EXPERIMENTAL CALCUL DE LA TEMPERATURE EQUATION GENERALE DE RADIOMETRIE 5 3 APPLICATIONS DE LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE 6 4 CONCLUSION 7 Thermographie IR Page : 1

2 1 EMISSION THERMIQUE DE LA MATIERE 1.1 LE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE Tout corps placé à une température différente du zéro absolu, émet par surface un rayonnement de nature électromagnétique. Ce rayonnement est caractérisé par : - son énergie - sa répartition spectrale Le rayonnement étant émis par la surface du corps, les caractéristiques de celle-ci ont une grande importance lorsqu on mesure ce rayonnement. Toute surface soumise à un rayonnement électromagnétique, réagit à ce rayonnement de diverses manières : - elle peut absorber ce rayonnement - elle peut réfléchir ce rayonnement - elle peut transmettre ce rayonnement Une surface est donc caractérisée par 4 coefficients : - a : coefficient d absorption - R : coefficient de réflexion - T : coefficient de transmission - ε : émissivité de la surface Dans le cas le plus général, ces 4 coefficients dépendent de la température T et de la longueur d onde et le traitement des résultats est très complexe car il nécessite une bonne connaissance de la variation de ces coefficients. On s efforce donc de se ramener à des cas plus simples. 1.2 LES CORPS NOIRS C est le cas idéal : R = 0 ; T = 0 ; α = 1 ; ε = 1 Un corps noir absorbe la totalité du rayonnement qu il perçoit. De plus, 2 lois caractérisent l énergie émise par le corps noir : L énergie totale émise s écrit : avec σ = 5.67 * 10-8 W/m²K 4 E = ε σ S T 4 La répartition spectrale de l énergie émise par la loi de PLANCK : E(λ) = 5 C1 λ C2 EXP( ) 1 λ T Thermographie IR Page : 2

3 Figure 1 : luminance spectrale du corps noir en fonction de la longueur d onde et de la température La loi WIEN relie la longueur d onde correspondant au maximum d émission avec la température absolue : λ * T = 2898 μm.k On peut donc relier l énergie émise par le corps noir à sa température. Remarque importante : certains corps peuvent être transparents dans un domaine de longueur d onde et se comporter comme des corps noirs dans un autre domaine : Ex : le verre est transparent dans un spectre visible et se comporte comme un corps noir dans l infrarouge. 1.3 LES CORPS GRIS Le corps noir idéal n existe que rarement. Une bonne approximation est donnée par le corps gris. Dans ce cas, l émissivité est supposée constante dans un certain intervalle de longueur d onde et est égale au coefficient d absorption. 0 < ε = α < 1 Dans ce cas : R = 1 α Il est possible d accéder à la température de surface d un corps gris dans les hypothèses précédentes. Toutefois, seules les surfaces grises diffusantes suivent la loi de LAMBERT, c'est-à-dire ont une émissivité normale pour observer une surface chaque fois que cela est possible. Thermographie IR Page : 3

4 2 APPLICATION A LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE 2.1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL Le principe de la thermographie INFRAROUGE repose sur la mesure de l énergie émise par la surface d un corps dans un intervalle de longueur d onde donné. Cette énergie est transmise à travers une optique appropriée sur un détecteur. Le signal du détecteur est ensuite traité par un système de mesure qui permet d accéder plus ou moins directement à la température de la surface visée : l ensemble constitue une chaîne radiométrique. CAMERA IR MICROORDINATEUR MONITEUR IR Figure 2 : schéma du montage expérimental Le système comporte un dispositif de balayage optique de la surface à mesurer. Le signal vidéo qui constitue l «image thermique» de la surface visée en associant échelle de gris à l amplitude du signal du détecteur. L image obtenue sur le moniteur est en noir et blanc : le noir correspond normalement aux points les plus froids et le blanc aux points les plus chauds. Des dispositifs additionnels permettent ensuite de traiter cette image : - Numérisation pour un traitement en fausse couleurs avec visualisation en temps réel sur moniteur vidéo couleur. Dans ce cas le système associe au signal du détecteur une échelle de 8 à 256 couleurs selon le degré de numérisation. - Transfert de l image sur ordinateur pour un traitement plus ou moins sophistiqué permettant une analyse thermique poussée moyennant l introduction des principaux paramètres de la chaine radiométrique : - distance objet-caméra Thermographie IR Page : 4

