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IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance COURS DE THERMOGRAPHIE COURS DE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE INFRAROUGE LICENCE PROFESSIONNELLE LICENCE PROFESSIONNELLE « « INGENIERIE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONS INGENIERIE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONS » » J. Bresson - Professeur IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

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COURS DE THERMOGRAPHIECOURS DE THERMOGRAPHIEINFRAROUGEINFRAROUGE

LICENCE PROFESSIONNELLELICENCE PROFESSIONNELLE«« INGENIERIE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONSINGENIERIE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONS »»

J. Bresson - Professeur

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

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Remerciements à Thierry Devers Professeur du dépt. GIM de

l ’IUT de Chartres ainsi qu’à la Société FLIR

SommairePartie I - Bases de la thermographie infrarouge

Partie II - La mesure par thermographie infrarouge

Partie III - Les caméras de thermographie

Partie IV - Application de la thermographie à l’évaluation non

destructive (END)

Partie V - Exemples de scènes thermiques

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Thermographie Infrarouge

Technique permettant d’obtenir au moyen d’un appareillage approprié l’image thermiqued’une scène thermique dans un domaine spectral de l’infrarouge .

Appareillage de Thermographie Infrarouge

Ensemble d’appareils permettant d’obtenir et de traiter une scène thermique . Ces appareils peuvent assurer en particulier l’analyse d’une scène thermique, le traitementdes signaux correspondants, la manipulation des données ainsi obtenues, leur visualisation , leur enregistrement sur tout support. On parlera alors d’imageur thermique .Suivant la configuration de l’appareillage et les fonctions disponibles sur les appareils utilisés, il peut être possible de procéder en outre, à partir de l’image thermique, à la mesure des luminances et/ou au calcul des températu res. On parlera alors de caméra de thermographie.

Image ThermiqueRépartition structurée des données représentatives du rayonnement infrarouge en provenance d’une scène thermique . Une image thermique peut être obtenue à partir d’un balayage d’image en une ou plusieurs trames décalées spatialement.

NORME FRANCAISE A09-400

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Imageur thermique

Caméra de thermographie

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Partie I

Bases de lathermographie infrarouge

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1) Brefs rappels sur les transferts thermiquesConductionConvectionRayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnement s

3) Le spectre infrarouge

4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi d e Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivité

Partie I - Bases de la thermographie infrarouge

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1) Brefs rappels sur les transferts thermiquesConductionConvectionRayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnement s

3) Le spectre infrarouge

4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi d e Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivité

Partie I - Bases de la thermographie infrarouge

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Transferts thermiques

Différence entre chaleur et température

Dans un matériau, les molécules sont agitées d’unmouvement permanent, à une certaine vitesse.

La température dépend de la vitesse

moyenne dedéplacement des

molécules (1).

La chaleur dépend de la vitesse moyenne de

déplacement des molécules ainsi que de

leur nombre (2).Chaleur = énergie

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Transferts thermiques

Température / Chaleur

Au zéro absolu,il n’y a plus d’agitation

moléculaire.

(1)

Supposons :a) une brique à 50°C, et

b) un gravillon à la même température.

Question :Que choisissait-on pour

réchauffer un lit froid, lorsqu’il n’y avait pas de chauffage

central a) ou b) ? Pourquoi ?

(2)

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Transferts thermiques

Température / Chaleur

Unités

Température (ITS 90)

- Kelvin K, unité absolue de référence

- Degré Celsius ou centigrade0°C = solidification de l ’eau100°C =vaporisation de l ’eau0 K = -273,15°C

- Degré FahrenheitY °F = (1,8 x Z °C) + 3220°C = 68°F30°C = 86°F0°F correspondrait à une températuremesurée en hiver 1709 à Dantzig

Aussi Degré Rankine, Degré Réaumur

Chaleur / énergie

- Joule J

-Calorie cal 1 cal = 4,18 J

Quantité de chaleur nécessaire pour éleverde 1°C, un gramme d’un corps dont lachaleur massique est égale à celle de l ’eauà 15°C sous pression de 101325 pascals.

Note : CAL = calorie alimentaire1 CAL = 1000 cal

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Transferts thermiques

Il n’existe que trois modes de transfert de chaleur

- Conduction

- Convection

- Rayonnement

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Transferts thermiques

Conduction

Un flux de conduction se crée lorsque deux corps de température différente sont en contact, ou lorsque des parties d’un même corps sont à température différente.

solides, liquidestendance temporelle à l’homogénéisation, par diffusion

La théorie est connue depuis longtemps.Les lois en régime stationnaire sont résolues assez facilement :

paramètre important = conductivité .

Les lois en régimes instationnaires sont plus difficiles à résoudre, même numériquement. Les caractéristiques thermophysiques peuvent varier.

paramètre important = diffusivité (analogue à la viscosité ).

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Transferts thermiques

Convection

Le flux thermique est transféré par l’intermédiaire d’un milieu fluide annexe, qui peut être un liquide ou un gaz, qui se met en mouvement.

Fait intervenir la thermodynamique et la mécanique des fluides : densité, vitesse, expansion...

La théorie est assez complexe.La résolution des problèmes est souvent assez délicate, surtout lorsque l’on sort de cas d’école (flux laminaire, plaque plane).

Paramètres importants : nombres de Reynolds , Nusselt , Prandt , etc....

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Transferts thermiques

Rayonnement

Emission , absorption et réflexion d’ondes électromagnétiques.

Propagation à la vitesse de la lumière.Ne nécessite pas de milieu matériel. Existe dans le vide.

La théorie est connue, la résolution des problèmes est souvent très difficile,surtout dès qu’il est question d’interaction rayonnement/conduction.

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Prenez une plaque électrique dans une pièce noire...

Vous alimentez la plaque...

Même si vous ne voyez pas la chaleur émise, vous la sentezprogressivement

Si la plaque est à la puissance maximum, et si vous ne mettez pas de casserole dessus, elle va devenir rou ge

Au fur et à mesure que la température augmente, les caractéristiques du rayonnement changent. Une camér a de thermographie peut voir les changements imperceptibles àl’œil !

Transferts thermiques - Rayonnement

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Une caméra de thermographie reçoit et mesure un flu x thermique infrarouged’une façon similaire à l’impression que nous laisse un radiateur.

Transferts thermiques - Rayonnement

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1) Brefs rappels sur les transferts thermiquesConductionConvectionRayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnement s

3) Le spectre infrarouge

4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi d e Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivité

Partie I - Bases de la thermographie infrarouge

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Rapide historique sur la théorie des rayonnements

Début du 19ème siècle

1800 Herschel découvre l’existence de rayonnements hors du spectre visible

Rayonnement provenantd’un prisme

Planche inclinée avecune fente mince

Thermomètre avecbulbes noircis

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Rapide historique sur la théorie des rayonnements

Le thermomètre continue à s’échauffer après la limite du rouge.

Hypothèse : existence d’une énergie radiante qui serait une lumière invisible .

T°C

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Rapide historique sur la théorie des rayonnements

Seconde moitié du 19ème siècle

1860 Kirchoff propose qu’un bon absorbeur est aussi un bon émetteur . Corps noir. Loi de Kirchoff.

Transmission (τ) + Absorption (α) + Réflexion (ρ) = 1et Absorption (α) = Emission (ε)

ε τ ρEmission

Transmission

Réflexion

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Rapide historique sur la théorie des rayonnements

1900 Planck introduit la quantification d’échange d ’énergie radiante, discontinue.

Loi de Planck .

