Thermomètres infra-rouge

Principe

Le thermomètre infra-rouge utilise la propriété qu'ont les corps, solides liquides ou gazeux, d'émettre de l'énergie par radiation avec une intensité qui est fonction de leur température.
Pour la plupart de matériaux, c'est une propriété de surface, et les caractéristiques de la surface elle-même influence grandement l'émission de radiation.
Le pouvoir qu'a une surface, d'émettre des radiations est caractérisé par le facteur d'émission e dont la valeur est comprise entre 0 et 1.
Un radiateur parfait, encore appelé corps noir a un facteur d'émission égal à 1. Aucun corps réel ne peut émettre plus d'intensité qu'un corps noir à la même température.
L'intensité de l'énergie rayonnée est donnée par la relation de Stefan:
Q=e.4,93.(T/100)⁴
avec:
Q: énergie rayonnée en kcal/h
e: facteur d'émissivité du corps
T: température du corps en Kelvin
La plupart des gaz monoatomiques ou polyatomiques symétriques (H2, N2, O2, ...) n'absorbent et n'émettent aucun rayonnement thermique.
Par contre les gaz polyatomiques non symétriques émettent également un tel rayonnement.

L'intensité du rayonnement émit dépend également de la longueur d'onde, et pour deux longueurs d'onde distinctes, le rapport de l'intensité émise dépend de la température. Ce rapport dépend peu de l'émissivité de la surface.
Cette propriété est utilisée dans certains appareils qui mesurent le rayonnement simultanément sous deux longueurs d'onde différentes et en déterminent le rapport.
Le résultat de la mesure est plus précis car peu influencé par les variations d'émissivité de la surface ou l'encrassement du système optique.

Facteurs d'émissivité de matériaux courants

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Matériau           Emissivité [ e ]
-------------------     ------
Aluminium poli           0,02
Aluminium oxydé          0,20
Noir de carbone          0,95
Or poli                  0,02
Fer rouillé              0,65
Fer liquide              0,43
Argent poli              0,01
Inox poli                0,28
Inox roulé à froid       0,80
Zinc (galvanisé)         0,23
Brique rouge             0,93
Eau                      0,67
Glace                    0,98
Bois                     0,91
Sable                    0,76
Sol                      0,38
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Mise en oeuvre

Etalonnage

Le thermomètre infra-rouge doit tout d'abord être étalonné. pour cela on utilise une sorte de petit four, et par une ouverture on mesure l'intensité émise par une surface interne dont on connaît la température et dont le facteur d'émissivité est très proche de 1.
Pour ensuite être utilisé pour la mesure de la température d'une surface quelconque, il convient de tenir compte du facteur d'émissivité de la surface.
Le tableau ci-dessous indique pour différents types de surfaces, les température réelles qu'il faut atteindre pour une mesure équivalente à un corps noir:

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Temp du    Températures équivalentes pour e=
corp noir   0,9   0,8   0,6   0,4   0,2  0,02
---------  ----  ----  ----  ----  ----  ----
  20         28    37    60    95   165   506
  50         59    69    94   133   210   586
 100        110   121   151   196   285   719
 200        213   227   264   322   434   985
 500        521   544   605   699   883  1783
1000       1034  1073  1173  1328  1631  3112
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On constate donc que l'erreur due à la méconnaissance du facteur d'émissivité de la surface est d'autant plus importante que le facteur d'émission est faible, c'est-à-dire éloignée d'un corps noir servant de référence, mais aussi que la température réelle est importante.

Champ de vision

Comme pour une camera, le thermomètre infra-rouge reçoit le rayonnement au travers d'un système optique, caractérisé par son champ de vision exprimé en angle. Sur certains appareils, celui-ci peut être ajusté comme avec un zoom.
Le thermomètre mesure le rayonnement émit par la totalité de la surface vue, et en déduit la température par la moyenne du rayonnement émis par la surface vue.
Il est donc important que la surface vue par l'objectif ne soit pas supérieure à la surface dont on veut mesurer la température (cas des tubes par exemple).

Applications

Les thermomètres infra-rouges sont particulièrement recommandés dans des domaines où la mesure de température par contact est impossible:
- nécessite une réponse rapide
- sur des objets en mouvement
- derrière une fenêtre
- si le thermomètre peut être détruit par le contact
- si un profil de température existe sur la surface
- si la température peut être affectée par le contact