Mesure de Température par Caméra Infrarouge

Mesure de Température par Caméra Infrarouge

INTRODUCTION La caméra infrarouge capte au travers d un milieu transmetteur (ex : l atmosphère) les rayonnements émis par une scène thermique. Le système radiométrique convertit la puissance de rayonnement en signaux numériques ou analogiques : ceux-ci sont transcrits en température par le calculateur et transformés en points lumineux sur un écran. L image ainsi obtenue s appelle "Thermogramme

PLAN DU COURS A : Notions de rayonnement Le spectre électromagnétique Le corps noir Loi de Planck Loi de Wien Loi de Stefan-Boltzmann Les corps réels Notions d emissivité B : La caméra infrarouge Principe de la mesure Atténuation des rayonnements Les détecteurs infrarouges Grandeurs fondamentales La sensibilité C : Applications pratiques

A : Notions de rayonnement

A1 : LE SPECTRE ELECTROMAGNÉTIQUE

A1 : LE SPECTRE ELECTROMAGNÉTIQUE La matière émet et absorbe en permanence du rayonnement électromagnétique Le spectre infrarouge correspond au domaine d émission de la matière dont les températures sont celles généralement trouvées à la surface de la Terre Le domaine visible s étend des longueurs d onde allant de 0,4 à 0,8 µm (micromètres) La bande infrarouge s étend de 0,8 à 1000 µm : celle-ci peut-être divisée en plusieurs sections : - l infrarouge proche : 0,8 à 1.5 µm - l infrarouge moyen : 1.5 à 20 µm - l infrarouge lointain : 20 à 1000 µm En thermographie infrarouge, on travaille généralement dans une bande spectrale qui s étend de 2 à 15 µm et plus particulièrement dans les fenêtres 2-5 µm et 7-15 µm.

A2 : LE RAYONNEMENT DU CORPS NOIR Le corps noir est le corps de référence dans la théorie du rayonnement infrarouge : celuici est capable d absorber tout rayonnement incident quelque soit sa longueur d onde. Ce corps idéal cède l énergie captée à l environnement jusqu à l établissement d un équilibre thermodynamique. 3 lois définissent le rayonnement d un corps noir : - la loi de Planck - la loi de Wien - la loi de Stefan-Boltzmann

A3 : LA LOI DE PLANCK d I cn (!,T ) d! = 2".h.c2!!5 e " h.c % $ #!.k.t & '!1 I cn = Spectral radiance [W/m 2 ] du corps noir λ = Wavelength [m] T = Température absolue du corps noir en degrés KELVIN h = 6.6256.10-34 J.s : constante de PLANCK k = 1.38054.10-23 J/K : constante de BOLTZMANN c = 2.998.10-8 m/s : célerité de la lumière

A3 : LA LOI DE WIEN λ max [µm] : Longueur d onde à laquelle se produit l émission maximale T [Kelvin] : Température absolue du corps noir Ä Cette loi indique que lorsque la température croît, le maximum d énergie émis se déplace vers les faibles longueurs d onde. Ä Plus simplement, cette loi exprime le fait que la couleur d un objet chauffé à haute température varie du rouge sombre au blanc.

A3 : LA LOI DE STEFAN-BOLTZMANN Total energy radiated per unit surface area per unit time for a black body [W/m 2 ] I * cn =!.T 4 σ = 5.67.10-8 W/m 2 / K 4 ; Constante de Stefan-Boltzmann T = température absolue du corps noir en degrés KELVIN A4 : EMITTANCE DU CORPS NOIR DANS UNE BANDE SPECTRALE! I b!a =! b d I cn (!,T )! d! d!! a

A5 : LES CORPS RÉELS OU «NON NOIRS» Les corps réels ne sont généralement pas des corps parfaits au sens physique. Ainsi, les lois que nous avons décrites ne sont applicables qu avec certaines corrections. L émittance spectrale d un corps réels ou non noirs our gris est donnée par: d I(!,T ) d! = "(!). d I cn (!,T ) d! Loi de Planck corp noir 0 < ε(λ) < 1 ε(λ): Emissivité

A5 : LES CORPS RÉELS OU «NON NOIRS» Loi de Stefan-Boltzmann d un corp réels: I * =! (")! T 4 = " ( * #)I cn La puissance rayonnée par la surface S d un corps à la température T dans la bande spectrale Δλ est donnée par : F =!(") d I cn(",t ) ". Sd" (en W) d"!" Ä Ce terme de puissance (ou flux optique), seule grandeur mesurable par un détecteur infrarouge est une fonction de l émissivité et de la température du corps étudié.

