ABC de la thermographie infrarouge

De La Librairie Thermographique
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Sommaire

ABC de la thermographie infrarouge

Cet article est destiné à faire un bref résumé de l'histoire et de la théorie thermographique ainsi que de son vocabulaire. Notez également que la thermographie mesurant des rayonnements en dehors de la lumière visible, elle est donc d'office en échelle de gris puisque ces nuances ne reflètent que la traduction d'une puissance de rayonnement et tout le reste est donc en couleurs artificielles, pour aider à l'analyse.

Le mot thermographie vient du grec θερμός (thermos) signifiant « chaud » et γράφειν (graphein) signifiant "peindre, dessiner, écrire" soit donc l'écriture de la chaleur, toute comme photographie est l'écriture de la lumière.

Cette technologie est issue de la découverte de la thermographie par W. Herschell grâce à son analyse comparative des chaleurs transmises selon les couleurs du spectre lumineux aboutissant à la notion de l'existence d'une couleur invisible en-dessous du rouge (infra-rouge). Partie de la science pure, elle est passée par les militaires avant de revenir au civil par les analyses techniques.

La thermographie partage beaucoup avec la philosophie ITIL dont son fondement: on ne fait pas de thermographie pour la thermographie. C'est toujours associé à une logique métier dédiée voire une démarche artistique de représentation dans les cas les plus extrême. On n'est pas seulement thermographe, on est toujours thermographe en quelque chose.

Définitions

La mesure thermographique permet la mise en évidence des points chauds qui sont soit à l’origine soit révélateurs de dysfonctionnements. Malgré les évolutions des caméras thermiques modernes le paramétrage, l’exploitation et l’interprétation des thermogrammes relèvent toujours de la compétence des opérateurs thermographistes. Il est donc donc indispensable de former les futurs techniciens à cette technique moderne et performante.[1]

Le premier paradoxe de la thermographie qui en contient beaucoup est que sa définition ne fait pas vraiment consensus et que malgré son origine, démarche et raisonnement, il s'agit d'une technique ou d'une discipline scientifique mais pas d'une science ne fut-ce qu'à cause de l'importance de l'environnement et des qualités du thermographe qui opère l'analyse ainsi que de celui qui va exploiter, analyser et traiter les données des relevés.

Voici cependant quelques unes des définitions officielles:


Infrarouge:Le nom signifie « en dessous du rouge » (du latin infra : « plus bas »), car l'infrarouge est une onde électromagnétique de fréquence inférieure à celle de la lumière visible: le rouge. La longueur d'onde des infrarouges est comprise entre le domaine visible(≈ 0,7 μm) et le domaine des micro-ondes(≈ 1 mm).. Dans la pratique, en thermographie on observe majoritairement de 8 à 13 μm mais aussi entre 2 et 5 μm . Voir aussi: Définitions de la thermographie

Une confusion possible des termes

Il existe malheureusement un homonyme pour une technique d'impression en relief par la projection de poudre thermographique sur du papier où l'encre est encore humide humide et qui est ensuite cuit au four permettant un gonflement plus ou moins important selon le type de poudre et donc une mise en relief d'une partie de document. Il s'agit donc ici d'un cas étymologiquement juste mais entraînant une confusion malheureuse (impression par la chaleur au lieu d'écriture ou de représentation de la chaleur).[2]

Les différents appareils utilisés

  • thermomètres à sonde: appareil de mesure de la température par placement d'une sonde de contact, sert essentiellement à faire des vérifications locales ou vérifier l'étalonnage
  • thermomètres infrarouges sans contact: appareil de mesure de la température moyenne d'une surface définie, ou, strictement, d'un "état thermique"
  • caméra thermique : appareil de mesure de la thermographie fournissant une image thermique sous forme graphique, matricielle ou imagée voire même en utilisant les anciens films infrarouges
  • Imageur thermique: appareil de l'imagerie thermique, fournit des images sans mesures radiométriques voir catégorie:thermographique
  • caméras infrarouges large spectre: généralement des capteurs infrarouges quantiques, à usage scientifique, médical ou militaire (3 µm à plus de 30 µm). Attention, ils prennent le pic d'opacité de la vapeur d'eau dans leur spectre d'analyse.
  • radiomètre : appareil de mesure des flux de rayonnement (flux directionnel et partiel) comme le pyranomètre
  • système de thermographie: Ensemble d'appareils ou de fonctionnalités destiné à la mesure thermographique, depuis le capteur jusqu'à la présentation des températures. Ce cas va concerner la majorité des caméras thermographiques modernes mais exigera des appareils aptes à fournir des données radiométriques et éditables (thermogrammes) et ceci même si l'appareil produit des vidéos.

Ces nuances seront importantes pour les personnes désirant acquérir du matériel car l'on vend parfois sous le vocable thermique ou thermographique de simples thermomètres infrarouges par exemple, sans préciser les limites de ce matériel.

Voir aussi: Caméra thermique infrarouge

Une technique humaine et sans équivalent naturel (ou presque)

Il n'existe aucun animal doté d'une vue thermographique sauf éventuellement le moustique, la nyctalopie qui, elle, existe dans la Nature, est simplement une hypersensibilité à la lumière mais pas une vision de chaleur, elle se contente d'accentuer, grâce à un fond d'oeil miroir en membrane, les photons, en sacrifiant la perception de la couleur par déficit de cônes au profit des bâtonnets. Boas, pythons, certaines vipères et chauve-souris disposent d'une perception de rayonnements calorifiques grâce à des cavités. Mais ce sont uniquement des perceptions directionnelles limitées et pas une vision.

Par contre, en ce qui concerne la vision nocturne, l'homme a partiellement copié la Nature tout en déplaçant en plus cette vision vers l'infrarouge proche et en y rajoutant les lampes infrarouges pour illuminer les scènes visualisées par vision nocturne assistée. Il n'y a qu'éventuellement le moustique qui disposerait d'une vraie vision thermique.

Voir aussi: De la vision nocturne à la thermographie: nuances

Démonstration de la différence entre vision nocturne et vision thermique

Mise en garde

Glaçon à température positive?

