La thermographie infrarouge en maintenance prédictive

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    12-Jul-2015

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<p>TUDE DE CAS TUDE DE CAS</p> <p>La thermographie infrarouge en maintenance prdictivecas du Centre hospitalier Saint-Joseph-Esprance</p> <p>Energie</p> <p>D G T R E</p> <p>SOMMAIRE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE</p> <p>SOMMAIRE - LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDICTIVELA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE 1. 1.1. 1.2. 1.3. 2. 2.1.1 2.1.2 2.2. 2.3. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 6. 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7. 6.8. 7. 8. INTRODUCTION NOTIONS DE TEMPRATURE MESURE DE TEMPRATURE &amp; THERMOGRAPHIE INFRAROUGE LA CAMRA INFRAROUGE LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGE LE SPECTRE LECTROMAGNTIQUE BANDES SPECTRALES UTILISES EN THERMOGRAPHIE INFRAROUGE TUDES THORIQUES ET RFRENTIELLES TUDES PRATIQUES GRANDEURS DINFLUENCE POUR LA MESURE DE T PAR THERMOGRAPHIE LA CAMRA INFRAROUGE LES DTECTEURS LES SYSTMES DE MESURE DES CAMRAS INFRAROUGES CARACTRISTIQUES DAPPAREILLAGE ACTUELLEMENT SUR LE MARCH PRINCIPE ET MTHODE, CAS DES QUIPEMENTS LECTRIQUES PRINCIPE DE DTECTION MTHODE DINSPECTION LE RAPPORT DANALYSE AVANTAGES DE LANALYSE INFRAROUGE DES INSTALLATIONS LECTRIQUES LANALYSE INFRAROUGE : GAIN DE TEMPS ET DARGENT COMPTENCES REQUISES, AGRMENTS, RGLEMENTS : QUI PEUT PRATIQUER CES MESURES ? APPLICATIONS DE LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE CONTRLE DES QUIPEMENTS LECTRIQUES HAUTE ET BASSE-TENSION CONTRLE DE RFRACTAIRE CONTRLE DE LA QUALIT DISOLATION DES BTIMENTS CONTRLE SUR DES QUIPEMENTS MCANIQUES CONTRLE SUR DES QUIPEMENTS THERMIQUES CONTRLES QUALITATIFS ET QUANTITATIFS DES CHANGES THERMIQUES LOCALISATION DUNE CANALISATION DEAU CHAUDE DANS UNE CHAPE REJET DEAU CHARGE DANS UN BASSIN DE DCANTATION 3 3 3 3 4 5 5 6 7 9 13 17 17 17 21 22 22 23 24 24 25 25 27 27 29 30 31 31 32 34 34</p> <p>TUDE DE CAS : LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE AUX CLINIQUES SAINT-JOSEPH DE LIGE 35 BIBLIOGRAPHIE 36</p> <p>1</p> <p>THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE</p> <p>2</p> <p>1. INTRODUCTION THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE</p> <p>LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE1. Introduction1.1 Notions de temprature:La temprature dun corps est une grandeur physique qui caractrise le niveau nergtique de ce corps : celle-ci sexprime en degrs Celsius (C) ou en Kelvin (K). Lchelle en Kelvin est rfrence au zro absolu qui vaut -273,15C : cette temprature, tout corps une valeur nergtique nulle.</p> <p>1.2 Mesure de temprature &amp; Thermographie infrarouge:La temprature se mesure laide de thermomtres, par contact ou par rayonnement. La mesure par contact ncessite comme lindique la dfinition, un contact entre llment dont on veut mesurer la temprature et lappareil de mesure. La mesure au moyen de thermomtres rayonnement ne ncessite aucun contact : ces appareils mesurent des rayonnements mis par tout corps dont la T est suprieure -273,15C ou zro K : ces rayonnements ont des longueurs donde qui se situent dans linfrarouge et sont proportionnels la temprature des corps. Un calculateur intgr au thermomtre convertit les rayonnements en tempratures sur base dun talonnage rfrentiel spcifique ralis en laboratoire. Le thermomtre rayonnement se compose en fait dun radiomtre et dun calculateur : Le radiomtre mesure la puissance de rayonnement mis et le calculateur la transcrit en tempratures. Pour les hautes tempratures, on parle de pyromtres. Si on associe lobservation dune mme scne thermique un systme radiomtrique de captation spatiale adjoint un calculateur qui la fois convertit les rayonnements infrarouges en points lumineux et en tempratures, on obtient une camra infrarouge. Cet quipement permet de visualiser et de