Thermographie / Mesure de température par infrarouge : théorie et pratique

La mesure de la température sans contact à l'aide d'une caméra thermique est indispensable pour beaucoup d'applications. Si vous observez quelques règles de base, vous pourrez désormais utiliser la mesure infrarouge de manière plus efficace. Apprenez plus sur les bases théoriques les plus importantes de la thermographie. Et profitez des conseils utiles pour votre travail quotidien avec la caméra thermique.

Objet de mesure

1. Matériau et émissivité

Une caméra thermique mesure le rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde émis par un objet. L'intensité du rayonnement infrarouge émis (par l'objet lui-même) dépend de la surface du matériau.

A noter : Chaque surface présente une émissivité spécifique.

2. Couleur

La couleur de la surface n’a pas d’influence notable sur le rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde émis par l’objet de mesure. C'est la température qui est déterminante. Un radiateur laqué noir émet, p.ex., un rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde identique à un radiateur laqué blanc à la même température.

A noter : La couleur d'une surface ne joue guère de rôle.

3. La surface de l'objet de mesure

Les propriétés de la surface de l’objet mesuré jouent un rôle décisif en thermographie. En effet, l'émissivité de la surface change en fonction de la structure de la surface, de l'encrassement et du revêtement.

• Structure de la surface

Les surfaces lisses, brillantes, réfléchissantes et/ou polies présentent, en règle générale, une émissivité légèrement plus faible que les surfaces mates, structurées, brutes, altérées et/ou rayées du même matériau.

A noter : Veillez tout particulièrement à la présence d'éventuelles sources de rayonnement dans l'environnement (p.ex. le soleil, des radiateurs, etc.) lors des mesures sur des surfaces lisses.

• Humidité, neige, givre en surface

L'eau, la neige et le givre présentent une émissivité relativement élevée (env. 0,85 < ε < 0,96) ; la mesure de ces matériaux ne pose généralement aucun problème. Il est cependant à noter que la température de l'objet mesuré peut être faussée par de tels revêtements naturels. En effet, en s'évaporant, l'humidité fait refroidir la température de l'objet de mesure et la neige possède de bonnes propriétés isolantes. Le givre ne présente le plus souvent pas une surface fermée ; c'est pourquoi l'émissivité du givre, mais aussi celle de la surface sous celui-ci doivent être prises en compte lors de la mesure.

A noter : Evitez, si possible, de procéder à des mesures sur des surfaces humides ou couvertes de neige ou de givre.

• Encrassement et corps étrangers en surface

Les saletés ou les corps étrangers, tels que la poussière, la suie ou l'huile lubrifiante, à la surface de l'objet mesuré augmentent généralement l'émissivité de la surface. C'est pourquoi la mesure d'objets encrassés ne pose généralement aucun problème. Votre caméra thermique mesure cependant toujours la température de la surface, c'est-à-dire celle de la saleté et non la température précise de la surface de l'objet mesuré sous celle-ci.

A noter : Evitez de procéder à des mesures sur des surfaces qui présentent des particules en surface (températures faussées par les poches d'air).

Environnement de mesure

1. Température ambiante

Pour que votre caméra thermique puisse mesurer correctement la température de la surface, la température réfléchie (RTC) doit être prise en considération en plus du réglage de l'émissivité (ε).

Dans de nombreuses applications de mesure, la température réfléchie correspond à la température ambiante.

Un réglage précis de l'émissivité est important lorsque les différences de température entre l'objet mesuré et l'environnement de mesure sont grandes.

2. Rayonnement et sources parasites

Chaque objet dont la température dépasse le zéro absolu (0 Kelvin = 273,15 °C) émet un rayonnement infrarouge. Les objets présentant une différence de température importante par rapport à la température de l'objet mesuré peuvent influencer les mesures infrarouges en raison de leur propre rayonnement. De telles interférences doivent, si possible, être évitées ou arrêtées.

Isolez les sources parasites, p.ex. à l'aide d'une toile ou d'un carton.

