IUT de PERPIGNAN Dpartement Gnie Industriel et Maintenance

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance COURS DE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE LICENCE PROFESSIONNELLE « INGENIERIE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONS » J. Bresson - Professeur

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 Sommaire Partie 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance NORME FRANCAISE A 09 -400 Thermographie Infrarouge Technique permettant d’obtenir au moyen d’un appareillage approprié l’image thermique d’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 traitement des 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 températures. On parlera alors de caméra de thermographie. Image Thermique Répartition 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.

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Imageur thermique Caméra de thermographie

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie I Bases de la thermographie infrarouge

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie I - Bases de la thermographie infrarouge 1) Brefs rappels sur les transferts thermiques Conduction Convection Rayonnement 2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements 3) Le spectre infrarouge 4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 5) Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie I - Bases de la thermographie infrarouge 1) Brefs rappels sur les transferts thermiques Conduction Convection Rayonnement 2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements 3) Le spectre infrarouge 4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 5) Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Différence entre chaleur et température Dans un matériau, les molécules sont agitées d’un mouvement permanent, à une certaine vitesse. La température dépend de la vitesse moyenne de déplacement des molécules (1). La chaleur dépend de la vitesse moyenne de déplacement des molécules ainsi que de leur nombre (2). Chaleur = énergie Transferts thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Température / Chaleur (1) (2) Au zéro absolu, il n’y a plus d’agitation moléculaire. 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 ? Transferts thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Température / Chaleur Unités Température (ITS 90) Chaleur / énergie - Kelvin K, unité absolue de référence - Joule J - Degré Celsius ou centigrade 0°C = solidification de l ’eau 100°C =vaporisation de l ’eau 0 K = -273, 15°C -Calorie cal - Degré Fahrenheit Y °F = (1, 8 x Z °C) + 32 20°C = 68°F 30°C = 86°F 0°F correspondrait à une température mesurée en hiver 1709 à Dantzig 1 cal = 4, 18 J Quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C, un gramme d’un corps dont la chaleur massique est égale à celle de l ’eau à 15°C sous pression de 101325 pascals. Note : CAL = calorie alimentaire 1 CAL = 1000 cal Aussi Degré Rankine, Degré Réaumur Transferts thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Il n’existe que trois modes de transfert de chaleur - Conduction - Convection - Rayonnement Transferts thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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, liquides tendance 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). Transferts thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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. . Transferts thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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. Transferts thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Prenez une plaque électrique dans une pièce noire. . . Vous alimentez la plaque. . . Même si vous ne voyez pas la chaleur émise, vous la sentez progressivement Si la plaque est à la puissance maximum, et si vous ne mettez pas de casserole dessus, elle va devenir rouge Au fur et à mesure que la température augmente, les caractéristiques du rayonnement changent. Une caméra de thermographie peut voir les changements imperceptibles à l’œil ! Transferts thermiques - Rayonnement

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Une caméra de thermographie reçoit et mesure un flux thermique infrarouge d’une façon similaire à l’impression que nous laisse un radiateur. Transferts thermiques - Rayonnement

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie I - Bases de la thermographie infrarouge 1) Brefs rappels sur les transferts thermiques Conduction Convection Rayonnement 2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements 3) Le spectre infrarouge 4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 5) Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Début du 19ème siècle 1800 Herschel découvre l’existence de rayonnements hors du spectre visible Rayonnement provenant d’un prisme Planche inclinée avec une fente mince Thermomètre avec bulbes noircis Rapide historique sur la théorie des rayonnements

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le thermomètre continue à s’échauffer après la limite du rouge. T°C Hypothèse : existence d’une énergie radiante qui serait une lumière invisible. Rapide historique sur la théorie des rayonnements

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Seconde moitié du 19ème siècle 1860 Kirchoff propose qu’un bon absorbeur est aussi un bon émetteur. Corps noir. Loi de Kirchoff. et Transmission (t) + Absorption ( ) + Réflexion (r) = 1 Absorption ( ) = Emission (e) Emission e t r Réflexion Transmission Rapide historique sur la théorie des rayonnements

