Le principe de la thermographie infrarouge repose sur le phénomène physique selon lequel tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15 °C) émet un rayonnement électromagnétique. Il existe une corrélation claire entre la surface d’un corps et l’intensité et la composition spectrale du rayonnement qu’il émet. En déterminant l’intensité de ce rayonnement, il est possible de déterminer la température d’un objet sans entrer en contact avec celui-ci.
Plage dans le spectre électromagnétique
Le rayonnement infrarouge est la partie du spectre électromagnétique qui est immédiatement adjacente à la lumière rouge d’environ 760 nm du côté des ondes longues du spectre visible et s’étend jusqu’à une longueur d’onde d’environ 1 mm.
À cet égard, la plage de longueurs d’onde allant jusqu’à environ 20 µm est importante pour la mesure technique de la température.
Dans la seconde moitié du XIXe siècle, on a découvert que le rayonnement thermique et d’autres ondes électromagnétiques, telles que la lumière visible ou les ondes radio, étaient de nature similaire. Cette découverte a été suivie par la découverte des lois du rayonnement par KIRCHHOFF, STEFAN, BOLTZMANN, WIEN et PLANCK. Au milieu du XXe siècle, des travaux intensifs et fructueux sur l’utilisation militaire de la technologie infrarouge ont facilité la construction des premiers visionneurs infrarouges. Avec un certain recul dans le temps et la technologie, les premiers appareils thermographiques à usage non militaire sont également apparus dans les années 60. Parallèlement à cela, cependant, avec une diversification considérablement plus grande des appareils disponibles, la pyrométrie s’est développée pour devenir une approche largement répandue dans la mesure industrielle de la température.
Lois de rayonnement du corps noir
Les corps présents dans la réalité présentent des propriétés de rayonnement très diverses. Il s’est donc avéré utile de commencer par examiner les lois simplifiées d’un corps modèle aux propriétés de rayonnement idéales, afin de les appliquer ensuite à des objets réels. Ce corps modèle est connu en physique du rayonnement sous le nom de « corps noir ». Il se distingue par le fait que, parmi tous les corps de température égale, il présente le rayonnement émis le plus important possible.
La répartition spectrale du rayonnement émis par un corps noir est décrite par la loi de rayonnement de PLANCK :
Cette représentation montre que la composition spectrale varie en fonction de la température de l’objet. Les corps dont la température dépasse 500 °C, par exemple, émettent également un rayonnement dans le domaine visible. En outre, il convient de noter qu’à chaque longueur d’onde, l’intensité du rayonnement augmente avec la température.
La loi de Planck sur le rayonnement représente la principale corrélation concernant la mesure de température sans contact. Cependant, en raison de sa nature abstraite, elle n’est pas directement applicable sous cette forme à de nombreux calculs pratiques. Mais elle permet de dériver toute une série d’autres corrélations, dont deux seront brièvement mentionnées ci-après. Ainsi, en intégrant par exemple l’intensité du rayonnement spectral sur toutes les longueurs d’onde, on obtient la valeur du rayonnement total émis par le corps. Cette corrélation est appelée loi de STEFAN BOLTZMANN.
En raison de sa corrélation mathématique simple, elle est bien adaptée aux estimations approximatives, en particulier pour calculer le bilan thermique des objets ainsi que les interrelations des pyromètres à rayonnement total. Cependant, la plage de mesure spectrale de la plupart des appareils de mesure est généralement très limitée et, par conséquent, cette équation n’est pas applicable à cette fin.
La représentation graphique de la loi du rayonnement de PLANCK montre que la longueur d’onde à laquelle le rayonnement émis par un corps noir atteint son maximum varie en fonction de la température. La loi de déplacement de WIEN peut être dérivée de l’équation de PLANCK par différenciation.
Plus la température de l’objet à mesurer est basse, plus son rayonnement maximal se déplace vers des longueurs d’onde plus grandes. Il est d’environ 10 µm lorsqu’il est proche de la température ambiante.
Transmittance spectrale de l’air (10 m, 25 °C, 1013 mbar, 85 % d’humidité relative)
Le niveau de transmittance de l’air dépend fortement de la longueur d’onde. Les plages à forte atténuation alternent avec les plages à forte transmittance (ombrées), appelées « fenêtres atmosphériques ». Alors que la transmittance dans la plage (8 … 14) µm, c’est-à-dire la fenêtre atmosphérique à ondes longues, reste également élevée sur de longues distances, une atténuation mesurable causée par l’atmosphère se produit déjà dans la plage (3 … 5) µm, c’est-à-dire la fenêtre atmosphérique à ondes courtes, à des distances de mesure d’une dizaine de mètres.
Influence de l’objet mesuré
Le corps noir en tant que modèle radiométrique est indispensable pour étudier les corrélations principales. Étant donné que les objets réels à mesurer s’écartent plus ou moins fortement de ce modèle, il peut être nécessaire de tenir compte de cette influence dans les mesures. Le paramètre d’émissivité, qui mesure la capacité d’un corps à émettre un rayonnement infrarouge, est particulièrement adapté à cet effet. Avec une valeur de 1, le corps noir a l’émissivité la plus élevée possible, qui dépend en outre de la longueur d’onde.
Contrairement à cela, l’émissivité des objets réels à mesurer peut présenter une dépendance plus ou moins forte à la longueur d’onde. Les paramètres suivants peuvent également avoir une certaine influence :
- Composition du matériau
- Film d’oxyde à la surface
- Rugosité de la surface
- Angle par rapport à la normale à la surface
- Température
- Degré de polarisation
Une multitude de matériaux non métalliques – du moins dans la gamme spectrale des ondes longues – présentent une émittance élevée et relativement constante, quelle que soit la structure de leur surface. C’est le cas notamment de la peau humaine, ainsi que de la plupart des matériaux de construction minéraux et des peintures de revêtement.
L’émissivité spectrale de quelques non-métaux (émail, gypse, béton, chamotte)
En revanche, les métaux ont généralement une faible émissivité qui dépend fortement des propriétés de la surface et diminue à mesure que la longueur d’onde augmente.
Émissivité spectrale des métaux (argent, or, platine, rhodium, chrome, tantale, molybdène) et d’autres matériaux purs (graphite, sélénium, antimoine)
