La Thermographie

Lp-GPVI
La Thermographie
PORTAUX Remy
SURKUS Eric
1
Sommaire
1.Définition de la thermographie......................................3
1.1 Définition............................................................................4
1.2 Méthode de thermographie..............................................4
2. Thermographie infrarouge...............................................4
2.1 Définition............................................................................4
2.1.1 Historique.....................................................................6
2.2 Caméra infrarouge........................................................6
2.2.1 Capteurs....................................................................7
2.2.2 Système optique...................................................8
2.3 Principe physique..........................................................8
2.4 Applications.....................................................................11
3. Thermographie thermoélectrique.................................12
3.1 Définition............................................................................12
3.1.1 Historique....................................................................13
3. 2 Thermocouple.................................................................14
3. 3 Principe physique...........................................................16
3. 4 Applications......................................................................16
4. Autres méthodes...................................................................16
4.1 Cristaux liquides................................................................16
4.1.1 Thermographie surfacique à l’aide d’un film de..17
cristal liquide
2
4.2 Peinture thermosensible.................................................17
5. Sources …....................................................................................18
1. Définition de la thermographie
1.1 Definition.
L‘AFNOR définit la thermographie comme la « technique
permettant d'obtenir, au moyen d'un appareillage approprié,
l'image thermique d'une scène observée dans un domaine
spectral de l‘infrarouge.
La définition fournit par l'Afnor ne concerne qu'une partie de la
thermographie. La définition exacte regroupe toutes les
méthodes de mesure et quantification de chaleur.
C'est une technique de mesure qui permet de connaître la
répartition spatiale et temporelle des températures sur un
objet.
Les méthodes de thermographie sont spécifiques à
différentes applications utilisées selon les besoins nécessaire à
la mesure:
_ Mesure avec contact de la cible.
_ Mesure sans contact.
_ Diffusion de la chaleur.
_ Coûts.
_ Difficulté de la mise en oeuvre.
3
1.2 Méthodes de thermographie.
THERMOGRAPHIE
Méthode
contact
contact
Sans contact
Batterie de couples
thermoélectriques
Cristaux Liquides,
peintures
thermosensibles ...
Infrarouge
Emis
Image ou mesure
thermique
Carte et mesure
Image et mesure
Image et mesure
Présentation
Carte
Image colorée
Interface
d'affichage
Mise en oeuvre
Report sur carte
Rapide (0,1 s)
Temps réel (jusqu'à
60 images par
seconde)
Gamme de
température
De - 260°C
à + 2000°C
De - 240°C
à + 1500°C
De - 50°C
à + 2000°C
2.2 Thermographie infrarouge
2.1 Définition
La thermographie infrarouge est une méthode de mesure à
distance utilisant les propriétés de la lumière infrarouge.
La carte thermique (rayonnements ou températures) obtenues
par cette méthode s'appelle un thermogramme: c'est un
instantané mesurable d'un phénomène thermique statique ou
dynamique. L'instrument de mesure est une caméra infrarouge,
dite aussi caméra thermographique, caméra de mesure
infrarouge ou analyseur thermique
4
L'infrarouge est une onde électromagnétique de fréquence
inférieure à celle de la lumière rouge (et donc de longueur
d'onde supérieure à celle du rouge qui va de 500 à 780 nm. La
longueur d'onde de l'infrarouge est comprise entre 780 nm et
1 000 000 nm.
Le domaine e l'infrarouge se divise en 3 plages de longueurs
d'onde:
_ Infrarouge proche:
0,78μm à 1,4 μm
_ Infrarouge moyen:
de 1,4 à 3 μm
_ Infrarouge lointain:
de 3 μm à 1 000 μm
Ces plages de longueur d'onde peuvent cependant varier selon
les domaines d'application, sans qu'elles s'éloignent
significativement des valeurs références.
