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