Vous pouvez mesurer le rayonnement réfléchi p.ex. avec un réflecteur lambertien en combinaison avec votre caméra thermique.

3. Conditions météorologiques

• Nuages

Un ciel très nuageux offre les conditions idéales pour les mesures infrarouges à l’extérieur. Raison : L'objet de mesure est protégé contre le rayonnement solaire et le « rayonnement froid du ciel ».

• Précipitations

L'eau, la glace et la neige possèdent une émissivité élevée et sont imperméables au rayonnement infrarouge. La mesure d'objets humides peut en outre causer des erreurs de mesure car la surface de l'objet mesuré refroidit avec l'évaporation.

A noter : D'importantes précipitations (pluie, neige) peuvent fausser les résultats des mesures.

4. Air / Humidité de l'air

Lorsque la lentille (ou le verre de protection) de la caméra thermique est embuée suite à une humidité relative de l'air élevée, la totalité du rayonnement infrarouge ne peut pas être reçue. L'eau empêche le rayonnement d'arriver intégralement sur la lentille de la caméra infrarouge. Un brouillard très dense peut également influencer la mesure ; en effet, les gouttelettes d'eau se trouvant dans la ligne de transmission laissent passer moins de rayons infrarouges.

A noter : Veillez à une faible humidité relative de l'air dans l'environnement de mesure. Vous éviterez ainsi la condensation dans l'air (brouillard), sur l'objet à mesurer, sur le verre de protection ou la lentille de la caméra thermique.

• Courants d'air

En raison des échanges de chaleur (convection), l'air à proximité de la surface a la même température que l'objet mesuré. Le vent ou les courants d'air « éloignent » cette couche d'air et une nouvelle couche d'air, n'étant pas adaptée à la température de l'objet mesuré, se retrouve à cet endroit. La convection absorbe la chaleur des objets de mesure chauds et apporte de la chaleur aux objets de mesure froids jusqu'à ce que la température de l 'air et celle de la surface de l 'objet de mesure se soient harmonisées. Cet effet d'échange de chaleur augmente en fonction de la différence de température entre la surface de l'objet de mesure et la température ambiante.

A noter : Le vent ou les courants d'air dans la pièce peuvent influencer la mesure de la température au moyen d'une caméra thermique.

• Pollution atmosphérique

Certaines matières en suspension telles que la poussière, la suie, la fumée, ainsi que certaines vapeurs, possèdent une émissivité élevée et une transmissivité réduite. Cela signifie qu'elles peuvent nuire aux mesures car elles émettent elles-mêmes un rayonnement infrarouge, également perçu par la caméra thermique. En outre, le rayonnement infrarouge de l'objet mesuré ne peut que partiellement pénétrer jusqu'à la caméra thermique car celui-ci est dispersé et absorbé par les matières en suspension.

5. Lumière

La lumière ou l'éclairage ne joue aucun rôle notable lors des mesures au moyen d'une caméra thermique. Les mesures peuvent également être effectuées dans l'obscurité car les caméras thermiques mesurent le rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde. Certaines sources lumineuses émettent cependant elles-mêmes un rayonnement thermique infrarouge et peuvent donc influencer la température des objets dans leur environnement.

Ne procédez donc pas à des mesures sous le rayonnement direct du soleil ou à proximité d'une ampoule chaude.

Les sources lumineuses froides, telles que les LED ou tubes néon, ne sont pas critiques : elles convertissent la plus grande partie de l’énergie utilisée en lumière visible et non en rayonnement infrarouge.

Particularités des mesures thermographiques à l'extérieur

Le rayonnement infrarouge d'un ciel dégagé est, dans le langage courant, appelé « rayonnement froid du ciel ». Lorsque le ciel est dégagé, le « rayonnement froid du ciel » (~ -50 … -60 °C) et le rayonnement chaud du soleil (~ 5 500 °C) sont réfléchis toute la journée. La surface du ciel est supérieure à celle du soleil ; la température réfléchie est donc souvent inférieure à 0 °C lors des mesures thermographiques extérieures, même lorsque le soleil brille. Au soleil, les objets s'échauffent en raison de l'absorption du rayonnement solaire. Ceci influence nettement la température superficielle – jusqu'à plusieurs heures après le rayonnement solaire.