Les appareils de thermographies sont des outils fantastiques et fournissant des valeurs précises, le tout dans des images aux coloris parfois incroyables qui chatoient et saturent les yeux. C'est d'ailleurs le premier grand risque de la thermographie, de créer un grand show hypnotique devant autrui voire même de s'hypnotiser soi-même en se perdant dans les images. Cependant, il faut se garder de la pensée illusoire, autrement dit de faire des raccourcis ou d'oublier les limites d'un matériel qui est déjà extraordinaire qui a ses limites, ses règles d'utilisations et surtout des règles de correction de mesure.

En effet, ces appareils ne donnent que les températures de surface apparentes des objets visés, jamais les températures réelles qui devront être recalculée à posteriori si le besoin s'en fait sentir. Ce ne sont pas des températures vraies d'une part mais elles varient également selon l'angle, la salissure, la nature de surface, ...

Ce sont également des mesures de rayonnement, donc de chaleur et non pas des températures, la thermacam va donner en réalité une chaleur que l'opérateur va convertir en température suite à une série de réglage et de facteurs de correction/compensation. Ainsi deux objects qui peuvent donner une mesure différente à l'écran, une fois chacun corrigé peuvent-ils avoir strictement la même température.

thermographie porcelaine versus métaux

Probablement qu'avec le temps, l'on fournira sur les caméras des échelles de mesure de puissance (en W/m² par exemple), afin de bannir les températures de l'analyse visuelle mais il est également vrai que bien souvent la température calculée (température vraie) ne différera que très peu de la température apparente (comme pour la peau humaine vue de face sur les surfaces très planes) mais une surprise est toujours possible et il est également possible de se tromper d'une centaine de °C dans son analyse quand l'on ne comprend pas ce que l'on observe.

C'est la deuxième leçon de la thermographie: elle demande un second métier, thermographe se satisfait rarement de ce seul qualificatif, la majorité du temps, une capacité métier dédiée aux objets observés est nécessaire et vitale quand de la précision est exigée car il faut comprendre le fonctionnement et la nature de ce que l'on observe pour pouvoir l'interpréter.

Bien entendu, on peut se limiter au thermal art mais sinon, même dans le cadre des simples comparaisons, les pièges sont nombreux.

Les caméras thermiques ne sont pas des engins d'illusionniste ni des baguettes de sourcier mais demandent par contre des personnes ayant solidement les pieds sur terre que pour ne pas s'illusionner devant les résultats et pour éviter les raccourcis tragiques.

L'exemple des pièces de monnaies est illustratif, les deux pièces ont la même température réelle mais pas le même degré d'oxydation. Le fond est à près de 120°C (en dehors de la plage de mesure), un thermocouple placé sur les pièces montre une température réelle aux alentours de 89°C alors que la pièce la plus propre donne une mesure de l'ordre de 30°C. Ironiquement, la plus pièce la plus sale et la plus oxydée se rapproche le plus de la température vraie mais il est malheureusement impossible de définir un degré de dégradation et chacun de ses points rayonne différemment. Pourtant, ces deux pièces ont une nature chimique et physique presque identique hormis leur condition de surface. L'observation du rayonnement montre donc ici une situation généralement à éviter d'analyser en thermographie car les biais ne sont plus mesurables. Par contre si vous désiriez trier rapidement des pièces métalliques selon leur degré d'oxydation et/ou de propreté, c'est alors une technique fiable, rapide et objective. Idem si il vous faut faire des inspections de structures ou de surfaces métalliques en fonction de leur corrosion qui même invisible à l’œil nu ressortira à la caméra.Tel est le paradoxe de la thermographie, un problème peut générer des solutions, ailleurs ...

Dans l'exemple du glaçon, c'est le rappel que la thermographie n'est généralement qu'une mesure de surface, ici, le glaçon a commencé à fondre, sa partie solide est en température négative mais il est enrobé d'une pellicule d'eau de fonte, à température positive. Nous ne voyons donc que la température de l'eau de fonte qui ruisselle sur le glaçon et pas la température globale du glaçon, ni de sa surface. Si cette mesure était correcte (même avec correction de l'émissivité), nous aurions de l'eau solide à atmosphère courante terrestre et à température positive ce qui est bien entendu impossible.

Avantages des techniques thermographiques par caméras de thermographie

  • Mesures non destructives
  • Mesures à distance (ce qui est vital dans certains cas pour l'opérateur ou parfois aussi la seule manière accessible comme en cosmologie)
  • Production de données chiffrées qui peuvent être utilisées tant en quantitatif (mesures vraies après correction) que qualitatif (comparaison)
  • Vision globale non intrusive
  • Illustrative car permettant la production de documents compréhensibles visuellement surtout sur les situations d'ensemble (mais demandant une éthique de présentation et de rigueur pour ne pas introduire de biais)
  • Mesures instantanées (images) ou dynamiques (vidéos) permettant un post-traitement
  • Utilisables tant pour la détection, le diagnostic que la maintenance préventive
  • Multiples applications métiers (militaire, sécurité, kinésithérapie, médecine, bâtiment, ...)

Thèmes principaux de la thermographie

  • Transferts thermiques (essentiellement la vision des émissions radiatives et sources des émissions)
  • Techniques de traitement, diagnostic, interprétation et d'analyse
  • Utilisation, manutention, calibrage et entretien des caméras de thermographie
  • Mise en forme des rapports et analyses
  • Applications pratiques de la discipline scientifique
  • Maîtrise des matériaux visualisés

Un peu d'histoire

William Herschel (15 November 1738 – 25 August 1822)

Les infrarouges ont été découverts vers 1800 par William Herschel, un astronome anglais d'origine allemande qui regardait la chaleur apportée par la lumière et eut la curiosité de regarder si si chaque couleur apportait la même chaleur. À l'aide d'un prisme optique, il décomposa la lumière du soleil et l'appliqua sur un thermomètre. C'est là qu'outre la constatation que la couleur rouge était la couleur la plus chaude, il découvrit qu'à côté de celle-ci, de manière invisible, il existait une zone plus chaude que toutes les autres. Ne pouvant la percevoir, il décida de la nommer infrarouge. Ce fut aussi la première expérience démontrant que la chaleur pouvait se transmettre sans rayonnement visible.[3]

Évolutions techniques

Les mesures ont été faites à l'origine par simple thermomètre de contact puis diffraction et très vite par sonde diélectrique à l'époque de Leslie.

