Principes Physiques du Rayonnement Infrarouge
Module 1 / 5
1.3 Emissivite : Le Parametre Cle de la Mesure IR
L'emissivite est le parametre le plus critique et le plus meconnu de la thermographie. Un reglage errone de quelques centiemes peut fausser une mesure de plusieurs dizaines de degres. Ce chapitre vous donnera les bases pour comprendre, estimer et maitriser l'emissivite sur le terrain.
Definition de l'emissivite
L'emissivite (ε) d'une surface est le rapport entre le rayonnement qu'elle emet reellement et celui qu'emettrait un corps noir a la meme temperature. C'est un nombre sans unite, compris entre 0 et 1.
Definition formelle
ε = Mreel / Mcorps noir
Corps noir parfait (emetteur ideal)
Miroir parfait (reflechit tout, n'emet rien)
Loi de Kirchhoff : emission et absorption sont liees
La loi de Kirchhoff etablit qu'a l'equilibre thermique, l'emissivite d'une surface est egale a son absorptivite pour la meme longueur d'onde et le meme angle d'observation : ε(λ) = α(λ). Autrement dit, un bon emetteur est un bon absorbeur, et un mauvais emetteur est un bon reflecteur.
Pour un corps opaque (τ = 0), cela donne la relation pratique essentielle :
ε + ρ = 1
Une surface de forte emissivite (ε = 0,95) reflechit peu (ρ = 0,05). Une surface de faible emissivite (ε = 0,10) reflechit beaucoup (ρ = 0,90) et agit comme un miroir infrarouge.
"Une surface metallique polie agit comme un miroir infrarouge : ce que vous voyez sur le thermogramme, c'est surtout le reflet de l'environnement, pas la temperature de la surface elle-meme."
Les facteurs qui influencent l'emissivite
L'emissivite n'est pas une propriete fixe d'un materiau. Elle varie en fonction de cinq facteurs principaux que le thermographe doit prendre en compte pour chaque mesure.
1. Nature du materiau
Le facteur le plus determinant. Les materiaux non-metalliques (peinture, plastique, beton, caoutchouc) ont generalement une emissivite elevee (> 0,85). Les metaux nus ont une emissivite basse, surtout s'ils sont polis.
Regle : non-metal → ε haute. Metal nu → ε basse.
2. Etat de surface
La rugosite augmente l'emissivite. Une surface polie (miroir) aura une emissivite beaucoup plus basse qu'une surface rugueuse, oxydee ou peinte du meme materiau.
Exemple : cuivre poli ε ≈ 0,03 vs cuivre oxyde ε ≈ 0,65.
3. Temperature
L'emissivite peut varier avec la temperature, surtout pour les metaux. En general, l'emissivite des metaux augmente legerement avec la temperature, tandis que celle des non-metaux reste relativement stable.
Impact : faible pour la maintenance courante (< 200 °C), significatif pour les procedes haute temperature.
4. Longueur d'onde
L'emissivite varie avec la longueur d'onde de la mesure. Les valeurs tabulees sont generalement donnees pour la bande LWIR (8-14 µm). Si vous utilisez une camera MWIR (3-5 µm), les valeurs peuvent differer significativement.
Important : toujours verifier pour quelle bande spectrale les tables d'emissivite sont etablies.
5. Angle d'observation
L'emissivite diminue quand l'angle d'observation s'ecarte de la perpendiculaire a la surface. Au-dela de 45°, la chute peut etre significative, surtout pour les metaux. Au-dela de 60°, les mesures deviennent peu fiables pour la plupart des materiaux.
Regle terrain : toujours mesurer le plus perpendiculairement possible a la surface. Si l'angle depasse 45°, mentionnez-le dans votre rapport et considerez la mesure comme indicative.
Table des emissivites courantes en industrie
Le tableau suivant rassemble les emissivites les plus couramment rencontrees en maintenance industrielle. Ces valeurs sont donnees pour la bande LWIR (8-14 µm) et pour un angle d'observation proche de la normale. Elles sont indicatives : une verification sur site par mesure comparative est toujours recommandee.