quantifier les tempratures dune scne thermique : cette technique est appele "Thermographie infrarouge". Il existe deux systmes de captation spatiale des radiations lectromagntiques :</p> <p>Le systme balayage spatial : Le radiaomtre (dtecteur unique) est coupl un dispositif optomcanique qui par le biais de miroirs permet le balayage dune scne suivant des axes verticaux et horizontaux. Dans ce cas, le mme dtecteur analyse chaque zone de la scne thermique avec un trs lger dcalage temporel. Le systme plan focal : Celui-ci est constitu par une multitude de radiomres appel "matrice de dtecteurs". Dans ce cas, chaque dtecteur est destin lanalyse continue dune zone unique dans le champs scann dfini par loptique de la camra.</p> <p>3</p> <p>THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE 1. INTRODUCTION 1.3 La camra infrarouge :&gt; Principe :Milieu transparent ou semi-transparent Thermogramme Camra infrarougeRayonnements mis Image IR &amp; Mesures Systme radiomtrique</p> <p>Scne thermique</p> <p>&gt; Fonctionnement : La camra infrarouge capte au travers dun milieu transmetteur (ex : latmosphre) les rayonnements mis par une scne thermique. Le systme radiomtrique convertit la puissance de rayonnement en signaux numriques ou analogiques : ceux-ci sont transcrits en temprature par le calculateur et transforms en points lumineux sur un cran. Limage ainsi obtenue sappelle "Thermogramme".</p> <p>Exemple de thermogramme</p> <p>La thire contient encore du th 50% de sa capacit. Ce th est toujours chaud : il met du rayonnement infrarouge qui chauffe la porcelaine. La thire rayonne son tour : cette mission est directement influene par la source de chaleur initiale. La camra infrarouge mesure tous les rayonnements mis par la surface du rcipient et les restitue sous forme de thermogramme : cette image thermique est compose par des niveaux de couleur ou de gris (thermogramme N&amp;B), lesquels sont en corrlation avec les niveaux de T mesurs (chelle des tempratures). Dans ce cas, le thermogramme nous indique le niveau de th restant ainsi que sa situation thermique avant consommation...</p> <p>4</p> <p>2. LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE</p> <p>2. Lois du rayonnement infrarouge2.1.1 Le spectre lectromagntique :La lumire visible, les ondes radio, TV, les rayons X sont des rayonnements lectromagntiques : Le spectre lectromagntique Domaine visible 0,4m 0,8m 0,1ARayons Gamma</p> <p>10ARayons X</p> <p>0,1mUltraviolet</p> <p>0,1m</p> <p>100mInfrarouge</p> <p>1cmOndes Radio</p> <p>1A</p> <p>100A 2m</p> <p>10m 15m</p> <p>1mm</p> <p>Bande spectrale utilise en thermographie IR</p> <p>Le domaine visible stend des longueurs donde allant de 0,4 0,8 m (micromtres). La bande infrarouge stend de 0,8 1000 m : celle-ci peut-tre divise en plusieurs sections : linfrarouge proche : 0,8 3 m; linfrarouge moyen : 3 6 m; linfrarouge loign : 6 15 m; linfrarouge lointain : 15 1000 m.</p> <p>5</p> <p>2. LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE 2.1.2 Bandes spectrales utilises en thermographie infrarouge :En thermographie infrarouge, on travaille gnralement dans une bande spectrale qui stend de 2 15 m et plus particulirement dans les fentres 2-5 m et 7-15 m. Il faut savoir que classiquement, les applications de la thermographie infrarouge seffectuent dans un milieu ambiant naturel ou atmosphre naturelle : celle-ci constitue un milieu semi transparent ou "hublot" entre les rayonnements mis par un corps quelconque dont on veut mesurer la temprature et la camra thermique. Ce milieu transmet donc en partie le rayonnement mis par une scne thermique. Pour optimaliser la qualit dimagerie et de mesures thermiques, il faut que la transmission des rayonnements infrarouges soit optimale. Dans ce contexte, les fabricants de matriel infrarouge ont analys la transmission atmosphrique des ondes infrarouges et ont relev 2 bandes spcifiques o la transmission est maximale mais non