Très longtemps, on a aussi utilisé les pellicules infrarouges mais dont les limites étaient de ne prendre des images qu'entre 250 et 500°C là où la thermographie moderne mesure de -50°C à plus de 2000°C.[4]

La dernière grande révolution étant que les bolomètres (senseurs IR) ne doivent plus être refroidis par cryogénie ce qui a permis des gains extrêmes qui se continuent désormais essentiellement par une miniaturisation des capteurs et l'augmentation de leur densité de points de mesure.


Et demain?

Bien évidemment les capteurs thermiques vont s'affiner, déjà les premiers capteurs 1024*768 deviennent courant mais l'on va assez rapidement plafonner sauf que les besoins en résolution de la thermographie sont élevés car il est théoriquement impossible de calibrer un zoom optique saud tarifs très élevé en se basant sur un calibration 'pas à pas' basé sur des écart-types mais cette technologie d'origine scientifique se satisfait mal de ce flou sur la marge d'erreur raison pour laquelle il n'existe quasiment aucune caméra thermique doté d'un zoom optique faute de possibilité raisonnable de calibration. La 3D commence aussi à intégrer la thermographie et des reconnaissance de matériaux deviennent possible ainsi que des corrections selon l'angle, la distance, les paramètres d'environnement, ...

La miniaturisation associée à des drones de plus en plus autonomes permettra probablement de faire des analyse 3D directes avec données radiométriques (aujourd'hui, si vous passez en 3D, votre image thermique perd ses matrices de température, ...)

Il est probable également que les prochaines caméras seront avec variateur de longueur d'onde afin de non seulement adapter la caméra à la meilleure longueur d'onde mais également de produire des observations sur de multiples plages ce qui affine bien entendu l'observation et permet aussi de faire varier la profondeur d'observation car beaucoup de matériaux sont perméables sur une certain plage d'observation, permettant parfois de passer à travers une couche superficelle.

...

Exemple d'évolution entre une caméra standard de 320x240 pixels, une caméra standard 320x240 optimisée par un programme de retraitement et la haute résolution:

Thermographie infrarouge d'une porte d'entrée de maison Imagerie thermique infrarouge de l'intérieur d'une porte d'entrée Thermographie de la même porte en haute résolution


Voir aussi : Images thermiques et thermogrammes

Le vocabulaire du thermographe

Quelques termes qui reviennent souvent dans le monde de l'analyse thermique: [5]

Scène thermique

Il s'agit simplement du cadrage de votre observation donc du choix des éléments qui apparaîtront dans votre relevé de thermographie, comme en photo classique sauf que la nature des reflets est différentes ainsi que les réglages de contraste. C'est ici plus techniques qu'artistique mais la lisibilité est primordiale ainsi que d'éviter les pollutions inutiles. La composition de la scène désigne les éléments qui la compose.

Gain ou plage thermique

Gain, il s'agit des bornes de températures observées, le minimum et le maximum. Généralement, cette mesure est automatique mais débrayable en manuel, cette mesure est essentielle lors de l'analyse sur place et vitale si vous ne savez pas prendre des thermogrammes éditables mais des images thermiques figées car elles ne pourront alors plus être modifiées par après.

Niveau

Ce concept est celui de la température moyenne de votre gain, le niveau, c'est simplement le milieu de votre échelle thermique.

Isotherme

Dans ce cadre-ci, l'isotherme est la mise en évidence, dans l'image et par un contraste d'une plage de température bien définie pour l'isoler du reste de la scène, c'est en quelque sorte un gain secondaire dans le gain principal.

Thermogramme versus image thermique

Sans pour autant que cette notion fasse consensus, nous entendrons dans ce site qu'un thermogramme est une image thermographique contenant sa matrice de température voire d'autres données radiométriques permettant son retraitement ultérieur tandis qu'une image thermique est simplement une vision statique d'une scène thermique.

Voir aussi: Thermogramme vs image thermique

Flou/netteté

C'est une optique classique sur un capteur sensible à une certaine longueur d'onde des infrarouges donc la netteté de l'image est semblable à l'optique classique mais va aussi jouer sur la précision de la mesure, une image floue est plus imprécise.

Émissivité

Cube de Leslie

Après Herschell, c'est un écossais, John Leslie, qui va mettre en évidence que chaque matériau émet la chaleur selon sa nature propre: géméotrie, surface, propreté mais également un facteur pshysico-chimique: l'émissivité:L'émissivité d'un matériau est un nombre sans dimension donc sans unité de mesure. C'est la capacité d'un matériau à émettre de l'énergie par rayonnement: rapport entre l'énergie rayonnée par un matériau et l'énergie rayonnée par un corps noir à une même température. Un corps noir est l'idéal théorique avec une émissivité de 1 (ε = 1) alors que n'importe quelle matériau réel à une émissivité inférieure à 1 (ε < 1)..

L'invention majeure de Leslie, dans ce domaine, est un cube de métal portant son nom, rempli d'eau chaude mais dont la nature de 4 de ses faces est différente et permet donc l'observation mais aussi la mesure de l'émissivité de chaque matériau.

Température apparente

La thermographie est une mesure de chaleur mais notre technologie ne fournit encore que la température apparente, non corrigée sur l'émissivité de l'objet ce qui signifie que toutes les valeurs observées sont faussées, généralement seulement légèrement mais parfois la nature de certains objets impose leur analyse recouverts, peints ou leur écartement de l'analyse (cuivre, corrosion, inox, ...)

Voir aussi : Émissivité et thermographie: la zone interdite

Bruit

Le bruit est en réalité le même que dans les notions de photographie digitale: l'image manque de piqué et est parsemée de grains colorés[6] il est surtout influencé par les température de l'environnement qui ont tendance à "gommer" l'émission de votre scène voire à se superposer dessus.

Le bruit est la partie du signal transmis de laquelle on ne peut pas tirer d'information selon l'usage informatique car ce sont des informations incohérentes et aléatoires selon l'angle d'observation puisque la somme de toutes les sources thermiques, positives ou négatives situées derrière l'observateur et qui se reflète sur la scène observée.

Si le niveau du signal est suffisant, la proportion de bruit dans le signal utile (le fameux rapport signal/bruit) reste insignifiante. Par contre, si le niveau de bruit prend le pied sur l'information principale, le bruit sera présent, ce bruit est la température d'environnement, la somme des rayonnements de celui-ci (et pas la T° ambiante).

