Principes physiques de la thermométrie infrarouge

Les travaux effectués à la fin du 19e siècle et au début du 20e par les physiciens ont caractérisé et mis en équation la relation qu’il existe entre l’énergie rayonnée par un corps noir et sa température.

Ainsi Max Planck a pu établir que l’émittance monochromatique du corps noir (M^o_λ,T) c’est-à-dire la puissance émise,
dans toutes les directions d’émission, par m2 de surface qui émet, et par unité de longueur au voisinage de la longueur d’onde λ vaut :

M^o_λ,T = C₁λ^-5 / ( exp(C2/ λT) - 1 )

• M^o _λ,T s’exprime en W.m-3
• C1 et C2 constantes
  • C1 = 3,74.10-16 W.m2
  • C2 = 1,44.10-2 m.K
• λ : longueur d’onde (m)
• T : température absolue (K).

Et Wilhem Wien a pu montrer par l’étude des courbes d’émittance que la quasi-totalité ( 96% ) de la puissance transportée dans le rayonnement thermique (luminance) est comprise dans l’intervalle : (0,5 μm ; 5 μm).

Enfin les travaux de Joseph Stefan et Ludwig Boltzmann ont abouti à l’élaboration de la loi reliant de manière simple température et rayonnement pour un corps non noir dite loi de Stephan- Boltzmann :

W= εσT4

• W : puissance émise pour toutes les longueurs d’ondes λ et toutes les directions, par m2 de surface de source (en W/m2)
• T : température absolue (K)
•  σ : constante de Stephan (5,67.10^-8 W.m^-2.K^-4)
• ε : émissivité ou facteur d’émission (1,00 pour un corps noir).

L’émissivité des substances dépend de leur nature physico-chimique et de leur état de surface. Elle varie avec la longueur d’onde et la direction d’émission.

L’évaluation des propriétés émissives des substances réelles se fait à partir de celles du corps noir placé dans les mêmes conditions de température.

On distingue 2 grandes classes de comportement radiatifs, celle des conducteurs électriques et celle des isolants. Pour la première, l’émissivité est faible sauf dans les directions rasantes à la surface où elle est plus importante. Pour la deuxième, l’émissivité est forte. Elle suit relativement bien la loi de Lambert sauf pour les directions rasantes à la surface où elle diminue notablement. Dans la pratique sa valeur varie de 0,1 à 1 (corps noir).

Fonctionnement du thermomètre à infrarouge

La loi de Stephan-Boltzmann a doncpermis d’élaborer des thermomètres à partir de la mesure de l’énergie rayonnée par un corps dans le domaine des ondes infrarouges.
Le thermomètre est composé d’un système optique chargé de focaliser l’énergie radiative infrarouge sur un détecteur qui
la convertit en signal électrique. Après intégration, la valeur de la température est calculée en tenant compte notamment du coefficient d’émissivité.

Applications

Les thermomètres infrarouges permettent de mesurer la température sans contact d’une surface, de pièces en mouvement, de zones inaccessibles au toucher, sous tension électrique, en ambiances corrosives, soumis à des champs électromagnétiques  intenses, dans des réacteurs sous vide, des fours, etc. ainsi que dans toutes les applications exigeant des temps de réponses très courts.

Avantages…

• Une mesure sans contact
• Un temps de réponse quasi instantané
• Une large gamme de mesure
• Convient particulièrement pour les mauvais conducteurs de chaleurs (caoutchoucs, céramiques…).

… et limites

• La température mesurée correspond à la surface de l’objet pas forcément à celle « à coeur » notamment si l’équilibre thermique n’est pas atteint.
• La mesure sur un métal nu est impossible.
• La précision des appareils est en général inférieure à celles d’autres types de thermomètres tels que ceux à thermocouple ou à thermistance.
• La précision de la mesure est dépendante de nombreux facteurs :
  • l’état de surface,
  • la présence de vapeurs, de poussières ou de particules entre l’appareil et sa cible,
  • l’angle et de la précision du pointage,
  • la propreté de la lentille de l’appareil,
  • la présence de rayonnements incidents,
  • le bon réglage du coefficient d’émissivité pour la surface mesurée.

Précautions de mise en oeuvre de mesures infrarouges

• Le trajet optique entre le thermomètre et le point de mesure doit rester dégagé, sans perturbations et perpendiculaire à la surface de mesure.
• La distance au point de mesure doit être la plus courte possible car l’appareil exprime la température moyenne de la surface déterminée par son cône de mesure. Or celle-ci augmente avec la distance qui le sépare de sa cible.
• Si la surface à mesurer est très réfléchissante, la recouvrir d’adhésif ou de peinture noire mate.
• Si la surface à mesurer est recouverte de givre, la nettoyer avant de mesurer.
• Si les mesures affichées semblent incohérentes, vérifier que le cône du capteur n’est pas obstrué ou qu’il n’y a pas de condensation sur la lentille.

Les thermomètres à infrarouge permettent donc de réaliser de manière simple et rapide des mesures dans des situations interdites aux autres appareils.