3.1. L'Analyse Par Thermographie Infrarouge [PDF]

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TECHNIQUES DE DETECTION DES DEFAILLANCES

CHAPITRE 3 L’analyse par thermographie infrarouge

CHAPITRE 3 L’ANALYSE PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

3.1. L’ANALYSE PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE La thermographie infrarouge «TIR» est la science de l'acquisition et de l'analyse d'informations thermiques à l'aide de dispositifs d'imagerie thermique à distance. La norme française A 09-400 définis la thermographie infrarouge comme «Technique permettant d’obtenir au moyen d’un appareillage approprié l’image thermique d’une scène thermique dans un domaine spectral de l’infrarouge ». La thermographie infrarouge est utilisée dans le domaine de la surveillance conditionnelle de fonctionnement pour optimiser les tâches de maintenance sans interrompre le flux de production et réduire au maximum les coûts d'entretien. La technologie de détection par thermographie infrarouge est devenue un moyen irremplaçable de garantir la sécurité des conditions de production industrielle. Son utilisation est commune à des secteurs de l’industrie aussi divers que la métallurgie et la sidérurgie, l’énergie électrique, l’industrie pétrolière, l’automation, l’exploitation du gaz naturel, l’industrie des transports, et à d’autres professions engagées tel que dans la lutte contre le feu et la surveillance des frontières. A toutes ces activités caractérisées par des procédures de fonctionnement en flux tendu, des équipements de production sous haute-tension, des courants électriques puissants ou des vitesses d’opération élevées, l’imagerie thermique infrarouge offre une méthode d’inspection sans-contact et en temps réel. Cette méthode de détection ne nécessite aucune coupure de courant, n’exige ni arrêt des machines, ni interruption de la production. Elle permet de diagnostiquer à l’avance les disfonctionnements latents, et ainsi de prévenir l’occurrence des pannes, d’éviter les incidents de production. L’imagerie thermique est une technique innovante d’évaluation « sans-contact », à la fois sûre, fiable, et rapide.

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Une caméra thermique ne mesure pas des températures mais des flux de rayonnement. Après le réglage de certains paramètres par l’opérateur en thermographie, la caméra calcule alors les températures de la cible. Elle fournit ensuite à l’utilisateur une cartographie des températures, appelée thermogramme (figure 3.1). Fig. 3.1. Thermogramme: usure de palier Avantages de la thermographie par infrarouge :  Mesure sans contact: à distance – l’opérateur n’est pas exposé au danger.  Gain de temps: ne nécessite pas d’arrêt de production, n’affecte pas l’activité de l’objet contrôlé.  Multidimensionnel: comparaison possible entre 2 ou plusieurs milliers de points sur la même image.  Aide à la compréhension: grâce à l’image vous savez à quel endroit porter votre attention.  Mesure en temps réel: thermogramme généré à la vitesse de la lumière.  Prédiction des défauts: les échauffements signes de défaillances annoncées sont visibles au plus tôt. Inconvénients :  Nécessite du matériel spécifique et onéreux  Risques d’erreur  Nécessite un opérateur compétant et formé.

3.2. DOMAINES D'APPLICATION Les machines rotatives en générales Turbomachines Eoliennes Ventilateurs Pompes Peinture industrielle Pharmaceutique Traitement des eaux Industrie papetière -alimentaire…

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3.3. PRINCIPE DE L'ANALYSE THERMOGRAPHIQUE La caméra infrarouge capte au travers d’un milieu transmetteur les rayonnements émis par une scène thermique. Le système radiométrique convertit la puissance de rayonnement en signaux numériques ou analogiques : ceux-ci sont transcrits en température par le calculateur et transformés en points lumineux sur un écran (figure 3. 11). L’image ainsi obtenue s’appelle « thermogramme ».