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 1900 Planck introduit la quantification d’échange d’énergie radiante, discontinue. Loi de Planck. Permet de décrire la distribution spectrale des rayonnements d’un corps noir. Rapide historique sur la théorie des rayonnements

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie I - Bases de la thermographie infrarouge 1) Brefs rappels sur les transferts thermiques Conduction Convection Rayonnement 2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements 3) Le spectre infrarouge 4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 5) Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 0, 4µm 0, 8µm Spectre visible 2µm 13/14µm Ondes courtes = de 2 à 5, 5 µm Ondes longues = de 7 à 13/14 µm Cubes de glace Flammes Barreau métallique La limitation de bande spectrale est liée à l’atmosphère à la technologie au référentiel terrestre (gamme de température habituellement rencontrée) Le spectre infrarouge

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie I - Bases de la thermographie infrarouge 1) Rappel sur les transferts thermiques Conduction Convection Rayonnement 2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements 3) Le spectre infrarouge 4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 5) Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir est un objet idéal qui absorbe tous les rayonnements incidents, quels que soient la longueur d’onde et l’angle d’incidence. En théorie, c’est une cavité fermée isotherme. En pratique, c’est souvent un four très bien isolé, stabilisé en température équipé d’un trou de visée de très petite dimension. Considérant la loi de Kirchoff (un bon absorbeur est aussi un bon émetteur) le corps noir émet donc aussi de façon maximale. Le corps noir

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance LOI DE PLANCK L’exitance énergétique spectrique d’un corps noir (anc. émittance spectrale) en Wm-2µm-1, intégrable sur un angle solide de 2 stéradians de la luminance énergétique spectrique (anc. Luminance spectrale) est décrite par la loi de PLANK : : longueur d'onde de la radiation émise (µm) C 1 : 3, 741832. 10 -16 W m 2 C 2 : 1, 438786. 10 -2 K m T : température du corps (degrés K) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 102 COURBES DE PLANCK Relative blackbody radiant emittance 101 1 10 -2 260°C (490°F) 20°C (70°F) 10 -3 10 -4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121314 La formule de PLANCK permet de tracer une famille de courbes pour les différentes températures. Suivant ces courbes, nous constatons que l'exitance spectrique est zéro pour la longueur d'onde l = 0 , puis grandit rapidement pour atteindre un maximum à une longueur d'onde appelée l = lmax et décroît lentement vers zéro pour les longueurs d'onde supérieures. L'augmentation de la température du maximum correspond à la diminution de la longueur d'onde au maximum. Longueur d’onde (microns) Exitance spectrique (émittance spectrale) donnée par la loi de Planck, tracée pour quelques températures (en K). Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance E n e r g i e r a y o n n é e Loi de Wien 6000 temp. °C 4000 2000 750 300 25 -75 Longueur d’onde Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Corps noir à 25 °C E n e r g i e r a y o n n é e Longueur d’onde Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Corps noir à 750 °C E n e r g i e r a y o n n é e Longueur d’onde Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance E n e r g i e Corps noir à 6000 °C, le soleil r a y o n n é e Longueur d’onde Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La dérivée de la formule de Planck, par rapport à la longueur d’onde, permet d’obtenir la position du maximum de chaque courbe. C ’est la loi de Wien. Elle indique plus un corps est chaud, plus son pic d’émission maximum se déplace vers les courtes longueurs d’onde. Quelques exemples : - Peau humaine (bonne santé) 305 K - Azote liquide 77 K pic à 9, 5 µm, dans l’infrarouge moyen pic à 37, 6 µm, dans l’infrarouge lointain Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance L’intégration de la formule de Planck sur toutes longueurs d’onde, permet d ’obtenir l’énergie totale du rayonnement émis par un corps noir. Loi de STEFAN BOLTZMANN. Avec s = 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 sa température. On peut aussi démontrer que l’énergie comprise entre l = 0 et l = lmax représente seulement 25% du total. Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Courbe d’étalonnage du radiomètre (ondes courtes) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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. Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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. Réponse : 0, 52 x 3000 x 1000 x 4, 18 / 24 / 60 = 74 watts (94 W jour / 39 W nuit). On considère généralement la valeur de 100 watts le jour (bâtiment). Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie I - Bases de la thermographie infrarouge 1) Brefs rappels sur les transferts thermiques Conduction Convection Rayonnement 2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements 3) Le spectre infrarouge 4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 5) Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Il n’émet qu’une fraction de ce qu’émettrait un corps noir porté à la même température. Cette fraction est appelée EMISSIVITE ( Un corps réel n’est pas un corps noir. e). W = e s T 4 (au mieux !) Considérant la loi de Kirchoff, un corps réel réfléchit donc également de l’énergie provenant de son environnement. Comme par ailleurs, la plupart des matériaux sont opaques en infrarouge, on peut écrire : EMISSION + REFLEXION = 1 Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Types généraux de corps t+e +r=1 Corps opaque Transmission = 0 donc Réflexion + Emission = 1 Corps brillant Réflexion élevée et émission faible Corps gris Emission constante sur une bande de longueur d ’onde Corps sélectif Emission, réflexion et transmission varient en fonction de la longueur d’onde Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Courbe d’émission d’un corps noir Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Courbe d’émission d’un corps gris, à la même température Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Courbe d’émission d’un corps sélectif, à la même température Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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 sens 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 et en ondes courtes. IL NE FAUT PAS PANIQUER ! ON S ’EN SORT TRES BIEN AVEC DE L’EXPERIENCE ET EN ETANT CONSCIENT QU’IL EXISTE DES LIMITES. Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Emissivité en fonction de la longueur d’onde Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Emissivité en fonction de la longueur d’onde Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Emissivité en fonction de la température et de l’état de surface T(°K) 1 - Caoutchouc 2 - Porcelaine 3 - Liège 4 - Papier 5 - Argile réfractaire T(°K) Les corps réels - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie II - La mesure par thermographie infrarouge 1) Généralités, situation de mesure type 2) Facteurs d’influence Emissivité Transmission atmosphérique 3) Bilan radiométrique Equation fondamentale de la thermographie Etalonnage d ’une caméra Mesure

