corp noir

Mesure de Température par
Caméra Infrarouge
INTRODUCTION
La caméra infrarouge capte au travers d un milieu transmetteur
(ex : l atmosphère) les rayonnements émis par une scène
thermique. Le système radiométrique convertit la puissance de
rayonnement en signaux numériques ou analogiques : ceux-ci sont
transcrits en température par le calculateur et transformés en
points lumineux sur un écran. L image ainsi obtenue s appelle
"Thermogramme”
PLAN DU COURS
A : Notions de rayonnement
•  Le spectre électromagnétique
•  Le corps noir
•  Loi de Planck
•  Loi de Wien
•  Loi de Stefan-Boltzmann
•  Les corps réels
•  Notions d’emissivité
C : Applications pratiques
B : La caméra infrarouge
•  Principe de la mesure
•  Atténuation des rayonnements
•  Les détecteurs infrarouges
•  Grandeurs fondamentales
•  La sensibilité
A : Notions de rayonnement
A1 : LE SPECTRE ELECTROMAGNÉTIQUE
A1 : LE SPECTRE ELECTROMAGNÉTIQUE
•  La matière émet et absorbe en permanence du rayonnement
électromagnétique
•  Le spectre infrarouge correspond au domaine d’émission de la matière
dont les températures sont celles généralement trouvées à la surface
de la Terre
•  Le domaine visible s’étend des longueurs d’onde allant de 0,4 à 0,8 µm
(micromètres)
•  La bande infrarouge s’étend de 0,8 à 1000 µm : celle-ci peut-être
divisée en plusieurs sections :
-  l’infrarouge proche : 0,8 à 1.5 µm
-  l’infrarouge moyen : 1.5 à 20 µm
-  l’infrarouge lointain : 20 à 1000 µm
•  En thermographie infrarouge, on travaille généralement dans une
bande spectrale qui s’étend de 2 à 15 µm et plus particulièrement dans
les fenêtres 2-5 µm et 7-15 µm.
A2 : LE RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
•  Le corps noir est le corps de référence dans
la théorie du rayonnement infrarouge : celuici est capable d absorber tout rayonnement
incident quelque soit sa longueur d onde.
Ce corps idéal cède l énergie captée à
l environnement jusqu à l établissement
d un équilibre thermodynamique.
•  3 lois définissent le rayonnement d un
corps noir :
-  la loi de Planck
-  la loi de Wien
-  la loi de Stefan-Boltzmann
A3 : LA LOI DE PLANCK
d I cn (!,T ) 2" .h.c 2 ! !5
= " h.c %
$
'
d!
# ! .k.T &
e
!1
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Icn = Spectral radiance [W/m2] du corps noir
λ = Wavelength [m]
T = Température absolue du corps noir en degrés KELVIN
h = 6.6256.10-34 J.s
: constante de PLANCK
k = 1.38054.10-23 J/K
: constante de BOLTZMANN
c = 2.998.10-8 m/s
: célerité de la lumière
A3 : LA LOI DE WIEN
•  λmax [µm]
•  T [Kelvin]
: Longueur d’onde à laquelle se produit l’émission maximale
: Température absolue du corps noir
Ä Cette loi indique que lorsque la température croît, le maximum d’énergie
émis se déplace vers les faibles longueurs d’onde.
Ä Plus simplement, cette loi exprime le fait que la couleur d’un objet chauffé
à haute température varie du rouge sombre au blanc.
A3 : LA LOI DE STEFAN-BOLTZMANN
Total energy radiated per unit surface area per unit time for a
black body [W/m2]
•  σ = 5.67.10-8 W/m2/°K4; Constante de
Stefan-Boltzmann
•  T = température absolue du corps noir
en degrés KELVIN
I cn* = ! .T 4
A4 : EMITTANCE DU CORPS NOIR DANS UNE BANDE
SPECTRALE
!b
!b
!a
I =
!
!a
d I cn (!,T )
d!
d!
A5 : LES CORPS RÉELS OU « NON NOIRS »
• 
• 
Les corps réels ne sont généralement pas des corps
parfaits au sens physique. Ainsi, les lois que nous avons
décrites ne sont applicables qu avec certaines corrections.
L’émittance spectrale d’un corps réels ou ‘non noirs’ our ‘gris’
est donnée par:
d I(!,T )
d I cn (!,T )
= " (! ).
d!
d!
Loi de Planck
‘corp noir’
0 < ε(λ) < 1
ε(λ): Emissivité
A5 : LES CORPS RÉELS OU « NON NOIRS »
•  Loi de Stefan-Boltzmann d’un corp réels:
I * = ! ( " ) ! T 4 = " ( # ) I cn*
•  La puissance rayonnée par la surface S d’un corps à la
température T dans la bande spectrale Δλ est donnée par :
d I cn (",T )
F = " ! (" )
.Sd "
d"
!"
(en W)
Ä Ce terme de puissance (ou flux optique), seule grandeur
mesurable par un détecteur infrarouge est une fonction de
l émissivité et de la température du corps étudié.
A6 : NOTIONS D’ÉMISSIVITÉ
Longueur d’onde
État de surface
Matériau
A6 : NOTIONS D’ÉMISSIVITÉ - DEPENDANCES
Le matériau
-  On distingue les métaux avec des émissivités généralement peu
élevées
-  Et les autres matériaux avec généralement ε(λ) > 0.8
-  Plus la surface est rugueuse ou oxydée, plus l’émissivité est élevée.