Permet de décrire la distribution spectrale des ray onnementsd’un corps noir.

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1) Brefs rappels sur les transferts thermiquesConductionConvectionRayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnement s

3) Le spectre infrarouge

4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi d e Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivité

Partie I - Bases de la thermographie infrarouge

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Le spectre infrarouge

La limitation de bande spectrale est liée à l’atmosphèreà la technologieau référentiel terrestre (gamme de

température habituellement rencontrée)

Ondes longues = de 7 à 13/14 µm

2µm 13/14µm

Ondes courtes = de 2 à 5,5 µm

0,4µm 0,8µm

Spectre visible

Cubes deglace

Flammes Barreau métallique

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1) Rappel sur les transferts thermiquesConductionConvectionRayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnement s

3) Le spectre infrarouge

4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi d e Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivité

Partie I - Bases de la thermographie infrarouge

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Le corps noir

Le corps noir est un objet idéal qui absorbe tous les rayonnementsincidents, quels que soient la longueur d’onde et l’angle d’incidence.

Considérant la loi de Kirchoff (un bon absorbeur est aussi un bonémetteur) le corps noir émet donc aussi de façon maximale.

En théorie, c’est unecavité ferm ée isotherme .

En pratique, c’est souvent un four très bien isolé ,

stabilisé en température équipé d’un trou de visée de très petite dimension.

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

LOI DE PLANCK

L’exitance énergétique spectrique d’un corps noir (anc. émittance spectrale) en Wm-2µm-1, intégrable sur un angle solide de 2πstéradians de la luminance énergétique spectrique (anc. Luminance spectrale) est décrite par la loi de PLANK :

1e

C10E

T

2C

51

6

)T,(0

λ=

λ

−−

λ

12µmWm −−

λ : longueur d'onde de la radiation émise (µm)C1 : 3,741832.10-16 W m2

C2 : 1,438786.10-2 K mT : température du corps (degrés K)

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

Exitance spectrique (émittance spectrale) donnée par la loi de Planck, tracée pour quelques températures (en K).

La formule de PLANCK permet de tracerune famille de courbes pour les différentes températures. Suivant ces courbes, nous constatons que l'exitance spectrique est zéro pour la longueur d'onde λ = 0 , puis grandit rapidement pour atteindre un maximum à une longueur d'onde appelée λ = λmax et décroît lentement vers zéro pour les longueurs d'onde supérieures.

L'augmentation de la température dumaximum correspond à la diminutionde la longueur d'onde au maximum.

COURBES DE PLANCK

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 121314

260°C (490°F)

20°C (70°F)

Rel

ativ

e bl

ackb

ody

radi

ant e

mitt

ance

Longueur d’onde (microns)

102

101

1

10-1

10-2

10-3

10-4

0

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

6000

4000

2000

750

300

25

-75

Longueur d ’onde

temp. °C

Energie

rayonnée

Loi de Wien

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

Longueur d ’onde

Corps noir à 25 °CEnergie

rayonnée

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

Longueur d ’onde

Corps noir à 750 °CEnergie

rayonnée

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

Longueur d ’onde

Corps noir à 6000 °C, le soleilEnergie

rayonnée

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

La dérivée de la formule de Planck, par rapport à la longueur d’onde, permet d’obtenirla position du maximum de chaque courbe.

C ’est la loi de Wien .

Elle indique que plus un corps est chaud, plus son pic d’émission maximum sedéplace vers les courtes longueurs d’onde.

Quelques exemples :

- Peau humaine (bonne santé) 305 K pic à 9,5 µm, dans l’infrarouge moyen- Azote liquide 77K pic à 37,6 µm, dans l’infrarouge lointain

)K(T2898

)m(max =µλ

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

L’intégration de la formule de Planck sur toutes les longueurs d’onde, permet d ’obtenirl’énergie totale du rayonnement émis par un corps noir. Loi de STEFAN BOLTZMANN .

( )²m/Watts4

CN TW σ=Avec σ = constante de STEFAN-BOLTZMANN = 5,7 x 10-8 (SI)

Cette loi stipule que l’énergie émise par un corps noir varie avec la puissance quatre de satempérature.On peut aussi démontrer que l’énergie comprise entre λ = 0 et λ = λmax représente seulement25% du total.

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

Courbe d’étalonnage du radiomètre (ondes courtes)

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

EXERCICE 1 : Considérant la surface d’un corps à 2 m², et une température de 305.15 K (32°C), calculez la puissance rayonnée par un humain (émissivité= 1).

Réponse : 2 x 5,7 x 10-8 x (305,15)4 = 988 watts .

Est-ce possible ? Est-ce réaliste ?

Réponse 2 : oui, Nous recevons de l’énergie de notre environnement.Nous nous protégeons avec des vêtements. Mais le bilan est négatif. Nous émettons plus que nous recevons. Pour compenser nos pertes thermiques, nous devons manger.

L’énergie perdue est à peu près compensée par notre nourriture.

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Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de S tefan Boltzmann

Réponse : 0,52 x 3000 x 1000 x 4,18 / 24 / 60 / 60 = 74 watts (94 W jour / 39 W nuit) . On considère généralement la valeur de 100 watts le jour (bâtiment).

Evaporation 13%

Convection 35%

Rayonnement 52%

EXERCICE 2 : Considérant que 3000 CAL est la ration alimentaire quotidienne, et que seule 52% de la puissance perdue est rayonnée, calculez cette dernière.

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1) Brefs rappels sur les transferts thermiquesConductionConvectionRayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnement s

3) Le spectre infrarouge

4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi d e Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivité

Partie I - Bases de la thermographie infrarouge

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Un corps réel n’estpas un corps noir.

Il n’émet qu’une fraction de ce qu’émettrait un corps noir porté à la même température.

Cette fraction est appelée EMISSIVITE (ε).

W = ε σ T4 (au mieux !)

Considérant la loi de Kirchoff, un corps réel réfléchit donc également de l’énergieprovenant de son environnement.

Les corps réels - émissivité

Comme par ailleurs, la plupart des matériaux sont opaquesen infrarouge, on peut écrire :

EMISSION + REFLEXION = 1

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Les corps réels - émissivité

Types généraux de corpsτ + ε + ρ = 1

Corps opaque Transmission = 0donc Réflexion + Emission = 1

Corps brillant Réflexion élevéeet émission faible

Corps gris Emission constante sur unebande de longueur d ’onde

Corps sélectif Emission, réflexion ettransmission varient enfonction de la longueur d’onde

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Les corps réels - émissivité

Courbe d’émission d’un corps noir

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Les corps réels - émissivité

Courbe d’émission d’un corps gris, à la même tempéra ture

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Les corps réels - émissivité

Courbe d’émission d’un corps sélectif, à la même tem pérature

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Les corps réels - émissivité

L’émissivité, quelle est sa valeur ?

1) Impossible à dire tel que.

2) C’est compliqué

Souvent l’émissivité varie avec la température !!!!La variation pour un métal n’est pas dans le même s ens que pour un isolant

L’émissivité varie avec l’état de surface.L’émissivité varie avec l’épaisseur d’un revêtement (ex : film d ’huile).

L’émissivité peut être différente en ondes longues e t en ondes courtes.

IL NE FAUT PAS PANIQUER !

ON S ’EN SORT TRES BIEN AVEC DE L’EXPERIENCE ET EN E TANT CONSCIENT QU’ILEXISTE DES LIMITES.