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie II - La mesure par thermographie infrarouge 1) Généralités, situation de mesure type 2) Facteurs d’influence Emissivité Transmission atmosphérique 3) Bilan radiométrique Equation fondamentale de la thermographie Etalonnage d ’une caméra Mesure

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Situation de mesure type Diverses températures Généralités, situation de mesure type

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie II - La mesure par thermographie infrarouge 1) Généralités, situation de mesure type 2) Facteurs d’influence Emissivité Transmission atmosphérique 3) Bilan radiométrique Equation fondamentale de la thermographie Etalonnage d ’une caméra Mesure

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance EMISSIVITE Rappel 1 : Tout corps porté à une certaine température émet un rayonnement infrarouge qui n’est qu’une fraction de ce qu’émettrait 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 provenant de l’extérieur. Cela est d’autant plus prononcé que l’émissivité est faible. Rappel 3 : L’émissivité dépend : du matériau de la température de l’état de surface de l’angle de la longueur d’onde Facteurs d ’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 1. 0. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1 0 EMISSIVITE 20° 30° 40° 50° 60° 70° Variation de l’émissivité en fonction de l’angle : diélectrique 80° Facteurs d ’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 1. 0. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1 0 20° EMISSIVITE 30° 40° 50° 60° 70° Variation de l’émissivité en fonction de l’angle : métal poli 80° Facteurs d ’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance EMISSIVITE = COMMENT LA CONNAÎTRE ? 1) Expérience : Maintenance électrique pas de problème sur câbles, manchons isolants, gaines plastiques, caoutchouc délicat sur métaux polis, mieux s’ils sont oxydés 2) Tableau récapitulatif : bonne approximation attention aux conditions de validité à utiliser avec précaution 3) Peinture de « référence » : approximations successives 4) Thermocouple à contact : délicat, mais peut donner une bonne approximation 5) Sonde PT 100 de « référence » 6) Labo équipé (méthode scientifique) Facteurs d ’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Emissivité, tableau récapitulatif SW (donné à titre indicatif) Matière Température Valeur Aluminium brillant Aluminium traité Cuivre poli Cuivre très oxydé Fonte oxydée Feuillard de fer rouillé Nickel électrolytique poli Acier inox 18/8 poli Acier inox oxydé 20°C 100°C 20°C 60°C 0, 04 0, 83 à 0, 94 0, 05 0, 75 à 0, 8 0, 65 0, 7 à 0, 95 0, 05 0, 16 0, 85 Brique rouge Suie de charbons Ciment sec Verre (au delà de 4, 5µm) Huile de lubrification (épaisse) Film huile 30 microns Film huile 130 microns Film huile épais Plâtre blanc Peau humaine Eau liquide Cristaux de glace Neige 20°C 35°C 17°C 20°C 32°C 20°C -10°C 0, 93 0, 95 0, 96 0, 87 0, 27 0, 72 0, 85 à 0, 98 0, 96 0, 98 0, 85 Facteurs d ’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Emissivité, estimation par application de peinture ou de matériau de référence 1) On applique sur le matériau visé, à une distance proche de la scène dont on veut connaître la température, une peinture hautement émissive (*) ou on colle une bandelette adhésive d’émissivité connue. Exemple e = 0, 95. 