La thermographie infrarouge

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1 La thermographie infrarouge Christophe Delmotte, ir Laboratoire Qualité de l Air et Ventilation CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction 29/02/2008 Définition 2 1

2 Le rayonnement électromagnétique La matière émet et absorbe en permanence du rayonnement électromagnétique Le processus d émission est lié à l agitation moléculaire interne de la matière qui génère des transitions radiatives pour les particules élémentaires porteuses de charges électriques Une élévation de température accroît l agitation moléculaire au sein de la matière 3 Le rayonnement électromagnétique L émission de rayonnement électromagnétique constitue une libération d énergie La longueur d onde du rayonnement émis croît en raison inverse de l énergie mise en cause dans la transition Le spectre de rayonnement est divisé en un certain nombre de régions arbitraires, correspondant à des domaines de fonctionnement des générateurs ou des récepteurs appropriés 4 2

3 Le spectre électromagnétique Energie RAYONS γ RAYONS X ULTRA VIOLET V INFRAROUGE ONDES RADIO 0.001Å 0.01Å 0.1Å 1Å 10Å 100Å 0.1µm 1µm 10µm 100µm 1mm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 0.35µm Longueur d onde 0.75µm 5 Le rayonnement du corps noir Corps noir objet capable d absorber tout rayonnement incident Il est aussi capable d émettre des radiations à toutes longueurs d ondes L émission spectrale (c-à-d la puissance rayonnée) du corps noir est décrite par la loi de Planck Elle est fonction de la longueur d onde et de la température 6 3

4 Loi de Planck - Emission spectrale du corps noir 1.00E E E+13 Soleil T=6000 K Emission spectrale (W/m³) 1.00E E E E E E E E E+04 Ambiance T=293 K 1.00E E+02 Loi de Wien 1.00E E Longueur d'onde (μm) INFRAROUGE 7 Le rayonnement du corps noir Pour des niveaux de température courants sur terre (de -50 C à 2000 C environ) les ondes émises naturellement par les matériaux le sont dans un domaine qui s appelle l infrarouge thermique 8 4

5 Transmission atmosphérique du rayonnement L atmosphère ne laisse passer que certaines longueurs d onde 9 Transmission atmosphérique du rayonnement Ondes courtes μm Ondes longues μm 10 5

6 Les corps réels Un corps noir absorbe tout le rayonnement incident Les objets communs ne sont en général pas des corps noirs! Ils n absorbent qu une fraction du rayonnement incident ils en réfléchissent une partie et en transmettent une autre partie 11 Les corps réels Le rayonnement arrivant sur un corps peut donc soit: Être absorbé Être réfléchi Être transmis 12 6

7 Les corps réels A l équilibre, le terme d absorption doit être compensé par un terme d émission A(λ) = ε(λ) ε(λ) + R(λ) + τ(λ) = 1 (100 %) 13 L émissivité Émissivité spectrale ε(λ): Rapport entre l émittance spectrale d un corps et l émittance spectrale d un corps noir à la même température 14 7

8 L émissivité L émissivité spectrale ε(λ) dépend: De la nature de la surface De la longueur d onde De la température de la surface De la direction d observation par rapport à la surface L émissivité totale: Rapport entre l énergie rayonnée par un matériau à la température T et l énergie rayonnée par un corps noir à la même température C est l intégrale de l émissivité spectrale 15 Les problèmes liés à l émissivité Le flux de rayonnement d un objet c-à-d ce que peut mesurer une caméra thermique dépend de la température de l objet et de l émissivité de l objet L évaluation d un de ces deux paramètres nécessite la connaissance de l autre! Il existe des tables d émissivité pour s en sortir 16 8

9 L émissivité 17 L émissivité Influence de l angle d incidence 18 9

10 Les problèmes liés à la réflectivité Le rayonnement mesurable est composé de trois termes La réflexion d une partie du rayonnement du milieu ambiant La transmission d une partie du rayonnement émis par le fond Le rayonnement propre de l objet 19 Les problèmes liés à la réflectivité Le problème se simplifie quand l objet observé est opaque à l infrarouge C est généralement le cas des matériaux de construction Il faut être attentif au problème de la réflexion quand l objet est entouré d autres corps à des températures supérieures 20 10