Fig. 3.11. Principe de fonctionnement de la caméra infrarouge. La figure 3.12 montre un exemple courant de défaut dans une armoire électrique. La caméra infrarouge mesure tous les rayonnements émis et les restitue sous forme de thermogramme : cette image thermique est composée par des niveaux de couleurs, qui sont en corrélation avec les niveaux de températures mesurés (échelle des températures). Dans ce cas, par comparaison des températures des trois connexions, le thermogramme nous indique un mauvais serrage au niveau du câble droit.

Fig. 3.12. Surveillance d’une armoire électrique.

3.4. TEMPERATURE ET CHALEUR 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. 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).

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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. 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. 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). 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.

3.5. RAYONNEMENT INFRAROUGE 3.5.1. Rayonnements électromagnétiques La lumière visible, les ondes radio et TV, les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques. Le domaine visible s’étend des longueurs d’onde allant de 0,4 à 0,8 μm. La bande infrarouge s’étend de 0,8 à 1000 μm. En thermographie infrarouge on travaille généralement dans une bande spectrale qui s’étend de 2 à 15 μm et plus particulièrement dans les fenêtres 2-5 μm et 7-15 μm (figure 3.13).

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Fig. 3.13. Rayonnements électromagnétiques. 3.5.2. Loi de Plank Cette loi définis le rayonnement d’un corps noir, pour calculer les flux de puissances électromagnétiques nous appliquons la formule suivante : 𝑊λ =

2 𝜋 ℎ 𝐶2 ℎ𝐶

( ) λ5 (𝑒 λ K T −1)

(3.1)

𝑊λ : Flux de puissance émis par un corps noir à la longueur d’onde λ, en (Watts/cm2µ). λ : Longueur d’onde. c : Vitesse de la lumière = 3.1010 cm/s ; h : Constante de Plank = 6,6.10-34 Watt.s2 ; k : Constante de Boltzman = 1,4.10-23 Watt.s2/°K; T : Température absolue du corps noir en Kelvin. La figure 3.14 présente le spectre d'un corps noir en fonction de la température de couleur, A partir de ces courbes, on constate que :  La puissance électromagnétique émise croît avec la température du corps noir.  L’émission de rayonnement passe par un maxima : ce maxima se produit à des longueurs d’onde de plus en plus faibles lorsque la température du corps noir croît.  A partir d’une température de l’ordre de 520°C, l’émission du rayonnement infrarouge apparaît dans le domaine spectral visible (0,4-0,8 μm) : les objets chauffés au moins à cette température deviennent donc visibles par l’œil humain de par la couleur rouge sombre.  En dessous de cette température, on ne voie pas les températures car l’émission de rayonnement se fait au-delà de la bande spectrale sur laquelle sont calibrés nos yeux. Alors, pour visualiser des corps dont la température est inférieure à 520°C, il faut utiliser des appareils dont le seuil de détection est inférieur à celui de l’œil humain.

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Fig. 3.14. Spectre d'un corps noir en fonction de la température. 3.5.3. Rayonnement incident On appelle incident l'ensemble des rayonnements extérieurs à un objet qui viennent le frapper. Sur la figure 3.15, le rayonnement incident, noté WINCID, est l'ensemble des rayonnements qui heurtent l'objet cible provenant d'une ou plusieurs sources. Une certaine partie du rayonnement, notée Wα, sera toujours absorbée, et l'objet cible en retiendra alors l'énergie. Une certaine quantité, notée Wρ, sera réfléchie. Cette dernière n'affectera aucunement l'objet cible. Il est enfin possible qu’une certaine proportion de rayonnement, notée W𝛕 traverse l’objet cible. Comme la quantité réfléchie, elle n’affecte pas l’objet. Si on écrit cela sous forme d'une équation mathématique on obtient: WINCID =Wα + Wρ + W𝛕 = 100% Un objet possède une certaine capacité ou aptitude à :  Absorber : ce que l'on appelle l'absorptivité α ;  Réfléchir : ce que l'on appelle la réflectivité ρ ;  Transmettre : ce que l'on appelle la transmissivité 𝛕. La somme des trois est toujours égale à 1 : α + 𝛕 + ρ = 1

