Technique permettant d`obtenir, au moyen d`un appareillage

THERMOGRAPHIE INFRAROUGE
1. DEFINITIONS
Technique permettant d’obtenir, au moyen d’un appareillage approprié, l’image thermique d’une
scène thermique observée dans un domaine spectral de l’infrarouge.
Le système d'acquisition est conçu pour transformer une image captée dans le domaine infrarouge et
fonction de la luminance de l'objet observé, en une image visible et analysable par l'oeil humain.
2. LE RAYONNEMENT
2-1 La matière émet du rayonnement
Nous sommes rayonnants ! Tout comme nos tables et nos chaises, les murs et les fenêtres. Toute
matière rayonne de l'énergie.
Nous en avons l'expérience par le phénomène d'absorption de cette énergie quand nous nous
chauffons les mains en les approchant d'un feu de bois ou d'un radiateur, objets plus chauds que nos mains.
Si nous sortons par temps glacial, nous nous habillons "chaudement" pour ne pas dissiper l'énergie de votre
corps. Cette dissipation aurait lieu par échange d'énergie avec le vent glacé (échange par convection) et
également par rayonnement (échange par rayonnement) : c'est nous, alors, qui chauffons notre environnement
par le rayonnement que nous émettons. S'il neige, il vaut mieux porter des gants pour les batailles de boules de
neige afin de ne pas nous geler les mains, donc ne pas les refroidir à la température de la neige (échange par
conduction). Même les objets "froids" émettent du rayonnement, de l'énergie, mais moins que notre corps.
Le rayonnement d'énergie par la matière est une réalité de tous les jours, même si nous n'en avons
pas conscience. Par unité de temps, la matière émet une puissance de rayonnement, des watts. La surface
effective de notre corps, d'environ 2 m2, émet quelques 1 000 Watts. Mais placé dans un environnement de
même température, il reçoit également quelques 1 000 W de rayonnement en provenance de cet environnement,
ce qui permet de compenser les pertes. (Nous ne considérons là que les échanges par rayonnement.) Placé dans
un environnement de 0°C, le corps nu ne recevrait qu'environ 300 W, ce qui finirait par épuiser l'énergie interne
du corps, énergie apportée par la transformation des graisses en chaleur. La graisse représente de l'énergie
interne accumulée par l'alimentation. Un maigre tiendra moins longtemps qu'un gros : celui-ci a "de la réserve".
2-2 La matière a une température
L'énergie interne de la matière peut être déjà là sous forme de chaleur accumulée. C'est cette forme
d'énergie qui nous intéresse ici : celle qui est immédiatement disponible sans transformation. C'est elle qui
définit la température de la matière. (Mais, la transformation d'autres formes d'énergie en chaleur peut être très
rapide, comme dans un moteur à explosion ou dans une flamme, ou plus simplement par l'évaporation ou la
condensation de la matière.) La température est donc une manifestation de la chaleur contenue dans la matière et,
de même, le rayonnement électromagnétique émis par la matière est une manifestation de cette énergie ou de
cette température.
Le rayonnement émis par la matière, par notre corps, par la neige, est de même nature que le
rayonnement émis par les antennes de radio ou de TV ou de radar ou de four à micro-ondes ou émis par les
lampes à incandescence ou les tubes-fluo, ou par le soleil. C'est "simplement" du rayonnement
électromagnétique. Il existe un vaste spectre de rayonnement électromagnétique, à diverses fréquences ou
longueurs d'onde.
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Le spectre des rayonnements
électromagnétiques
2-3 A quelles longueurs d’onde ?
La puissance du rayonnement est fonction de la fréquence de ce rayonnement et de la température du
corps qui émet ce rayonnement. Le rayonnement du soleil (6000°C en surface) est plus puissant que le
rayonnement émis par notre corps (environ 35°C) et le soleil émet ce rayonnement surtout aux fréquences
élevées (ou aux longueurs d'onde plus courtes, c'est dire la même chose). Un objet chaud émet donc un
rayonnement plus puissant qu'un objet froid et le rayonnement est émis à des longueurs d'onde d'autant plus
courtes que le corps est chaud.
La lampe à incandescence, par exemple, émet des rayonnements à des longueurs d'onde beaucoup
plus courtes que ceux émis par notre corps. Longueurs d'ondes si courtes que nos yeux les perçoivent, les yeux
étant sensibles à ce rayonnement dit "visible" : du violet au rouge, soit de 0,4 µm à 0,8 µm ; c'est le spectre
visible. La matière émet néanmoins à toutes les longueurs d'onde.
