MESURE DE LA TEMPERATURE DU CORPS HUMAIN PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

1. MESURE DE LA TEMPERATURE DU CORPS HUMAIN PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE Antoine Billardello – FLIR Systems France – 17 octobre 2006 Journée « Mesure de température » - Salon Mesurexpo

2. Tout d’abord, un rappel : Qu’est ce que la THERMOGRAPHIE INFRAROUGE ? • C’est un moyen de mesure de la température • - de surface • - à distance sans contact • - de manière non destructive • - en temps réel

3. NORME NF A09-400 Thermographie Infrarouge Technique permettant d ’obtenir au moyen d ’un appareillage approprié l ’image thermique d ’une scène thermique dans un domaine spectral de l ’infrarouge. Appareillage de Thermographie Infrarouge Ensemble d ’appareils permettant d ’obtenir et de traiter une scène thermique. Ces appareils peuvent assurer en particulier l ’analyse d ’une scène thermique, le traitement des signaux correspondants, la manipulation des données ainsi obtenues, leur visualisation, leur enregistrement sur tout support. Suivant la configuration de l ’appareillage et les fonctions disponibles sur les appareils utilisés, il peut être possible de procéder en outre, à partir de l ’image thermique, à la mesure des luminances et/ou au calcul des températures. Image Thermique Répartition structurée des données représentatives du rayonnement infrarouge en provenance d ’une scène thermique. Une image thermique peut être obtenue à partir d’un balayage d’image en une ou plusieurs trames décalées spatialement.

4. A quoi est sensible une caméra de thermographie infrarouge ? Réponse : A la chaleur rayonnée, et non pas à la température.

5. Rayonnement Emission, absorption et réflexion d ’ondes électromagnétiques. Propagation à la vitesse de la lumière. Ne nécessite pas de milieu matériel. Existe dans le vide. La théorie est connue, la résolution des problèmes est souvent très difficile, surtout dès qu’il est question d ’interaction rayonnement/conduction.

6. Rayonnement ENERGIE Un matériau émet (naturellement ou non) des ondes électromagnétiques. On dit qu’il rayonne. Les ondes se caractérisent par leur énergie et par leur longueur d’onde. g X Visible Microondes Radio IR UV 100m 1km 300 kHz 1m 10m 100nm 1µm 10µm 100µm 1mm 300 GHz 100mm 10mm 10nm 3 1016 Hz

7. Rayonnement Pour des niveaux de température courants sur terre (de -50°C à 2000°C environ) les ondes émises naturellement par les matériaux le sont dans un domaine qui s’appelle l’INFRAROUGE THERMIQUE. g X Visible Microondes Radio IR UV 100m 1km 1m 10m 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 1mm 100mm 10mm 2µm 13 à 19µm Ondes courtes = de 2 à 5,5 µm Ondes longues = de 7 à 18/19 µm Différence = technologie et influence de l’atmosphère

8. Bases de la thermographie Une caméra de thermographie infrarouge est donc un appareil qui capte un rayonnement invisible et le restitue sous forme d’une image visible colorisée.

9. La loi de Planck décrit la distribution spectrale du rayonnement électromagnétique d ’un corps noir : • Excitance spectrique d'un corps noir à la longueur d'onde . • c = vitesse de la lumière = 3 x 106 m/sec • h = constante de Planck = 6,6 x 10-34 J.s • k = constante de Boltzmann = 1,4 x 10-23 Joule/K • T = température absolue du corps noir exprimée en K • l = longueur d'onde (m) • Note : Le facteur 10-6 est utilisé puisque l'excitance est exprimée en Watts/m² µm. • Si ce facteur est éliminé, la dimension sera Watts/m²m. Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

10. 102 101 1 10-1 Relative blackbodyradiant emittance 10-2 10-3 260°C (490°F) 10-4 20°C (70°F) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 Longueur d’onde (microns) COURBES DE PLANCK La formule de PLANCK permet de tracer une famille de courbes pour les différentes températures. Suivant ces courbes, nous constatons que l'excitance spectrique est zéro pour la longueur d'onde l = 0 , puis grandit rapidement pour atteindre un maximum à une longueur d'onde appelée l = lmax et décroît lentement vers zéro pour les longueurs d'onde supérieures. L'augmentation de la température du maximum correspond à la diminution de la longueur d'onde au maximum. Excitance spectrique en fonction de la loi de Planck, tracée pour quelques températures (en K). Le corps noir, loi de Planck, loi de Wien, loi de Stefan Boltzmann

11. 0.1 0.5 1 2 5 8 12 100 Courbes de Planck 5727°C Temp. du soleil 1.00E + 04 1.00E + 03 Excitance spectrale en fonction de la loi de Planck, tracée pour quelques températures (en K). 1.00E + 02 1.00E + 01 25°C Temp. Ambiante Puissance Émise 1.00E + 00 1.00E - 01 1.00E - 02 1.00E - 03 1.00E - 04 1.00E - 05 Longueur d’onde mm

12. Conclusion 1 Pour mesurer la température de peau, il est préférable de travailler en onde longue (maximum de flux, meilleure rapport S/B caméra)

13. (T en Kelvin) La dérivée de la formule de Planck, par rapport à la longueur d ’onde, permet d ’obtenir la position du maximum de chaque courbe. C ’est la loi de Wien. Elle indique que plus un corps est chaud, plus son pic d ’émission maximum se déplace vers les courtes longueurs d ’onde.

14. Energie rayonnée 6000 4000 2000 750 300 Longueur d’onde 25 -75 temp. °C Peau humaine (bonne santé) 305 K pic à 9,5 µm, dans l ’infrarouge moyen

15. Transmission e R Émission Réflexion Énergie incidente Loi de Kirchoff t+e+R = 1 t

16. Le corps noir est un objet idéal qui absorbe tous les rayonnements incidents, quels que soient la longueur d ’onde et l ’angle d ’incidence. En théorie, c ’est une cavité fermée isotherme. En pratique, c’est souvent un four très bien isolé, stabilisé en température équipé d ’un trou de visée de très petite dimension. Considérant la loi de Kirchoff (un bon ‘’absorbeur ‘’ est aussi un bon émetteur) le corps noir émet donc aussi de façon maximale.

18. Il n ’émet qu’une fraction de ce qu’émettrait un corps noir porté à la même température. Cette fraction est appelée EMISSIVITE. Abréviation e. W = e s T4 (au mieux !) Considérant la loi de Kirchoff, un corps réel réfléchit donc également de l ’énergie provenant de son environnement. Comme par ailleurs, la plupart des matériaux sont opaques en infrarouge, on peut écrire : Un corps réel n’est pas un corps noir. emission + Réflexion = 1

19. = = Objet réel Rayts émis par un corps noir Corps noir Thermographie L ’émissivité Rayts émis par un corps réel ε L ’émissivité est notée ε et varie avec La nature du matériau la température du matériau la longueur d'onde d’observation L’état de surface L’angle d’observation

20. ε du corps humain?