Fig. 3.15. Répartition du rayonnement incident en différentes composantes. [email protected]

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3.5.4. Rayonnement résultant Le rayonnement résultant, capté par une caméra infrarouge, est constitué de la somme de tous les rayonnements qui quittent la surface d'un objet, quelles que soient les sources d'origine. Il provient de trois types de sources. La figure 3.16 présente les trois sources de rayonnement : l'objet cible lui-même, une source devant et une source derrière. Si nous observons l'objet cible depuis la droite, nous remarquons que le rayonnement résultant est une combinaison du rayonnement de l'objet cible lui-même, du rayonnement provenant de la réflexion sur l’objet de la source de chaleur avant (située sur la droite) et du rayonnement issu de la source de chaleur arrière (située sur la gauche) traversant l'objet cible. Fig. 3.16. Les trois sources de rayonnement réfléchi issues de l'objet. 3.5.5. Facteurs perturbateurs Le vent : En extérieur, il perturbe et refroidit les objets visualisés. L'hygrométrie : La vapeur d'eau contenue dans l'air influe sur le rayonnement électromagnétique reçu. La dimension du point : Le rayonnement électromagnétique reçu par le capteur sera proportionnel, à température égale, à la dimension du point mesuré au rapport de la taille du capteur permettant la mesure de la distance émetteur-récepteur. Distance : Il y a atténuation logique du flux reçu par le capteur en fonction de la distance. Le flux reçu est inversement proportionnel au carré de la distance. Environnement : En fonction du fond de la scène thermique observée, il y a une source d'erreur dans la mesure si le point observé est intégré dans le fond radiatif de la scène.

3.6. MOYENS DE MESURE La thermographie infrarouge est relativement coûteuse (45000 DA à 699000 DA) environ pour l’ensemble caméra + logiciel de traitement d’images associé), La dernière génération d’équipements infrarouges classiques disponibles actuellement sont très compacts, portatifs et autonomes (figure 3.17).

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Fig. 3.17. Moyens de mesure de la thermographie infra rouge. Les caractéristiques typiques de ces appareillages sont : • Etendue des mesures : -20°C à plus de 2000°C subdivisée en plusieurs gammes. • Réponses spectrales : 3 à 5,0 μm et de 8 à 12 μm (Fenêtres spectrales dans lesquelles fonctionne le détecteur IR). • Type de détecteur : Matrice à plan focal (FPA) pouvant contenir jusqu’à 76800 éléments détecteurs refroidis par un mini compresseur à196°C. • Résolution thermique : (ou sensibilité) inférieure ou égale à 0,1°C pour la mesure de T° de l’ordre de 30°C. La sensibilité d’une caméra infrarouge est l’aptitude du détecteur à mettre en évidence des écarts de T°. Plus la résolution thermique est faible, plus la sensibilité est élevée. • Surface élémentaire de mesure {IFOV} : de l’ordre de 1,2 mrad avec objectif standard. Celle-ci détermine la résolution spatiale de mesure la caméra infrarouge. L’IFOV peut être considéré comme "une grandeur d’influence" dont il faut tenir compte dans le cas de mesure de T° sur des objets de petites tailles ou sur des corps situés à une distance de mesure. • Facteurs correctifs : (Grandeurs d’influence) Emissivité, T° atmosphérique, T° environnante, distance de mesure, taux d’humidité relative. Chaque appareillage de thermographie est doté d’accessoires et de systèmes de traitements numériques qui permettent d’élargir leurs capacités initiales. Chaque appareillage de thermographie est doté d’accessoires et de systèmes de traitements numériques qui permettent d’élargir leurs capacités initiales (figure 3.18)