2) On fait l’hypothèse que les températures moyennes sur le matériau et sur la référence sont identiques. 3) On mesure la température sur la zone de référence, avec e = 0, 95. On obtient Tref. 4) Avec le calculateur de la caméra, on pointe la zone d’émissivité inconnue, et on adapte progressivement l’émissivité (réglages caméra) jusqu’à ce que le calculateur donne Tinconnue = Tref. Il suffit alors de lire l’émissivité. Note : cela ne donne qu’une approximation utile (*) peinture mate noire 3 M, Krylon Facteurs d ’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Emissivité, estimation par lecture de température indirecte 1) On mesure la température de la scène visée au moyen d’un instrument annexe une sonde à contact une sonde à résistance de platine 2) Avec le calculateur de la caméra, on pointe la zone d’émissivité inconnue, et on adapte progressivement l’émissivité (réglages caméra) jusqu’à ce que le calculateur donne Tinconnue = Tref. Il suffit de lire l’émissivité. Note : cela ne donne qu’une approximation utile Facteurs d’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Emissivité, mesure scientifique Il faut s’adresser à des laboratoires disposant d’appareillages lourds : Laboratoire National d ’Essais Universités Ecoles 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 Facteurs d’influence - émissivité

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie II - La mesure par thermographie infrarouge 1) Généralités, situation de mesure type 2) Facteurs d’influence Emissivité Transmission atmosphérique 3) Bilan radiométrique Equation fondamentale de la thermographie Etalonnage d ’une caméra Mesure

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance L’absorption atmosphérique a deux causes essentielles : - l’absorption moléculaire des gaz (H 20, CO 2, O 3, …) - l’absorption par diffusion due aux fines particules (aérosols, brumes, brouillard, pluie, …) Facteur de transmission de l ’atmosphère en fonction de la longueur d ’onde (à 30 m). Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Facteur 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 7% d’atténuation donc meilleure « visibilité » en LW Courbes typiques du facteur moyen de transmission de l’atmosphère en fonction de la distance (50% d’humidité) Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Influence de la pluie Transmission tpluie = e -cx c = 1, 25 10 -6 Z / r 3 avec Z = hauteur de précipitation en cm / s r = rayon moyen des gouttes (cm) En ondes courtes, sur 1800 m de trajet optique, on obtient : - pluie fine 0, 25 cm / h t = 0, 88 - pluie moyenne 1, 25 cm / h t = 0, 74 - pluie forte 2, 50 cm / h t = 0, 65 - pluie diluvienne 10 cm / h t = 0, 38 Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Influence du brouillard 8 - 12 µm 3 - 5 µm 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. Facteurs d’influence - transmission atmosphérique

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Influence de l’environnement, réflexions parasites Réflexions atténuées 8 - 12 µm Réflexions 3 - 5 µm Facteurs d’influence - atmosphère

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie II - La mesure par thermographie infrarouge 1) Généralités, situation de mesure type 2) Facteurs d ’influence Emissivité Taille des objets, réponse à une fente Transmission atmosphérique 3) Bilan radiométrique Equation fondamentale de la thermographie Etalonnage d’une caméra Mesure