Grain

Cette notion est également proche de celle de l'optique, ce grain, en réalité, c'est la sensibilité de votre caméra thermique, le plus petit écart thermique discernable mais qui est lié également à la palette d'observation. Prenons l'exemple d'une caméra de sensiblité 0.1°C qui va bloquer le plus petit gain observation (plage de température d'observation) sur 2°C.

Cela signifie donc que la caméra n'aura que 20 variétés de points différenciables dans son image, si la palette graphique ne reprend qu'une seule couleur en dégradée, on aura du mal à lire l'image tandis qu'avec une palette très colorés, des points vont apparaître comme des masses monocolorées à cause de la pauvreté de variété thermique de l'image. Ce grain sera donc variable de l'ampleur du gain observé, de la palette de couleur utilisée, de la sensibilité thermique de la caméra mais, surtout de la richesse en ampleur et variété thermique de la scène observée.

Palette de couleurs

C'est un outil du thermographe permettant une lisibilité et/ou une mise ne évidence plus claire de la situation, les plus utilisées sont fer(lisibilité) et arc-en-ciel(mise en évidence des contrastes). Ceci permet de convertir l'échelle de gris d'origine est des matrices d'analyse colorées. Souvent, quand on dispose de thermogramme, ce facteur est modifiable à posteriori.

Voir aussi: Les palettes de couleur des thermogrammes


Image double

Les images doubles sont simplement la représentation en tandem de la vue en photographie digitale ou en vue humaine avec sa vision en thermographie infrarouge. Ces documents sont encore relativement rares dans le domaine public. Heureusement, ils se multiplient car les caméras actuelles prennent de plus en plus souvent les relevés en binômes digital/thermique.


Fusion (dans l'image)

Exemple de fusion dans l'image en thermographie

Ce terme signifie que l'image thermique sera présentée en fusion dans une image digitale de la scène. En effet, jadis il fallait deux appareils pour ce travail, aujourd'hui la majorité des caméra thermiques prennent les vues en tandem d'une part mais également avec une caméra numérique ayant une focale différente, nettement plus grand angle que la vision thermique et permettent même souvent des fusions automatiques avec des mises en évidence, ...

Voir aussi: Bibliothèque d'images thermique en fusion dans leur cadre digital

Conductibilité

Facilité à transmettre ou à emmagasiner l'énergie thermique d'un matériau.

Loi de Fourier modifiée

La conduction thermique est un transfert thermique spontané d'une région de température élevée vers une région de température plus basse,établie par Jean-Baptiste Biot en 1804 et formalisée par Fourier en 1822[7]. Ce qui signifie que la somme algébrique du travail et de l'énergie étant une valeur physique constante dans un système clos, nous rentrons dans une système obéissant aux lois de la thermodynamique et où donc nous étudierons la répartition de l'énergie, celle-ci ne pouvant être détruite d'une part mais où également les niveaux d'énergie définissent le sens des échanges. Cela nous amène donc à la Loi de Fourier modifiée:Dans des conditions stationnaires, le flux de transfert thermique par conduction est directement proportionnel à la conductivité thermique, à la section de passage, et à la différence de température entre les extrémités d'un parcours donné. Il est inversement proportionnel à la longueur du parcours.

IFOV

Instantaneous Field Of View, c'est en optique l'ampleur de la zone géométrique observée à une certaine distance et qui caractérise la performance de l'optique. En thermographie, cela correspond au nombre de mm couverts par un pixel sur une surface observé à un mètre de la caméra, approximativement mais il peut même être différent en horizontal et en vertical.[8]

MFOV

C'est en réalité 3x3 IFOV, il exprime la taille du plus petit objet observable à 1 mètre de distance (à adapter sur simple règle de 3). Cette mesure est en fait la dimension et la précision de votre analyse car va déterminer la taille d'objet dont la caméra va vous fournir la température moyenne apparente.

Voir aussi: Distance et thermographie

TRF

Thermo Regulation Frequencies est en fait une action de prendre la température de l'environnement pour en extraire le rayonnement parasite moyen en face de la scène (dans le dos de l'observateur) afin de corriger les températures apparentes de la scène.[9]

Corps noirs

C'est la source d'étalonnage des caméras thermiques, il s'agit, pour la thermographie d'appareils de chauffe utilisant l'effet cavité afin d'approcher le plus possible une émissivité de un. Ces corps noirs sont disposé en arc de cercle avec la caméra au centre afin de la présenter à chacun avec le même angle et la même distance (normalement, on prend 7 mesures de température réparties uniformément sur la plage de température de travail de votre thermacam). Un corps noir désigne dans la pratique objet idéal dont le spectre électromagnétique émis ne dépend que de sa température d'où son utilité pour l'étalonnage. L'Homme a créé des corps noirs artificiels grâce à des matériaux à très haute émissivité combinés avec l'effet cavité mais, à priori, le corps noir parfait et/ou naturel n'existerait pas actuellement.

Quantitatif vs qualitatif

Ce sont les deux philosophies principales du relevé thermographique et chacun a sa propre stratégie et ses propres limites, il est d'ailleurs difficile de rectifier ou de compléter les relevés si l'on désire passer de l'un à l'autre. C'est typique un choix ou un non choix qui doit être opérer dès le départ du relevé.

Le quantitatif est extrêmement exigeant sur le plan précision et contrôle des paramètres d'environnement dans la mesure où l'on va s'appuyer sur les valeurs chiffrées fournies par les capteurs, c'est la méthode la plus exigeante et trop souvent uniquement praticable en laboratoire. Certains thermographes estiment d'ailleurs que cette démarche est illusoire car la marge d'erreur est trop importante, elle est donc à éviter si les températures à mesurer sont trop peu différentes du reste de l'environnement et que le contraste est donc faible. On l'appelle aussi la détection d'anomalie et elle permet égaler de quantifier le sérieux d'une situation et planifier la criticité d'une réparation. Il est obligatoire d'effectuer toutes les corrections et compensations de température afin d'obtenir une mesure (émissivité, facteur de surface, température de réflexion, distance, température ambiante, ...).