| Materiau | Etat de surface | ε (8-14 µm) | Difficulte de mesure |
|---|---|---|---|
| Emissivite elevee (> 0,85) -- Mesure fiable | |||
| Peau humaine | - | 0,98 | Facile |
| Beton, brique, platre | Sec, non peint | 0,90 - 0,95 | Facile |
| Peinture (toute couleur) | Non metallisee | 0,90 - 0,95 | Facile |
| Caoutchouc, plastique | - | 0,90 - 0,95 | Facile |
| Bois | Non verni | 0,85 - 0,90 | Facile |
| Emissivite moyenne (0,40 - 0,85) -- Mesure possible avec precaution | |||
| Acier oxyde / rouille | Oxydation naturelle | 0,70 - 0,85 | Moyen |
| Cuivre oxyde | Patine verte/brune | 0,60 - 0,70 | Moyen |
| Acier galvanise | Neuf, brillant | 0,25 - 0,45 | Moyen |
| Emissivite basse (< 0,40) -- Mesure tres difficile | |||
| Acier inox poli | Poli miroir | 0,10 - 0,20 | Difficile |
| Aluminium poli | Brillant, neuf | 0,03 - 0,10 | Difficile |
| Cuivre poli (jeux de barres neufs) | Brillant, neuf | 0,02 - 0,05 | Tres difficile |
Techniques de determination de l'emissivite sur le terrain
Utiliser une valeur tabulee est un point de depart, mais sur le terrain, les conditions reelles peuvent differer. Voici les methodes pratiques pour determiner ou verifier l'emissivite d'une surface avant une inspection.
Methode 1 : Ruban adhesif de reference
La methode la plus simple et la plus utilisee en maintenance.
- Coller un morceau de ruban electrique noir mat (emissivite connue ≈ 0,95) sur la surface a mesurer
- Attendre que le ruban atteigne l'equilibre thermique avec la surface (2-3 minutes)
- Mesurer la temperature du ruban avec ε = 0,95
- Mesurer la surface adjacente et ajuster ε jusqu'a obtenir la meme temperature
Avantage : simple, peu couteux. Limite : ne fonctionne pas au-dessus de 80 °C (le ruban se decolle ou fond).
Methode 2 : Sonde de contact
La methode de reference pour les surfaces difficiles ou haute temperature.
- Mesurer la temperature de la surface avec un thermocouple de contact calibre
- Mesurer simultanement avec la camera IR
- Ajuster l'emissivite sur la camera jusqu'a ce que les deux valeurs coincident
Avantage : precise, fonctionne a toute temperature. Limite : necessite un contact physique, mesure ponctuelle.
Methode 3 : Peinture haute emissivite
Pour les surfaces metalliques brillantes a inspecter regulierement.
- Appliquer une peinture noire mate resistante a la temperature sur un point de reference
- Mesurer ce point avec ε = 0,95
- Comparer avec la surface brute pour determiner son emissivite
Avantage : durable, resiste a haute temperature. Limite : necessite une preparation prealable, pas toujours possible.
Methode 4 : Mesure comparative (delta T)
L'approche pragmatique de la maintenance predictive.
- Comparer des composants identiques dans les memes conditions (3 phases d'un TGBT, 2 roulements symetriques)
- L'emissivite est la meme pour tous, donc l'ecart de temperature (delta T) est significatif meme si la valeur absolue est fausse
Avantage : pas besoin de connaitre l'emissivite exacte. Limite : ne donne pas la temperature absolue.
Erreur classique a eviter
Ne jamais confondre couleur visible et emissivite infrarouge. Un objet peint en blanc et un objet peint en noir ont pratiquement la meme emissivite dans la bande LWIR (8-14 µm), car la "couleur" est une propriete du spectre visible (0,4-0,7 µm), pas de l'infrarouge. Seules les peintures metallisees (aluminium, chrome) ont une emissivite IR significativement plus basse.
Impact d'une erreur d'emissivite
Voici l'erreur de temperature produite par une erreur de 0,1 sur l'emissivite, pour un objet a 100 °C (373 K) :
| ε reel | ε regle | T affichee | Erreur |
|---|---|---|---|
| 0,90 | 0,90 | 100 °C | 0 °C |
| 0,90 | 0,80 | ≈ 108 °C | +8 °C |
| 0,90 | 1,00 | ≈ 93 °C | -7 °C |
| 0,30 | 0,20 | ≈ 152 °C | +52 °C |
| 0,30 | 0,40 | ≈ 73 °C | -27 °C |
L'erreur est d'autant plus grande que l'emissivite est basse. Sur les surfaces metalliques brillantes (ε < 0,3), une petite erreur de reglage produit des ecarts catastrophiques.
Le prochain chapitre est un quiz qui vous permettra de verifier vos acquis sur l'ensemble du Module 1 : rayonnement thermique, spectre electromagnetique, lois de Planck, Stefan-Boltzmann, Wien et emissivite.