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Les corps réels - émissivité

Em

issiv

ité

Emissivité en fonction de la longueur d’onde

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Les corps réels - émissivité

Emissivité en fonction de la longueur d’onde

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Les corps réels - émissivité

Emissivité en fonction de la température et de l’état de surface

1 - Caoutchouc2 - Porcelaine3 - Liège4 - Papier5 - Argile réfractaire

T(°K) T(°K)

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1) Généralités, situation de mesure type

2) Facteurs d’influenceEmissivitéTransmission atmosphérique

3) Bilan radiométriqueEquation fondamentale de la thermographieEtalonnage d ’une caméraMesure

Partie II - La mesure par thermographie infrarouge

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1) Généralités, situation de mesure type

2) Facteurs d’influenceEmissivitéTransmission atmosphérique

3) Bilan radiométriqueEquation fondamentale de la thermographieEtalonnage d ’une caméraMesure

Partie II - La mesure par thermographie infrarouge

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Généralités, situation de mesure type

Situation de mesure typeDiverses températures

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1) Généralités, situation de mesure type

2) Facteurs d’influenceEmissivitéTransmission atmosphérique

3) Bilan radiométriqueEquation fondamentale de la thermographieEtalonnage d ’une caméraMesure

Partie II - La mesure par thermographie infrarouge

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Facteurs d ’influence - émissivité

EMISSIVITE

Rappel 1 : Tout corps porté à une certaine température émet un r ayonnementinfrarouge qui n’est qu’une fraction de ce qu’émett rait un corps noir porté à la même température. Cette proportion est appelée EMISSIVITE.

Rappel 2 : Considérant que la réflexion est le complément de l ’émission (pour un matériau opaque), un corps réel réfléchit du flux p rovenant de l’extérieur. Cela est d’autant plus prononcé que l’émissivité est faible.

Rappel 3 : L’émissivité dépend : du matériaude la températurede l’état de surfacede l’anglede la longueur d’onde

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Facteurs d ’influence - émissivité

EMISSIVITE20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

1.0

.9

.8

.7

.6

.5

.4

.3

.2

.1

0

Variationde l’émissivité en fonctionde l’angle : diélectrique

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Facteurs d ’influence - émissivité

EMISSIVITE20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

1.0

.9

.8

.7

.6

.5

.4

.3

.2

.1

0

Variationde l’émissivité en fonctionde l’angle : métal poli

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Facteurs d ’influence - émissivité

EMISSIVITE = COMMENT LA CONNAÎTRE ?

1) Expérience : Maintenance électriquepas de problème sur câbles, manchons isolants, gaines plastiques, caoutchouc

délicat sur métaux polis, mieux s’ils sont oxydés

6) Labo équipé (méthode scientifique)

5) Sonde PT100 de « référence »

4) Thermocouple à contact : délicat, mais peut donner une bonne approximation

3) Peinture de « référence » : approximations successives

2) Tableau récapitulatif : bonne approximationattention aux conditions de validitéà utiliser avec précaution

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Emissivité,tableaurécapitulatif SW(donné à titreindicatif)

Emissivité,tableaurécapitulatif SW(donné à titreindicatif)

Matière Température Valeur

Aluminium brillant 20°C 0,04Aluminium traité 20°C 0,83 à 0,94Cuivre poli 100°C 0,05Cuivre très oxydé 20°C 0,75 à 0,8Fonte oxydée 100°C 0,65Feuillard de fer rouillé 20°C 0,7 à 0,95Nickel électrolytique poli 20°C 0,05Acier inox 18/8 poli 20°C 0,16Acier inox oxydé 60°C 0,85

Brique rouge 20°C 0,93Suie de charbons 20°C 0,95Ciment sec 35°C 0,95Verre (au delà de 4,5µm) 35°C 0,96Huile de lubrification (épaisse) 17°C 0,87Film huile 30 microns 20°C 0,27Film huile 130 microns 20°C 0,72Film huile épais 20°C 0,82Plâtre blanc 20°C 0,85 à 0,9Peau humaine 32°C 0,98Eau liquide 20°C 0,96Cristaux de glace -10°C 0,98Neige -10°C 0,85

Matière Température Valeur

Aluminium brillant 20°C 0,04Aluminium traité 20°C 0,83 à 0,94Cuivre poli 100°C 0,05Cuivre très oxydé 20°C 0,75 à 0,8Fonte oxydée 100°C 0,65Feuillard de fer rouillé 20°C 0,7 à 0,95Nickel électrolytique poli 20°C 0,05Acier inox 18/8 poli 20°C 0,16Acier inox oxydé 60°C 0,85

Brique rouge 20°C 0,93Suie de charbons 20°C 0,95Ciment sec 35°C 0,95Verre (au delà de 4,5µm) 35°C 0,96Huile de lubrification (épaisse) 17°C 0,87Film huile 30 microns 20°C 0,27Film huile 130 microns 20°C 0,72Film huile épais 20°C 0,82Plâtre blanc 20°C 0,85 à 0,9Peau humaine 32°C 0,98Eau liquide 20°C 0,96Cristaux de glace -10°C 0,98Neige -10°C 0,85

Facteurs d ’influence - émissivité

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Emissivité, estimation par application de peinture ou de matériau de référenceEmissivité, estimation par application de peinture ou de matériau de référence

Facteurs d ’influence - émissivité

1) On applique sur le matériau visé, à une distance proche de la scène dont on veutconnaître la température, une peinture hautement émissive (*) ou on colle unebandelette adhésive d’émissivité connue. Exemple ε = 0,95.

2) On fait l’hypothèse que les températures moyennes sur le matériau et sur laréférence sont identiques.

3) On mesure la température sur la zone de référence, avec ε = 0,95. On obtient Tref.

4) Avec le calculateur de la caméra, on pointe la zone d’émissivité inconnue, et onadapte progressivement l’émissivité (réglages caméra) jusqu’à ce que le calculateurdonne Tinconnue = Tref. Il suffit alors de lire l’émissivité.

Note : cela ne donne qu’une approximation utile

(*) peinture mate noire 3M, Krylon

1) On applique sur le matériau visé, à une distance proche de la scène dont on veutconnaître la température, une peinture hautement émissive (*) ou on colle unebandelette adhésive d’émissivité connue. Exemple ε = 0,95.

2) On fait l’hypothèse que les températures moyennes sur le matériau et sur laréférence sont identiques.

3) On mesure la température sur la zone de référence, avec ε = 0,95. On obtient Tref.

4) Avec le calculateur de la caméra, on pointe la zone d’émissivité inconnue, et onadapte progressivement l’émissivité (réglages caméra) jusqu’à ce que le calculateurdonne Tinconnue = Tref. Il suffit alors de lire l’émissivité.

Note : cela ne donne qu’une approximation utile

(*) peinture mate noire 3M, Krylon

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Emissivité, estimation par lecture de température i ndirecteEmissivité, estimation par lecture de température i ndirecte

Facteurs d’influence - émissivité

1) On mesure la température de la scène visée au moyen d’un instrument annexeune sonde à contactune sonde à résistance de platine

2) Avec le calculateur de la caméra, on pointe la zone d’émissivité inconnue, et onadapte progressivement l’émissivité (réglages caméra) jusqu’à ce que le calculateurdonne Tinconnue = Tref. Il suffit de lire l’émissivité.