Le qualitatif peut sembler plus facile voire plus abordable car elle va essentiellement se baser sur les motifs thermiques et des comparaisons de situations similaires. Dans cette démarche-là, il faut déjà disposer d'éléments de comparaison, espérer que les facteurs d'émissivité, propreté, corrosion, condensation, ... ne vont pas brouiller le raisonnement mais l'on peut également créer des situations de comparaison. Cette méthode est plus robuste que la quantitative et moins exigeante sur le précision mais, néanmoins, le risque d'erreur pour cause de comparer des éléments qui ne devraient pas l'être est important. c'est une méthode qui exige plus d'expérience et de connaissance métier de la scène observée ainsi qu'un contrôle de la situation d'utilisation des éléments de la scène thermique. Cette méthode permet de rester en température apparente, l'émissivité est d'ailleurs souvent laissée sur 1 ainsi que les températures et hygrométries ne sont pas corrigées car réputées identiques pour toute la scène.


Et la thermographie illustrative ?

C'est probablement la plus utilisée mais aussi la plus polémique. La thermographie est un outil visuel puissant qui combine la force de l'image avec la caution de la science, une impression de précision absolue et des techniques de présentation dépassant tout ce qui avait été fait jusqu'ici. Cette méthode d'utilisation de la thermographie est efficace, trop parfois et exige une rigueur sans faille dans le chef du thermographe même les plus professionnels peuvent alors succomber à la pensée illusoire à ces occasions.

Mesures statiques, dynamiques et actives

Une mesure statique de chaleur est le fait de thermographier une scène dont les températures ne varient plus ou presque et où les objets sont à l'équilibre entre eux (ce qui ne signifie pas pour autant qu'il y ait absence de transfert thermique).

Une mesure dynamique de chaleur est le fait de thermographier une scène dont les températures des éléments sont en variation constante, peu important qu'il y ait un sens, une logique, source, ... Généralement l'on préfère les thermographies dans ce mode dans la mesure où c'est là que le discernement entre les différents éléments est le plus clair car chacun va aussi modifier sa température à sa vitesse propre.

Les mesures actives (alimentées) sont effectuées en provoquant volontairement des modifications de la scène thermique en la soumettant à des rayonnements contrôlés: chauffage radiant, flamme, chauffage par soufflerie, lampe infrarouge, lampes halogènes, flash xénon, laser,... Dans le but de la mettre en état dynamique, c'est donc l'observation d'une scène statique ou trop statique que l'on bascule temporairement en mode dynamique en illuminant la scène par un élément externe. Cette méthode est également utilisée en technique militaire pour guider des tirs: illumination de la cible par un laser.

Température versus Chaleur

La chaleur et la température ne sont pas exactement identiques, la chaleur est une puissance, une quantité (W/m² par exemple ou en Joule), la température est une valeur de mesure (le degré) comparative mais n'est PAS de l'énergie car indépendante d'un volume, surface, densité, ...

L’énergie interne d’un système thermodynamique est une grandeur extensive associée à ce système. Elle est égale à la somme de l’énergie cinétique de chaque entité élémentaire (atomes comme molécules) de masse non nulle et de toutes les énergies potentielles d’interaction des constituants de ce système.[10]

La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée en thermométrie. En physique, elle se définit de plusieurs manières : comme fonction croissante du degré d’agitation thermique des particules (en théorie cinétique des gaz), par l’équilibre des transferts thermiques entre plusieurs systèmes ou à partir de l’entropie (en thermodynamique et en physique statistique).[11]

On peut donc aussi dire que la température d'un corps est une mesure de la vitesse aléatoire interne de toutes ses entités élémentaires (atomes et molécules).

Généralement elle est exprimée en degrés Celsius °C, symbole C, parfois encore dans le monde anglo-saxon en degrés Farenheit °F, symbole F mais la norme scientifique, comme en thermographie, tend de plus en plus à exprimer les mesures sur la base de graduation du ° Celsius tout en partant désormais du zéro absolu (-273.15°C), il s'agit là d'un degré dit Kelvin et qui s'exprime avec le symbole K.

La température est une valeur d'intensité là où la chaleur est une valeur d'énergie ou de puissance globale d'un corps.

Les caméras fournissent en réalité une mesure de chaleur qui ne deviendra une température qu'après pondération par le thermographe.

Facteurs influençant l'émissivité de la scène observée

Matières

Chaque matériau a sa propre émissivité thermique mais, en plus, dépend aussi de son degré de pureté (oxydation, solvants, ...) et/ou de propreté. L'organique est souvent doté des meilleures émissivité tandis que les métaux purs et propres tendent parfois presque vers le zéro comme les cuivres, inox, ...

Structures de la surface

Chaque matériau a également une texture de surface qui rend l'émissivité d'une manière unique mais qui peut aussi bien créer une spécularité (réflexion) que des ombres. L'augmentation de la rugosité augmente l'émissivité attention que l'aspect brillant ou mat d'une surface en vue humaine peut n'avoir aucun rapport avec son rendu en thermographie.

Effet miroir

C'est la combinaison d'un matériau prédisposé et d'un structure de surface extrêmement lisse, le tout très pur et très propre créant une situation spéculaire qui fait que l'objet reflète plus les températures de l'environnement que les siennes propres.

Voir aussi: Miroirs, la thermographie spéculaire

Angles

L'angle de vision sur la normale à la surface observée est primordial, idéalement, il doit être entre 3° et 50° (facteur de 0.8 déjà vers 45° d'angle d'incidence)

Géométries

La géométrie des objets est importantes tant sur la netteté, profondeur de champs que des effets spéciaux comme les pointes ou les cavités (effet cavité si le diamètre de la cavité est supérieur à 1/7 de sa profondeur).

Températures d'environnement

canards réfléchis sur l'eau

Deux facteurs essentiels: la différence de température au sein d'une scène, plus elle est le petite plus la granularité augmente sur l'image mais également identifier si la scène est en état thermique dynamique ou stationnaire. La température ambiante peut donc étouffer l'analyse ou la mettre en évidence mais elle n'est pas à confondre avec la température d'environnement. Attention aussi à ce que l'environnement crée un rayonnement appelé température de réflexion (ou d'environnement) et que l'on dissocie des éléments les plus puissants à courte de distance de rayonnement de l'environnement n'est autre que l'opérateur de thermographie, souvent vous-mêmes. C'est par contre la température apparente réfléchie qui est appelée bruit en thermographie. L'exemple ci-contre de canard est illustratif de ce que l'environnement peut faire sur la mesure d'une température de la surface de l'eau. Songez alors à ce que peut faire la voûte céleste, à l'extérieur. Mais observez que la surface de l'eau agit aussi sur la marque thermique des canards.


