Proposition d`un sujet de thèse pour allocation de bourse

Proposition d’un sujet de thèse pour allocation de bourse école
dans le cadre de l’appel à projet blanc ANR intitulé R3T (Real Time and
True Temperature field measurement)
Titre :
Mesure de champs de température vraie de surfaces planes par reflectométrie matricielle proche infrarouge.
Mots clés : Thermographie, radiométrie, Mesure de champs, émissivité.
Sujet :
Contexte :
Quatre partenaires : Areva, le LAAS (Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes), le PROMES (Laboratoire
des Procédés, Matériaux et Energie Solaire) et l'EMAC (École des Mines d'Albi-Carmaux) se sont associés dans le cadre
d'un projet de recherche national appelé R3T (Real Time and True Temperature field measurement based on
optoelectronic devices). Le centre technique Areva possède une longue expérience de métrologie thermique sur la station
FE200 à haut flux thermique[1]. Ensuite, le LAAS a une forte compétence en systèmes basés sur des moyens de vision
embarqués[2]. De plus, le PROMES capitalise depuis de nombreuses années des connaissances en mesure sans contact de
propriétés thermo-optiques des matériaux[3]. Enfin, l’EMAC mène depuis 2002 des recherches sur la thermographie
proche infrarouge[4]. Cette nouvelle technique de mesure, en ligne et sans contact, de champs de températures vraies est
basée sur l’émission thermique de l’objet observé. Elle présente de nombreux avantages : pas d’instrumentation préalable
sur le matériau visé et donc pas de perturbations des échanges thermiques. Elle permet de disposer d’une carte de
températures à la cadence vidéo, avec une forte résolution spatiale et une excellente sensibilité relative. Cependant, cette
carte thermique n’est exprimée généralement qu’en température de luminance. Cette température diffère d’autant plus de
la température vraie que l’émissivité de la surface observée est différente de l’unité et que la forme de cette surface est
complexe. Ces grandeurs d’influence sont généralement intégrées hors ligne à partir de connaissances issues de la
littérature ou de mesures préalables réalisées lors de caractérisations spécifiques.
Problématiques :
Dans ce contexte, les travaux abordés dans cette thèse viseront à développer un système en ligne de mesure de champs de
température vraie sur une gamme haute température (500-1200°C). Son originalité est de fusionner, dans une même
bande spectrale, des mesures de température de luminance et de propriétés de surface (émissivité) avec un unique
capteur. Ce capteur doit regrouper au moins une caméra InGaAs et un système actif d’éclairage, dit réflectométrique. Ces
deux dispositifs optoélectroniques fonctionneront dans la bande spectrale proche infrarouge (0,8- 1,7µm). Les thèmes
scientifiques abordés sont donc :
- la thermographie proche infrarouge. La thermographie est une technique qui permet d'obtenir, au moyen d'une caméra,
l'image thermique d'une scène observée dans le domaine spectral infrarouge. Une des spécificités de ce travail provient
donc du domaine spectral de fonctionnement de la caméra. Dans des travaux précédents, nous avons montré que les
modèles radiométriques, qui donnent la relation entre l’intensité de l’image et la température des objets observés dans la
scène, utilisés en thermographie infrarouge « classique » ne sont pas adaptés aux caméras matricielles proche infrarouges.
D’une part, les caméras matricielles nécessitent une mise en œuvre de corrections pour considérer chaque pixel
indépendant, linéaire et identique. D’autre part, dans le domaine spectral proche infrarouge (~1µm) la luminance croit
rapidement avec la température, avec un ratio d’un million entre 300 et 1000°C, et seulement avec un ratio de 5 en lointain
infrarouge (~12µm). De plus, le pic de luminance se déplace vers les courtes longueurs d’onde quand la température croit.
Ces conditions impliquent donc l’introduction des méthodes de correction et des modèles radiométriques spécifiques.
