La Thermographie Infrarouge

Définition et principe

La thermographie infrarouge est un procédé technique innovant, particulièrement précis et sans la nécessité de contact qui permet la réalisation de mesures thermiques où d'infimes variations de température sont représentées avec une précision de l'ordre du dixième de degré.

Il est ainsi possible d'obtenir des images thermiques.

Scientifiquement, cette technologie repose sur le principe physique que chaque corps diffuse une certaine quantité de rayonnement électromagnétique, ce rayonnement qui lui est propre et lié au pouvoir émissif du type de matériau qui le compose.

Nous présentons en annexe une table de l’émissivité des matériaux, en effet il a été constaté que le rayonnement perceptible d'un matériau est d’autant plus important lorsque celui-ci est chaud.

 Retenons que la thermographie infrarouge permet de mesurer à distance, sans contact et sans détérioration la température d'un objet, d'une surface cible à partir de ses propres émissions d'infrarouges.

 

Cette technologie est utilisée pour mesurer, à distance et sans contact, la température d’un corps. Cette technique est basée sur le principe physique que tout corps diffuse un rayonnement électromagnétique – proportionnel au pouvoir « émissif » des matériaux constituant ce corps – et d’autant plus important que celui-ci est chaud.

Un appareillage spécifique, pistolet ou caméra infrarouge, pointé vers un objet cible détecte la « chaleur » émise par son rayonnement électromagnétique.

Une étude par vision infrarouge est aussi appelée analyse thermographique.

Ce procédé a initialement été développé par l’armée américaine il y a plusieurs décennies, son utilisation est restée d'abord discrète pour progressivement ensuite être ouvert aux applications civiles.

L'imagerie thermique et ses domaines d'application

La thermographie infrarouge est maintenant employée dans de nombreux domaines particulièrement variés.

 

Quelques exemples d'usage

imagerie thermique aérienne
L'imagerie thermique aérienne

La gendarmerie équipe certains de ses hélicoptères modernes, de type EC135, d'une caméra thermique de surveillance.

Cet outil contribue au repérage de personnes, notamment lors d'évolution nocturnes.

 

 

surveillance sites sensibles thermographie
Protection et surveillance de sites

L'imagerie thermique est également déployée pour contrôler le franchissement et surveiller les abords de frontières ou de sites sensibles, tels que les prisons ou autres zones militaires.

thermographie médicale
Analyser la température du corps humain

Le domaine médical fait usage de la thermographie pour analyser certaines pathologies.

Des chercheurs Britaniques de Institute for Aerospace Technology (IAT) ont démontré que les températures observées sur un visage étaient en corrélation avec la charge de travail mentale.

 

 

évaluer le stress par thermographie
Évaluation de situations de stress
L'analyse de la température de certaines zones de notre corps peut aussi témoigner d'un état de stress.
Le suivi en temps réel peut permettre de mieux comprendre les comportements face à des situations particulières afin de mieux les anticiper.
imagerie thermique pour l'aéronautique
L'imagerie thermique aérienne

Le domaine de l'aéronautique exploite les mesures thermographiques réalisées sur des aéronefs.

L'usage de caméra thermique permetnon seulement de contrôler les performances thermiques d'une surface mais également de vérifier et d'évaluer le degré de sévérité de problèmes liés aux températures.

Certaines pièces contribuant à la protection thermique d'avions supersoniques peuvent être ainsi évaluées et validées.

 

 

surveillance de sites sensibles seveso
Sites industriels sensibles

Le potentiel de l'imagerie thermique peut être employée pour surveiller ou analyser les composants sensibles d'une industrie pétrochimique ou autres installations classées seveso.

Des fours en fonctionnement, des fusions peuvent être observées par thermographie infrarouge afin de déceler et prévenir d'éventuels défauts d'étanchéité qui pourraient conduire à de graves incendies ou autres catastrophes.

Analyse de pièces anormalement chaudes
La thermographie au service de l'industrie

Grâce à la thermographie, la propagation de la chaleur dans des cartes électroniques peut être quantifiée et mesurée.

La surchauffe de composants tels que les processeurs est alors aisément perceptible.

 

 

echauffement disque frein thermographie
Échauffement de pièces

Dans le domaine Recherche & Développement, l'imagerie thermique permet l'expérimentation de nouveaux procédés.

