MESURES DE CHAMPS DE TEMPÉRATURE PAR THERMOGRAPHIE ACTIVE OU PASSIVE

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1 Thermogram MESURES DE CHAMPS DE TEMPÉRATURE PAR THERMOGRAPHIE ACTIVE OU PASSIVE Philippe HERVE Laboratoire d Énergétique et d Économie d Énergie Université Paris X - Nanterre 50 rue de Sèvres F Ville d Avray pherve@u-paris10.fr Résumé - Les caméras de thermographie mesurent des champs de luminance. Pour obtenir les champs de température, il faut d une part connaître l émissivité de la surface, d autre part éliminer ou réduire l influence des réflexions extérieures sur la surface. En choisissant la plus courte longueur d onde possible on minimisera ces deux sources d erreurs. Lorsque la source extérieure se réfléchissant sur la scène à observer est prépondérante, il est alors nécessaire d effectuer une thermographie active par exemple en excitant périodiquement par un flash thermique la surface observée. En faisant un traitement des signaux par détection synchrone, on peut alors extraire le thermogramme utile d un bruit qui peut être fois plus important.

2 212 Thermogram INTRODUCTION Les progrès des caméras thermiques permettent maintenant, du moins sur les matériels haut de gamme, d avoir des résolutions thermiques (20 mk) et des dynamiques (14 bits) suffisantes. Si la reproductibilité, l étalonnage, posent encore des problèmes [1], la principale difficulté est de passer de la détermination de champs de températures de luminance (appelées souvent températures apparentes) à l obtention de champs de températures absolues et ceci quel que soit le rayonnement incident réfléchi sur la surface observée. Ce papier propose plusieurs voies pour résoudre ces problèmes. 2 - THERMOGRAPHIE PASSIVE La luminance mesurée sur un pixel de l'image thermique est : L C λ 5 1 mesurée = ε ( λ, T ) * + ρ(, T ) * L C λ extérieur 2 e 1 (1) ε : facteur d émission ou émissivité du matériau ( λ, T ) 5 C1λ C2 T e λ 1 : luminance corps noir ρ : facteur de réflexion ( λ, T ) Il faut extraire T de cette équation pour obtenir le champ de températures vraies. Nous allons examiner successivement les 2 sources d erreur : l émissivité comprise entre 0 et 1 qui dépend du matériau et de son état de surface (0,10 pour l aluminium ; 0,90 pour les peintures) ; le rayonnement incident qui se réfléchit sur la scène observée Influence de l émissivité. Intérêt des courtes longueurs d onde Pyrométrie monochromatique C est le mode utilisé sur les caméras actuelles en assimilant la bande de longueurs d onde pour laquelle la caméra est sensible à une seule longueur d onde. On affiche a priori une valeur de l émissivité pour toute la scène visée et un logiciel calcule la carte des températures. En supposant une valeur de l émissivité ε avec une erreur ε par rapport à l émissivité vraie, l erreur sur la température est donnée par (2) où T est la différence entre la température réelle T et la température de luminance Tl. La température de luminance est la température calculée à partir de (1) en supposant que l émissivité est 1, c est à dire celle du corps noir. C2 2 λ e T 1 ε T = (2) C2 C2 e ε Avec C 2 = µmk

