Échanges Thermiques TP1 : Thermographie (EGR)

La thermographie infrarouge permet d’obtenir une cartographie des températures d’une scène par analyse des infrarouges.

Caméra Infrarouge Série FLIR Cx

TABLE DES MATIÈRES

INTRODUCTION

Comment fonctionne une caméra thermique? Quelles sont ses limites? Ce TP va vous aider à comprendre d’avantage cette technologie, et d’en établir les avantages et inconvénients.

L’évaluation se déroulera sous la forme d’un entretien oral qui démarrera 40min avant la fin de la séance.
Vous présenterez un bilan de vos travaux et de vos résultats pendant 10min maximum. S’en suivront 10min de questions. La note sera attribuée à la totalité du sous-groupe.
La totalité des supports présentés seront exclusivement manuscrits (pas de diaporama ni d’impressions informatiques) au format A5 paysage.
Critères d’évaluation : fond (rigueur scientifique, résultats, etc.), forme (supports, prestation, etc.) et analyse (problématique, plan, etc.)

Rayonnement thermique

Une surface solide est en permanence soumise à une densité surfacique de flux d’énergie radiative appelée éclairement $E=\Phi _{\mbox{\tiny RECU}}~\mbox{en W.m}^{-2}$ .

Dans un corps réel, le flux net (ou radiosité), noté $J$ en W, est la somme du flux réfléchi et du flux émis, le flux émis étant le flux « généré » par la température propre du corps.

Le flux réfléchi $\Phi _{\mbox{\tiny REFLECHI}}$ peut être estimé en fonction de l’éclairement que reçoit l’objet $E_C$ ; $E_C \neq E$ l’émittance.

L’éclairement peut-être évalué à partir de $T_{\mbox{\tiny amb}}^4$ en considérant que l’objet thermographié se trouve au centre d’une sphère solide imaginaire dont les parois seraient à la température ambiante.

En pratique, nous verrons que nous n’avons besoin de connaître qu’un seul paramètre pour caractériser la surface, son émissivité $\varepsilon$ (puisque dans le cas d’un corps opaque, l’absorptivité $\alpha = \varepsilon$ ).

Pour information, l’absorptivité spectrale directionnelle $\alpha$ est la fraction de la luminance incidente absorbée par une paroi

$\alpha _{\lambda ,\Omega }=\dfrac{L_{\lambda } ^{\mbox{abs}}}{L_{\lambda }}$

Pour un corps gris, la loi de Stephan-Boltzmann permet d’écrire

$\Phi _{\mbox{\tiny EMIS}}=\varepsilon ~\sigma ~T^4$

Ainsi, le flux net (ou la radiosité) peut s’écrire

$J=\left( 1-\varepsilon \right) ~E_C+\varepsilon ~\sigma ~T^4$

Vous pourrez trouver de plus amples informations sur la Radiométrie ici : Rayonnement thermique.

Q1. Comment est-il possible d’avoir une information de température sans être en contact avec un objet? Comment est calculée la température dans ce contexte?

Q2. Quelles longueurs d’ondes seront concernées par des objets aux températures ambiantes? Quelle plage de température émet dans le visible?

Q3. Qu’est-ce que l’émissivité d’un corps? La notion de corps gris est-elle importante pour l’émissivité? Citer des exemples de valeur d’émissivité.

Q4. Quelle est approximativement la température du soleil sachant que la longueur d’onde principalement émise correspond à la couleur jaune? Inversement, à partir de la vraie température du soleil, quelle serait la longueur d’onde principale correspondante? Conclure.

Q5. Pourquoi doit-on prendre en compte l’éclairement $E_C$ en $[W.m^{-2}]$ ? Comment l’éclairement est-il calculer par la caméra?

Thermographie

Technologie d’une caméra infrarouge

Une technologie possible de capteur infrarouge est le bolomètre

Historiquement, i y avait un seul bolomètre avec 2 miroirs rotatifs (balayage en $X$ et en $Y$ ). Cela imposait un refroidissement à l’azote liquide. De nos jours, les caméras thermiques disposent pratiquement d’un bolomètre par pixel. Ces derniers ne mesurent plus que quelques micromètres, et n’ont plus la nécessité d’être refroidis.

Q6. Préciser le fonctionnement du bolomètre.

Thermographie passive

Matériel à disposition :

Caméra infrarouge FLIR
Boîtes de conserves
Plaque en polystyrène
Source d’eau chaude

Pressez l’intérieur d’une boite de conserve avec un de vos de doigts et attendez quelques instants. Observez l’extérieur de la paroi de la boîte de conserve avec la caméra infrarouge.

Q7. Qu’observez-vous? Est-il possible d’apercevoir une source de chaleur à travers une paroi opaque grâce à la thermographie?

Proposez à un.e de vos camarades de se rendre de l’autre côté d’un vitrage transparent en verre. Observez ce vitrage à l’aide de la caméra.

Q8. Apercevez-vous votre camarade sur le thermogramme? Comment expliquer ce phénomène?

Sollicitez l’assistant de laboratoire ou l’enseignant référent pour vous permettre de réaliser une thermographie de l’intérieur d’une armoire électrique.

Q9. Qu’observez-vous? Quel peut être l’intérêt de la thermographie dans les installations électriques?

Remplissez une boîte de conserve où subsiste des résidus de colle et d’étiquette avec de l’eau chaude et réalisez un thermogramme de sa paroi extérieure à l’endroit où se trouvent les résidus.

Réalisez la même expérience autour de la zone rayée de la paroi de la seconde boîte de conserve.

Q10. Qu’observez-vous? Comment expliquer ces zones de couleur différentes?

Thermographie active

Réalisez une thermographie de la plaque de polystyrène dans les conditions initiales. Disposez une boîte de conserve remplie d’eau chaude sur une cible et patientez quelques instants. Réalisez une seconde thermographie de la plaque de polystyrène. Réalisez la même procédure sur la seconde cible.

Q11. Que permet de révéler ces essais sur la constitution de cette plaque de polystyrène? Auriez-vous pu arriver à la même conclusion sans votre intervention avec la boîte de conserve?

Synthèse

À l’aide de recherches sur Internet, nous vous proposons de faire une synthèse sur la thermographie infrarouge.

Q12. Quels sont les avantages et inconvénients de la thermographie infrarouge?

Q13. Quels sont les domaines industriels où la thermographie infrarouge peut être judicieusement utilisée?