La temperature
-  Pour les métaux, ε augmente avec la température
-  Pour les autres matériaux, ε diminue lorsque la température
augmente.
1 – caoutchouc
2 – céramique
3 – liège
4 – papier
5 – argile
A6 : NOTIONS D’ÉMISSIVITÉ - DEPENDANCES
La longueur d onde
•  L’émissivité d’un corps est sélective : comme on travaille dans des
bandes spectrales étroites, un objet peut-être assimilé à un corps gris
(ε = cst).
•  L’émissivité d’une surface dans le spectre visible est souvent sans
grand rapport avec son emissivité dans le spectre infrarouge (ex : la
neige est un corps noir dans IR).
L état de surface (oxydation)
•  L’émissivité des métaux
augmente lorsqu’il y a formation
d’oxyde à la surface
•  Plus la surface est rugueuse
ou oxydée, plus l émissivité est
élevée.
A6 : NOTIONS D’ÉMISSIVITÉ - DEPENDANCES
La direction d observation
•  L’émissivité d’une surface est une fonction de la direction
d’observation (sauf corps noir et gris)
•  Métaux : ε ≈ cst pour des incidences entre 0 et 40°
•  Diélectriques : ε ≈ cst pour des incidences entre 0 et 60°
B : LA CAMERA INFRAROUGE
B1 : PRINCIPE DE LA MESURE
Le système radiométrique doit corriger le rayonnement capté afin de
calculer la valeur de la température du corps. Cette correction tient
compte d une série de paramètres influant directement la mesure
exacte de température.
B2 : ATTENUATION DES RAYONNEMENTS
•  Classiquement, les mesures par caméra infrarouge s’effectuent dans une
atmosphère naturelle. Ce milieu transmet en partie le rayonnement émis
par un objet.
•  Ce sont principalement la vapeur d’eau et le CO2 de l’atmosphère qui
atténuent les rayonnements.
•  La transmission dans l’atmosphère dépend de la distance et des
conditions météorologiques.
•  Bandes passantes : 3-5 µm et 8-14 µm (longueurs d’onde dans
l’infrarouge pour lesquelles l’atmosphère présente une transmissivité
élevée)
B2 : ATTENUATION DES RAYONNEMENTS - FENETRE
B3 : LES DÉTECTEURS INFRAROUGES
Rôle : Fournir « un signal
électrique » proportionnel au flux
rayonné par l’objet.
2 types de détecteurs infrarouges :
•  Détecteurs thermiques : La variation de température du
détecteur fait varier l’une des propriétés physiques du matériau
détecteur (ex: résistance électrique) et provoque une variation du
signal délivré. Ce type de détecteur a un temps de réponse
relativement long.
•  Détecteurs quantiques : Le signal est proportionnel au nombre
de photons captés par le détecteur. L’utilisation de ces détecteurs
au maximum de leur sensibilité nécessite leur refroidissement à
des températures très basses.
B4 : LA SENSIBILITÉ DE CAPTEUR INFRAROUGE
•  La sensibilité spectrale s(λ) est la réponse dV(λ) à un flux
monochromatique dΦλ(λ)
•  s(λ) varie avec la longueur d’onde de l’excitation (flux incident)
dV (λ )
s (λ ) =
dΦ λ ( λ )
C : Applications pratique
C1 : CONTRÔLE D’INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES
Estimation de la qualité d’un équipement ou d’une installation en
exploitation normale, et prévention des irrégularités de
fonctionnement avant les pannes effectives.
Ex: Localisation des points chauds
C2 : CONTRÔLE DE L’ISOLATION DES BÂTIMENTS
La technique autorise une évaluation qualitative de l’isolation mais
ne permet pas de déterminer quantitativement avec précision les
pertes énergétiques.
Ex: Détection des défaut, dégradation ou absence d’isolation.
C3 : CONTRÔLE DES ÉQUIPEMENTS INDUSTRIELS
Analyse qui permet de mettre en évidence des dégradations ou
déperditions thermiques sur des équipements tels que chaudières,
fours, incinérateurs,… De même, les pièces mécaniques en
mouvement peuvent s’échauffer anormalement par manque de
lubrification, usure...
C4 : CONTRÔLE DES ÉCHANGEURS THERMIQUES
Qualitatif
Visualisation d’échanges
thermiques dans des procédés
de fabrication. Analyse des
uniformités de température.
Quantitatif
Contrôle préventif de l’efficacité
d’un échangeur. L’écart de
température entre entrée et
sortie peut être mesuré.
AVANTAGES DE THERMOMETRY INFRAROUGE
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Contrôle non destructif.
Technique de contrôle "on stream".
Analyse sans contact sur des équipements.
Rapidité et précision du diagnostic des installations.
Sécurité d analyse : respect des distances de sécurité.
Maintenance préventive et prédictive.
INCONVENIENTS DE THERMOMETRY INFRAROUGE
•  Prix à l investissement élevé.
•  Connaissances pré-recquises pour mesures quantitatives.
•  Estimation des propriétés radiatives des matériaux difficile
(nécessité de calibrer selon les cas, problème de reflexion…).
Thank you!