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Fig. 3.18. Ensemble du matériel de mesure de la TIR. L’ensemble du matériel utilisé doit comporter :  Une caméra infrarouge 3-5, 8-12 µ avec une résolution thermique de 0,1 °C à 20 °C, (caractéristiques données par les constructeurs).  Une unité de traitement d'images.  Un magnétoscope pour enregistrement sur site, et/ou un stockage numérique des données sur disquette, carte PCMCIA...  Un calculateur associé pour analyse des résultats en direct.  Un ensemble portatif de mesures (température ambiante, vitesse du vent,...).  Un logiciel d'analyse laboratoire : Thermagram, Thermonitor, TIC8000. Cet équipement est mobile, portable ou sur chariot et ne nécessite pas d'alimentation électrique externe. L'ensemble du matériel infrarouge est obligatoirement étalonné annuellement dans le respect des normes. 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.  Imageur thermique: appareil de l'imagerie thermique, fournit des images sans mesures radiométriques.  caméras infrarouges large spectre: généralement des capteurs infrarouges quantiques, à usage scientifique, médical ou militaire (3 µm à plus de 30 µm).  radiomètre : appareil de mesure des flux de rayonnement (flux directionnel et partiel).  système de thermographie: Ensemble d'appareils ou de fonctionnalités destiné à la mesure thermographique, depuis le capteur jusqu'à la présentation des températures.

3.7. STRUCTURE D'UN IMAGEUR

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Le système de mesure par infrarouge consiste à ce que l’optique de la caméra focalise les radiations de l’objet à mesurer vers le détecteur. Ce dernier transforme alors l’information reçue en un signal qu’il transmet vers l’affichage (figure 3.19).

Fig. 3.19. Structure de la voix d’acquisition d’une imagerie par la TIR La structure générale d’un imageur présenté sur la figure 3.20 se compose de :

Fig. 3.20. Structure d’un imageur. A. Optiques : Comme sur un appareil photo, un bloc optique qui a pour fonction de projeter l’image visée sur le capteur. Ce bloc se caractérise par sa distance focale, son ouverture de champ (angle de prise de vue). La mise au point peut être manuelle ou automatique (autofocus). Elle va d’une valeur minimale liée à la constitution du bloc optique à l’infini. B. Capteur CCD (Charge Coupled Device) : C’est une matrice de capteurs qui fournisse un signal numérique d’éclairement. L'image est donc composée de points, les pixels. Le nombre de pixel par colonne et par ligne forme la résolution. La projection de l’objet sur le capteur CCD doit au moins couvrir complètement un pixel pour être exploitable. Il faut donc que l’image de l’objet soit la largeur de 2x2 pixels minimum. On recommande de retenir au moins 3x3 pixels. [email protected]

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Le constructeur indique l’IFOV (Instantaneous Field-of- View) qui correspond à l’angle de vue d’un pixel, HFOV et VFOV qui indiquent la dimension du champ. C. Contrôleur : Cœur de l’imageur, il assure la lecture du CCD), la conversion rayonnement/température et il détermine la plage de couleur correspondant. Il gère l’afficheur LCD), le clavier et l’interface de communication et il permet le stockage d’images dans sa mémoire.

3.8. METHODOLOGIE Les méthodes de thermographie présentées sur le tableau 3.1 sont spécifiques à différentes applications utilisées selon les besoins nécessaire à la mesure:     

Mesure avec contact de la cible. Mesure sans contact. Diffusion de la chaleur. Coûts. Difficulté de la mise en œuvre.

Méthode

contact contact Sans contact Batterie de couples Cristaux Liquides, Infrarouge thermoélectriques peintures thermosensibles ... Emis Image et mesure Image et mesure Image ou mesure Carte et mesure thermique Carte Image colorée Interface Présentation d'affichage Rapide (0,1 s) Temps réel (jusqu'à Mise en œuvre Report sur carte 60 images par seconde) De - 260°C De - 240°C De - 50°C Gamme de à + 2000°C à + 1500°C à + 2000°C température Tableau 3.1. Les méthodes de thermographie.