5
Spectre de la lumière infrarouge
2.1.1 Historique
C'est durant les années 1970 que la thermographie a connue une
très grande expansion. La thermographie par mesures de
rayonnement infrarouge est devenue tout simplement « la »
thermographie; on dit aussi téléthermographie ou
thermographie sans contact . Le vocable Thermovision est la
marque déposée par le premier concepteur et fabricant de
systèmes industriels de mesure par thermographie infrarouge,
vers les années soixante.
2.2 Présentation de la Caméra infrarouge
6
2.2.1 Capteurs.
Les détecteurs utilisés en thermographie infrarouge sont
des détecteurs quantiques (de type photovoltaïque ou
photoconducteur), sensibles dans les bandes spectrales
correspondant aux fenêtres de transmission atmosphérique
(voir principe physique).
Le capteur est l'élément conjugué par le système optique qui
relève les rayonnements infrarouge en provenance du plan ciblé.
Les types de capteurs thermiques ont bien évolué depuis les
débuts de l'utilisation de la thermographie. De simple
monodétecteur, au fil des années se sont transformés en
matrices de multiples capteurs pour plus de précision, disposés
en barrettes ou en mosaïques.
Dans le cas des capteurs thermique, ceux-ci doivent être
refroidis pour diminuer leur bruit propre d'origine thermique.
Ils sont refroidis à basse température (-196°C avec de l'azote
liquide).
Les incertitudes et erreurs dans les mesures sont
principalement dûes à la qualité des capteurs utilisés. Ces
capteurs devraient présenter des caractéristiques identiques
et invariables entres elles au cours du temps afin d'obtenir une
réponse uniforme. Cependant il est très difficile d'obtenir une
matrice de capteurs à propriétés identiques.
7
Les détecteurs infrarouges peuvent être quantique:
_Les Photodiode qui convertissent directement les photons en
électrons et donc en un courant électrique.
Ou ils peuvent également être thermique:
_Les detecteurs thermiques qui modifient leur temperature
selon le rayonnement incident. La modification de la
température génere une tension.
2.2.2 Système optique.
Le système optique doit pouvoir conjuguer le
capteur sur un plan image visible par un utilisateur.
L'objectif doit donc avoir une qualité quasi-parfaite.
C'est à dire une absorption minimum par le verre et un
minimum d'aberrations. Un système optoélectronique
annexe va permettre de balayer la cible verticalement et
horizontalement. (même principe que pour la télévision),
la partie électronique fournira ensuite une image
résultante sur un écran.
2.3 Principe physique
Tout corps dont la température est supérieure au zéro
absolue (0 Kelvin) émet un rayonnement électromagnétique.
Cette émission est due à l'agitation des atomes qui rayonnent de
l'énergie.
8
Plus la température augmente, plus l'agitation augmente et le
rayonnement émis devient visible lorsque sa longueur d'onde
correspond à celle de la couleur Rouge (1μm). Si la température
augmente encore la « couleur apparente » du corps passe à
l'orange puis au jaune et enfin au blanc (filament de tungstène
des lampes à incandescences : 2700°C).
A partir de ce principe, il faut ensuite étalonner les caméras
infrarouges afin de donner de références à la mesure. Pour cela
on utilise le corps noir.
Le corps noir est le corps de référence dans la théorie du
rayonnement infrarouge : celui-ci est capable d’absorber tout
rayonnement incident quelque soit sa longueur d’onde et
d'émettre a son tour des radiations a toutes les longueurs
d’ondes. Ce corps référentiel cède a l’environnement
l'énergie captée jusqu'à l'établissement d’un équilibre
thermodynamique.