Trucs et astuces pour les mesures thermographiques à l'extérieur

• Procédez aux mesures tôt le matin et/ou lorsque le ciel est très couvert. Evitez toutefois la pluie ou la neige. Le brouillard ou un fort vent sont également défavorables.
• Changez de position pendant la mesure pour identifier les réflexions. Les réflexions se déplacent, les particularités thermiques de l'objet de mesure restent au même endroit – même si l'angle de vue change.
• Evitez les mesures à proximité d'objets très chauds ou très froids ou isolez-les.
• Evitez les rayons directs du soleil, même quelques heures avant la mesure. Observez également la couverture nuageuse quelques heures avant la mesure.
• Ne procédez pas aux mesures si l'humidité de l'air se condense sur la caméra thermique.
• Ne procédez pas aux mesures lorsque l'air est fortement pollué (p.ex. lorsque de la poussière vient d'être soulevée).

Bases théoriques de la thermographie

Apprenez plus sur les bases physiques de la thermographie dans notre tutoriel compact. Ces connaissances vous donneront une longueur d'avance, p.ex. pour régler correctement l'émissivité pour chaque surface.

Chaque objet dont la température dépasse le zéro absolu (0 Kelvin = -273,15 °C) émet un rayonnement infrarouge (rayons IR). L'œil humain ne peut cependant pas le voir car il est quasiment aveugle à cette plage de longueurs d'ondes. Ce n'est pas le cas d'une caméra thermique. Son cœur, le détecteur infrarouge est sensible aux rayons IR. En fonction de l'intensité des rayons IR, il détermine la température à la surface de l'objet et rend celle-ci visible pour l'œil humain grâce à une image thermique. Ce processus est appelé thermographie.

Pour rendre les rayons IR visibles, le détecteur les enregistre, les convertit en signaux électriques, puis affecte une couleur définie à chaque signal et l'affiche à l'écran de la caméra thermique. Au fond, les caméras thermiques traduisent les longueurs d'ondes du spectre infrarouge en longueurs d'ondes perceptibles pour l'œil humain (couleurs).

Contrairement à un malentendu relativement répandu, les caméras thermiques ne permettent pas de voir à l'intérieur des objets, mais bien uniquement d'identifier leur température superficielle.

Emissivité, réflexivité, transmissivité

Il est utile de connaître ces termes afin de pouvoir utiliser une caméra thermique comme outil efficace.

Le rayonnement enregistré par une caméra thermique se compose de l'émission, de la transmission et de la réflexion du rayonnement infrarouge émis par les objets se trouvant dans le champ visuel de la caméra thermique.

Transmissivité (t)

La transmission décrit la capacité d'un matériau à laisser passer (transmettre) les rayons IR. Un film plastique fin, par exemple, présente une transmissivité très élevée. Si l'on souhaite donc mesurer la température d'un film de plastique fin accroché devant un mur avec une caméra thermique, on ne mesure pas la température du film, mais bien celle du mur. La plupart des matériaux ne laissent pas passer les rayons IR de sorte que la transmissivité d'un matériau est généralement de presque 0 et peut donc être négligé.

Emissivité (ε)

L'émission est la capacité d'un matériau à émettre des rayons IR. Cette capacité est indiquée par l'émissivité. Celle-ci dépend, entre autres, du matériau lui-même et des propriétés de sa surface. Le soleil, par exemple, présente une émissivité de 100 %. Cette valeur ne se retrouve cependant jamais au quotidien. Le béton présente malgré tout une émissivité de 93 %. Cela signifie que 93% du rayonnement IR est émis par le béton lui-même.

Réflexivité (ρ)

Les 7 % qui manquent sont des réflexions venant de l'environnement du matériau / de l'objet mesuré, c'est-à-dire de la température reflétée sur l'objet. Tant l'émissivité que la température réfléchie peuvent être réglées dans les caméras thermiques de manière à obtenir une image thermique la plus précise possible.

