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COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Landolsi Foued Page 60 PARTIE II THERMOGRAP

COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Landolsi Foued Page 60 PARTIE II THERMOGRAPHIE INFRAROUGE COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Landolsi Foued Page 61 THERMOGRAPHIE INFRAROUGE I. Définition La thermographie infrarouge (TIR) est la science de l'acquisition et de l'analyse d'informations thermiques à l'aide de dispositifs d'imagerie thermique à distance. La norme française A 09-400 défini la Thermographie Infrarouge comme « Technique permettant d’obtenir au moyen d’un appareillage approprié l’image thermique d’une scène thermique dans un domaine spectral de l’infrarouge ». La thermographie infrarouge est utilisée dans le domaine de la surveillance conditionnelle de fonctionnement pour optimiser les tâches de maintenance sans interrompre le flux de production, et réduire au maximum les coûts d'entretien. II. Principe La caméra infrarouge capte au travers d’un milieu transmetteur les rayonnements émis par une scène thermique. Le système radiométrique convertit la puissance de rayonnement en signaux numériques ou analogiques : ceux-ci sont transcrits en température par le calculateur et transformés en points lumineux sur un écran. L’image ainsi obtenue s’appelle « Thermogramme ». La figure 7.2 montre un exemple courant de défaut dans une armoire électrique. La caméra infrarouge mesure tous les rayonnements émis et les restitue sous forme de thermogramme : cette image thermique est composée par des niveaux de couleur), qui sont en corrélation avec les niveaux de T° mesurés (échelle des températures). Dans ce cas, par comparaison des températures des trois connexions, le thermogramme nous indique un mauvais serrage au niveau du câble droit. Figure 7.1 : Image visible et thermogramme correspondant d’un rouleau de papier Figure 7.2 : Exemple de défaut électrique de connexion (mauvais serrage) COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Landolsi Foued Page 62 III. Lois du rayonnement infrarouge 1. Le spectre électromagnétique : La lumière visible, les ondes radio, TV, les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques. Le domaine visible s’étend des longueurs d’onde allant de 0,4 à 0,8 μm. La bande infrarouge [figure 7.3] s’étend de 0,8 à 1000 μm. En thermographie infrarouge, on travaille généralement dans une bande spectrale qui s’étend de 2 à 15 μm et plus particulièrement dans les fenêtres 2-5 μm et 7-15 μm. 2. Loi de Plank Max Plank a calculé les flux de puissances électromagnétiques émis par un corps noir. Ces formulations mathématiques complexes sont représentées par des courbes [figure 7.4]. A partir de ces courbes, nous constatons que : • La puissance électromagnétique émise croît avec la température du corps noir. • L’émission de rayonnement passe par un maxima : ce maxima se produit à des longueurs d’onde de plus en plus faibles lorsque la température du corps noir croît. • A partir d’une température de l’ordre de 520°C, l’émission du rayonnement infrarouge apparaît dans le domaine spectral visible (0,4-0,8μm) : les objets chauffés au moins à cette Figure 7.3 : rayonnements électromagnétiques Figure 7.4 : Rayonnement du corps noir pour différentes températures • λ : Longueur d’onde; • W λ : Flux de puissance émis par un corps noir à la longueur d’onde λ; • c : Vitesse de la lumière = 3.1010 cm/s; • h : Constante de Plank = 6,6.10-34 Watt.s2; • k : Constante de Boltzman = 1,4.10-23 Watt.s2/°K; • T : Température absolue du corps noir en Kelvin. COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Landolsi Foued Page 63 température deviennent donc visibles par l’oeil humain de par la couleur rouge sombre. • En-dessous de cette température, nous ne "voyons" pas les températures car l’émission de rayonnement se fait au-delà de la bande spectrale sur laquelle sont calibrés nos yeux. Dès lors, pour visualiser des corps dont la T° est inférieure à 520°C, il faut utiliser des appareils dont le seuil de détection est inférieur à celui de L’œil humain. 