2-4 L’infrarouge
On parle d'ultraviolet, fréquence au delà du violet, alors que la longueur d'onde du violet est plus
courte. On parle aussi d'infrarouge, fréquence en deçà du rouge, alors que la longueur d'onde du rouge est plus
longue. C'est dire que l'infrarouge est moins puissant, moins énergétique que l'ultraviolet. En parlant en longueur
d'onde, l'infrarouge se situe donc au delà de 0,8 µm, et il regroupe les longueurs d'onde des rayonnements de la
matière plus froide que celle qui, chaude comme la lampe à incandescence, est vue directement avec nos yeux.
Nous ne voyons donc pas le rayonnement infrarouge avec nos yeux. La lampe dite "infrarouge" est moins
alimentée que la lampe à incandescence normale : elle consomme moins d'énergie et est donc plus froide. Elle
est conçue pour émettre principalement dans l'infrarouge, pour chauffer moins qu'une lampe normale.
Si la lampe est sous-alimentée, la lumière visible émise par le filament peut être insuffisante : nos
yeux ne la voient pas. Ce qui ne signifie pas que la lampe n'émet pas de rayonnement. Elle émet du rayonnement
seulement dans l'infrarouge, donc du rayonnement "plus froid". L'infrarouge est donc lié au froid, contrairement
à l'idée commune. Et pour voir des objets froids, ou des objets plus chauds parmi des objets plus froids, il faut
aller voir leurs rayonnements dans l'infrarouge.
L’œil humain peut « voir » la chaleur pour des hautes températures : soleil (6000°C) ; filament de
tungstène (2200°C), fer rouge (600°C), mais pour les objets à basse température (<500°C) qui émettent peu de
rayonnement, l’œil humain est inadapté.
2-5 La caméra thermique
Ainsi, si nous voulons voir le rayonnement émis par les objets habituels de notre environnement (ils
sont froids), ou déterminer leur température en mesurant ce rayonnement, il nous faut des yeux spéciaux
capables de voir dans l'infrarouge.
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D'où les caméras infrarouges, que nous préférons appeler "caméras thermiques", conçues pour
pallier les limites de nos yeux, incapables de voir les rayonnements émis par les objets "froids", en dessous
d'environ 500°C. Nous pouvons donc dire que les objets sont froids s'ils sont à une température inférieure à
500°C. Ceci pour nos yeux.
En fait, la matière "idéalisée" émet à toutes les fréquences, à toutes les longueurs d’onde. On dit que
son spectre de rayonnement est continu. La matière ne se comporte pas comme une radio-émettrice qui n'émet
qu'à une longueur d'onde principale. Mais, elle n'émet pas la même puissance de rayonnement pour chaque
longueur d'onde. Ainsi, notre corps émet du rayonnement dans le spectre visible, mais ce rayonnement est si
faible qu'aucun récepteur ne pourrait le mettre en évidence .
Le meilleur moyen d'observer le rayonnement émis par notre corps est donc de décaler le spectre de
fonctionnement du récepteur (donc les longueurs d'onde pour lesquelles ce récepteur fournira un signal) vers les
longueurs d'onde émises par le corps, donc vers l'infrarouge.
3. RAPPEL SUR LE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE
La matière échange en permanence de l'énergie avec le milieu extérieur sous forme de rayonnements
électromagnétiques. L'origine de l'émission est liée à l'agitation moléculaire interne de la matière qui génère des
transitions radiatives des électrons.
Cette agitation moléculaire est fonction de la température absolue de la matière. La gamme de
rayonnements dits thermiques s'étend de 0,4 à 30 m mais les moyens d’analyses infrarouges opèrent
généralement dans la bande 3 à 15 m.
Quatre phénomènes d'échanges entrent en jeu :
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


l'émission thermique spontanée : Emissivité
la transmission : Transmissivité
la réflexion ou la diffusion : Réflexivité
l'absorption thermique.
3-1 Le rayonnement émis
Si l'on veut observer la température des objets froids, donc mesurer le rayonnement émis par ces
objets, il faut aider notre oeil en l'équipant d'une prothèse onéreuse, prothèse qui décale le spectre de
fonctionnement de notre oeil vers les longueurs d'onde de l'infrarouge.