Trois lois définissent le rayonnement d’un corps noir:
o La loi de Planck:
Lambda : Longueur d'onde
Llambda : Flux de puissance émis par le corps noir a la longueur
d’onde
C : vitesse de la lumiere = 3.1010 cm/s
9
h : constante de Planck = 6,6.10-34 Watt.s2 ;
k: constante de Boltzmann = 1,4.10-23 Watt.s2/°K ;
T : temperature absolue du corps en Kelvin.
o La loi de Wien :
Lambdamax = 2898/T en micromètre
avec :
Lambdamax : longueur d’onde a laquelle se produit l’emission
maximale
T : température absolue du corps en Kelvin.
o La loi de Stefan-Boltzmann : Celle-ci détermine le flux de
puissance total emis par un corps
noir. La relation utilisee est la suivante :
M = sigma*T^4 en W/cm²
sigma : constante de Stefan-Boltzmann = 5,7.10-12
(Watts/cm2/°K4) ;
T : temperature absolue du corps en Kelvin.
Grâce à ces trois lois on peut étalonner la caméra infrarouge,
et ainsi obtenir à partir du rayonnement infrarouge une valeur
de température en Kelvin.
10
Les mesures dans l'atmosphère posent également des
problèmes d'absorption:
Dans ces conditions, les mesures sont faites dans l'infrarouge
proche ou les bandes d'absorption de l'atmosphère sont
minimums.
2.4 Applications
Exemples d'applications:
1. Contrôle des produits:
_Pétrochimie
_Centrales électriques
_Gaz naturel
_Réseau électrique
2. Militaire:
_systèmes de vision de nuit
_vision thermique (détection de cibles)
11
3. Médecine:
_Détection de tumeurs
_Détection de virus (tel que le H1n1)
Ces applications ne représentent qu'un petit aperçu de
l'ensemble des domaines d'applications de la thermographie
infrarouge.
Caméra thermographique infrarouge
3. Thermographie thermoélectrique:
3.1 Définition
La thermographie par utilisation de la thermoélectricité
est une méthode de thermographie avec contact. La chaleur
transmise au matériau détecteur en contact est directement
convertit en courant électrique. L'inconvénient de cette
méthode est, qu'elle ne peut pas fournir une image réaliste de la
cible.
12
3.1.1 Historique
Découvert puis compris au cours du XIXe siècle grâce aux
travaux de Seebeck, Peltier ou encore Lord Kelvin, l'effet
thermoélectrique est un phénomène physique présent dans
certains matériaux : il y lie le flux de chaleur qui les traverse au
courant électrique qui les parcourt.
Un matériau thermoélectrique va permettre de transformer
directement de la chaleur en électricité, ou de déplacer des
calories par l'application d'un courant électrique.
Un grand nombre des matériaux possédant des propriétés
thermoélectriques intéressantes ont été découverts au cours
des décennies 1950 et 1960. C'est notamment le cas du tellurue
de bismuth(Bi2Te3). La thermographie par thermoélectricité a
commencé à être utilisée sérieusement à partir des années
1960.
3. 2 Thermocouple
Le thermocouple est l'outil de mesure de la thermographie
par thermoélectricité à l'instar de la caméra infrarouge pour la
thermographie infrarouge.
Les thermocouples sont composés de deux matériaux à
propriétés différentes génèrent une différence de potentiel.
Il existe ainsi un grand nombre de types de thermocouples
différents.
13
Exemples:
_Type E, composé du couple chromel (alliage
nickel,chrome)/constantan (alliage nickel,cuivre)
_Type J, Fer/constantan
_Type T, cuivre/constantan
La première chose importante à prendre en compte est de
faire coïncider la plage de température à mesurer avec la plage
d'utilisation optimum du thermocouple lorsqu'on doit choisir un
thermocouple.
Thermocouple type K
3. 3 Principe physique
14
Le schéma ci-contre présente le principe de la mesure de
température par thermocouples. Les deux métaux a et b, de
natures différentes, sont reliés par deux jonctions (formant
ainsi un thermocouple) aux températures T1 et T2. Par effet de
Seebeck , le thermocouple génère une différence de potentiel
qui dépend de la différence de température entre les jonctions,
T1-T2. Les thermocouples ne mesurent pas une température,
mais une différence de température.