3 Thermogram Pour les caméras bandes I et II pour lesquelles le terme est, sauf aux très hautes températures, inférieur à 3000 µmk, on peut écrire : 1/Tl = 1/T - λ/c 2 * Lnε ou sous forme différentielle : T cte* ε ε 2 = (3) L équation (3) montre que l erreur décroît proportionnellement à la longueur d onde. Cet effet est amplifié pour les métaux car leur émissivité croît lorsque la longueur d onde diminue (par exemple l émissivité de l aluminium vaut 0,4 à λ = 0,37 µm et 0,08 à λ = 3 µm). La figure 1 montre sur une surface d aluminium dont on connaît par un thermocouple la température avec une faible incertitude 600 C, les erreurs que l on fait à différentes longueurs d onde. Pour l aluminium, l erreur est 9 fois plus faible lorsqu on passe d une caméra centrée à 3 µm dans l infrarouge (erreur de 195 C) à une caméra dans le proche ultraviolet à 0,37 µm (erreur de 22 C) Cette très forte amélioration dans l UV se comprend bien en remarquant qu à 600 C la luminance double tous les 20 C, ce qui «écrase» l importance de l émissivité. Infrarouge λ=3,3µ Ultraviolet λ= 0,37µm T aluminium =Tpeinture = 600 C Tl peinture =592 C Tl peinture =598 C Tl aluminium =405 C Tl aluminium =578 C Figure 1 - Champ de température de luminance d une surface d aluminium avec des barres de peinture noire Velvet. En pratique, il faut cependant que la température de la surface soit suffisamment élevée pour que la caméra soit sensible à la source et que le rayonnement incident soit faible par rapport au rayonnement de la surface comme le montre (1). Avec des temps de mesure inférieurs à la seconde, les températures les plus basses que l on peut mesurer sont : dans le proche ultraviolet, T > 600 C dans le noir. A la lumière du jour T > 800 C à 1 µm, proche IR, T > 300 C dans le noir. L'exactitude des mesures en thermographie dans l ultraviolet [2] est comme nous l avons vu figure 1 très supérieure à celle obtenue avec des caméras centrées à 5 µm et a fortiori à 10 µm. Une limitation cependant : pour les basses températures, il faut travailler dans le noir ou par méthode active comme nous le verrons au 2.

4 214 Thermogram Pyrométrie bichromatique Pour essayer de supprimer l erreur due à l émissivité, on peut penser à la pyrométrie bichromatique, c'est-à-dire en effectuant le rapport des luminances à deux longueurs d onde. On suppose ensuite que l émissivité ne dépend pas de la longueur d onde ce qui est contraire à la réalité. En fait, la formule (4) montre l erreur due à la variation de l émissivité entre les 2 longueurs d onde : 2 2 λ1λ 2 1 ε1τ 1 λ1λ 2 ε1τ 1 T = Log Log C λ λ ε ε τ C ε λ (4) τ étant le facteur de transmission entre la source et la caméra. Prenons le cas d un filament de lampe en tungstène porté à 1500 C corps dont l émissivité a fait l objet de nombreuses études. IR λ1 = 2,0 µm λ 2 = 2,1 µm T = 520K Visible λ1 = 0,55 µm λ2 = 0,63 µm T = 53K Dans l infrarouge moins proche (5 µm), l erreur est de 900 C! L erreur est très importante dans l infrarouge et il faut utiliser les courtes longueurs d onde pour avoir une température relativement proche de la température réelle mais une mesure monochromatique est alors plus exacte à cause des bruits de mesure d un appareillage à deux voies. En fait, le vrai intérêt de la thermographie bichromatique est de pouvoir mesurer la température d objets plus petits que la surface visée par un pixel, par exemple d un jet de particules [3], ou de viser à travers un hublot dont le facteur de transmission τ varie avec l encrassement Réflexion du rayonnement incident Le rayonnement réellement mesuré par la caméra est : C C 2 2 T λ environement Lmesuré = cte ε λe + (1 ε λ ) e Avec (1 ε ) = ρ facteur de réflexion. λ λ (5) Prenons l exemple d un banc de recuit de galvanisation [4] où la température vraie de l acier est de 700 C (973K) et où la voûte du «laboratoire» est à une température supérieure. La figure 2, montre l intérêt qu il y a à travailler à la plus courte longueur d onde possible. Figure 2 - Erreur due au rayonnement d'une voûte en fonction de la longueur d'onde De même pour des températures plus basses, voire ambiantes, une caméra dans la bande (4 à 5 µm) sera beaucoup moins sensible au rayonnement incident provenant de l ambiance que dans le cas de la bande 8 12 µm.