Note : cela ne donne qu’une approximation utile

1) On mesure la température de la scène visée au moyen d’un instrument annexeune sonde à contactune sonde à résistance de platine

2) Avec le calculateur de la caméra, on pointe la zone d’émissivité inconnue, et onadapte progressivement l’émissivité (réglages caméra) jusqu’à ce que le calculateurdonne Tinconnue = Tref. Il suffit de lire l’émissivité.

Note : cela ne donne qu’une approximation utile

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Emissivité, mesure scientifiqueEmissivité, mesure scientifique

Facteurs d’influence - émissivité

Il faut s’adresser à des laboratoires disposant d’appareillages lourds :

Laboratoire National d ’EssaisUniversitésEcoles d’ingénieurs

Il faut s’adresser à des laboratoires disposant d’appareillages lourds :

Laboratoire National d ’EssaisUniversitésEcoles d’ingénieurs

1- Enceinte isotherme à température ambiante, recouverte de velours noir à l ’intérieur

2- Support d’échantillon rotatif

3- Porte échantillon très bon conducteur thermique avec chaufferette asservie en température

4- Echantillon thermocouplé

5- Caméra IR visant l’échantillon à travers une petite ouverture pratiquée dans l’enceinte 1

1- Enceinte isotherme à température ambiante, recouverte de velours noir à l ’intérieur

2- Support d’échantillon rotatif

3- Porte échantillon très bon conducteur thermique avec chaufferette asservie en température

4- Echantillon thermocouplé

5- Caméra IR visant l’échantillon à travers une petite ouverture pratiquée dans l’enceinte 1

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1) Généralités, situation de mesure type

2) Facteurs d’influenceEmissivitéTransmission atmosphérique

3) Bilan radiométriqueEquation fondamentale de la thermographieEtalonnage d ’une caméraMesure

Partie II - La mesure par thermographie infrarouge

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Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

L’absorption atmosphérique a deux causes essentielles :- l’absorption moléculaire des gaz (H20, CO2,O3, …)- l’absorption par diffusion due aux fines particules (aérosols, brumes, brouillard,pluie, …)

L’absorption atmosphérique a deux causes essentielles :- l’absorption moléculaire des gaz (H20, CO2,O3, …)- l’absorption par diffusion due aux fines particules (aérosols, brumes, brouillard,pluie, …)

Facteur de transmission de l ’atmosphère en fonctio n de la longueur d ’onde (à 30m).

diffxmolatm ττ=τ

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Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

Facteur moyen de transmissionFacteur moyen de transmission

Ce facteur prend en compte : la bande spectrale de la caméra, la distance de mesure, le taux d’humidité relative, et la température de l’atmosphère

Ce facteur prend en compte : la bande spectrale de la caméra, la distance de mesure, le taux d’humidité relative, et la température de l’atmosphère

Courbes typiques du facteur moyen de transmission d e l’atmosphère en fonction de la distance (50% d’humidité)

7% d’atténuation donc meilleure

« visibilité » en LW

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Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

Influence de la pluieInfluence de la pluie Transmission τpluie = e -cxTransmission τpluie = e -cx

c = 1,25 10-6 Z / r3

avec Z = hauteur de précipitation en cm / sr = rayon moyen des gouttes (cm)

En ondes courtes, sur 1800 m de trajet optique, on obtient :

- pluie fine 0,25 cm / h τ = 0,88

- pluie moyenne 1,25 cm / h τ = 0,74

- pluie forte 2,50 cm / h τ = 0,65

- pluie diluvienne 10 cm / h τ = 0,38

c = 1,25 10-6 Z / r3

avec Z = hauteur de précipitation en cm / sr = rayon moyen des gouttes (cm)

En ondes courtes, sur 1800 m de trajet optique, on obtient :

- pluie fine 0,25 cm / h τ = 0,88

- pluie moyenne 1,25 cm / h τ = 0,74

- pluie forte 2,50 cm / h τ = 0,65

- pluie diluvienne 10 cm / h τ = 0,38

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Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

Influence du brouillardInfluence du brouillard

Plate-forme vue au travers d’un brouillard. Visibilité inférieure à 200 m. Distance d’observation 220 m.

D ’après Caniou. L ’observation et le mesurage par thermographie.

Plate-forme vue au travers d’un brouillard. Visibilité inférieure à 200 m. Distance d’observation 220 m.

D ’après Caniou. L ’observation et le mesurage par thermographie.

8 - 12 µm 3 - 5 µm

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Facteurs d’influence - atmosphère

Influence de l’environnement, réflexions parasitesInfluence de l’environnement, réflexions parasites

3 - 5 µm

28.6°C

48.6°C

30

35

40

45

Réflexions

8 - 12 µm

6.6°C

48.1°C

10

20

30

40

Réflexions atténuées

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1) Généralités, situation de mesure type

2) Facteurs d ’influenceEmissivitéTaille des objets, réponse à une fenteTransmission atmosphérique

3) Bilan radiométriqueEquation fondamentale de la thermographieEtalonnage d’une caméraMesure

Partie II - La mesure par thermographie infrarouge

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Equation fondamentale de la thermographie

Hypothèses de base

- L’objet visé est opaque- L’émissivité est grise, notée ε0- La température de surface est Tobj- L’environnement est assimilable

à un corps noir de température Tenv- L’atmosphère est assimilable

à un corps noir de température Tatm- La transmission de l’atmosphère

vaut τatm

Hypothèses de base

- L’objet visé est opaque- L’émissivité est grise, notée ε0- La température de surface est Tobj- L’environnement est assimilable

à un corps noir de température Tenv- L’atmosphère est assimilable

à un corps noir de température Tatm- La transmission de l’atmosphère

vaut τatm

La luminance L’ (flux infrarouge tenant compte de la sensibilité spectrale de la caméra,de l’angle de collecte, etc..) vue par la caméra est égale à :

L’ = τatm ε0Lobj + τatm (1 - ε0)Lenv + (1 - τatm) Latm

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Equation fondamentale de la thermographie

La correspondance luminance / température est déter minée grâce àl’étalonnage sur une batterie de corps noirs de réf érence.

Etalonnage :

• d’un radiomètre

Champ de très faible ouverture, gamme de température étendue.

• d’une caméra infrarouge

Nécessité d ’un large champ et d ’un corps noir étendu;

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Etalonnage

La fonction d’étalonnageest décrite par l’équationmathématique :

−=

FT

BR

I)exp(

R, B et F sont les constantesd ’étalonnage

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Une caméra de thermographie infrarouge moderne disposed’un ordinateur interne qui prend en charge automatiquement

tous les facteurs d’influence.

En outre, les courbes d’étalonnage sont des fichierstéléchargeables.

Elle délivre donc directement des températures.

Les fichiers informatiques qui sont sauvegardés ne sonttoutefois jamais des températures. Il s’agit toujours de

tableaux de mesures brutes, avec les paramètres annexés.Il est ainsi possible de modifier et d’ajuster à volonté

le résultat final.

Mesure

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Précautions à prendre pour effectuer une bonne mesure

1) Vérifier la mise au point optique (focalisation)

2) Régler la gamme de température d’analyse

3) Régler l’émissivité

4) Eviter une mesure sous une trop forte incidence

5) Faire attention aux objets chauds à proximité d’un e zone réfléchissante

6) Vérifier que la distance objet-caméra permet d’a ssurer une bonne résolutiongéométrique

7) Contrôler qu’il n’y a pas de problème d’atténuat ion atmosphérique

Et ……. faire contrôler une fois par an l’étalonnage de la caméra.