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Hypothèses de base - L’objet visé est opaque - L’émissivité est grise, notée e 0 - 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 tatm 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’ = tatm e 0 Lobj + tatm (1 - e 0)Lenv + (1 - tatm) Latm Equation fondamentale de la thermographie

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La correspondance luminance / température est déterminée grâce à l’étalonnage sur une batterie de corps noirs de référence. 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; Equation fondamentale de la thermographie

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La fonction d’étalonnage est décrite par l’équation mathématique : R, B et F sont les constantes d ’étalonnage Etalonnage

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Une caméra de thermographie infrarouge moderne dispose d’un ordinateur interne qui prend en charge automatiquement tous les facteurs d’influence. En outre, les courbes d’étalonnage sont des fichiers téléchargeables. Elle délivre donc directement des températures. Les fichiers informatiques qui sont sauvegardés ne sont toutefois 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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’une zone réfléchissante 6) Vérifier que la distance objet-caméra permet d’assurer une bonne résolution géométrique 7) Contrôler qu’il n’y a pas de problème d’atténuation atmosphérique Et ……. faire contrôler une fois par an l’étalonnage de la caméra. Mesure

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie III Les caméras de thermographie

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Module optique Module détecteur Electronique & Logiciel analyseur ligne Du radiomètre à la caméra IR à matrice

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Caméra IR à balayage optico-mécanique Détecteur monoélément 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Caméra IR à barrette (ligne) et à matrice (surface) xy pixels infrarouges Le balayage électronique permet de rendre le temps de réponse secondaire Du radiomètre à la caméra IR à matrice

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Therma. CAM SC 1000 256 x 256 pixels Pt. Si 575, 595, Alert, SC 500, SC 2000 320 x 240 pixels Bolomètres VOx Du radiomètre à la caméra IR à matrice

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Les caractéristiques principales spectral Bande spectrale RSR temporel thermique Calibres Sensibilité Exactitude Fréq. de balayage V et H Résolution thermique DTEB Temps de réponse Mini de temp. détectable MDT spatial FOV - IFOV Fct. de Transfert de Modulation FTM Fct. de Réponse à une Fente FRF PRSM-PRSO Nombre de détecteurs Les caractéristiques principales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Réponse spectrale relative : RSR (fonction normée à 1) Correspond à la bande spectrale de la caméra (INFRAMETRICS 760) spectral temporel thermique spatial Les caractéristiques spectrales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Calibres : Tmin - Tmax en °C Correspond à l’étendue de mesure de la caméra spectral Caméra INFRAMETRICS 760) temporel thermique -20 à 400 °C plage normale 20 à 1500 °C plage étendue spatial Les caractéristiques thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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 Les caractéristiques thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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) Le DTEB diminue lorsque l’on procède à un moyennage spatial ou temporel (diminution du bruit) Les caractéristiques thermiques

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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 spectral optique standard : 20°x 15° (20° 350 mrad) Angle de vuetemporel instantané : IFOV (Instantaneous Field Of View) thermique Angle sous lequel la caméra voie un objet correspondant à la projection géométrique du détecteur sur la scène thermique spatial 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 Les caractéristiques spatiales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Champ de vue de la caméra fonction de la distance Caméra INFRAMETRICS 760 FOV : 20°x 15° IFOV : 1, 8 mrad Les caractéristiques spatiales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Fonction de Transfert de Modulation : FTM Caractérise 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Mesure directe de la fonction de transfert de modulation (FTM) Les caractéristiques spatiales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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 Les caractéristiques spatiales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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 de détection. Le signal global fournit par le détecteur tient compte de l’objet, mais aussi de son arrière-plan. En conséquence, le signal mesuré (et donc la température) sur des petits objets peut être 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 FRF Les caractéristiques spatiales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Mesure de la Fonction de Réponse à une Fente (FRF) mesure imagerie 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% Les caractéristiques spatiales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Résolution et nombre de pixels Caméra INFRAMETRICS : FOV=20°=350 mrad - 50=1, 8 mrad et 95=8 mrad Pouvoir de Résolution Spatial de Mesure: PRSM 95=FOV/ 95= 44 éléments de mesures par ligne Pouvoir de Résolution Spatial d ’Observation : PRSO 50= FOV/ 50=194 éléments observables par ligne } Npth Qu’il ne faut pas confondre avec le nombre de pixels Npix=256 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 : Npix > Npth Les caractéristiques spatiales

