[PDF] COURS DE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

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IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et MaintenanceCOURS DE THERMOGRAPHIECOURS DE THERMOGRAPHIE

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LICENCE PROFESSIONNELLELICENCE PROFESSIONNELLE

""INGENIERIE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONSINGENIERIE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONS

J. Bresson - Professeur

IUT de PERPIGNAN

Département Génie Industriel et Maintenance

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

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Thermographie Infrarouge

Techniquepermettant d"obtenirau moyen d"un appareillage appropriél"image thermique d"une scène thermique dans un domaine spectral de l"infrarouge.

Appareillage de Thermographie Infrarouge

Ensemble d"appareils permettant d"obteniret de traiterune scène thermique. Ces appareils peuvent assurer en particulier l"analysed"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

Répartitionstructurée des donnéesreprésentatives 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.

NORME FRANCAISE A09-400

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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

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 - émissivitéPartie I - Bases de la thermographie infrarouge

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

1) Brefs rappels sur les transferts thermiques

Conduction

Convection

Rayonnement2) 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 - émissivitéPartie I - Bases de la thermographie infrarouge

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Transferts thermiques

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

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Transferts thermiques

Température / Chaleur

Au zéro absolu,

il n"y a plus d"agitation moléculaire. (1)

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 ?

(2) IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

Transferts thermiques

Température / Chaleur

Unités

Température (ITS 90)- Kelvin K, unité absolue de référence- Degré Celsius ou centigrade0°C = solidification de l "eau100°C =vaporisation de l "eau0 K = -273,15°C- Degré FahrenheitY °F = (1,8 x Z °C) + 3220°C = 68°F30°C = 86°F0°F correspondrait à une températuremesurée en hiver 1709 à DantzigAussi Degré Rankine, Degré Réaumur

Chaleur / énergie- Joule J-Calorie cal 1 cal = 4,18 JQuantité de chaleur nécessaire pour éleverde 1°C, un gramme d"un corps dont lachaleur massique est égale à celle de l "eauà 15°C sous pression de 101325 pascals.Note : CAL = calorie alimentaire

1 CAL = 1000 cal

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Transferts thermiques

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

Transferts thermiques

ConductionUn 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 diffusionLa 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). IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

Transferts thermiques

ConvectionLe 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 thermodynamiqueet 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.... IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

Transferts thermiques

RayonnementEmission, absorptionet réflexiond"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. 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 progressivementSi la plaque est à la puissance maximum, et si vous ne

mettez pas de casserole dessus, elle va devenir rougeAu fur et à mesure que la température augmente, les caractéristiques du rayonnement changent. Une caméra de thermographie peut voir

les changements imperceptibles à l"oeil !

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

1) Brefs rappels sur les transferts thermiques

Conduction

Convection

Rayonnement2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements3) Le spectre infrarouge4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivitéPartie I - Bases de la thermographie infrarouge

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Rapide historique sur la théorie des rayonnements

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 minceThermomètre avec bulbes noircis IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Rapide historique sur la théorie des rayonnements Le thermomètre continue à s"échauffer après la limite du rouge.

Hypothèse: existence d"une

énergie radiante

qui serait une lumière invisible

T°C

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Rapide historique sur la théorie des rayonnements

Seconde moitié du 19ème siècle

1860 Kirchoffpropose qu"un bon absorbeurest aussi un bon émetteur.

Corps noir. Loi de Kirchoff

Transmission (t)+ Absorption (a)+ Réflexion (r) = 1 et Absorption (a)= Emission (e) e t r

Emission

TransmissionRéflexion

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Rapide historique sur la théorie des rayonnements

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. IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

1) Brefs rappels sur les transferts thermiques

Conduction

Convection

Rayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements3) Le spectre infrarouge4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

5) Les corps réels - émissivitéPartie I - Bases de la thermographie infrarouge

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

Le spectre infrarouge

La limitation de bande spectrale est liée à l"atmosphère

à la technologie

au référentiel terrestre (gamme de température habituellement rencontrée)

Ondes longues = de 7 à 13/14 μm

2μm13/14μm

Ondes courtes = de 2 à 5,5 μm

0,4μm0,8μm

Spectre visible

Cubes de

glace

FlammesBarreau métallique

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

1) Rappel sur les transferts thermiques

Conduction

Convection

Rayonnement

2) Rapide historique sur la théorie des rayonnements

3) Le spectre infrarouge4) Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann5) Les corps réels - émissivitéPartie I - Bases de la thermographie infrarouge

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance

Le corps noir

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.

Considérant la loi de

Kirchoff

(un bon absorbeur est aussi un bon émetteur) le corps noir émet donc aussi de façon maximale. En théorie, c"est unecavité 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. IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

LOI DE PLANCK

L"exitance énergétique spectrique d"un corps noir (anc. émittance spectrale) en Wm -2μm -1, intégrable sur un angle solide de 2p stéradians de la luminance énergétique spectrique (anc. Luminance spectrale) est décrite par la loi de PLANK : 1 e C10E T2C5 16 )T,(0-l= l-- l 12

μmWm

l:longueur d"onde de la radiation émise (μm)

C1: 3,741832.10

-16 W m 2

C2: 1,438786.10

-2 K m

T: température du corps (degrés K)

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

Exitance spectrique (émittance spectrale)

donnée par la loi de Planck, tracée pour quelques températures (en K).

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 = l max 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.

COURBES DE PLANCK

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314260°C (490°F)20°C (70°F)

Relative blackbodyradiant emittance

Longueur d"onde (microns)

10 2 10 11 10 -1 10 -2 10 -310 -40 IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 6000
4000
2000
750
300
25
-75

Longueur d"ondetemp. °C

E n ergie ra y o n n e

Loi de Wien

IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan BoltzmannLongueur d"onde

Corps noir à 25 °C

E n ergie ra y o n n e IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan BoltzmannLongueur d"onde

Corps noir à 750 °C

E n ergie ra y o n n e IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan BoltzmannLongueur d"onde

Corps noir à 6000 °C, le soleil

E n ergie ra y o n n e IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann 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 que 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 pic à 9,5 μm, dans l"infrarouge moyen - Azote liquide 77K pic à 37,6 μm, dans l"infrarouge lointain )K(T2898)m( max =ml IUT de PERPIGNAN Département Génie Industriel et Maintenance Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann L"intégration de la formule de Planck sur toutes les longueurs d"onde, permet d "obtenir l"énergie totale du rayonnement émis par un corps noir.

Loi de STEFAN BOLTZMANN.( )

²m/Watts4

CN TWs=

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= l max représente seulement

25% du total.

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

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

-8x (305,15)

4= 988 watts

Est-ce possible ? Est-ce réaliste ?

Réponse 2 :

quotesdbs_dbs12.pdfusesText_18

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