Le rapport entre l'émission et la réflexion

• Les objets de mesure présentant une émissivité élevée (ε ≥ 0,8) :

présentent une faible réflectivité (ρ) : ρ = 1 - ε

permettent des mesures très fiables de leur température au moyen d'une caméra thermique

• Les objets de mesure présentant une émissivité moyenne (0,6 < ε < 0,8) :

présentent une réflectivité moyenne (ρ): ρ = 1 - ε

permettent des mesures fiables de leur température au moyen d'une caméra thermique

• Les objets de mesure présentant une émissivité faible (ε ≤ 0,6) :

présentent une réflectivité élevée (ρ): ρ = 1 - ε

permettent des mesures de température au moyen d'une caméra thermique, mais leurs résultats doivent être analysés de manière critique

requièrent impérativement un réglage correct de la compensation de la température réfléchie car celle-ci contribue dans une large mesure au calcul de la température

Réglage de l'émissivité

Chaque matériau a une émissivité différente. Pour obtenir des images thermiques optimales, il faut régler l'émissivité sur la caméra.

Un réglage correct de l'émissivité est tout particulièrement important lorsque les différences de température entre l'objet mesuré et l'environnement de mesure sont grandes.

• Si l'objet à mesurer présente une température supérieure à la température ambiante : 

une émissivité réglée sur une valeur trop élevée entraînera l’affichage de températures trop basses dans l'image thermique.

une émissivité réglée sur une valeur trop faible entraînera l’affichage de températures trop élevées dans l'image thermique.

• Si l'objet à mesurer présente une température inférieure à la température ambiante :

une émissivité réglée sur une valeur trop élevée entraînera l’affichage de températures trop élevées dans l'image thermique.

une émissivité réglée sur une valeur trop faible entraînera l’affichage de températures trop basses dans l'image thermique.

Conseils concernant l'émissivité

• Plus la différence entre la température de l'objet de mesure et la température ambiante est élevée et plus l'émissivité est faible, plus les erreurs de mesure seront importantes. Ces erreurs s'amplifient lorsque l'émissivité est mal réglée.
• De nombreux matériaux transparents pour l'œil humain, tels que le verre, ne sont pas perméables aux rayons infrarouges de grande longueur d'onde.
• Parmi les matériaux présentant une transmissivité faible, on compte, p.ex., les films plastiques fins et le germanium, le matériau dans lequel sont fabriqués les lentilles et verres de protection des caméras thermiques de Testo.
• Si nécessaire, retirez les éventuels capots de l'objet de mesure ; en effet, dans le cas contraire, la caméra thermique mesurera uniquement la température à la surface du capot.
• Respectez toujours les prescriptions d'utilisation de l'objet de mesure.
• Lorsque des éléments se trouvant sous la surface influencent, par conduction, la répartition des températures à la surface de l'objet de mesure, il est souvent possible d'identifier les structures internes de l'objet de mesure sur l'image thermique. Cependant, la caméra thermique ne mesure que la température en surface. Il n'est donc pas possible de tirer des conclusions précises sur les valeurs de température des éléments se trouvant à l'intérieur de l'objet de mesure.

Champ visuel et spot de mesure

Des informations fondamentales pour pouvoir évaluer les propriétés techniques d'une caméra thermique.

Le champ visuel (FOV)

Le champ visuel (également appelé « Field of View » ou « FOV ») décrit la surface visible avec une caméra thermique. Celui-ci dépend de l'objectif utilisé. Un objectif grand angle offre un grand champ visuel, un téléobjectif offre une bonne résolution spatiale. Plus le champ visuel est grand, plus la surface que vous voyez est grande. Un champ visuel large (> 30°) est surtout intéressant lorsque vous utilisez votre caméra thermique à l'intérieur ; en effet, les murs ne vous permettent souvent pas de vous éloigner suffisamment de l'objet de mesure pour en voir plus.

