cours de thermographie infrarouge -...
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IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance
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
IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance
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
IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance
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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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
IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance
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
IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance
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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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.