11 L influence de l émissivité L émissivité peut varier de 0 à 1 L observation thermographique de corps quasiment noir donne de bons résultats Le rayonnement mesuré provient pratiquement en totalité de leur émission propre Les résultats sont moins bons pour des faibles émissivités Le rayonnement émis par le corps est plus faible La réflexion est d autant plus grande que l émissivité est faible 21 La thermographie Thermographie Détermination et représentation de la répartition de la température superficielle en mesurant la densité de rayonnement infrarouge d une surface ce qui inclut l interprétation des mécanismes fortuits qui produisent les irrégularités dans les images thermiques Norme NBN EN 13187:1999 Performance thermique des bâtiments - Détection qualitative des irrégularités thermiques sur les enveloppes de bâtiments - Méthode infrarouge (ISO 6781:1983, modifiée) 22 11

12 La thermographie Image thermique Image produite par un système de détection infrarouge qui représente la répartition de la température radiante apparente sur une surface Thermogramme Image thermique matérialisée (photo, fichier informatique) 23 La caméra infrarouge Une caméra infrarouge permet de produire des images thermiques 24 12

13 La caméra infrarouge Image visible Image thermique 25 La caméra infrarouge Différentes palettes disponibles 26 13

14 Détermination de la température de surface Image jolie mais insuffisante! 27 Détermination de la température de surface Mieux mais insuffisant! 28 14

15 Détermination de la température de surface Information plus complète! Est-ce que les températures affichées sont correctes? Probablement pas! Les paramètres sont incorrects! 29 Détermination de la température de surface La caméra transforme le signal reçu en température en fonction des paramètres! 30 15

16 Détermination de la température de surface Correction des paramètres Distance 6m Température de l air -5 C Température réfléchie ~0 C? Transmission atmosphérique 0.99? Emissivité? Brique ~0.93 Verre poli ~0.94 PVC ~ Détermination de la température de surface Est-ce finalement bien la bonne température? 32 16

17 Détermination de la température de surface Température de la toiture Émissivité normale (caméra bien en face) des tuiles? Emissivité réelle? (angle d observation) 33 Détermination de la température de surface Angle d observation des tuiles 82 (pour cet exemple) 2 m m 35 4 m 1.3 m 6 m 34 17

18 Détermination de la température de surface Angle d observation des tuiles 82 (pour cet exemple) ε? 35 Détermination de la température de surface Est-ce finalement bien la bonne température? 36 18

19 Détermination de la température de surface «Mesure» infrarouge directe Considérer le résultat avec prudence Application d un adhésif noir de forte émissivité (connue) pour «calibrer» la mesure Mieux mais rester prudent Possibilité de coller (en hauteur p.e.)? Vérification avec un thermomètre de contact Mesure plus précise Possibilité de mesurer (en hauteur p.e.)? 37 Mesure intérieure ou extérieure Les 2 mesures sont intéressantes On ne voit pas la même chose d un côté ou de l autre Mur creux ou toiture La lame d air égalise un peu les températures de surface extérieures 38 19

20 Visualisation d une grande surface L intérêt d une caméra infrarouge réside dans la visualisation rapide des températures de surface d une zone entière On peut ensuite se focaliser sur les points particuliers 39 Visualisation de l invisible L intérêt d une caméra infrarouge réside dans le repérage de choses «invisibles» Chauffage par le mur Chauffage par le sol 40 20

21 Visualisation de l invisible L intérêt d une caméra infrarouge réside dans le repérage de choses «invisibles» Cheminées 41 Visualisation de défauts Que se passe-t-il sous les fenêtres de l étage? 42 21