optimale (transmission infrieure 100%) : Facteur de transmission atmosphrique</p> <p>Facteur de transmission atmosphrique 1</p> <p>0 2 5 8 14 Longueurs d'onde (en m)</p> <p> La bande 2-5 m appele Ondes courtes (SW, Short Waves). La bande 7-15 m appele Ondes longues (LW, Long Waves). Cest principalement la vapeur deau et le gaz carbonique contenus ltat gazeux dans latmosphre naturelle qui attnuent les rayonnements. &gt; Remarque : Dans le cas de mesures infrarouges ralises dans des milieux particuliers (gaz spcifiques, ...), il faut en tudier la transmission afin dadapter au mieux le matriel de mesure : celui-ci ne sera plus classique mais bien spcifique.</p> <p>CO2 H2O</p> <p>CO2</p> <p>H2O</p> <p>6</p> <p>2. LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE 2.2 Etudes thoriques et rfrentielles&gt; Le corps noir : radiateur idal : Le corps noir est le corps de rfrence dans la thorie du rayonnement infrarouge : celui-ci est capable dabsorber tout rayonnement incident quelque soit sa longueur donde et dmettre son tour des radiations toutes les longeurs donde. Ce corps rfrentiel cde lenvironnement lnergie capte jusqu ltablissement dun quilibre thermodynamique : le corps noir est un radiateur idal. Trois lois dfinissent le rayonnement dun corps noir : la loi de Plank; la loi de Wien; la loi de Stefan-Boltzman.</p> <p>a) Loi de Plank : Max Plank a calcul les flux de puissances lectromagntiques mis par un corps noir.</p> <p>On a :</p> <p>W =</p> <p>2..h.c2 (Watts/cm2) 5.(e(h.c/.k.T)-1</p> <p>avec :</p> <p> W c h k T</p> <p>Longueur donde; Flux de puissance mis par un corps noir la longueur donde; Vitesse de la lumire = 3.1010 cm/s; Constante de Plank = 6,6.10-34 Watt.s2; Constante de Boltzman = 1,4.10-23 Watt.s2/K; Temprature absolue du corps noir en Kelvin.</p> <p>Ces formulations mathmatiques complexes sont reprsentes par les courbes ci-dessous. Les longueurs dondes sont exprimes en micromtres et les puissances de rayonnement sont exprimes en luminances (NB : lchelle des luminances est logarithmique).</p> <p>Rayonnements - Courbes de Planck</p> <p>7</p> <p>THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE 2. LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGEPar ce graphe, nous constatons que : Le spectre dmission du corps noir est continu. La puissance lectromagntique mise crot avec la temprature du corps noir. Lmission de rayonnement passe par un maxima : ce maxima se produit des longueurs donde de plus en plus faibles lorsque la temprature du corps noir crot. A partir dune temprature de lordre de 520C, lmission du rayonnement infrarouge apparat dans le domaine spectral visible (0,4-0,8m) : les objets chauffs au moins cette temprature deviennent donc visibles par loeil humain de par la couleur rouge sombre. En-dessous de cette temprature, nous ne "voyons" pas les tempratures car lmission de rayonnement se fait au-del de la bande spectrale sur laquelle sont calibrs nos yeux. Ds lors, pour visualiser des corps dont la T est infrieure 520C, il faut utiliser des appareils dont le seuil de dtection est infrieur celui de loeil humain. b) La loi de Wien : Par drivation de la loi de Plank, on obtient la loi de Wien. On a :</p> <p> max =avec : max T</p> <p>2898 (m) T</p> <p>Longueur donde laquelle se produit lmission maximale; Temprature absolue du corps en Kelvin.</p> <p>La courbe dfinie par cette quation est reprsente en pointill sur la figure ci-dessous. Celle-ci est modlise par les maxima des courbes de Planck. Elle indique que lorsque la temprature crot, le maximum dnergie mis se dplace vers les faibles longueurs donde. Plus simplement, cette loi exprime le fait que la couleur dun objet chauff haute temprature varie du rouge sombre au blanc.Luminances</p> <p>1043000</p> <p>1000 250 500</p> <p>102100 30</p> <p>-50</p> <p>1</p> <p>0</p> <p>5</p> <p>10</p> <p>15 20 Longueurs d'onde (en m)</p> <p>8</p> <p>2. LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVEc) La loi de Stefan-Boltzmann : Par intgration de la loi de Plank, on obtient la loi de Stefan-Boltzmann. Celle-ci dtermine le flux de puissance total mis par un corps noir. On a :</p> <p>W = .T4 (Watts/cm2)avec : T Constante de Stefan-Boltzmann = 5,7.10-12 (Watts/cm2/K4); Temprature absolue du corps noir en Kelvin.