5 - émissivité de l objet - température de l environnement - température de l air ambiant - objectif utilisé - réglages de la caméra : gamme et niveau de mesure - filtres ou écrans transparent éventuels 2.2 CALCUL DE LA TEMPERATURE EQUATION GENERALE DE RADIOMETRIE La mesure thermographique est le plus souvent appliquée à des objets opaques d émissivité ε, de température T, placé dans un environnement à la température T a éloignés de la caméra d une distance d. Soit : - l : le flux reçut par la caméra : - I : le flux émis par l objet s il avait une émissivité de 1 - I e : le flux émis par l environnement - l a : le flux émis par l atmosphère si son émissivité était de 1 L équation radiométrique s écrit : I = τ 0 ( ε I + ( 1 ε ) I e + ( 1 τ 0 ) I a ) où : - ε I : flux émis par l objet - (1 ε) Ie : flux réfléchi sur l objet - τ 0 : coefficient de transmission atmosphérique L absorption due à l atmosphère n est sensible que pour les mesures à longues distance (> 5m) ou dans les atmosphères très humides. Les mesures de la caméra infrarouge sont donc facilités lorsque : - l émissivité de la surface est la plus élevée possible - la température de la cible est très supérieure à la température de l environnement - la distance de la cible n est pas trop grande Le calcul de la température peut donc s effectuer à partir des courbes d étalonnage de l objectif utilisé et de la mesure des Unités Isométriques relevées sur le moniteur de la caméra. Ce calcul peut être effectué directement par ordinateur qui affiche une échelle de la correspondance de la température couleur en face de chaque thermogramme. Il est également possible d enregistrer sur magnétoscope une image vidéo obtenue lorsque le traitement direct par ordinateur «in situ» n est pas envisageable. Cet enregistrement permet l observation des phénomènes thermiques lentement variable au cours du temps. Thermographie IR Page : 5

6 3 APPLICATIONS DE LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE L aptitude de la Thermographie Infrarouge à la détection et à la mesure de la température des corps par mesure directe de leur rayonnement peut être utilisée dans de nombreuses applications. On distingue deux grands domaines d application : - l Imagerie Thermique : le but essentiel de l imageur thermique est surtout la détection et la reconnaissance de formes. Les caméras Infrarouge utilisées en imagerie sont donc orientées vers une haute résolution spatiale afin de faciliter cette reconnaissance. On utilise les imageur thermiques : - dans le domaine militaire pour la surveillance, la détection, la reconnaissance de la «signature thermique» d un objet ou d un être ami ou hostile et la visée nocturne. Les pilotes de combats par exemples utilisent la visée infrarouge pour le vol de nuit sans visibilité à basse altitude. - dans le domaine civil pour la surveillance et la détection des défauts sur des installations sensibles. Il est ainsi possible de prévenir les ruptures de circuits électriques ou les défauts d isolation qui se traduisent par des surchauffes. E.D.F. inspecte systématiquement toutes les lignes de transport électrique Haute tension par thermographie Infrarouge héliportée. - la Mesure de la température : la caméra Infrarouge permet donc de déterminer avec précision la température de paroi de la plupart des solides et des liquides sur une surface donc en 2Dimensions et également d enregistrer la variation de cette température dans le temps. On utilise la caméra infrarouge : - dans le domaine médical : la peau humaine est un excellent émetteur IR. Son émissivité moyenne est très élevée 0.98 environ (quelque soit la couleur). On utilise donc la thermographie dans la détection des affections cutanées ou superficielles (cancers du sein par exemples), pour tester la réussite des greffes de peau chez les grands brulés ou l intensité des coups chez les grands sportifs. Il faut noter que c est une des rares méthodes qui n utilise aucun rayonnement parasite à travers le corps humain puisqu elle utilise directement le rayonnement propre contrairement aux méthodes radiographiques classiques ou modernes qui utilisent les rayons X en quantités plus ou moins importante - dans le domaine industriel : la mesure d une cartographie superficielle de température permet de contrôler une fabrication en continu (le verre par exemple) ou l isolation d un four de haut fourneau qui ne peut pas être arrêté. - dans le domaine de la recherche et développement : la thermographie est très souvent utilisée pour la mise au point de système dégagent de la chaleur (freins à disques par exemple) dans des domaines très variés : cartes électroniques, moteurs, échangeurs, etc... Thermographie IR Page : 6

7 4 CONCLUSION La thermographie Infrarouge est une technique de mesure de température de paroi très sensible et très précise qui peut apporter des informations rapidement dans de nombreux domaines. Son utilisation reste malheureusement liée à du matériel de haute technologie dont le cout est très élevé et à du personnel très qualifié pour éviter des erreurs dans l interprétation des images thermiques qui nécessite une bonne connaissance de la physique et des conditions réelles de la mesure. Thermographie d un haut parleur Thermographie d une carte électronique Thermographie d un convecteur de chauffage à circulation de fluide en fonctionnement pendant sa mise en température. Elle permet de déterminer les zones de circulation du fluide thermique et donc d améliorer la géométrie interne du convecteur pour éviter les surchauffes locales. Thermographie IR Page : 7

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