3. Rayonnement incident On appelle incident l'ensemble des rayonnements extérieurs à un objet qui viennent le frapper. Dans la figure7.5, le rayonnement incident, noté WINCID, est l'ensemble des rayonnements qui heurtent l'objet cible provenant d'une ou plusieurs sources. Une certaine partie du rayonnement, notée Wα α α α, sera toujours absorbée, et l'objet cible en retiendra alors l'énergie. Une certaine quantité, notée Wρ ρ ρ ρ, sera réfléchie. Cette dernière n'affectera aucunement l'objet cible. Il est enfin possible qu’une certaine proportion de rayonnement, notée Wτ τ τ τ , traverse l’objet cible. Comme la quantité réfléchie, elle n’affecte pas l’objet. Si nous écrivons cela sous forme d'une équation mathématique, nous obtenons: Wα α α α + Wρ ρ ρ ρ + Wτ τ τ τ = WINCID = 100% Un objet possède une certaine capacité ou aptitude à : • Absorber : ce que l'on appelle l'absorptivité, α α α α • Réfléchir : ce que l'on appelle la réflectivité, ρ ρ ρ ρ • Transmettre : ce que l'on appelle la transmissivité, τ τ τ τ La somme des trois est toujours égale à 1 : α α α α + τ τ τ τ + ρ ρ ρ ρ = 1 4. Rayonnement résultant Le rayonnement résultant, capté par une caméra infrarouge, est constitué de la somme de tous les rayonnements qui quittent la surface d'un objet, quelles qu’en soient les sources d'origine. Il provient de trois types de sources. Sur la figure 7.6, nous sommes en présence de trois sources de rayonnement : l'objet cible lui-même, une source devant et une source derrière. Si nous observons l'objet cible depuis la droite, le rayonnement résultant est une combinaison du rayonnement de l'objet cible lui-même, du rayonnement provenant de la réflexion sur l’objet de la source de chaleur avant (située sur la droite) et du rayonnement issu de la source de chaleur arrière (située sur la gauche) traversant l'objet cible. Figure 7.6 : Les trois sources de rayonnement réfléchi issues de l'objet Figure 7.5 : Répartition du rayonnement incident en différentes composantes Wτ Wα Wρ WINCID Cible Source COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Landolsi Foued Page 64 a. Rayonnement émis Intéressons nous tout d'abord à la partie du rayonnement résultant en provenance directe de l'objet source. En thermographie infrarouge, la part la plus importante du rayonnement résultant est généralement constituée par la partie émise. Un objet dispose d’une certaine capacité ou aptitude à émettre, caractérisée par l'émissivité ε ε ε ε. Sur le thermogramme de la figure 7.7, le côté gauche de la plaque est vu comme apparemment plus chaud, pourtant la température est identique sur toute la plaque. Le pouvoir d'émission sur le côté gauche est supérieur à celui du côté droit. L’intensité émise dépend de la température de l'objet et de son émissivité. Plus la température est élevée, plus l’intensité émise est grande. Un objet avec une émissivité supérieure rayonnera plus qu'un objet d’émissivité plus faible, même si la température est identique. C'est la combinaison de la température et de l'émissivité qui détermine la puissance du rayonnement infrarouge. b. Autres sources de rayonnement Nous avons abordé la première des trois parties qui caractérise l'énergie émise directement par l'objet cible. Les deux autres composantes proviennent des objets situés respectivement derrière et devant l'objet cible. Si l’intensité du rayonnement émis par l'objet cible dépend de sa propre température et de sa propre émissivité, les deux autres composantes du rayonnement résultant sont associées uniquement aux sources externes. Les proportions réfléchies et transmises, dépendent toutefois directement de la réflectivité et de la transmissivité de l’objet cible. c. Conclusion Cela nous amène à la conclusion suivante : le rayonnement résultant peut provenir de trois sources différentes. Sur l'ensemble du rayonnement issu de l'objet cible, une certaine proportion sera : • émise directement par l'objet, • réfléchie par l’objet depuis une source située devant lui, • transmise par l’objet depuis une source située derrière lui. Ecrit sous forme mathématique, nous obtenons la formule suivante : Wε ε ε ε + Wρ ρ ρ ρ + Wτ τ τ τ = WRESULT = 100% Cette équation ressemble à celle formulée pour le rayonnement incident. La seule différence entre les deux formules est que Wα α α α est remplacée par Wε ε ε ε. Un objet possède une certaine capacité ou aptitude à : • Emettre – que l'on appelle l'émissivité, ε ε ε ε • Réfléchir – ce que l'on appelle la réflectivité, ρ ρ ρ ρ • Transmettre – ce que l'on appelle la transmissivité, τ τ τ τ La somme des trois est toujours égale à 1. : ε ε ε ε + ρ ρ ρ ρ + τ τ τ τ = 1 Figure 7.7 : Température identique, émissivité différente COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE Landolsi Foued Page 65 d. Emissivité et absorptivité La capacité ou l'aptitude d'un objet à absorber le rayonnement incident est toujours identique à sa capacité à rayonner sa propre énergie. La définition ci-dessus est l'expression d'un principe fondamental : si un objet est capable d'absorber les rayonnements incidents, il pourra aussi émettre sa propre énergie sous forme de rayonnement. L'inverse est bien entendu vrai, un objet peu absorbant aura forcément une émissivité faible. Un objet opaque avec cette caractéristique est en réalité un bon réflecteur. Par conséquent, un bon réflecteur aura une émissivité faible. uploads/Marketing/ thermographie-infrarouge.pdf