THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

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1 THERMOGRAPHIE INFRAROUGE 1. DEFINITIONS Technique permettant d obtenir, au moyen d un appareillage approprié, l image thermique d une scène thermique observée dans un domaine spectral de l infrarouge. Le système d'acquisition est conçu pour transformer une image captée dans le domaine infrarouge et fonction de la luminance de l'objet observé, en une image visible et analysable par l'oeil humain. 2. LE RAYONNEMENT 2-1 La matière émet du rayonnement Nous sommes rayonnants! Tout comme nos tables et nos chaises, les murs et les fenêtres. Toute matière rayonne de l'énergie. Nous en avons l'expérience par le phénomène d'absorption de cette énergie quand nous nous chauffons les mains en les approchant d'un feu de bois ou d'un radiateur, objets plus chauds que nos mains. Si nous sortons par temps glacial, nous nous habillons "chaudement" pour ne pas dissiper l'énergie de votre corps. Cette dissipation aurait lieu par échange d'énergie avec le vent glacé (échange par convection) et également par rayonnement (échange par rayonnement) : c'est nous, alors, qui chauffons notre environnement par le rayonnement que nous émettons. S'il neige, il vaut mieux porter des gants pour les batailles de boules de neige afin de ne pas nous geler les mains, donc ne pas les refroidir à la température de la neige (échange par conduction). Même les objets "froids" émettent du rayonnement, de l'énergie, mais moins que notre corps. Le rayonnement d'énergie par la matière est une réalité de tous les jours, même si nous n'en avons pas conscience. Par unité de temps, la matière émet une puissance de rayonnement, des watts. La surface effective de notre corps, d'environ 2 m 2, émet quelques Watts. Mais placé dans un environnement de même température, il reçoit également quelques W de rayonnement en provenance de cet environnement, ce qui permet de compenser les pertes. (Nous ne considérons là que les échanges par rayonnement.) Placé dans un environnement de 0 C, le corps nu ne recevrait qu'environ 300 W, ce qui finirait par épuiser l'énergie interne du corps, énergie apportée par la transformation des graisses en chaleur. La graisse représente de l'énergie interne accumulée par l'alimentation. Un maigre tiendra moins longtemps qu'un gros : celui-ci a "de la réserve". 2-2 La matière a une température L'énergie interne de la matière peut être déjà là sous forme de chaleur accumulée. C'est cette forme d'énergie qui nous intéresse ici : celle qui est immédiatement disponible sans transformation. C'est elle qui définit la température de la matière. (Mais, la transformation d'autres formes d'énergie en chaleur peut être très rapide, comme dans un moteur à explosion ou dans une flamme, ou plus simplement par l'évaporation ou la condensation de la matière.) La température est donc une manifestation de la chaleur contenue dans la matière et, de même, le rayonnement électromagnétique émis par la matière est une manifestation de cette énergie ou de cette température. Le rayonnement émis par la matière, par notre corps, par la neige, est de même nature que le rayonnement émis par les antennes de radio ou de TV ou de radar ou de four à micro-ondes ou émis par les lampes à incandescence ou les tubes-fluo, ou par le soleil. C'est "simplement" du rayonnement électromagnétique. Il existe un vaste spectre de rayonnement électromagnétique, à diverses fréquences ou longueurs d'onde. 1