La température ambiante et la température d'environnement ne vont pas agir de la même manière, la température ambiante va généralement déterminer celle d'une bonne partie de la scène thermique donc le contraste de votre image thermographique. Tandis que la température d'environnement est en réalité le rayonnement thermique de l'environnement de votre cible comme la voûte céleste qui peut facilement rayonner à -40°C voire moins par temps clair nocturne. Ce rayonnement va donc polluer votre image thermique de la même manière que le bruit en photographie numérique classique. Il faudra même parfois un écran derrière l'observateur pour isoler la cible de l'environnement.

Cette notion est encore un problème car la normalisation des termes n'est pas encore figée et peut aisément prêter à confusion.

Longueurs d'onde

Les tables d'émissivité ne sont pas les mêmes selon que l'on observe en infrarouge longs ou courts ni les transparences d'ailleurs.

Voir plus bas: Infrarouge longs, courts et proche infrarouge

Couleur

La couleur n'influe PAS l'émissivité mais, ironiquement, un même coloris mais avec deux matériaux différents n'auront probablement pas la même émissivité tandis que deux matériaux différents recouverts d'un même coloris de nature identique auront désormais la même émissivité DE SURFACE!

Optionnels

Les deux facteurs suivants ne sont normalement pas à prendre en compte à moins de 10 mètres de distance d'une cible.

Distance

L'opacité de l'atmosphère va exiger, à grandes distances, de pondérer les résultats à cause de la perte de rayonnement par diffusion.

Hygrométrie

Le taux d'humidité va jouer comme l'air, en perte par diffusion

Un comportement perturbant vis à vis de nos perceptions

Plexiglas opaque en digital spectre visible mais translucide dans l'infrarouge

Ainsi les surfaces lisses vont avoir tendance à réfléchir l'environnement en infrarouges comme dans notre gamme de perception mais, parfois ce sont des surfaces qui nous paraissent parfaitement mattes qui en vision thermique vont s'avérer réfléchissantes.

Le plus difficile à accepter probablement est le comportement à la transparence, par exemple, on peut thermographier à travers des plexiglas minces transparents (certains du moins) mais une paroi de verre, aussi mince soit-elle, est réfléchissante en thermique. Le truc c'est qu'en fait, nous voyons là que notre propre vision est illusoire sur la transparence, en effet, dans d'autres longueurs d'onde, un PET parfaitement lisse et opaque en vision digitale et humaine, s'avère transparent dans l'infrarouge. Les ondes ne sont en effet pas influencées par un critère de "transparence" ou autre mais simplement certains matériaux, sont perméables à certaines longueur d'onde. Ces cas sont donc une démonstration que nos perceptions sont très trompeuses dans d'autres longueurs d'onde et donc pas du tout absolues.

Démonstration en images ci-contre.


Infrarouge longs, courts et proche infrarouge

La CIE L'organisation internationale dédiée à la lumière, l'éclairage, la couleur, les espaces de couleur, fondée à Berlin en 1913 et est actuellement basée à Vienne en Autriche) recommande dans le domaine de la photobiologie et de la photochimie le découpage du domaine infra-rouge en trois domaines.[12]:

  • R-A: 700 nm – 1 400 nm (0,7 µm – 1,4 µm, 215 THz - 430 THz)
  • IR-B: 1 400 nm – 3 000 nm (1,4 µm – 3 µm, 100 THz - 215 THz)
  • IR-C: 3 000 nm – 1 mm (3 µm – 1 000 µm, 300 GHz - 100 THz)


Galaxie d'Andromède

C'est une problématique épineuse que la thermographie ne soit pas unifiée, chaque logique métier a défini ses bornes dans le cadre des ses utilités ainsi il existe une vision pour l'astronomie[13], une pour la biologie, la vision de la CIE comme ci-dessous, ISO 20473 scheme, la vision télécom, la vision ortientée senseurs, la vision technique civile classique comme ci-dessous, ...

Plus de détails sur:Regions within the infrared

Tous ont bien entendu raison mais chacun a vu les bornes techniques qui intéresse ses besoins métiers, sans plus.

Cependant, la thermographie orientée caméra civile va plutôt utiliser le découpage suivant:

Le proche infrarouge

Le proche infrarouge (NIR, IR-A) se divise en réalité en deux pans distincts: la vision nocturne, de 0.700 à 1 μm qui sert essentiellement à voir dans le noir mais pas à analyser et le proche infrarouge proprement dit, de 1 à 2 μm qui sert réellement à l'analyse thermique ou d'analyse d'émissivité. Par contre, ce n'est à priori plus du domaine de la thermographie. Les bornes de ce mode sont liées à la réaction de l'eau au passage des IR mais selon les uns même la vision nocturne fait partie de la thermographie tandis que pour d'autre, elle ne commence qu'à 2 μm.

Cependant, certains définissent le proche infrarouge comme entre 0.75 et 1.4 µm et les infrarouges courts entre 1.4 et 3 µm.

Infrarouges courts

Les infrarouges courts et moyens (SWIR, IR-B et MWIR, IR-C (MidIR)) sont un mode spécialisé utilisant la plage de longueur d'onde: 2-5 μm. Ces longueurs d'ondes servent beaucoup pour les fluides car l'eau y est transparente mais certains gaz sont visualisables. C'est aussi la longueur d'onde des capteurs et détecteurs militaires tels les missiles IR, c'est la plage optimale pour les flammes en réalité et contient une bande dédiée aux hautes températures. C'est aussi le range qui a la particularité de comporter la zone interdite en thermographie dans l'atmosphère terrestre à cause de l'opacité de la vapeur d'eau dans cet intervale de mesure (5,5-7,5 μm).