Si nos yeux pouvaient détecter le froid ou le plus chaud parmi le froid, nous n'aurions nul besoin de
caméra thermique infrarouge. Encore faudrait-il que nos yeux soient capables de mesurer ce rayonnement, ce qui
n'est pas de son ressort. (Encore que le forgeron ou le verrier, par leur grande expérience, soient capables de
déterminer les températures à l'oeil, par la couleur des matériaux qu'ils chauffent au four, entre 700 et 1300°C
environ.)
Les objets sont froids pour nos yeux : si nous ne disposions pas de la sensation du chaud, sensation
due à l'absorption du rayonnement par notre corps, nous risquerions de nous brûler en touchant ces objets.
Néanmoins, un objet chaud peut émettre très peu de rayonnement : il s'éloigne alors de beaucoup de la matière
"idéalisée" dont nous avons parlé. Le fer à repasser à semelle métallique en est un exemple. Il y a risque de
brûlure, puisque la sensation du chaud par absorption, avant le toucher, n'existe presque pas. C’est donc bien l'art
de la caméra thermique qui permettra de définir le rayonnement de la semelle du fer à repasser.
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3-2 Le rayonnement réfléchi
Nous nous voyons donc entre nous, non par le rayonnement que nous émettons, mais par le
rayonnement que nous réfléchissons, rayonnement qui provient de sources suffisamment chaudes (lampes à
incandescence ou soleil), ou sources émettant du rayonnement à certaines longueurs d'onde du spectre visible.
Le rayonnement réfléchi nous permet de vivre dans notre réalité quotidienne en nous repérant avec nos yeux,
sensibles aux longueurs d'onde du spectre visible.
Le rayonnement réfléchi existe aussi dans l'infrarouge. C'est également en cela que la matière n'est
pas "idéale", la matière émet du rayonnement mais, également, elle réfléchit du rayonnement, rayonnement qui
provient de son environnement, des objets environnants. Alors vous comprenez que si l'on pointe une caméra
thermique en direction d'un objet, cette caméra va mesurer du rayonnement émis par cet objet, mais également
du rayonnement réfléchi par cet objet.
La matière, du fait qu'elle est "non idéale", implique que le mesureur soit apte à comprendre ce qui
se passe, à faire la part des choses dans ce que mesure son appareil. Cet appareil ne fait pas la distinction entre
les rayonnements d'origines diverses.
4. . SYNTHESE
rayonnement
transmis
Le
rayonnement
émis,
transmis et
réfléchi
UNE CAMERA THERMIQUE NE MESURE PAS DES TEMPERATURES MAIS DES
RAYONNEMENTS
LES PUISSANCES DE LA VISION INFRAROUGE
La vision présente plusieurs avantages : elle est instantanée, globale et discriminative :
Instantanée : La vision donne une vue immédiate de la répartition des rayonnements de la scène
observée par l'oeil ou la caméra. Vous regarder a travers la caméra et vous avez l’image thermique de
l’environnement sur l'écran
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Globale : La vision vous donne un accès immédiat à l'ensemble des objets situés dans le champ de
vision, déterminé par l'objectif de la caméra et la distance d'observation. Vous voyez presque tout en déplaçant
rapidement la direction de visée de la caméra.
Discriminative : La vision, tout comme les yeux, vous montre les détails dans un ensemble, un seul
composant parmi une multitude de composants. De votre propre chef, vous sélectionnez les détails à observer.
S'il se présente un petit point chaud, vous le distinguez immédiatement parmi les composants moins chauds.
Vous pouvez donc porter votre attention sur ce qui vous intéresse, immédiatement dans un ensemble plus vaste
d'objets. Elle est également discriminative puisqu'elle mettra en évidence de faibles écarts de température. Un
faible écart de température peut être la manifestation d'une forte température non accessible visuellement
(capotage d'un appareil par exemple).Ainsi, la thermographie est rapide, tout autant que sa mise en oeuvre, elle
procure une vision immédiate, globale et discriminative. C'est une méthode puissante de vision du froid, du plus
chaud ou du plus froid.
LES LIMITES DE LA TECHNIQUE
La technique de la thermographie, comme toute technique, a ses limites.
Certains cas ne sont pas abordables par la thermographie. Très généralement et dans le cadre qui
nous occupe, tout se qui est caché à nos yeux est caché pour la caméra. On ne voit pas au travers des portes
métalliques ,de l’eau. La mesure sur un métal propre (non oxydé, non empoussiéré) est très délicate.
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