Le plus petit objet mesurable / Le spot de mesure (IFOVmeas)

Le plus petit objet mesurable décrit le plus petit objet qui n'est pas seulement détecté, mais dont la température peut être mesurée de manière sûre. Lorsque la résolution spatiale de l'objectif est de 3,5 mrad et la distance de mesure est de 1 m, le plus petit objet détectable possède des côtés de 3,5 mm et s'affiche sous la forme d'un pixel à l'écran. Pour obtenir des mesures précises, l'objet à mesurer doit être 2 à 3 fois plus grand que le plus petit objet détectable. La règle suivante s'applique donc pour le plus petit objet mesurable (IFOVmeas) : IFOVmeas ≈ 3 x IFOVgeo

Le plus petit objet détectable (IFOVgeo)

Le plus petit objet détectable est la plus petite dimension pouvant être identifiée par un pixel. Un pixel est un élément sur le détecteur de la caméra thermique qui enregistre les rayons IR et les convertit en signaux électriques. Chaque pixel correspond à une valeur de mesure.

Les émissivités des matériaux les plus courants

Le tableau suivant sert de référence pour le réglage de l'émissivité en thermographie. Il indique l'émissivité ε pour certains matériaux courants. L'émissivité variant en fonction de la température et des propriétés des surfaces, les valeurs reprises ici ne peuvent être considérées que comme des valeurs de référence. Pour mesurer la valeur absolue de la température, l'émissivité du matériau doit être déterminée avec précision.

Matériau et température du matériau          Emissivité

Aluminium, laminé (170 °C) 0,04

Aluminium, non oxydé (25 °C) 0,02

Aluminium, non oxydé (100 °C) 0,03

Aluminium, fortement oxydé (93 °C) 0,2

Aluminium, extrêmement poli (100 °C) 0,09

Coton (20 °C) 0,77

Béton (25 °C) 0,93

Plomb (40 °C) 0,43

Plomb, oxydé (40 °C) 0,43

Plomb, oxydé gris (40 °C) 0,28

Chrome (40 °C) 0,08

Chrome, poli (150 °C) 0,06

Glace, lisse (0 °C) 0,97

Fer, poli à l'émeri (20 °C) 0,24

Fer avec croûte de coulée (100 °C) 0,8

Fer avec croûte de laminage (20 °C) 0,77

Verre (90 °C) 0,9

Plâtre (20 °C) 0,94

Granit (20 °C) 0,45

Caoutchouc, dur (23 °C) 0,94

Caoutchouc, souple, gris (23 °C) 0,89

Fonte de fer, oxydée (200 °C) 0,64

Bois (70 °C) 0,94

Liège (20 °C) 0,7

Déperditeur de chaleur, noir galvanisé (50 °C) 0,98

Cuivre légèrement terni (20 °C) 0,04

Cuivre, oxydé (130 °C) 0,76

Cuivre, poli (40 °C) 0,03

Cuivre, laminé (40 °C) 0,64

Plastiques : PE, PP, PVC (20 °C) 0,94

Vernis, bleu, sur film d'aluminium (40 °C) 0,78

Vernis, noir, mat (80 °C) 0,97

Vernis, jaune, 2 couches, sur film d'aluminium (40 °C) 0,79

Vernis, blanc (90 °C) 0,95

Marbre, blanc (40 °C) 0,95

Maçonnerie (40 °C) 0,93

Laiton, oxydé (200 °C) 0,61

Peintures à l'huile (toutes les couleurs) (90°C) 0,92-0,96

Papier (20 °C) 0,97

Porcelaine (20 °C) 0,92

Grès (40 °C) 0,67

Acier, surface traitée à chaud (200 °C) 0,52

Acier, oxydé (200 °C) 0,79

Acier, laminé à froid (93 °C) 0,75-0,85

Argile, cuite (70 °C) 0,91

Vernis de transformateur (70 °C) 0,94

Brique, mortier, crépi (20 °C) 0,93

Zinc, oxydé 0,1