Infrarouges longs

Les infrarouges longs (LWIR, IR-C) sont le mode le plus utilisé en thermographie civile, dans la plage de longueur d'onde: 8-13 μm. C'est un peu un généraliste, robuste et polyvalent et le plus utilisé par les caméras de thermographie

L'infrarouge lointain

Aussi appelé infrarouge lointain laser ou encore FIR ne fait plus partie de la thermographie et commence entre 15 et 20 μm jusque maximum 1000 μm (ou 200 μm au minimum).

Les filtres

Il existe pour la thermographie une série de filtres dédiés[14]

  • Filtre gris, filtre spectral: Lame optique sélectionnant une bande spectrale particulière à l'intérieur de la bande spectrale de la caméra (filtre spectral), ou à atténuer les rayonnements indépendamment de leurs longueurs d'onde (filtre gris).
  • Filtre flamme: Filtre centré sur la longueur d'onde de 3,9 µm pour éliminer les rayonnements du CO2 et de l'H20 pour une caméra fonctionnant entre 2 et 5 µm. Permet ainsi de "voir" à travers les flammes de bonne combustion mais pauvres suies comme pour les combustions de gaz. Ce filtre permet également de réaliser des mesures de "hautes températures".
  • Filtre verre: Filtre centré sur une longueur d'onde déterminée afin de mesurer la température de surface du verre. Le filtre est un passe-haut à 4,7 ou 5 µm (caméra SW) ou un passe-bas aux environs de 8 µm (caméra LW). Ce filtre permet également de réaliser des mesures de "hautes températures".
  • Filtre atmosphérique: Filtre passe-haut au delà de 2,7 µm pour éliminer la réponse de la caméra aux longueurs d'onde d'absorption atmosphérique autour de 2,7 µm (caméra SW).
  • Filtre laser C02: Filtre réjecteur éliminant une bande spectrale étroite précise centrée sur 10,6 µm (caméra LW) afin de supprimer le rayonnement des laser CO2. Utilisé pour les mesures de températures lors d'usinage ou de traitement de surface par laser CO2.


Thermographie et vivant

L'imagerie thermographique a des applications médicales, vétérinaires voire agricole. Le diagnostic sur base de la chaleur existe depuis au moins le Vème siècle avant J.C., avec Hippocrate: Si une partie du corps est plus froide ou plus chaude que le reste du corps, c’est là que réside la maladie[15], c'est lui aussi qui compara les tumeurs à des crabes (froids) d'où le terme cancer. Ce sont généralement des méthodes basées sur des tables de températures selon les zones mais aussi basées la thermorégulation et l'aspect partiellement symétrique du corps humain.

On va généralement rester en infrarouge courts et moyens voire proche infrarouge pour le vivant, le derme leur est plus perméable.

Sinon, on utilise globalement la thermographie dans la gestion épidémiologique à l'arrivée des longs avions long courriers par exemple afin de détecter les passagers malades même si cette dernière méthode est discutable selon la durée d'incubation variable des maladies et leur type car on peut laisser passer un porteur encore en incubation voire contagieux même si il ne développe pas la maladie à postériori.

Voir aussi: Médical

Utilisation de la thermographie

Quelques utilisations de la thermographie[16]

Il n'y a pas réellement de limites dans l'utilisation des caméras thermographiques seulement des limitations matérielles.

La plage de température d'observation civile la plus courante est le 8-13 μm mais l'on observe aussi sur 2-5 μm pour des raisons techniques, scientifiques ou militaires, la zone entre 5 et 7,5 μm étant généralement bannie car la vapeur d'eau est vue opaque dans ces longueurs d'onde ce qui vu son omniprésence sur Terre ne permet plus les relevés.

Voici néanmoins une liste non-exhaustive des possibilités de la thermographie infrarouge: [17] [18] [19]


Pratique de la thermograpie

En thermographie, il y a la prise en main de la caméra, la mise au point, le cadrage de la scène, ...

Cependant, le post-traitement est important, bien entendu une image peut être correcte de départ mais le travail à posteriori peut tout changer.

Exemple ci-dessous, à gauche le brut de capteur en palette fer idéale pour la mise au point et la visualisation, au centre un post-traitement avec intégration dans l'image digitale, utilisation de la palette grey red et transparence (similaire au MSX de FLIR) et à droite une vision très technique en arc-en-ciel et avec utilisation de la fonction isotherme:

Thermographie de toiture, brut de capteur Thermographie d'une toiture, post-traitementImage thermique d'un toit avec usage d'un isotherme

Dans ce cas-ci, l'image est lisble et utilisable de départ, néanmoins, une multitude de présentation sont possibles ainsi une version plus esthétique et réaliste mais qui exprime mieux les différences quantitatives entre les pertes ou une vision plus technique avec isotherme.

C'est probablement le plus grand reproche que l'on peut me faire, de souvent essayer de faire dans l'esthétisme alors que nous sommes censés être dans la présentation technique et factuelle. Personnellement, je pense que souvent l'on peut concilier les deux cependant, entre la représentation juste et l'esthétique, si un choix est nécessaire, c'est bien évidemment la technique et la représentativité de la situation qui doit l'emporter. Ainsi je n'aime pas les isothermes pour leur côté flashy néanmoins, objectivement c'est la dernière représentation qui est la plus précise sur les pertes dans cette toiture.

Ces 3 images sont donc en réalité le même fichier mais présenté différemment d'où aussi l'intérêt de bien choisir la palette de rendu selon la situation et son contraste thermique.

Et là encore, les cours aident réellement à bien maîtriser les outils.

En thermographie médicale infrarouge, l'imagerie thermique permet bien des expériences:

Thermographie comparative de mains masculine et féminines

Mains de femmes plus froides que celles des hommes en thermographie?‎

Remarque sur l'édition des thermogrammes

La majorité du temps, la matrice de températures de l'image va être incluse dans les propriétés de fichier. Ce qui signfie que toute édition de ces images sans un programme approprié va endommager ou effacer cette matrice, la rendant inéditable, transformant ainsi le thermogramme est un print thermique image.

À noter aussi que certaines caméras ne disposent pas de ce fichier de températures et que la seule possibilité reste alors une image thermique la plus riche possible qu'un programme de récupération va étalonner selon les nuances de l'images en températures. C'est la seule méthode existante pour éditer une image thermique dépourvue de ses données de radiation mais restant assez sommaire et imprécis.