</p> <p>Le flux de puissance total mis par un corps noir est proportionnel la quatrime puissance de sa temprature absolue. Pour information, le flux de puissance mis par le soleil dans le spectre visible nest que de 25% du flux total.</p> <p>2.3 Etudes pratiques&gt; Les corps noirs et les corps rels : Le corps noir est un corps parfait au sens physique : il met un maximum de puissance de rayonnement une temprature donne. La ralit est toute autre : en effet les corps rels rencontrs dans notre environnement ne sont gnralement pas des radiateurs idaux. Lobjet rel met toujours moins de rayonnement que le corps noir, quelle que soit la temprature ou la longeur donde. Ainsi, les lois que nous avons dcrites ne sont applicables quavec certaines corrections. &gt; Bilan radiatif du corps noir et du corps rel :</p> <p>1) Cas gnral :On considre un objet plac dans le vide (ceci annule la prise en compte dautres modes de transfert dnergie tels que la convection et la conduction; dans notre cas, on sintresse exclusivement au transfert dnergie par rayonnement). avec : Ri Ra Rt Re Rr Rayonnement incident en provenance dun autre lment; Rayonnement absorb par lobjet; Rayonnement transmis par lobjet; Rayonnement mis par lobjet; Rayonnement rflchi par lobjet.</p> <p>Ri Objet Rt</p> <p>Ra Rr ReNB : Tous ces facteurs sont slectifs : leurs grandeurs varient en fonction de la longueur donde du rayonnement.</p> <p>9</p> <p>THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE 2. LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGE&gt; Explications : a) Lobjet reoit du rayonnement incident Ri en provenance dune source quelconque. b) Ri est directement restitue en partie au milieu extrieur par rflexion : cest le rayonnement rflchi Rr. c) Lobjet absorbe une partie de Ri : cest le rayonnement absorb Ra. Cette nergie absorbe chauffe donc lobjet jusqu obtenir un quilibre thermodynamique avec le milieu extrieur : lobjet finit alors par mettre autant de puissance quil nen absorbe. Le rayonnement absorb est donc gal au rayonnement mis : Ra = Re. d) Lobjet transmet une partie de Ri : cest le rayonnement transmis Rt. &gt; Bilan des rayonnements :</p> <p>Ri = Rr + Ra + Rtdonc</p> <p>avec Ra = Re</p> <p>Ri = Rr + Re + Rtou</p> <p>1 = {Rr / Ri} + {Re / Ri} + {Rt / Ri}avec {Rr / Ri} {Re / Ri} {Rt / Ri} Facteur de rflexion "r"; Facteur dmission (ou missivit) ""; Facteur de transmission "t";</p> <p>ainsi</p> <p>1=r++t</p> <p>Cette formulation est le cas gnral ou lquation de base du bilan radiatif.</p> <p>2) Cas du corps noir rfrentiel :Le corps noir, comme nous lavons dfini ci-dessus, est un radiateur idal : ilabsorbe intgralement tous les rayonnements incidents et les restituent compltement au milieu environnant : Le facteur de rflexion est nul : r = 0 Le facteur de transmission est nul : t = 0</p> <p> Lmission est maximale</p> <p>=1</p> <p>10</p> <p>2. LOIS DU RAYONNEMENT INFRAROUGE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE EN MAINTENANCE PRDUCTIVE 3) Cas du corps rel :3.1) Cas gnral : En thermographie infrarouge classique, on sintresse principalement la visualisation et la quantification de T de surface de divers objets dits "opaques" aux rayonnements infrarouges capts par la camra thermique. Le facteur de transmission est nul : t = 0</p> <p>1=+r3.2) Cas particuliers: a) Le miroir thermique : Le miroir parfait rflchit intgralement tous les rayonnements incidents Le facteur dabsorption ou dmission est nul : = 0</p> <p>r=1b) Les corps semi-transparents : Certains "objets" transmettent en partie le r...</p>

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