2 Le spectre des rayonnements électromagnétiques 2-3 A quelles longueurs d onde? La puissance du rayonnement est fonction de la fréquence de ce rayonnement et de la température du corps qui émet ce rayonnement. Le rayonnement du soleil (6000 C en surface) est plus puissant que le rayonnement émis par notre corps (environ 35 C) et le soleil émet ce rayonnement surtout aux fréquences élevées (ou aux longueurs d'onde plus courtes, c'est dire la même chose). Un objet chaud émet donc un rayonnement plus puissant qu'un objet froid et le rayonnement est émis à des longueurs d'onde d'autant plus courtes que le corps est chaud. La lampe à incandescence, par exemple, émet des rayonnements à des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que ceux émis par notre corps. Longueurs d'ondes si courtes que nos yeux les perçoivent, les yeux étant sensibles à ce rayonnement dit "visible" : du violet au rouge, soit de 0,4 µm à 0,8 µm ; c'est le spectre visible. La matière émet néanmoins à toutes les longueurs d'onde. 2-4 L infrarouge On parle d'ultraviolet, fréquence au delà du violet, alors que la longueur d'onde du violet est plus courte. On parle aussi d'infrarouge, fréquence en deçà du rouge, alors que la longueur d'onde du rouge est plus longue. C'est dire que l'infrarouge est moins puissant, moins énergétique que l'ultraviolet. En parlant en longueur d'onde, l'infrarouge se situe donc au delà de 0,8 µm, et il regroupe les longueurs d'onde des rayonnements de la matière plus froide que celle qui, chaude comme la lampe à incandescence, est vue directement avec nos yeux. Nous ne voyons donc pas le rayonnement infrarouge avec nos yeux. La lampe dite "infrarouge" est moins alimentée que la lampe à incandescence normale : elle consomme moins d'énergie et est donc plus froide. Elle est conçue pour émettre principalement dans l'infrarouge, pour chauffer moins qu'une lampe normale. Si la lampe est sous-alimentée, la lumière visible émise par le filament peut être insuffisante : nos yeux ne la voient pas. Ce qui ne signifie pas que la lampe n'émet pas de rayonnement. Elle émet du rayonnement seulement dans l'infrarouge, donc du rayonnement "plus froid". L'infrarouge est donc lié au froid, contrairement à l'idée commune. Et pour voir des objets froids, ou des objets plus chauds parmi des objets plus froids, il faut aller voir leurs rayonnements dans l'infrarouge. L œil humain peut «voir» la chaleur pour des hautes températures : soleil (6000 C) ; filament de tungstène (2200 C), fer rouge (600 C), mais pour les objets à basse température (<500 C) qui émettent peu de rayonnement, l œil humain est inadapté. 2-5 La caméra thermique Ainsi, si nous voulons voir le rayonnement émis par les objets habituels de notre environnement (ils sont froids), ou déterminer leur température en mesurant ce rayonnement, il nous faut des yeux spéciaux capables de voir dans l'infrarouge. 2

3 D'où les caméras infrarouges, que nous préférons appeler "caméras thermiques", conçues pour pallier les limites de nos yeux, incapables de voir les rayonnements émis par les objets "froids", en dessous d'environ 500 C. Nous pouvons donc dire que les objets sont froids s'ils sont à une température inférieure à 500 C. Ceci pour nos yeux. En fait, la matière "idéalisée" émet à toutes les fréquences, à toutes les longueurs d onde. On dit que son spectre de rayonnement est continu. La matière ne se comporte pas comme une radio-émettrice qui n'émet qu'à une longueur d'onde principale. Mais, elle n'émet pas la même puissance de rayonnement pour chaque longueur d'onde. Ainsi, notre corps émet du rayonnement dans le spectre visible, mais ce rayonnement est si faible qu'aucun récepteur ne pourrait le mettre en évidence. Le meilleur moyen d'observer le rayonnement émis par notre corps est donc de décaler le spectre de fonctionnement du récepteur (donc les longueurs d'onde pour lesquelles ce récepteur fournira un signal) vers les longueurs d'onde émises par le corps, donc vers l'infrarouge. 3. RAPPEL SUR LE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE La matière échange en permanence de l'énergie avec le milieu extérieur sous forme de rayonnements électromagnétiques. L'origine de l'émission est liée à l'agitation moléculaire interne de la matière qui génère des transitions radiatives des électrons. Cette agitation moléculaire est fonction de la température absolue de la matière. La gamme de rayonnements dits thermiques s'étend de 0,4 à 30 m mais les moyens d analyses infrarouges opèrent généralement dans la bande 3 à 15 m. Quatre phénomènes d'échanges entrent en jeu : l'émission thermique spontanée : Emissivité la transmission : Transmissivité la réflexion ou la diffusion : Réflexivité l'absorption thermique. 3-1 Le rayonnement émis Si l'on veut observer la température des objets froids, donc mesurer le rayonnement émis par ces objets, il faut aider notre oeil en l'équipant d'une prothèse onéreuse, prothèse qui décale le spectre de fonctionnement de notre oeil vers les longueurs d'onde de l'infrarouge. Si nos yeux pouvaient détecter le froid ou le plus chaud parmi le froid, nous n'aurions nul besoin de caméra thermique infrarouge. Encore faudrait-il que nos yeux soient capables de mesurer ce rayonnement, ce qui n'est pas de son ressort. (Encore que le forgeron ou le verrier, par leur grande expérience, soient capables de déterminer les températures à l'oeil, par la couleur des matériaux qu'ils chauffent au four, entre 700 et 1300 C environ.) Les objets sont froids pour nos yeux : si nous ne disposions pas de la sensation du chaud, sensation due à l'absorption du rayonnement par notre corps, nous risquerions de nous brûler en touchant ces objets. Néanmoins, un objet chaud peut émettre très peu de rayonnement : il s'éloigne alors de beaucoup de la matière "idéalisée" dont nous avons parlé. Le fer à repasser à semelle métallique en est un exemple. Il y a risque de brûlure, puisque la sensation du chaud par absorption, avant le toucher, n'existe presque pas. C est donc bien l'art de la caméra thermique qui permettra de définir le rayonnement de la semelle du fer à repasser. 3