Mesure

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Partie III

Les caméras de thermographie

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1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques principales

3) Quelques exemples de caméras IR

4) Types de détecteurs

5) Refroidissement

6) Matériaux utilisés en IR

7) Filtres

Partie III - les caméras de thermographie

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Partie III - les caméras de thermographie

1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques

3) Quelques exemples de caméras IR

4) Types de détecteurs

5) Refroidissement

6) Matériaux utilisés en IR

7) Filtres

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S∆

analyseur ligne

Du radiomètre à la caméra IR à matrice

Module optique

Module détecteur

Electronique & Logiciel

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Caméra IR à balayage optico -mécaniqueDétecteur mono élément

Pour avoir un balayage acceptable, le détecteur quantique refroidi doit avoir un temps de réponse de 0,3 à 1 µs

Du radiomètre à la caméra IR à matrice

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xy pixels infrarouges

Caméra IR à barrette (ligne) et à matrice (surface)

Le balayage électronique permet de rendre le temps de réponse secondaire

Du radiomètre à la caméra IR à matrice

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ThermaCAM SC1000

256 x 256 pixelsPtSi

575, 595, Alert, SC500, SC2000

320 x 240 pixelsBolomètres VOx

Du radiomètre à la caméra IR à matrice

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Partie III - les caméras de thermographie

1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques principales

3) Quelques exemples de caméras IR

4) Types de détecteurs

5) Refroidissement

6) Matériaux utilisés en IR

7) Filtres

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Les caractéristiques principales

thermique

spectral

spatial

temporel Calibres

Sensibilité

Exactitude

Résolution thermique DTEB

Mini de temp. détectable MDT

Bande spectrale RSR

FOV - IFOV

Fct. de Transfert de Modulation FTM

Fct. de Réponse à une Fente FRF

PRSM-PRSO

Nombre de détecteurs

Fréq. de balayage V et H

Temps de réponse

Les caractéristiques principales

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IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

Les caractéristiques spectrales

thermique

spectral

spatial

temporel

Réponse spectrale relative : RSR (fonction normée à 1)

Correspond à la bande spectrale de la caméra (INFRAMETRICS 760)

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thermique

spectral

spatial

temporel

Calibres : Tmin - Tmax en °C

Correspond à l’étendue de mesure de la caméra

Caméra INFRAMETRICS 760)

-20 à 400 °C plage normale

20 à 1500 °C plage étendue

Les caractéristiques thermiques

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Sensibilité : s(T) en UA/°C

Correspond à la pente de la courbe d’étalonnage en un point de fonctionnement (T fixée)

Totalement différent de la résolution thermique.

La caméra IR est plus sensible en ondes courtes qu’en ondes longues

1V∆

T∆

2V∆

TV

s∆∆=

LWSW ss >

Les caractéristiques thermiques

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Exactitude ou incertitude : ± X°C ou ± X%

Précision avec laquelle est donnée la valeur de la température.

L’exactitude est maximale en haut de chaque calibre.

Caméra INFRAMETRICS 760

± 2°C ou ± 2%

Les caractéristiques thermiques

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Résolution thermique : DTEB (NETD) en °C à T,texp et calibre fixés

Différence de Température Equivalente à la valeur efficace du Bruit mesuré sur le thermosignal.

Correspond à la valeur efficace du bruit superposé au thermosignal rapporté en écart de température sur la courbe d’étalonnage.

Caméra INFRAMETRICS 760

0,2°C @30°C (3-5µm)

0,4°C@30°C (8-12µm, 3-12µm)

LWT∆SWT∆

DTEB

Bruit

T

Vs =

∆∆

=

Le DTEB diminue lorsque l’on procède à un moyennage spatial ou temporel (diminution du bruit)

Les caractéristiques thermiques

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thermique

spectral

spatial

temporel

Les caractéristiques spatiales

Angle de vue de l’objectif : FOV (Field Of View)Correspond à l’angle d’ouverture ou champ de vue de la caméra

Caméra INFRAMETRICS 760

optique standard : 20°x15°

(20° ≅ 350 mrad)

Angle de vue instantané : IFOV (Instantaneous Field Of View)Angle sous lequel la caméra voie un objet correspondant à la projection géométrique du détecteur sur la scène thermique

Caméra INFRAMETRICS 760 à 50% de modulation (FRF) pour optique standard :

IFOV(8-12µm) : 20°/194 = 1,8 mrad

IFOV (3-5µm) : 20°/100 = 3,5 mrad

20°15°

IFOV

FOV

194/100 IFOV

160

lignes

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Champ de vue de la cam éra fonction de la distance

Caméra INFRAMETRICS 760

FOV : 20°x15°

IFOV : 1,8 mrad

α=2

tanD2L

Les caractéristiques spatiales

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Fonction de Transfert de Modulation : FTMCaractérise de façon quantitatif les performances optiques de la caméra.

Exprime le fait que lorsque la fréquence spatiale d’un objet augmente, l’amplitude du thermosignal diminue. A rapprocher de la réponse à une « fente » c’est-à-dire du pouvoir de résolution spatial .

Les caractéristiques spatiales

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Mesure directe de la fonction de transfert de modula tion (FTM)

f1

f2f3

f4

Les caractéristiques spatiales

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Fonction de Transfert de Modulation (FTM) déduite de la Fonction de Réponse à une Fente (FRF)

Plutôt que de mesurer la FTM, il est plus simple de mesurer la réponse à une source de type « fente »(« Line spread function -LSF » ou encore « Slit reponse function - SRF »

Transformation

de Fourier

Transformation

de Fourier

Les caractéristiques spatiales

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Fonction de Réponse à une Fente (FRF) (en anglais SRF Slit Response Function).

ou mesure sur un objet de petite taille

Considérons un détecteur élémentaire.

L’image d’un petit objet dans le plan du détecteur peut être inférieure à la surface dedétection. Le signal global fournit par le détecteur tient compte de l’objet, mais aussi deson arrière-plan.

En conséquence, le signal mesuré (et donc la tempéra ture) sur des petits objets peutêtre affectée par la taille de ceux-ci.

Note : La qualité des optiques (diffraction, aberrations) joue également un rôle important.

Moyen de mesure = Fonction de réponse à une fente FR F

Les caractéristiques spatiales

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Mesure de la Fonction de Réponse à une Fente (FRF)

P

α

Les caractéristiques spatiales

imagerie

mesure

(mrad) α

mrad895 =α

mrad8,150 =α IFOV

Fente large �palier important (1)

Fente fine � plus de palier (2), la largeur angulaire de la fente donne la résolution pour 100% de modulation

Fente très fine � moitié du signal initial (3) résolution à 50%

Fente large �palier important (1)

Fente fine � plus de palier (2), la largeur angulaire de la fente donne la résolution pour 100% de modulation

Fente très fine � moitié du signal initial (3) résolution à 50%

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Résolution et nombre de pixels

Caméra INFRAMETRICS : FOV=20°=350mrad - α50=1,8mrad et α95=8mrad

Pouvoir de Résolution Spatial de Mesure:

PRSM95=FOV/ α95= 44 éléments de mesures par ligne

Pouvoir de Résolution Spatial d ’Observation :

PRSO50= FOV/ α50=194 éléments observables par ligne

Qu’il ne faut pas confondre avec le nombre de pixels qui résulte de la numérisation du thermosignal délivré par le détecteur (caméra à mono-détecteur) ou du nombre de détecteurs de la matrice (caméra à matrice de détecteurs).