Pour mesurer une température inconnue, l'une des deux
jonctions doit être maintenue à une température connue, par
exemple celle de la glace fondante (0°C). Il est également
possible que cette température de référence soit mesurée par
un capteur (température ambiante, par exemple).
La mesure de température est donc une mesure indirecte,
puisque les thermocouples mesurent en fait une différence de
potentiel électrique.
Il est donc nécessaire de connaître la réponse du thermocouple
utilisé en fonction de la température pour pouvoir relier la
différence de potentiel électrique à la différence de
température.
La conversion d'énergie par effet thermoélectrique est basée
principalement sur l'effet Seebeck:
Coefficient Seebeck:
Une différence de température dT entre les jonctions de deux
matériaux a et b implique une différence de potentiel électrique
dV selon :
Sab = dV/dT
15
Le coefficient Seebeck, également appelé « Pouvoir
Thermoélectrique » s'exprime en V.K-1
Les coefficients Seebeck des deux matériaux sont reliés au
coefficient Seebeck du couple selon :
Sab = Sa-Sb
4. Applications
Principalement du contrôle de température dans les mêmes
domaines que la thermographie infrarouge.
L'avantage de cette méthode, c'est qu'elle est peu couteuse et
facile à mettre en œuvre. De plus l'encombrement est limité.
4. Autres méthodes
4.1 Cristaux liquides
Cette méthode plus complexe, utilise les propriétés de
certains cristaux dits thermochromes de réfléchir
sélectivement certaines longueurs d'ondes selon la température.
En effet thermochrome vient du grec « thermos »=chaleur et
«khroma »=couleur.
Dans le commerce, on peut en principe trouver des matériaux
présentant des plages de couleur
d’une largeur comprise entre 0.5 °C et 20 °C, centrées sur des
températures comprises entre −30 °C et 120 °C. Le
choix d’un matériau de plage de couleur donnée est évidemment
guidé en pratique par l’intervalle de température
typique que l’on veut être capable de visualiser.
16
Afin d'obtenir une image résultante on peut utiliser une
caméra et un traitement d’image couleur permettant d'accéder
à la « teinte » locale.
4.1.1 Thermographie surfacique à l’aide d’un film de
cristal liquide
Une couche mince de cristal liquide thermochrome peut
être emprisonnée entre deux feuilles de plastique, dont
l’une est transparente et l’autre est bonne conductrice de la
chaleur. On obtient ainsi, en scellant évidemment les
cotés pour éviter au cristal liquide de fuir, un film
thermochrome flexible.
Un tel film, lorsqu’il est apposé sur une surface à peu près plane,
du côté bon conducteur de la chaleur, permet de visualiser par
réflexion le champ de température de cette surface.
Ce type de technique peut s’appliquer à la thermique des solides
(le film est alors collé sur la pièce à étudier), à la
thermomécanique des fluides (le film peut être collé sur les
parois canalisant l'écoulement), et même à l’imagerie médicale
(le film placé sur la peau indique les variations de température).
17
4.3 Peinture thermosensible
La peinture thermosensible change de teinte au fur et à
mesure que sa température croît, permettant ainsi d'établir des
cartes d'échauffement directement à l'oeil nu. Cette méthode
est employé par exemple pour analyser les zones de
réchauffement sur les lanceurs arianes, lors de leur décollage
dans l'atmosphère.
L'inconvénient est que la température thermosensible change
de couleur irréversiblement. De plus elle ne permet pas des
mesures précises de la température.
Toutefois, par leurs commodités d'utilisation, les méthodes
repères utilisant la peinture thermographique restent très
employées pour le contrôle de l'état de cuisson des produits
céramiques et en métallurgie.
5. Sources
_Techniques de l'ingénieur: Rapport sur la radiométrie et la
thermographie infrarouge
_Wikipédia
_http://www.onera.fr/images-science/experiencemesure/lanceurs-peinture-thermosensible.php
_http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=16613793
_Rapport d'ingénieur de l'LEMTA de Nancy sur la
thermographie par cristaux liquides
18
19