3.9. DEMARCHE La mise en place d'une maintenance conditionnelle associée à des moyens de surveillance thermographique procédera de façon sélective : A. La sélection des équipements qui feront l'objet de contrôles et suivis parla thermographie infrarouge :  parmi les installations électriques,  parmi les installations dotées de matériaux calorifuges et réfractaires.  parmi les installations dont certaines défaillances se manifestent par des échauffements détectables préventivement par l'outil thermographie infrarouge.

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B. La sélection des composants et des défaillances potentielles dont la connaissance par retour d’expérience des exploitants, fournisseurs, constructeurs, spécialistes, ... aura permis d’évaluer les risques et leur criticité (AMDEC). C. La connaissance des symptômes annonçant la défaillance des composants déjà rencontrée et ayant fait l’objet de retour d'expérience des concepteurs et acteurs aux différents stades du cycle de vie. D. La mise en place de la méthode de surveillance la mieux adaptée et à l'importance des équipements, sachant qu'un contrôle par thermographie infrarouge est quasiment toujours mis en œuvre actuellement dans le cadre de suivis périodiques pour les applications de maintenance. (Il existe cependant des moyens de surveillance continue, plutôt comme aides à la conduite, des fours en particulier, pour vision permanente des flammes et réglage des brûleurs). E. La périodicité est le paramètre à fixer, suivant la vitesse connue et/ou estimée de dégradation de l'équipement. Elle est très variable suivant le type d'équipement surveillé. La fréquence peut être accélérée s1 les symptômes précoces le justifient. F. La sélection des moyens de mesure qui permettront de suivre les paramètres retenus :  choix d'un " imageur " ou d'un mesureur thermique.  choix du mode de collecte des images infrarouges (enregistrement ponctuel des images ou continu du film du contrôle). G. La sélection des moyens de traitement associés aux outils d'acquisition : dans la majorité des cas, un logiciel spécifique est associé à la caméra infrarouge retenue, et développé par le fabricant de la caméra. H. Mise en œuvre d’une structure de suivi pour être capable de suivre l’évolution thermique de l’équipement. I. Rédiger un rapport sur lequel vous devez indiquer le type de caméra utilisée, préciser la date de validité de son certificat d’étalonnage, donner vos critères de sévérité, et lister les composants contrôlés y compris ceux pour lesquels rien n’a été détecté. Les défauts feront l’objet d’une page de rapport particulière avec photographie visible.

3.10. CREATION D'UNE SIGNATURE La signature thermique est la température mesurée par un capteur de rayonnement infrarouge (caméra thermique). Les caméras infrarouges modernes permettent d’accéder à la mesure de champs thermiques et de leur évolution temporelle. Le traitement d’images obtenues permet d’analyser la signature thermique d’objets mobiles ou de fluides en écoulement. Pour détecter les défauts sur les images infrarouges, différents outils d’analyse peuvent être mis en œuvre.

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En premier, on réalise une visualisation de l’équipement sain, afin de pouvoir détecter des anomalies par comparaison. En ayant le matériel nécessaire, nous devons aussi disposer des schémas de l’installation et des paramètres de conduite. Ensuite nous pouvons diviser selon les étapes suivantes le processus de la création d’une signature thermographique : A. Sélection des composants ou des parties e l’équipement à visualiser :  

Composants particuliers Armoire électrique…

B. Définition de l’état de référence de l’équipement  Configuration  Taux de charge (courant, puissance, ...). Une mesure de courant est souvent nécessaire C. Définition des prises de vue 

Paramétrage de la caméra  Evaluez l’émissivité des éléments visés.  Adaptez la gamme de température/couleur  Position & cadrage  Assurez-vous que l’environnement ne perturbe pas la mesure  Adopter une distance compatible avec la dimension de ce qu’on souhaite visualiser  Faire la mise au point D. Réalisation de la prise de vues  

En image thermique En image optique, da la même position, avec le même cadrage

E. Rédaction d’un rapport    

Etat de l’équipement Etat de l’environnement de référence Définition des prises de vues Images thermique et optiques

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