Très généralement :

Npth

Npix=256

Npix > Npth

Les caractéristiques spatiales

}

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thermique

spectral

spatial

temporel

Les caractéristiques temporelles

Fréquence-image (trame) et fréquence-lignePar seconde, nombre d’images ou de lignes balayé par la tête d’analyse

Caméra IR mono-élément (INFRAMETRICS) : c’est la fréquence à laquelle les 2 miroirs mobiles balaient le champ à observer. Le premier miroir est animé d’un mouvement sinusoïdal vertical à la fréquence 50 Hz (fréquence trame ) alors que le second assure le balayage horizontal à 4kHz (fréquence ligne ).

Une même ligne est balayée 2 fois (aller-retour du galvanomètre) donc FH=8 kHz soit 125µs par ligne. Une image nécessite (FV=50Hz) 20ms. Donc le champ de vue comporte : 20ms/0,125=160 lignes .

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Les caractéristiques temporelles

Fréquence de restitution vidéoPar seconde, nombre d’images ou de lignes restitué sur écran vidéo

Le convertisseur A/N restitue 256 échantillons par ligne horizontales (256 pixels )

Pour des raisons de compatibilité TV, l’affichage sur moniteur vidéo se fait en 625 lignes horizontales avec 2 trames vidéo de 50 Hz entrelacées.

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Partie III - les caméras de thermographie

1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques principales

3) Quelques exemples de caméras IR

4) Types de détecteurs

5) Refroidissement

6) Matériaux utilisés en IR

7) Filtres

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System Type Scanner

Spectral Range Long Wave

Detector Single Element

Detector Material Mercury Cadmium Telluride

Measurement Accuracy 2% or 2 Degrees C

Measurement Range -20 to 400 C

With Filter -20 to 1500 C

Field View 15 X 20 Degrees

Cooling Stirling Cycle

Spatial Resolution 1.8 mrad

Thermal Sensitivity <0.10 at 30 Degrees C

Detector Refresh Rate 30 Hz

Dynamic Range 12 Bit

Emmissivity Adjustment .10-1.00

Palettes Multiple Color and B&W

Display Type LCD

Image Storage Capacity 25 images / Floppy

Storage Medium 3.5 Inch Floppy

Operating Temperature -15 C to 50 C

Camera Weight 18 Lbs.

Camera Size 10 X 9 X

Focus Distance 8 Inches to Infinity

Video Output 60 Hz NTSC

Power Supply Battery or A/C

Voice Annotation No

Available Accessories Lenses, Batteries, Software…

Product Specifications

Inframetrics 760

Spectral range : 3 to 12µm

Noise equi. Temp. Diff. : 0,08°C@30°C

Mesurement accuracy : ±2°C or ± 2%

Field view : 15° x 20°

Spatial resolution : 1,8 mrad

Detector ; single element (MCT)

Quelques exemples de caméras IR

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Spectral range : 8 to 14µm

Resolution : 0,08°C@30°C

Accuracy : ± 2% (range full scale)

I.F.O.V. : 1,58 mrad

Thermal image pixels : 320x240

Quelques exemples de caméras IR

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Spectral range : 8 to 14µm

Noise equi. Temp. Diff. : 0,08°C@30°C

Mesurement uncertainty : ±2K or ± 2%

F.O.V : 43° x 23°

Spatial resolution : 3 mrad

Sensor array : 256 x 128 pixels

Quelques exemples de caméras IR

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ThermaCAM ® P60L'image thermique et l'image visible

L'image thermiqueChamp d'observation / distance minimum de focalisation

24° x 18° / 0,3 m

Résolution spatiale (IFOV) 1,3 mrad

Résolution thermique à 50/60 Hz 0,08°C à 30 °C

Zoom électronique 2, 4, 8 en continu

Focalisation Automatique ou manuelle

Amélioration numérique de l'image Normale et perfectionnée

Type de détecteur Matrice à plan focal (FPA) microbolomètre non refroidi 320 x 240 pixels

Réponse spectrale 7,5 à 13 µm

L'image visiblePhoto numérique intégrée 640 x 480 pixels couleurs

L'affichage de l'imageViseur Écran TFT couleur haute résolution intégré

Écran externe LCD 4 pouces couleur, intégrant les commandes à distance

Sortie vidéo Vidéo composite RS170 EIA/NTSC ou CCIR/PAL, S-vidéo

La mesureGammes de mesure -40 °C à +120 °C sur gamme 1

0 °C à +500 °C sur gamme 2

Jusqu'à +1500 °en option

Jusqu'à +2000 °C en option

Exactitude de mesure sur corps noir (% de la valeur) ±2 °C ou ±2%

Outils d'analyse Point manuel (jusqu'à 10 points mobiles), point placé automatiquement au max./min., zone (jusqu'à 5 zones mobiles), isotherme, profil, différenceCorrection de l'émissivité Variable de 0,1 à 1,0 ou à partir de tables prédéfinies

Caractéristiques de la mesure Corrections automatiques basées sur données de l'utilisateur pour la réflexion de la température d’environnement, la distance, l'humidité relative, Correction de la transmission des optiques externes Automatique, basée sur capteurs internes

L'enregistrement des imagesType Carte Flash amovible (128 Mo) et mémoire Flash intégrée (50 images)

Format de fichier des images thermiques JPEG standard incluant 14 bits pour la mesure

Format de fichier des images visibles JPEG standard (incluant un marqueur mobile) avec lien vers les images thermiques correspondantesCommentaire vocal des images 30 secondes de commentaire vocal enregistré avec chaque image

Commentaire texte des images Prédéfini par l'utilisateur, et enregistré avec chaque image

Indicateur de l'état du systèmeÉcran LCD Indique l'état de la batterie et de la mémoire, ainsi que les modes

d'alimentation, de communication et d'enregistrement.Laser LocatIR™Classification Classe 2

Type Diode laser à semi-conducteur AlGaInP : 1 mW / 635 nm (rouge)

L'alimentationType de batterie Li-Ion rechargeable, remplaçable sur le terrain

Autonomie 2 heures en fonctionnement continu

Chargement de la batterie Dans la caméra (adaptateur secteur ou sur prise 12 V d'un véhicule) ou chargeur intelligent 2 emplacementsUtilisation sur alimentation externe Adaptateur secteur 110/220V alternatif, 50/60 Hz ou 12V d'un véhicule (câble avec prise allume-cigare en option)Économie d'énergie Arrêt automatique et mode veille (personnalisable par l'opérateur)

L'environnementTempérature de fonctionnement -15 °C à +50 °C

Température de stockage -40 °C à +70 °C

Humidité relative De 10 % à 95 % pour le fonctionnement et le stockage, sans condensation

Indice de protection IP 54, IEC 529

Choc En fonctionnement : 25g, IEC 68-2-29

Vibration En fonctionnement : 2g, IEC 68-2-6

Les caractéristiques physiquesPoids 2,0 kg avec batterie et poignée (qui comporte la commande à distance,

l'écran LCD, la caméra vidéo et le dispositif laser), 1,4 kg sans batterie ni Dimensions 100 mm x 120 mm x 220 mm pour la caméra seule

Trépied 1/4" - 20

Réponse spectrale : 7,5 à 13µm

Résolution thermique : 0,08°C@30°C

Exactitude de mesure

sur corps noir : ±2K or ± 2%

Champ d'observation : 24° x 18°

Résolution spatiale IFOV : 1,3 mrad

Microbolomètre : 320 x 240 pixels

Quelques exemples de caméras IR

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Partie III - les caméras de thermographie

1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques

3) Quelques exemples de caméras IR

4) Types de détecteurs

5) Refroidissement

6) Matériaux utilisés en IR

7) Filtres

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Les caméras de thermographie - détecteurs

• Détecteurs de photons ou quantiqueLe rayonnement IR est

converti directement en signal électrique.