5 Thermogram THERMOGRAPHIE ACTIVE En agissant par un moyen non intrusif, c'est-à-dire ne modifiant pas de façon significative le champ de températures, on peut soit s affranchir du rayonnement incident, soit détecter une source thermique pulsée noyée dans un champ thermique beaucoup plus intense. Voici quelques cas où une action sur l objet observé a permis de minimiser un des problèmes de la thermographie passive Thermographie d un jet gazeux : exemple de la respiration Notre but était de déterminer sans intrusion le volume gazeux de CO 2 à chaque respiration qui est directement relié à notre métabolisme. La scène observée est le fond à température T 1 et le nuage à la température T 0. Soient : τ 1 facteur de transmission entre le fond et le nuage τ 2 facteur de transmission du nuage τ 3 facteur de transmission entre le nuage et la caméra Dans la bande d absorption du nuage, à λ 0 =4,26µm pour le CO 2 les luminances mesurées à λ 0 et λ 1 où le gaz est transparent. En supposant le nuage homogène en température L ε * τ τ τ L + τ τ (1 τ ) L L 0 0T T T0 λ λ λ λ ε L 1 0 1T1 λ λ λ (6) Deux équations et beaucoup d inconnues! Plusieurs solutions sont cependant possibles. La première est de faire une image différentielle avec deux images simultanées à λ 0 et λ 1.Une des longueurs d onde est dans la bande d absorption du gaz, l autre dans une fenêtre atmosphérique, par ex λ 1 = 4,0 µm. La simultanéité est une condition très importante [5]. Avec cette méthode, on détectera en supprimant le fond un nuage. Pour le méthane, on choisira λ 0 = 3,3 µm ou 7,7 µm et pour le dioxyde de carbone λ 0 = 4,26 µm. Si on s intéresse non pas à la température mais au volume gazeux, on peut utiliser une méthode active en augmentant fortement l émission du fond, par rapport à l émission du nuage. L équation (6) se réduit alors à (7). L ε * τ τ τ L (7) 0 0T T1 λ λ λ On en déduit τ 2 d où la concentration en gaz dans le volume (voxel) visé par un détecteur fig 3. En intégrant sur l image, on a alors le débit respiratoire en fonction du temps figure (4). Les figures 3 et 4 présentent les résultats obtenus dans une étude menée avec des psychologues pour relier la respiration à des émotions créées par la projection d images plus ou moins stressantes. La caméra thermique était munie d un filtre centré à 4,26 µm Les patients étaient placés devant un fond porté à une température (50 C) supérieure à celle du souffle et ils n avaient pas conscience d être filmés. Les premiers résultats obtenus sur 20 volontaires montrent une corrélation nette entre le débit de la respiration et la nature des images observées [6].

6 216 Thermogram t (s) Figure 3 - L'homme presque invisible Figure 4 - Débit respiratoire obtenu sans contact Dans le même type d étude, nous avions précédemment avec l aide de M. PAJANI éclairé un jet de méthane avec un laser HeNe à 3,3 µm modulé. En faisant de la détection synchrone sur les images nous avons pu ainsi détecter de très faibles concentrations de gaz. L exemple suivant présente un cas conjuguant toutes les difficultés qui ont été évoquées et où seule une méthode active avec détection synchrone permet d obtenir un résultat avec une exactitude suffisante Thermographie bispectrale en détection synchrone appliquée au champ de température d un bain de soudage Le but recherché était avec I. Tkatshenko du CEA Saclay [7] de déterminer le champ de températures dans un bain de soudage TIG. Le soudage TIG crée un plasma dont nous avons fait l analyse spectroscopique (figure 5). Le rayonnement du plasma est dans l UV et le visible plus de mille fois supérieur à l émission du bain. La réflexion sur ce bain de l électrode, elle même plus chaude que le bain, entraîne une difficulté supplémentaire. 2,00 1,80 Luminance (W/(cm^2.sr.nm)) 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Longueur d'onde (nm) Figure 5: Spectre du plasma argon Il n y a donc pas de possibilité de faire une mesure directe dans le visible ou l ultraviolet. Dans l infrarouge, il n y a pas de raies du plasma, mais le rayonnement de l électrode se réfléchit sur le bain et la mesure déjà faussée par la méconnaissance de l émissivité de l acier changeant de phase est particulièrement incertaine. Si on utilise la pyrométrie bispectrale, on a constaté au que l erreur dans l infrarouge était de l ordre de 50 C ce qui est inacceptable.