A6 : NOTIONS D ÉMISSIVITÉ Longueur d onde État de surface Matériau

A6 : NOTIONS D ÉMISSIVITÉ - DEPENDANCES Le matériau - On distingue les métaux avec des émissivités généralement peu élevées - Et les autres matériaux avec généralement ε(λ) > 0.8 - Plus la surface est rugueuse ou oxydée, plus l émissivité est élevée. La temperature - Pour les métaux, ε augmente avec la température - Pour les autres matériaux, ε diminue lorsque la température augmente. 1 caoutchouc 2 céramique 3 liège 4 papier 5 argile

A6 : NOTIONS D ÉMISSIVITÉ - DEPENDANCES La longueur d onde L émissivité d un corps est sélective : comme on travaille dans des bandes spectrales étroites, un objet peut-être assimilé à un corps gris (ε = cst). L émissivité d une surface dans le spectre visible est souvent sans grand rapport avec son emissivité dans le spectre infrarouge (ex : la neige est un corps noir dans IR). L état de surface (oxydation) L émissivité des métaux augmente lorsqu il y a formation d oxyde à la surface Plus la surface est rugueuse ou oxydée, plus l émissivité est élevée.

A6 : NOTIONS D ÉMISSIVITÉ - DEPENDANCES La direction d observation L émissivité d une surface est une fonction de la direction d observation (sauf corps noir et gris) Métaux : ε cst pour des incidences entre 0 et 40 Diélectriques : ε cst pour des incidences entre 0 et 60

B : LA CAMERA INFRAROUGE

B1 : PRINCIPE DE LA MESURE Le système radiométrique doit corriger le rayonnement capté afin de calculer la valeur de la température du corps. Cette correction tient compte d une série de paramètres influant directement la mesure exacte de température.

B2 : ATTENUATION DES RAYONNEMENTS Classiquement, les mesures par caméra infrarouge s effectuent dans une atmosphère naturelle. Ce milieu transmet en partie le rayonnement émis par un objet. Ce sont principalement la vapeur d eau et le CO 2 de l atmosphère qui atténuent les rayonnements. La transmission dans l atmosphère dépend de la distance et des conditions météorologiques. Bandes passantes : 3-5 µm et 8-14 µm (longueurs d onde dans l infrarouge pour lesquelles l atmosphère présente une transmissivité élevée)

B2 : ATTENUATION DES RAYONNEMENTS - FENETRE

B3 : LES DÉTECTEURS INFRAROUGES Rôle : Fournir «un signal électrique» proportionnel au flux rayonné par l objet. 2 types de détecteurs infrarouges : Détecteurs thermiques : La variation de température du détecteur fait varier l une des propriétés physiques du matériau détecteur (ex: résistance électrique) et provoque une variation du signal délivré. Ce type de détecteur a un temps de réponse relativement long. Détecteurs quantiques : Le signal est proportionnel au nombre de photons captés par le détecteur. L utilisation de ces détecteurs au maximum de leur sensibilité nécessite leur refroidissement à des températures très basses.

B4 : LA SENSIBILITÉ DE CAPTEUR INFRAROUGE La sensibilité spectrale s(λ) est la réponse dv(λ) à un flux monochromatique dφ λ (λ) s(λ) varie avec la longueur d onde de l excitation (flux incident) s( λ) dv ( λ) = d ( λ) Φ λ

C : Applications pratique

C1 : CONTRÔLE D INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES Estimation de la qualité d un équipement ou d une installation en exploitation normale, et prévention des irrégularités de fonctionnement avant les pannes effectives. Ex: Localisation des points chauds

C2 : CONTRÔLE DE L ISOLATION DES BÂTIMENTS La technique autorise une évaluation qualitative de l isolation mais ne permet pas de déterminer quantitativement avec précision les pertes énergétiques. Ex: Détection des défaut, dégradation ou absence d isolation.

C3 : CONTRÔLE DES ÉQUIPEMENTS INDUSTRIELS Analyse qui permet de mettre en évidence des dégradations ou déperditions thermiques sur des équipements tels que chaudières, fours, incinérateurs, De même, les pièces mécaniques en mouvement peuvent s échauffer anormalement par manque de lubrification, usure...

C4 : CONTRÔLE DES ÉCHANGEURS THERMIQUES Qualitatif Visualisation d échanges thermiques dans des procédés de fabrication. Analyse des uniformités de température. Quantitatif Contrôle préventif de l efficacité d un échangeur. L écart de température entre entrée et sortie peut être mesuré.

AVANTAGES DE THERMOMETRY INFRAROUGE Contrôle non destructif. Technique de contrôle "on stream". Analyse sans contact sur des équipements. Rapidité et précision du diagnostic des installations. Sécurité d analyse : respect des distances de sécurité. Maintenance préventive et prédictive. INCONVENIENTS DE THERMOMETRY INFRAROUGE Prix à l investissement élevé. Connaissances pré-recquises pour mesures quantitatives. Estimation des propriétés radiatives des matériaux difficile (nécessité de calibrer selon les cas, problème de reflexion ).

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