– Refroidissement

– Très sensible– Très stable

– Ondes courtes (gén.)

– PtSi (platine-silicium), InSb (antimoniure d’indium) et le HgCdTe (mercure-cadmium-telluride MCT) sont les plus communs

• Détecteurs thermiquesLe Rayonnement reçu par un détecteur provoque un échauffement de celui-ci.

– MicrobolomètresVariation de résistanceCouplage continu

– Matériau ferroélectrique & pyroélectriqueVariation de capacitéCouplage alternatif (chopper),

Détecteurs quantique ou thermique

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Les caméras de thermographie - détecteurs

Principe des détecteurs quantique ou thermique

Détecteur quantique

Détecteur refroidi

ABSORPTION

CIRCUIT DE LECTURE

IR

ISOLATION THERMIQUE

THERMOMETRIE

SIGNAL

Détecteur thermique

Détecteur non refroidi

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Les caméras de thermographie - détecteurs

Gamme de fonctionnement

des détecteurs quantiques

et thermiques

Détecteurs au Tellurure de Mercure

et Cadmium (HgCdTe).

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Partie III - les caméras de thermographie

1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques

3) Types de détecteurs

4) Refroidissement

5) Matériaux utilisés en IR

6) Filtres

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Refroidissement

Pourquoi le refroidissement ?

Température basse = plus de millivolts en sortie, pour un flux infrarouge reçudéterminé.

Sur les détecteurs électroniques (quantique ), la sensibilité est inversement proportionnelle à la température.

REFROIDISSEMENT Azote liquide (-200°C)

Compresseur Strirling

Effet Peltier (-70°C)

Sur les détecteurs thermiques , la sensibilité est maximale aux alentours dela température ambiante.

TEMPERATURE STABILISEE Effet Peltier (-70°C)

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Partie III - les caméras de thermographie

1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques

3) Types de détecteurs

4) Refroidissement

5) Matériaux utilisés en IR

6) Filtres

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Les caméras de thermographie - matériaux

Matériaux utilisés en infrarouge (objectifs, hublots, etc.) :

Fluorine (CaF2) : transparence entre 0,13 µm et 12 µmtempérature inférieure à 600°C

Germanium (Ge) : transparence entre 1,8 µm et 23 µm

température inférieure à 150°Cassocié à un traitement SiO2 en OC et ZnSe en OL

Silicium (Si) : transparence entre 1,2 µm et 15 µm

transmission diminuant avec la température

associé à un traitement ZnSeSaphir (Al2O3) : transparence entre 0,17 µm et 6,5 µm

produit de synthèse

Ne pas oublier

• du film plastique alimentaire est transparent, et offre une bonne protection contre des projections

• l’aluminium, le cuivre, l’argent, l’or, après polissage et dépôt d’oxyde de silicium sont des bons miroirs

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Partie III - les caméras de thermographie

1) Du radiomètre à la caméra IR à matrice

2) Les caractéristiques

3) Types de détecteurs

4) Refroidissement

5) Matériaux utilisés en IR

6) Filtres

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Les caméras de thermographie - filtres

Rayonnement de la flamme Rayonnement après filtre

• FILTRE FLAMME

Passe bande étroite, centré sur 3,9 µm (ondes courte s) ou 10,6 µm (ondes longues)

La cible doit être assez chaude pour que le flux ré siduel soit suffisant.

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Les caméras de thermographie - filtres

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14

Réponse relative

Longueur d’onde en microns

3-5µ 8-12µ

Filtre neutre atténuateur

3.9µ Flamme 10.6µ

Verre5µ

Plastique7.9µ

Plastique3.43µ

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Partie IV - Application de la thermographie àl ’évaluation non destructive (END)

1) Généralités

2) La thermographie passive

3) La thermographie active

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Partie IV - Application de la thermographie àl ’évaluation non destructive (END)

1) Généralités

2) La thermographie passive

3) La thermographie active

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Evaluation Non Destructive (END) par IR : il s’agit de la détection d’anomalies, d’objets ou de personnes

La thermographie passive

teste des objets à une température différente de la température ambiante.

Par opposition, la thermographie activenécessite une source de chaleur externe afin de stimuler l’objet à analyser.

Evaluation non destructive

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Partie IV - Application de la thermographie àl ’évaluation non destructive (END)

1) Généralités

2) La thermographie passive

3) La thermographie active

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Champ d’application de la thermographie passive

En sécurité civile et militaire : Détection d’objets ou de personnes hors du domaine visible ; intrus ou véhicule militaire la nuit ou recherche de personnes perdues en mer ou en forêt …exemples

Dans le domaine médical : La mesure de la température de surface permet de détecter des tumeurs ou encore des lésions dans les tissus. Méthode passive très peu utilisée … exemples

En milieu industriel : Méthode très répandue. En effet, la variation de température d’une pièce dans une machine est généralement un très bon indicateur du risque de bris ou de dysfonctionnement… exemples

En génie civil : Largement utilisée pour évaluer l’isolation des bâtiments. Cette méthode, quoique nécessitant l’usage du chauffage est considérée comme une méthode passive … exemples

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

Isolation

*>35.0°C

*<0.0°C

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

*>20.4°C

*<14.4°C

14.5

15.0

15.5

16.0

16.5

17.0

17.5

18.0

18.5

19.0

19.5

20.0

*>7.2°C

*<1.5°C

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

Bâtiment.

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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*>20.3°C

*<17.0°C

17.0

17.4

17.7

18.1

18.4

18.7

19.1

19.4

19.7

20.0

Chauffage au sol

Bâtiment.

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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Médical.

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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Cuves calorifugées

Fours rotatifs

Fours tunnels

Milieu industriel

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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Intérieur de four

*>1,189°C

*<700.1°C

750.0

800.0

850.0

900.0

950.0

1,000

1,050

1,100

1,150

Milieu industriel

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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Réacteurs

*>55.0°C

*<15.0°C

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

55.0

Milieu industriel

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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Electricité, haute tension

Connexions vissées

Milieu industriel

Evaluation non destructive - Thermographie passive

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Applications civile et militaire

Evaluation non destructive - Thermographie passive

La Terre en infrarouge (fausses couleurs).

Surveillance côtière (marine)

Système de déminage IR :

Les taux de détection basés sur l'analyse de l'imagerie infrarouge varie de 20 à100 % et dépendent du type de mines, du type de sol et de sa compaction, de l'humidité, de l'ombre et de l'heure du jour.

Amas de très jeunes étoiles observables

dans l’infrarouge (nébuleuse d ’Orion)

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Partie IV - Application de la thermographie àl ’évaluation non destructive (END)

1) Généralités

2) La thermographie passive

3) La thermographie active

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La thermographie activeCette méthode nécessite l’utilisation d’une source d’énergie

thermique extérieure.

Il s’agit d’augmenter la température de l’objet que l’on veut tester à l’aide d’une source de chaleur, la caméra infrarouge mesure alors la température de surface de l’objet. La présence de défauts se caractérise par une température de surface différente des zones sans défaut.