7 Thermogram Le visible est donc le seul domaine de longueurs d onde où on peut espérer une incertitude raisonnable. Pour supprimer les effets des rayonnements perturbateurs on a donc effectué de la photothermie en éclairant le bain de soudage avec un laser CO2 de 25W modulé (figure 6). Figure 6:Schéma de la mesure bispectrale en photothermie L impulsion laser crée pour chaque longueur d onde une petite variation de température du bain et donc une variation L. Une nouvelle inconnue apparaît : le facteur d absorption du rayonnement du laser. Il faut donc ajouter une seconde mesure en faisant une pyrométrie bichromatique (0,55 µm et 0,63 µm). Le rapport des variations L dépend de la température : R ( T ) ε τ C 1 1 ε 2τ 2 T λ1 λ = cte exp (8) Autour de 1500 C ce rapport varie de7% pour 100 C Les images obtenues avec une caméra Princeton 400 de dynamique 16 bits, ont été créées avec un balayage d une ligne de 2400 pixels à 1200 Hz.L autre dimension était générée par le déplacement de la pièce à souder. Le signal a ensuite été traité par une détection synchrone dont la référence était le signal de modulation du laser. Les signaux démodulés sont représentés sur la figure 7. Enfin, après calculs à partir de (8), nous avons obtenu le champ de température du bain représenté à la figure 8. L'incertitude sur cette face où le rayonnement du plasma est éblouissant est de l ordre de ± 50 C. Le champ de températures du bain est très inhomogène à cause des tourbillons de convection. Figure 7 - Face endroit du bain de soudage. Image bichromatique des impulsions en luminance après filtrage par détection synchrone

8 218 Thermogram 2007 Figure 8 - Champ de températures calculées sur la face endroit du bain de soudage Sur la figure 9 obtenue sur la face envers (opposée au soudage), on a une incertitude de l ordre de +/- 25 C, meilleure que sur la face endroit. Le pointillé précise la séparation solide-liquide, ce qui était le but de l étude. Figure 9 - Température d'un bain de soudage 4 - CONCLUSION Pour les solides, la dernière étude présentée sur le soudage TIG présentait toutes les difficultés possibles : éblouissement, réflexion d une source extérieure, très forts gradients de température et changements de phase du matériau, c est à dire variations par sauts de l émissivité.en conjuguant photothermie, mesures bichromatiques à courte longueur d onde et détection synchrone nous avons pu obtenir une incertitude sur la température absolue de ± 50 C autour de 1500 C. Dans des cas moins difficiles, la incertitude peut atteindre 10 C ou une incertitude relative meilleure que le % en K. Pour les gaz, on peut quantifier la concentration d un gaz avec une incertitude meilleure que 10% à condition d utiliser une thermogaphie active.

9 Thermogram PERSPECTIVES Nous avons vu l intérêt de la thermographie à courte longueur d onde, dans le visible ou l ultraviolet, pour obtenir des champs de températures vraies indépendantes de la nature du matériau observé. Au contraire il sera intéressant, par exemple en métallurgie, de suivre les transformations du matériau : oxydation, changements de phase de première espèce solide-liquide ou de deuxième espèce, ce qui est le vrai but des métallurgistes. Une visée supplémentaire dans l infrarouge permet alors d obtenir l émissivité caractérisant la structure et la nature du matériau. Dans cette voie le champ d émissivité n est plus la source principale d erreur mais au contraire le champ recherché. Pour les gaz, nous souhaitons développer un prototype transportable permettant d analyser quantitativement la respiration ou une source polluante par thermographie bispectrale active. REFERENCES 1. D.PAJANI : Thermographie. Techniques de l ingénieur, Traité mesures et contrôle R P. HERVE. A. MOREL : Thermography improvements using ultraviolet pyrometry. ; Quantitative Infrared Thermography. p ; QUIRT 96. EDIZIONI ETS. 3. P. HERVE, V. PINA : Thermographie par comptage de photons dans l ultraviolet. ; Deuxième colloque francophone «Méthodes et Techniques optiques pour l Industrie» ; Novembre 2001, Trégastel. 4. P. HERVE, L. VIEILLARD, A. MOREL. : Contrôle d un four de recuit continu à partir de la température et de l émissivité. ; Revue de Métallurgie - CIT p Juin P. HERVE, E. KATCHAROV : Dispositif d imagerie infrarouge pour la visualisation, la détection et la mesure des paramètres d une substance gazeuse -Brevet juillet J. CHAPPE, T. MEYER, P. HERVE, M. KREUTZER, M. MURIAN, J.F. VERLHIK : Combiner des images et des textes : la respiration comme indice de ressources attentionnelles. Congrès. Grenoble Oct HERVE P., TKATSHENKO I. : Analyse d une scène de soudage à arc par thermographie impulsionnelle. Troisième Colloque Francophone. ; Méthodes et techniques optiques pour l industrie. ; Saint Aubin du MEDOC, novembre 2002.