Ici, la propagation de la chaleur dans des pièces mécaniques est mesurable par thermographie.

On distingue et quantifie la transmission de chaleur liée au frottement d'une plaquette sur un disque de frein.

thermographie des bâtiments
Bilans-Thermiques est spécialisé dans la Thermographie des Bâtiments.

Une caméra thermique peut être employée dans le domaine du bâtiment pour mesurer les émissions thermiques d’une surface.

Elle permet alors de détecter des défaillances de température sur une installation électrique, des défauts d’isolation et des fuites thermiques d'un logement.

 

La Thermographie d'un bâtiment qu'il soit de type habitation ou tertiaire permet d'analyser précisément l'ensemble des désordres thermiques qui peuvent impacter le bilan thermique de celui-ci.

L'analyse menée permet de conseiller, s'orienter vers les remédiations adéquates qui le rendront le plus confortable, moins déperditif et naturellement moins énergivore.

L'étiquette énergétique pourra alors se voir revalorisée à l'issue des travaux d'optimisation énergétique préconisés.

Mise en œuvre

La Thermographie Infrarouge grâce une Caméra Thermique.

Une caméra thermique est un équipement de mesure qui s'apparente à un appareil photo numérique, son capteur fonctionne dans le rayonnement infrarouge (IR).

La longueur d'onde (λ) employée est supérieure à celle du spectre visible mais plus courte que celle des micro-ondes.

L'utilisation d'une caméra thermique est sans contact avec les surfaces mesurées.

camera thermique infrarouge
Exemple de caméra thermique
Procédé

Les matières dont la température excède 0°K  (0 Kelvin correspond -273°C) émettent un rayonnement infrarouge lié à leur température de surface.

Le capteur de la caméra détecte cette chaleur, la mesure et la quantifie puis la convertit en un signal électronique.

Comment fonctionne une Caméra Thermique

Echelle Thermique Adaptive
Echelle des températures adaptative

Les caméras thermiques sont des équipements de mesure très perfectionnés dotées, pour la plupart, d'une lentille au Germanium.

Le Germanium (Ge) est un métalloïde semi-conducteur qui entre dans la composition des verres équipant les caméras thermique grâce à ses propriétés que le rende transparent à l'infrarouge.

 

Les caméras thermiques disposent d'un écran permettant la visualisation instantané de la surface inspectée et d'un ou plusieurs pointeurs déplaçables à l'écran permettant de mesurer avec précision la température aux endroits souhaités.

La photographie numérique infrarouge utilise une palette de couleurs symbolisant  les différentes plages de températures relevées sur le thermogramme.

A l'écran, la légende associée permet aux usagers avertis d'identifier rapidement  et avec précision la température des éléments présents sur l'image.

Le signal issu du capteur est traité numériquement pour produire une image thermique :

Le résultat obtenu est un thermogramme, en d'autres termes il s'agit d'une une image numérique codée pixel par pixel contenant pour chacun d'entre eux une mesure de température extrémenent précise.

camera thermique infrarouge
Exemple d'image thermique infrarouge

On distingue ici le contraste entre la température d'un corps humain par rapport aux autres éléments ambiants.

thermogramme infrarouge
Exemple de thermogramme

Différences entre une caméra thermique et une caméra infrarouge

Il s'agit en fait d'une petite subtilité de langage, car une caméra infrarouge et une caméra thermique n’ont pas le même champ d’application :

En effet, même si ces deux types de caméras fonctionnent sur le même principe, c'est à dire la perception et l’enregistrement des rayonnements infrarouges émis par une surface ou un corps vivant,

une caméra infrarouge est sensible aux ondes émises aux longueurs d’onde de l’ordre du micron : 10-6 (1 µm) alors qu’une caméra thermique réagit aux ondes émises dont des longueurs d’onde sont de l’ordre de 10 µm, soit 10-5m

Ces ondes à 10-5 m, également appelées ondes de chaleur, sont directement liées à la température du corps ou de l’objet qui les produit.

Spectre et ondes de lumière( source CTTA )

Une caméra thermique peut bien sûr fonctionner dans l'obscurité et fournir des images de qualité sans éclairage supplémentaire, celles-ci sont fréquemment employées dans le domaine de la vidéo surveillance.

La caméra infrarouge quant à elle, nécessite un éclairage additionnel lorsqu'elle est utilisée dans l’obscurité.