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Fréquence-image (trame) et fréquence-ligne Par seconde, nombre d’images ou de lignes balayé par la tête d’analyse spectral 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 4 k. Hz (fréquence ligne). thermique donc FH=8 k. Hz Une même lignetemporel est balayée 2 fois (aller-retour du galvanomètre) soit 125µs par ligne. Une image nécessite (FV=50 Hz) 20 ms. Donc le champ de vue comporte : 20 ms/0, 125=160 lignes. spatial Les caractéristiques temporelles

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Fréquence de restitution vidéo Par 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. Les caractéristiques temporelles

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Product Specifications Inframetrics 760 System Type Scanner Spectral Range Long Wave Detector Single Element Detector Material Mercury Cadmium Telluride Measurement Accuracy 2% or 2 Degrees C Noise equi. Temp. Diff. : 0, 08°C@30°C Measurement Range -20 to 400 C Mesurement accuracy : 2°C or 2% With Filter -20 to 1500 C Field View 15 X 20 Degrees Cooling Stirling Cycle Spatial resolution : 1, 8 mrad Spatial Resolution 1. 8 mrad Detector ; single element (MCT) 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… Spectral range : 3 to 12µm Field view : 15° x 20° 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 : 320 x 240 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 : 2 K or 2% F. O. V : 43° x 23° Spatial resolution : 3 mrad Sensor array : 256 x 128 pixels Quelques exemples de caméras IR

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Therma. CAM® P 60 Réponse spectrale : 7, 5 à 13µm Résolution thermique : 0, 08°C@30°C Exactitude de mesure sur corps noir : 2 K or 2% Champ d'observation : 24° x 18° Résolution spatiale IFOV : 1, 3 mrad Microbolomètre : 320 x 240 pixels Quelques exemples de caméras IR

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Détecteurs quantique ou thermique • Détecteurs de photons ou quantique Le rayonnement IR est converti directement en signal électrique. – Refroidissement – Très sensible – Très stable – Ondes courtes (gén. ) – Pt. Si (platine-silicium), In. Sb (antimoniure d’indium) et le Hg. Cd. Te (mercure-cadmiumtelluride MCT) sont les plus communs • Détecteurs thermiques Le Rayonnement reçu par un détecteur provoque un échauffement de celui-ci. – Microbolomètres Variation de résistance Couplage continu – Matériau ferroélectrique & pyroélectrique Variation de capacité Couplage alternatif (chopper), Les caméras de thermographie - détecteurs

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Principe des détecteurs quantique ou thermique Détecteur quantique Détecteur thermique Détecteur refroidi Détecteur non refroidi Les caméras de thermographie - détecteurs

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Gamme de fonctionnement des détecteurs quantiques et thermiques Détecteurs au Tellurure de Mercure et Cadmium (Hg. Cd. Te). Les caméras de thermographie - détecteurs

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Pourquoi le refroidissement ? Température basse = plus de millivolts en sortie, pour un flux infrarouge reçu déterminé. 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 de la température ambiante. TEMPERATURE STABILISEE Effet Peltier (-70°C) Refroidissement

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Matériaux utilisés en infrarouge (objectifs, hublots, etc. ) : Fluorine (Ca. F 2) Germanium (Ge) Silicium (Si) Saphir (Al 2 O 3) : transparence entre 0, 13 µm et 12 µm température inférieure à 600°C : transparence entre 1, 8 µm et 23 µm température inférieure à 150°C associé à un traitement Si. O 2 en OC et Zn. Se en OL : transparence entre 1, 2 µm et 15 µm transmission diminuant avec la température associé à un traitement Zn. Se : 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 Les caméras de thermographie - matériaux

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance • FILTRE FLAMME Passe bande étroite, centré sur 3, 9 µm (ondes courtes) ou 10, 6 µm (ondes longues) La cible doit être assez chaude pour que le flux résiduel soit suffisant. Rayonnement de la flamme Rayonnement après filtre Les caméras de thermographie - filtres