Evaluation non destructive - Thermographie active

Deux techniques sont utilisées qui diffèrent essentiellementpar leur mode d’excitation :

la thermographie modulée

la thermographie pulsée

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La thermographie modulée

Cette technique repose sur une excitation sinusoïdale de la source de chaleur. Il s’agit d’appliquer un chauffage dont l’intensité varie sinusoïdalement avec le temps. Le chauffage pouvant être par contact ou induit.

END - Thermographie active modulée

Caméra

thermographique

Station de travail

Générateur de stimulis

Objet à

analyser

Lampe

Que l’excitation soit externe (lampes IR, pistolet thermique) ou interne (alimentation variable des composants électroniques), l’impact de la source d’excitation sinusoïdaleau niveau de l’objet se traduit par la création d’ondes thermiques sinusoïdales à la surface de l’objet .

Celles-ci se propagent par conduction àl’intérieur du matériau sensé être homogène. Un défaut ou tout obstacle qui présente une capacité thermique différente , modifie cette propagation. Le rayonnement thermique qui en résulte varie tant du point de vue de son amplitude que de sa phase (différence de trajet thermique).

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La thermographie moduléela démodulation synchrone

END - Thermographie active modulée

la fréquence d’excitation très faible (qq 1/10 Hz à qq Hz) pour que la diffusion thermique puisse se faire est synchroneavec la vitesse de balayage image de la caméra IR.

Le rayonnement IR issu de chaque point de l’objet (pixel) a lui aussi une allure sinusoïdale mais son amplitude et son retard (sa phase) peuvent varier d’un point à l’autre selon les défauts ou inhomogénéités rencontrés lors de la propagation.

Pour chaque pixel, il faudra calculer l’atténuation (amplitude) et le retard (phase).

( ) ( )

2S4S1S3S

artg

2S4S1S3SA 22

−−=ϕ

−+−=

On obtient ainsi une image thermique d’amplitude et une image thermique de phase pour une fréquence donnéec-à-d une « profondeur d’observation µ » (indépendantes des parasites extérieurs). f2

matériau du densité:

ermiqueth écapacit:c

thermique téconductivi:k

c

k2

thermique édiffusivit de Longueur

π=ωρ

ωρ=µ

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La thermographie pulsée

END - Thermographie active pulsée

Cette technique repose sur un mode d’excitation court . Il s’agit d’appliquer un chauffage, le plus uniforme possible (spatialement et temporellement) pendant une durée qui dépend du type de matériau et de la profondeur d’inspection que l’on désire atteindre.

Plus le matériau réagit lentement àune excitation thermique (faible conductivité thermique) et plus le défaut est profond, plus la durée de l’impulsion doit être longue.

Après le déclenchement, la caméra IR enregistre une séquences d’images thermiques.

3 méthodes d’analyse des images : le contraste maximal, la tomographie et la phase pulsée

Caméra

thermographique

Station de travail

Générateur de stimulis

Objet à analyser

Lampe

flash

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le contraste maximal La thermographie pulsée

END - Thermographie active pulsée

La méthode du contraste maximal pour un défaut (déf) nécessite la connaissance d’une zone sans défaut (zsd). Le contraste C pour un pixel à un temps t est défini par :

3,5 2 0,5

4 2,5 1

4,5 3 1,5

d Coupe

Vue

arrière

d

Pièce en aluminium

[ ] [ ]TzsdTdéftC

tTzsdtTzsdtTdéftTdéftC

∆∆==−=−=

/)(

)0()(/)0()()(

Signal thermique des différentes zones enregistrélors de l ’impulsion thermique appliquée sur la pièce en aluminium

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END - Thermographie active pulsée

Evaluation de la profondeur des défauts par la mesure du temps (tc-max) après le début de l’expérience où le contraste est maximum

le contraste maximal - La thermographie pulsée

thermique édiffusivit :où

dt

2

maxC

δδ

≈−t c-max

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END - Thermographie active pulsée

L’évolution du contraste de chaque pixel au cours du temps est calculé.La valeur de tc-max pour chaque pixel est déduite et participe à la construction d’une image où chaque point (pixel) prend la valeur de tc-max. Cette image est appelée timegram : TGMc-max .Il suffit de faire correspondre àchaque valeur de tc-max la profondeur calculée et on obtient une image en 3 D oùchaque tranche (tomogramme ) correspond à une profondeur spécifique en dessous de la surface.

La tomographie thermique - Extension de la méthode précédente

tc-max

Séquence

d’images IR

Image 1

Image 2

Image 3

Pixel (i,j)

Temps (s)

Contraste

maximum

Timegram TGMc-max

t maxC

d2

d (mm)

Profondeur en

dessous de la surface

Tomogrammes

Contraste

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END - Thermographie active pulsée

le contraste maximal - La thermographie pulsée

Résultat obtenu avec cette méthode sur un échantillon d’aluminium dans lequel se trouve deux défauts circulaire.

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END - Thermographie active pulsée

L’application d’une brève et puissance impulsion d’énergie sur la surface de l’objet à analyser stimules des ondes thermiques àdifférentes fréquences à l’intérieur de l’échantillon.La transformée de Fourier (FFT) de l’évolution de la température (réponse temporelle) restitue une image enamplitude et surtout une image en phase (retard) à diverses fréquences donc à différentes profondeurs. L’image de phase est plus performante car moins perturbée par la non uniformité du chauffage et surtout la profondeur de pénétration est double par rapport à l’image d’amplitude.

La thermographie de phase pulsée

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END - Thermographie active pulsée

La thermographie de phase pulsée

Echantillon de fibre de carbone renforcée de plastique avec deux pièces de Téflon de 10mm de diamètre, insérées à différentes profondeurs (1 et 2mm). L’apparition des défauts est liée à la fréquence d’observation. Ceci s’explique par la formule de la longueur de diffusivité thermique µ :

où α est la diffusivité thermique et ω la fréquence angulaire. Cette équation donne la profondeur maximale d’observation pour chaque fréquence d’observation. Elle permet donc en première approximation d’ordonner la profondeur de différents défauts.

ωα=µ 2

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END - Thermographie active pulsée

La thermographie de phase pulsée

Pulse Thermography and lockin on inspection on SiC material. JADE LWIR camera and ALTAIR software.

Inspection of a glass epoxy radome. With lockin excitation, the phase image clearly shows signs of delaminations. JADE LWIR camera and ALTAIR LI software.

Amplitude and Phase images on a carbone epoxy sample after lockin excitation.

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Bibliographie

• La thermographie infrarouge, Principes, Technologie, Applications - G. Gaussorgues - Technique et documentation Lavoisier, pp 539, 1989.

• Thermographie infrarouge - F. Papini, P. Gallet - Masson, pp 237, 1994.

• La thermographie infrarouge, outil de métrologie, de caractérisation et de contrôle, aux multiples applications - Séminaire de formation ENS Cachan sous la direction de D. Balageas, Tome I et II, 12-14 juin 2001.

• Thermographie instrumentale et industrielle - Journées d ’études Thermogram ’2001, IUT de Sénard, 18-19 octobre 2001.

• Développement d ’une instrumentation infrarouge pour l’étude des structures mécaniques, application à l’étude des extrémités de fissures - P. Bremond, Thèse de docteur ingénieur, pp 86, 1982.

• Radiomètre de mesure et d’imagerie IR - Inframetrics modèle 760, manuel d ’utilisation, pp 81, 1987.

• Thermographie infrarouge pour l’évaluation non destructive - F. Galmiche- 2002 -http.//www.gel.ulaval.ca

• Thermographie active : http://www.cedip-infrared.com

• Remerciements à la Société FLIR pour les nombreuses photographies infrarouges.