4 3-2 Le rayonnement réfléchi Nous nous voyons donc entre nous, non par le rayonnement que nous émettons, mais par le rayonnement que nous réfléchissons, rayonnement qui provient de sources suffisamment chaudes (lampes à incandescence ou soleil), ou sources émettant du rayonnement à certaines longueurs d'onde du spectre visible. Le rayonnement réfléchi nous permet de vivre dans notre réalité quotidienne en nous repérant avec nos yeux, sensibles aux longueurs d'onde du spectre visible. Le rayonnement réfléchi existe aussi dans l'infrarouge. C'est également en cela que la matière n'est pas "idéale", la matière émet du rayonnement mais, également, elle réfléchit du rayonnement, rayonnement qui provient de son environnement, des objets environnants. Alors vous comprenez que si l'on pointe une caméra thermique en direction d'un objet, cette caméra va mesurer du rayonnement émis par cet objet, mais également du rayonnement réfléchi par cet objet. La matière, du fait qu'elle est "non idéale", implique que le mesureur soit apte à comprendre ce qui se passe, à faire la part des choses dans ce que mesure son appareil. Cet appareil ne fait pas la distinction entre les rayonnements d'origines diverses. 4.. SYNTHESE Le rayonnement émis, transmis et réfléchi rayonnement transmis UNE CAMERA THERMIQUE NE MESURE PAS DES TEMPERATURES MAIS DES RAYONNEMENTS LES PUISSANCES DE LA VISION INFRAROUGE La vision présente plusieurs avantages : elle est instantanée, globale et discriminative : Instantanée : La vision donne une vue immédiate de la répartition des rayonnements de la scène observée par l'oeil ou la caméra. Vous regarder a travers la caméra et vous avez l image thermique de l environnement sur l'écran 4

5 Globale : La vision vous donne un accès immédiat à l'ensemble des objets situés dans le champ de vision, déterminé par l'objectif de la caméra et la distance d'observation. Vous voyez presque tout en déplaçant rapidement la direction de visée de la caméra. Discriminative : La vision, tout comme les yeux, vous montre les détails dans un ensemble, un seul composant parmi une multitude de composants. De votre propre chef, vous sélectionnez les détails à observer. S'il se présente un petit point chaud, vous le distinguez immédiatement parmi les composants moins chauds. Vous pouvez donc porter votre attention sur ce qui vous intéresse, immédiatement dans un ensemble plus vaste d'objets. Elle est également discriminative puisqu'elle mettra en évidence de faibles écarts de température. Un faible écart de température peut être la manifestation d'une forte température non accessible visuellement (capotage d'un appareil par exemple).ainsi, la thermographie est rapide, tout autant que sa mise en oeuvre, elle procure une vision immédiate, globale et discriminative. C'est une méthode puissante de vision du froid, du plus chaud ou du plus froid. LES LIMITES DE LA TECHNIQUE La technique de la thermographie, comme toute technique, a ses limites. Certains cas ne sont pas abordables par la thermographie. Très généralement et dans le cadre qui nous occupe, tout se qui est caché à nos yeux est caché pour la caméra. On ne voit pas au travers des portes métalliques,de l eau. La mesure sur un métal propre (non oxydé, non empoussiéré) est très délicate. 5