Plus de détail sous: Thermogramme vs image thermique

Les caméras thermiques

Détecteur thermique électrique à droite
Cube de Leslie par Draper vers 1861

Les caméras de thermographie ou thermacam ont beaucoup évolué depuis les premiers capteurs qui ne permettaient pas de visualiser sur un écran mais seulement de mesurer. Comme vous le voyez, les mesures étaient encore sommaires mais cela ne les a pas empêché de théoriser la majorité de ce que nous utilisons aujourd'hui avec des interfaces de plus en plus perfectionnés.

Bolomètre refroidi pour le spatial

C'est l'écran de télévision qui va créer la première révolution en permettant de visualiser en nuances de gris les images thermiques mais il fallait un petit chariot pour transporter le matériel, écran et batteries comprises ainsi que le bolomètre refroidi par cryogénie, cet appareillage était généralement manipulé par des ingénieurs tant les réglages étaient complexes mais ayant également de larges capacités de technicien pour pallier aux nombreuses pannes possibles. Il fallait aussi un appareil photo au début pour prendre des clichés de l'écran avant l'invention du magnétoscope.

Cependant, très vite, grâce à l'amélioration de la technique, on a pu transmettre les informations par câble à distance puis par ondes tout en guidant l'opérateur par radio ou en utilisant une télécommande vers un robot. Puis vint l'écran LCD, très vite vers la couleur mais aussi les bolomètres non refroidis ne demandant plus d'unité de cryogénie puis les microbolomètres couplés à des écrans LCD couleurs tactiles permettant désormais des caméras manuelles utilisables même à une seule main et avec des autonomies de plusieurs heures tout en prenant des images ou des vidéos éditables désormais et sauvées sur des mémoires flash.

Il a également longtemps existé des pellicules infrarouges permettant de prendre des photos thermiques avec de simples appareils photos mais leur développement et conservation étaient vraiment problématiques.

Globalement, désormais, les caméras thermiques sont électroniques et avec écrans de visualisation ainsi que sauvegarde des relevés en photographie ou en vidéo. Habituellement également,ces données sont dites radiométriques càd qu'elles contiennent en parallèle, dans l'image, une matrice des températures relevées ou les matrices progressives de T° pour les vidéos ce qui permet grâce à des logiciels spéciaux d'éditer ces images et de faire des corrections d'environnement, émissivité,distance, ...

À noter également que désormais la sensibilité thermique des capteurs est un enjeu aussi majeur que la résolution de ceux-ci. Actuellement (2013), on ne considère en modèle professionnel qu'à partir de 0.1° de sensibilité, certains modèles descendent déjà à 0.03° voire 0.01° tandis qu'en terme de résolution, le 160x120 pixels est déjà acceptable mais la norme est plutôt 320x240 et bientôt 60x480 pixels; des modèles avancés tirent déjà couramment à 1 mégapixel.

Les composantes essentielles du prix des caméras sont dans le microbolomètre d'une part selon sa sensibilité et sa résolution en infrarouge mais aussi dans les lentilles qui sont malheureusement en germanium, métal rare et coûteux mais utilisé pour sa très bonne perméabilité aux IR, son homogénéité et sa résistance même si les PVC sont également une voie prometteuse mais avec une plus grande fragilité. L'un des problèmes de son prix étant qu'il est essentiellement extrait de la sphalérite zinguée (ou sulfure de zinc) à hauteur de 120 tonnes par an, recyclage du vieux germanium compris mais essentiellement des déchets des fonderies de zinc et qu'il rentre également dans la production du photovoltaïque, fibre optique, automobile ou électronique. Ce semi-conducteur métalloïde est le problème principal car il sert de base à beaucoup de technologies de pointe, il était par exemple le substrat des premiers transistors et sert encore dans des domaines de recherche où l'on n'a pas encore réussi à le remplacer.[20]

Thermographies aériennes

Le sujet est vaste car il s'agit simplement de vues thermiques vues de haut cela concerne donc:

  • Thermographies depuis des ponts, viaduc, tours, gratte-ciel, ...
  • thermographie sur perches robotisées ou non ou encore depuis des nacelles
  • Thermographies par des drones héliportés ou avioniques
  • Thermographies depuis ballons captifs ou dirigeables
  • Thermographies depuis des avions ou des hélicoptères
  • Thermographies spatiales dirigées vers le sol par des satellite ou les engins spatiaux

On retirera les cerf-volants de la liste car l'une des règle d'une bonne thermographie en extérieur est que le vent soit inférieur à 10 km/h ce qui est souvent même insuffisant pour lancer un cerf-volant mais aussi pour ne pas encourager des essais à lancer en l'air plusieurs milliers d'euros sur un aéronef assez instable.

Dans le même registre, il faut mettre en garde envers la thermographie depuis un hélicoptère qui demandera souvent à la fois une caméra puissante (supérieure à 640x480 pixels thermiques et un téléobjectif comme optique) afin de faire en sorte que la scène visée soit hors de portée du vent des pales et rotors de l'hélicoptère (si on le surnomme moulin à vent, ce n'est pas pour rien).

Voir aussi: Drones et thermographie aérienne et carte thermographique

Voir aussi

Références

  1. L'infrarouge au service de la maintenance - Revue technologie n°169
  2. Impression en relief par la thermographie
  3. Infrarouge, Wikipédia
  4. Difference between infrared film and thermography, Wikipedia Thermography
  5. Certification niveau I, Infrared Training Center
  6. Qu'est-ce que le bruit numérique, L'Internaute
  7. Loi de Fourier
  8. thermographie IR
  9. Thermography in dentistry revisited by S. Sudhakar
  10. Wikipédia, Énergie interne
  11. Wikipédia, Température
  12. Site officiel de la CIE
  13. Near, mid & far infrared, EPAC
  14. Axe spectral
  15. Méthodes de thérapie:thermographie, MEindex
  16. L'infrarouge au service de la maintenance - Revue technologie n°169
  17. Infrarouge, Wikipédia
  18. Ouvrages de référence
  19. Thermographie, de l’audit à la validation en passant par le diagnostic et le contrôle
  20. François Cardarelli, Materials Handbook : A Concise Desktop Reference, Springer Verlag, 2008, 2e éd., 1340 p. (ISBN 9781846286681, lire en ligne [archive]), p. 469
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