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Sensibilisation à la thermographie – D. PAJANI – © 2000-2006 Institut de la The

Sensibilisation à la thermographie – D. PAJANI – © 2000-2006 Institut de la Thermographie page 1 SENSIBILISATION A LA THERMOGRAPHIE APPLIQUEE A LA MAINTENANCE Dominique PAJANI Institut de la Thermographie 1 rue des Vergers 91370 VERRIERES LE BUISSON (PARIS) (33) 01 64 47 18 69 dominique.pajani@institut-thermographie.com www.institut-thermographie.com dernière révision : 10 juin 2006 RESUME Cet article élémentaire est une sensibilisation à la thermographie appliquée à la maintenance. On y développe des notions de base sur la thermographie, sans entrer dans les détails ou les extensions qui sont du ressort du thermographe, ni dans les distinctions de fond entre maintenance et prévention ou entre simple imagerie thermique et thermographie de mesure. L'article présente les compétences du thermographe et son rôle dans l'action de maintenance. Suit un panorama rapide des applications de la thermographie en maintenance. 1- LA THERMOGRAPHIE ET LE THERMOGRAPHE 1.1 - Le rayonnement 1.1.1 LA MATIERE EMET DU RAYONNEMENT Vous êtes rayonnants ! Tout comme vos tables et vos chaises, les murs et les fenêtres. Toute matière rayonne de l'énergie. Vous en avez l'expérience par le phénomène d'absorption de cette énergie quand vous vous chauffez les mains en les approchant d'un feu de bois ou d'un radiateur, objets plus chauds que vos mains. Si vous sortez par temps glacial, vous vous habillez "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 vous, alors, qui chauffez votre environnement par le rayonnement que vous émettez. S'il neige, il vaut mieux porter des gants pour les batailles de boules de neige afin de ne pas vous 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". Sensibilisation à la thermographie – D. PAJANI – © 2000-2006 Institut de la Thermographie page 2 1.1.2. LA MATIERE A UNE TEMPERATURE 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. FIGURE 1 Le spectre des rayonnements électromagnétiques. Température et puissance de rayonnement sont liées. Pour la matière "idéalisée", il y a une relation directe et connue (depuis 1900 - c'est la loi de Planck) entre la température et la puissance du rayonnement émis. FIGURE 2 Les courbes de Planck. Sensibilisation à la thermographie – D. PAJANI – © 2000-2006 Institut de la Thermographie page 3 1.1.3. LA MESURE DU RAYONNEMENT ET DE LA TEMPERATURE ... Et ainsi, c'est par la mesure du rayonnement émis par la matière que l'on connaît la température de cette matière. On mesure une faible partie de ce rayonnement, au moyen d'un appareil de mesure, le radiomètre. Après étalonnage de ce radiomètre, celui-ci indiquera directement une température : ce sera alors un thermomètre par rayonnement, un radio-thermomètre. Ceci, si ce radiomètre observe cette matière "idéalisée", ce qui n'est pas le cas habituel ; mais la matière réelle peut s'en approcher. Et dans la panoplie du savoir-faire du "mesureur", il y a précisément la connaissance de la matière observée, la connaissance du "combien la matière n'est pas idéale". En effet, le radiomètre ne sait pas quelle matière il observe : c'est bien le savoir du mesureur, lequel met en oeuvre le radiomètre dans le cadre particulier de chacune des applications. 1.1.4. ... 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, comme nous l'avons vu sur les courbes de Planck. 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. 1.1.5. L'INFRAROUGE, C'EST LE FROID ! 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. 1.1.6. LA CAMERA 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. 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, et nous corrigeons ainsi l'affirmation donnée plus haut, la matière "idéalisée" émet à toutes les fréquences, à toutes les longueurs d'onde (voir les courbes de Planck). 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 / radiomètre ne pourrait le mettre en évidence : il faudrait diminuer le seuil de réception du radiomètre à un niveau si bas, que la technologie ne le permet pas. Sensibilisation à la thermographie – D. PAJANI – © 2000-2006 Institut de la Thermographie page 4 Le meilleur moyen d'observer le rayonnement émis par notre corps est donc de décaler le spectre de fonctionnement du récepteur (donc les longueurs uploads/Sante/ sensibilisation.pdf