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Réponse relative 3 -5µ 8 -12µ 3. 9µ Flamme 10. 6µ 1 0. 9 Verre 5µ 0. 8 0. 7 0. 6 Plastique 0. 5 3. 43µ 0. 4 Filtre neutre atténuateur Plastique 7. 9µ 0. 3 0. 2 0. 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Longueur d’onde en microns Les caméras de thermographie - filtres

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie IV - Application de la thermographie à l ’évaluation non destructive (END) 1) Généralités 2) La thermographie passive 3) La thermographie active

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie IV - Application de la thermographie à l ’évaluation non destructive (END) 1) Généralités 2) La thermographie passive 3) La thermographie active

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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 active nécessite une source de chaleur externe afin de stimuler l’objet à analyser. Evaluation non destructive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie IV - Application de la thermographie à l ’évaluation non destructive (END) 1) Généralités 2) La thermographie passive 3) La thermographie active

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Champ d’application de la thermographie passive 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 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 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 Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Bâtiment. Isolation Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Bâtiment. Chauffage au sol Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Médical. Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Milieu industriel Cuves calorifugées Fours tunnels Fours rotatifs Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Milieu industriel Intérieur de four Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Milieu industriel Réacteurs Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Milieu industriel Electricité, haute tension Connexions vissées Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Applications civile et militaire Surveillance côtière (marine) La Terre en infrarouge (fausses couleurs). Amas de très jeunes étoiles observables dans l’infrarouge (nébuleuse d ’Orion) Système de déminage IR : Les taux de détection basés sur l'analyse de l'imagerie infrarouge varie de 20 à 100 % 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. Evaluation non destructive - Thermographie passive

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Partie IV - Application de la thermographie à l ’évaluation non destructive (END) 1) Généralités 2) La thermographie passive 3) La thermographie active

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La thermographie active Cette 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. Deux techniques sont utilisées qui diffèrent essentiellement par leur mode d’excitation : la thermographie modulée la thermographie pulsée Evaluation non destructive - Thermographie active

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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. Que l’excitation soit externe (lampes IR, pistolet thermique) ou interne (alimentation variable des composants électroniques), l’impact de la source d’excitation sinusoïdale au 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 à l’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). END - Thermographie active modulée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La thermographie modulée la démodulation synchrone la fréquence d’excitation très faible (qq 1/10 Hz à qq Hz) pour que la diffusion thermique puisse se faire est synchrone avec 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). On obtient ainsi une image thermique d’amplitude et une image thermique de phase pour une fréquence donnée c-à-d une « profondeur d’observation » (indépendantes des parasites extérieurs). END - Thermographie active modulée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La thermographie 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 à une 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 END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance le contraste maximal La thermographie 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 : Signal thermique des différentes zones enregistré lors de l ’impulsion thermique appliquée sur la pièce en aluminium END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance le contraste maximal - La thermographie 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 t c-max END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La tomographie thermique - Extension de la méthode précédente 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 à chaque valeur de tc-max la profondeur calculée et on obtient une image en 3 D où chaque tranche (tomogramme) correspond à une profondeur spécifique en dessous de la surface. END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance le contraste maximal - La thermographie pulsée Résultat obtenu avec cette méthode sur un échantillon d’aluminium dans lequel se trouve deux défauts circulaire. END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La thermographie de phase pulsée L’application d’une brève et puissance impulsion d’énergie sur la surface de l’objet à analyser stimules des ondes thermiques à différentes fréquences à l’intérieur de l’échantillon. La transformée de Fourier (FFT) de l’évolution de la température (réponse temporelle) restitue une image en amplitude 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. END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La thermographie de phase pulsée Echantillon de fibre de carbone renforcée de plastique avec deux pièces de Téflon de 10 mm de diamètre, insérées à différentes profondeurs (1 et 2 mm). L’apparition des défauts est liée à la fréquence d’observation. Ceci s’explique par la formule de la longueur de diffusivité thermique : où est la diffusivité thermique et 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. END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance La thermographie de phase pulsée Pulse Thermography and lockin on inspection on Si. C 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. END - Thermographie active pulsée

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance 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.