Thermographie infrarouge – fondements physiques

Le principe de la thermographie infrarouge repose sur le phénomène physique selon lequel chaque corps dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15°C) émet un rayonnement électromagnétique. Il existe une relation claire entre la température de la surface d’un corps, l’intensité et la composition spectrale du rayonnement qu’il émet. La température d’un objet peut être ainsi établie sans contact grâce à la recherche de l’intensité du rayonnement.

Le rayonnement infrarouge est le domaine du spectre électromagnétique qui commence du côté des ondes longues du spectre visible de la lumière rouge à une longueur d’onde d’environ 760 nm et qui s’étend jusqu’à une longueur d’onde d’environ 1 mm.

Le domaine jusqu’à environ 20µm de longueur d’onde est ainsi significatif pour la mesure technique de températures.

Dans la seconde moitié du 19° siècle, il a été reconnu que le rayonnement de chaleur et d’autres ondes électromagnétiques comme la lumière visible ou les ondes radio sont de même nature. Il s’en suivit la découverte de la loi de rayonnement par KIRCHHOFF, STEFAN, BOLTZMANN, WIEN et PLANCK. Vers le milieu du 20° siècle, des travaux plus intensifs en vue de l’utilisation militaire de la technique infrarouge débouchèrent sur la réalisation d’appareils de vue infrarouges. Avec un certain retard de temps et de technologie, les premiers appareils infrarouges à usage non militaire furent aussi disponibles dans les années 60. En parallèle, le développement de la pyrométrie s’est réalisé pour devenir une procédure répandue de la mesure de températures dans l’industrie avec cependant une diversité beaucoup plus grande des appareils disponibles.

Les corps existants dans la pratique présentent des propriétés de rayonnement très variées. De bons résultats ont été ainsi en premier obtenus en considérant la conformité simplifiée à la loi pour un corps modèle possédant des propriétés idéales de rayonnement pour l’appliquer ensuite à l’objet réel existant. Ce corps modèle est l’émetteur noir dans la physique de rayonnement. Il se distingue en ce qu’il présente la plus grande intensité possible du rayonnement émis par tous les corps de même température.

La diffusion spectrale du rayonnement émis par un émetteur noir est décrite par la loi de rayonnement de PLANCK.

A partir de cette représentation, il est reconnaissable que la composition spectrale du rayonnement émis varie selon la température de l’objet. Ainsi des corps ayant une température de 500°C émettent également par exemple des parties de rayonnement dans un domaine visible. De plus, il est établi que pour chaque longueur d’onde, l’intensité de rayonnement augmente lorsque la température augmente.

La loi de rayonnement de PLANK représente le rapport fondamental pour la mesure des températures sans contact. En raison de son abstraction, elle n’est cependant pas directement applicable sous cette forme à de nombreux calculs pratiques. Une multiplicité de rapports supplémentaires en découle cependant, dont deux doivent être brièvement cités. Ainsi obtient-on la valeur du rayonnement émis par la totalité d’un corps par l’intégration de l’intensité de rayonnement spectral sur toutes les longueurs d’ondes. Cette corrélation est désignée comme la loi de STEFAN BOLTZMANN.

En raison des rapports mathématiques faciles, elle est très appropriée aux évaluations, en particulier pour les calculs de la chaleur contenue par les objets ainsi que pour les rapports avec les pyromètres à rayonnement total. Le domaine de mesure spectrale de la plupart des appareils de mesure est cependant généralement fortement limité, si bien que cette équation n’y est pas applicable.

A partir de la représentation graphique de la loi de rayonnement de PLANCK, il apparaît que la longueur d’onde pour laquelle le rayonnement émis par un émetteur noir indique un maximum se déplace lors d’un changement de température. La loi de déplacement de WIEN se déduit de l’équation de PLANCK par différentiation.

Plus la température de l’objet à mesurer est faible, plus son maximum de rayonnement se déplace vers les grandes longueurs d’onde. A proximité de la température ambiante, il se situe environ à 10 µm.

Parce que la thermographie infrarouge est un procédé sans contact, le rayonnement infrarouge doit parcourir un trajet plus ou moins long de l’objet à mesurer à l’appareil de mesure à travers un médium dont les propriétés optiques infrarouges peuvent influencer le résultat de mesure. Dans la plupart des cas, cela est l’air, mais dans la pratique ce peut être également d’autres matériaux, comme par exemple des « fenêtres » perméables à l’infrarouge. En ce qui concerne l’air, ce sont principalement ses composantes, la vapeur d’eau et l’oxyde de carbone qui peuvent influencer sa perméabilité infrarouge.

Le degré de transmission spectrale de l’air (10m, 25°C, 1013 mbar, 85%r. F) /5/

La perméabilité (transmission) de l’air est très dépendante de la longueur d’onde. Des domaines de grande atténuation alternent avec des domaines de grande perméabilité (stratifié), les fenêtres dites « atmosphériques ». Pendant que dans le domaine (8…14) µm, la fenêtre atmosphérique d’ondes longues, la perméabilité est régulièrement grande, même sur de grandes distances, dans le domaine (3…5) µm, la fenêtre atmosphérique d’ondes courtes, apparaissent déjà des différences mesurables à travers l’atmosphère sur des distances de mesure de quelques dizaines de mètres.

L’émetteur noir en tant que modèle physique de rayonnement est indispensable pour l’examen des rapports fondamentaux. Comme des objets pratiques à mesurer s’écartent cependant plus ou moins fortement de ce modèle, il est éventuellement nécessaire de prendre en compte cette influence lors de la mesure. Pour cela, le paramètre du degré d’émission qui est un étalon pour la spécificité du corps est adapté à l’émission de rayonnement infrarouge. L’émetteur noir dispose, avec la valeur 1, du plus grand degré d’émission possible, lequel est en plus indépendant de la longueur d’onde.

Au contraire, le degré d’émission d’objets réels à mesurer peut indiquer une dépendance plus ou moins forte par rapport à la longueur d’onde. De plus, une influence des paramètres suivants est possible:

• Composition des matériaux
• Couche d’oxydation à la surface
• Rugosité de la surface
• Angle par rapport à l’aire plane
• Température
• Degré de polarisation

Une multitude de matières non métalliques présentent, au moins dans le domaine spectral d’ondes longues, indépendamment de la constitution de leur surface, un degré d’émission élevé et relativement constant. En font partie la peau humaine ainsi que la plupart des matériaux minéraux de la construction et des enduits.

Au contraire, les métaux ont en règle générale un degré d’émission faible, très dépendant de la constitution de leur surface, qui diminue en allant vers les plus grandes longueurs d’ondes.

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