22 Visualisation de défauts 43 Visualisation de défauts Mais est-ce vraiment un défaut? Mur non isolé? 44 22

23 Vérification des températures de surface La température de surface peut-elle témoigner de la présence d un défaut ou d un pont thermique? La température de surface dépend: De la température intérieure De la température extérieure De la résistance thermique de la paroi De la résistance thermique d échange à l extérieur De la résistance thermique d échange à l intérieur 45 Calcul de la température de surface Sur papier ce n est pas très compliqué R tot = m²k/w U = W/m²K T 0e = 0.3 C T int = 20 C R e = m²k/w T ext = 0 C T 0e = 1.2 C T int = 20 C R tot = m²k/w U = W/m²K R e = m²k/w 46 23

24 Calcul de la température de surface La caméra pourrait ne pas voir de différence! R tot = m²k/w U = W/m²K T 0e = 0.3 C T int = 20 C R e = m²k/w T ext = 0 C T 0e = 0.3 C T int = 5 C R tot = m²k/w U = W/m²K R e = m²k/w 47 Calcul de la température de surface Résistance thermique réelle du mur: Les résistances thermiques d échange varient avec le vent La résistance thermique des matériaux varie avec l humidité La résistance thermique des couches d air varie avec la vitesse de l air... La température de surface dépend aussi: De l éventuel ensoleillement de jour De l éventuel surrefroidissement de nuit De l inertie thermique du mur (le mur se réchauffe ou se refroidit moins vite que l air)

25 Calcul de la température de surface Le calcul est très complexe en réalité Il est pratiquement impossible de faire un calcul de la température de surface que l on devrait observer au moment précis de l observation thermographique Comment alors tirer des conclusions à partir d une thermogarphie? 49 Méthode d essai La mesure doit être réalisée selon la norme NBN EN (1999) Performance thermique des bâtiments - Détection qualitative des irrégularités thermiques sur les enveloppes de bâtiments - Méthode infrarouge (ISO 6781:1983, modifiée) 50 25

26 Informations indispensables Température d air extérieur Température d air intérieur pour tous les locaux examinés ou présentant une anomalie Température de surface Intérieur et extérieur de préférence Conditions climatiques Points particuliers présence d un radiateur ou d un meuble contre la paroi p.e. Etc. (voir norme) 51 Interprétation des thermogrammes Avec les températures int. et ext. Et la composition supposée ou attendue des parois On peut faire une estimation de la température de surface attendue On peut alors faire une comparaison avec le thermogramme Et estimer avec prudence le risque qu il y ait effectivement un défaut Pas évident - voir exemple précédent isolé: 0.3 C pas isolé: 1.2 C 52 26

27 Interprétation des thermogrammes On peut aussi procéder par comparaison Si la température est identique dans les locaux Si tous les murs sont censés être isolés Alors il y a un défaut d isolation dans le mur cidessous 53 Facteur de température Le facteur de température τ détermine la différence entre la température Θ oi en un point quelconque de la surface intérieure d'une paroi d'un local, et la température extérieure Θe lorsque la différence de température entre l'ambiance intérieure Θ i et l'ambiance extérieure du local est égale à 1 K. τ = (Θ oi - Θ e ) / (Θ i - Θ e ) Le facteur de température τ devrait être en tous points des parois supérieur à 0.7 de sorte que les condensations superficielles ne devraient être craintes que pour des conditions climatiques exceptionnelles

28 Interprétation des thermogrammes Ponts thermiques à la jonction des éléments de façade (panneaux sandwiches métalliques) Ti = 22 C Te = 6 C 55 Interprétation des thermogrammes Pont thermique au bas d une paroi jonction entre la paroi et la poutre horizontale de l'ossature Ti = 22 C Te = 6 C 56 28

29 Interprétation des thermogrammes Défaut d'isolation dans un faux plafond Isolation absente ou mal placée Ti = 20.3 C Te = 6 C 57 Surfaces vitrées Ce qui est transparent dans le spectre visible ne l est pas forcément dans le spectre infrarouge 58 29

30 Surfaces vitrées Attention à la réflexion! 59 Conclusions De nombreuses précautions doivent être prises lors de la saisie et de l'interprétation des données thermographiques