- la mesure de champs denses d’émissivité qui est la propriété d’émission de chaleur d’un objet. Cette propriété permet
de déterminer le rapport entre le rayonnement émis par l’objet et celui émis par un corps noir à la même température, et par
la même à déterminer la température vraie d’une surface plane. Ce facteur peut être fonction de la température, de la
direction, de la longueur d’onde et de l’état physique de la surface. Pour une surveillance en ligne de procédé, il est
nécessaire de mesurer in situ et en temps réel le champ d’émissivité des matériaux à surveiller.
Cette thématique sera traitée en collaboration avec le laboratoire de recherche PROMES qui développe une technique de
mesure des propriétés des surfaces des matériaux, dite pyroréflectométrique, sur la base de pyromètres et de sources laser à
trois longueurs d’ondes. L’idée est de modifier cette technique pour la coupler à des caméras afin de passer d’une mesure
ponctuelle à une mesure de champs bidimensionnel d’émissivité.
Axes de travail :
Après une phase de recherche bibliographique et de prise en main des moyens existants (caméra et logiciel I-Thermic), la
première partie du travail sera consacrée à la modélisation radiométrique de la nouvelle génération de caméras matricielles
InGaAs. Cette étape se conclura par une comparaison de performances entre ces nouvelles caméras et les caméras CCD, les
caméras infrarouges classiques et les caméras bolométriques.
L'étape suivante sera l’étude de la technique de pyroréflectométrie. En premier lieu, il s’agit de comprendre et d’améliorer
la technique actuelle basée sur des pyromètres pour réaliser une mesure « in-situ » à une distance de plusieurs mètres. Elle
est réalisée actuellement sur quelques centimètres. Ensuite, il s’agira d’évaluer la faisabilité d’un couplage de cette
technique avec des caméras et des sources actives non ponctuelles. Enfin, une validation sur un banc spécifique à définir est
prévue.
Profil du candidat recherché :
Connaissances générales souhaitées en radiométrie-photométrie, en traitement d'images et du signal, en transfert thermique
et sur la physique des dispositifs photodétecteurs.
Connaissances appréciées en programmation C et Matlab.
Le candidat, titulaire d'un Master, universitaire ou ingénieur, devra montrer un goût prononcé pour l'expérimentation et les
mesures physiques, ainsi que pour la mise en œuvre de techniques industrielles.
Bourse :
Le doctorant bénéficiera d'une bourse de recherche de École des Mines d'Albi-Carmaux sur la base de 1700 euros nets par
mois.
Contacts :
oThierry SENTENAC - Ecole des Mines d'Albi
Tel : 05 63 49 30 61 - Email: [email protected] ou [email protected]
oYannick Le Maoult - Ecole des Mines d'Albi
Tel. : 05 63 49 30 87 - Email: [email protected]
oDaniel HERNANDEZ - PROMES
Tel.: 04 68 30 77 19 - Email: [email protected]
oMichel DEVY – LAAS-CNRS
Tel.: 05 61 33 63 31 - Email: [email protected]
oIsabelle BOBIN VASTRA- AREVA
Tel.: 03 85 80 61 07 - Email: [email protected]
Références :
[1] I. Bobin Vastra, F. Escourbiac, M. Merola and P. Lorenzetto, "Activity of the European High heat flux test
facility FE200" 23rd Symposium on Fusion Technology, Venice, September 20-24, 2004 - Fusion Engineering
and Design 75-79 (2005) 357-363.
[2] J. Sola, A.Monin, M.Devy, “BiCamSLAM : getting the best of mono an stereo-vision in SLAM”, IEEE
Conference on Robotics an Automation ‘ICRA’2007), Rome, Italy, April 2007.
[3] Hernandez D.,2005,’A concept to determine the true temperature of opaque materials using a tricolor
pyroreflectometer’, Rev. Sci. Instrum. 76, pp 024904 1-7.
[4] Y. Rotrou, T. Sentenac, Y. LeMaoult, P. Magnan and J. Farré :, 2006, « Near infrared thermography with silicon FPA Comparison to MWIR and LWIR thermography”, QIRT Journal, vol.6, P.95 115.