Étant moins précise et plus limitée, son prix est plus abordable et sera dédiée aux applications ne nécessitant pas de détails notamment sur le plan thermique.

Éléments caractérisants la thermographie

Techniquement plusieurs paramètres rentrent en compte pour l'obtention d'un thermogramme (image thermique) exploitable :

  • Émissivité spectrale : c'est le rapport établi entre l’émittance spectrale d’un corps et l’émittance spectrale d’un corps noir à la même température.

Cf : Loi de Planck qui détermine la distribution spectrale de l'énergie radiante au sein d'un corps noir.

L'émissivité (ε) est une mesure permettant de comparer une source réelle et un corps noir.

L’émissivité spectrale ε(λ ) dépend notamment de :


  • La nature de la surface.
  • La longueur d’onde employée.
  • La température de la surface.
  • L'ange, la direction d’observation par rapport à la surface inspectée.

L’émissivité totale est le rapport entre l’énergie rayonnée par un matériau à la température T et l’énergie rayonnée par un corps noir à la même température.

L’émissivité totale est l’intégrale de l’émissivité spectrale.

Un corps noir absorbe tout le rayonnement incident, cependant les objets que nous utilisons aux quotidien ne sont en général pas des corps noirs, ces derniers n’absorbent qu’une fraction du rayonnement incident.

Le rayonnement appliqué sur un corps peut alors être absorbé, réfléchi ou être transmis.
Lorsque l'équilibre à lieu sur ce corps, l'absorption est compensée par l’émission  : A(λ) = e(λ)
 
Retenons que les objets ont tendance à réfléchir une partie d'un rayonnement incident et en transmettent une autre partie.

Émissivité des matériaux en thermographie

Principe lié à l’émissivité ε des matériaux

L’émissivité d’une surface ou d'une paroi caractérise les échanges par rayonnement :

  • Lorsque ε = 0 : la surface renvoie 100% du rayonnement ou de la chaleur.

(cas d'une surface telle une feuille d’or polie, d'aluminium, de couleur blanche brillante).

 

  • Lorsque ε =1 : la surface absorbe 100% du rayonnement ou de la chaleur

(cas d'une surface de couleur noire mate par exemple).

 

L’émissivité ε obtenue dépend également du vieillissement de la surface inspectée.

Indices d'émissivité des Matériaux Métalliques

Matériaux métalliques Émissivité
Aluminium non oxydé 0.09
Aluminium oxydé 0.20 - 0.55
Aluminium poli 0.05
Laiton oxydé 0.50
Laiton poli 0 03 - 0 05
Carbone Graphite 0.40
Carbone Chrome 0.10
Cuivre oxydé 0.40 - 0.80
Cuivre poli 0.03
Or 0.02
Fer oxydé 0.50 - 0 90
Fer non oxydé (épaisseur >20mm) 0.15
Rouillé 0.50 - 0.70
Fer fonte oxydée 0.60 - 0.95
Fer fonte non oxydée 0.20
Fer fonte Fondu 0 20 - 0 30
Fer forgé terne 0.70
Fer forgé lisse 0.30
Plomb poli 0.50 - 1.0
Plomb oxydé 0.40 - 0 60
Monel (NiCuMo) 0.10 - 0.40
Nickel non oxydé 0.10
Nickel oxydé 0.20 - 0.50
Platine poli 0 30
Platine Noir 0.09
Platine Ardent 0.03
Acier Laminé à froid 0.70 - 0.90
Acier Meulé 0 40 - 0 60
Acier poli 0.20
Acier oxydé 0.70 - 0.90
Inox 0.20
Zinc oxydé 0.10
Zinc poli 0.03
Zinc galvanisé 0 20

Indices d'émissivité autres types de Matériaux

Autres Matériaux Émissivité
Amiante 0.95
Argile 0.95
Asphalte 0.95
Brique 0.95
Céramique 0.95
Béton 0.95
Tissu 0.95
Verre 0.85
Gravier 0.95
Gypse 0 80 - 0 95
Glace 0.98
Calcaire 0.95
Peinture non métallique 0.90 - 0.95
Papiers. toutes couleurs 0.95
Plastique opaque 0.90
Caoutchouc 0.95
Sable 0.90
Neige 0.90
Terre 0.90-0.98
Eau 0.93
Liquides 0.95
Bois 0.90-0.95