Introduction

Un thermomètre infrarouge permet de mesurer rapidement la température de surface d’un objet sans contact. Cette capacité repose notamment sur un système optique conçu pour capter le rayonnement infrarouge émis par la cible.

En pratique, un thermomètre infrarouge ne mesure pas un point infiniment petit. Il reçoit le rayonnement provenant d’une zone déterminée de la surface. La taille de cette zone, la distance de mesure utilisable et le risque d’inclure l’environnement dans la mesure dépendent directement de la conception optique.

Comprendre ce système permet donc de mieux interpréter des paramètres essentiels tels que le champ de vision, la taille du spot, le rapport D:S et la résolution optique, et de limiter les erreurs liées à une distance ou à une taille de cible inadaptée.

Points essentiels

● Le système optique collecte le rayonnement infrarouge émis par la cible et le dirige vers le détecteur infrarouge.
● Un thermomètre infrarouge mesure une surface et non uniquement le point laser visible.
● Lentille ou fenêtre infrarouge, diaphragmes, éléments de filtrage et autres composants optiques déterminent le rayonnement reçu par le détecteur.
● Le champ de vision et la taille du spot définissent la surface réellement mesurée à une distance donnée.
● Le rapport D:S caractérise la résolution optique. Une valeur plus élevée permet généralement de mesurer des cibles plus petites à plus grande distance.
● Le laser sert principalement à faciliter la visée ; il n’est pas utilisé pour déterminer directement la température.

Qu’est-ce que le système optique d’un thermomètre infrarouge ?

Le système optique peut être considéré comme « l’œil » du thermomètre infrarouge.

Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique, notamment dans l’infrarouge. Le thermomètre capte cette énergie au moyen de son système optique. Le détecteur infrarouge la transforme ensuite en signal électrique, qui est traité pour déterminer la température de surface.

Le processus peut être résumé ainsi :

● La surface de la cible émet un rayonnement infrarouge.
● Le système optique collecte le rayonnement provenant d’une zone définie.
● Les composants optiques dirigent ou focalisent l’énergie vers le détecteur.
● Le détecteur transforme le rayonnement reçu en signal électrique.
● L’électronique calcule la température en tenant compte de l’émissivité, des compensations et des données d’étalonnage.
● La température est affichée.

Le système optique constitue donc l’interface entre la cible et le détecteur. Il détermine la zone effectivement observée ainsi que l’évolution de la taille du spot avec la distance.

Quels sont les principaux composants du système optique ?

La conception varie selon les modèles, mais on retrouve généralement une lentille ou une fenêtre infrarouge, des diaphragmes, des éléments de filtrage spectral et d’autres composants placés devant le détecteur.

Lentille ou fenêtre infrarouge

Elle permet au rayonnement infrarouge situé dans la plage spectrale prévue de pénétrer dans l’appareil et d’être transmis ou dirigé vers le détecteur.

Un matériau transparent à la lumière visible n’est pas nécessairement transparent dans l’infrarouge. Les thermomètres infrarouges utilisent donc des matériaux adaptés à leur bande spectrale de fonctionnement. Leur choix dépend notamment de la plage de température, de la longueur d’onde et de la conception optique.

Diaphragmes et limitation du champ de vision

Les diaphragmes limitent l’angle et l’étendue du rayonnement entrant afin que le détecteur reçoive principalement l’énergie provenant du champ de vision prévu.

Sans cette limitation, le rayonnement provenant des surfaces environnantes pourrait davantage influencer le résultat.

Filtrage spectral

Les thermomètres infrarouges sont généralement conçus pour fonctionner dans une plage spécifique de longueurs d’onde. Les filtres optiques, associés à la réponse spectrale du détecteur, déterminent la bande réellement utilisée.

De nombreux thermomètres infrarouges polyvalents fonctionnent par exemple dans l’infrarouge à grande longueur d’onde, souvent autour de 8 à 14 μm. La plage exacte dépend toutefois du produit et doit être vérifiée dans ses caractéristiques techniques.

Détecteur infrarouge

Le détecteur appartient au système de détection, mais il fonctionne directement avec l’optique. Le rayonnement collecté lui est transmis puis converti en un signal exploitable par l’électronique.

Ainsi, deux appareils utilisant des technologies de détection similaires peuvent présenter des distances de mesure, des tailles de spot et des résolutions optiques différentes en raison de leur conception optique.

Comment fonctionne le système optique ?

Lorsque le thermomètre est dirigé vers une surface, son système optique frontal reçoit le rayonnement infrarouge provenant d’un champ de vision défini.

Cette énergie traverse la lentille ou la fenêtre, les diaphragmes, les filtres et les autres éléments avant d’atteindre le détecteur. Les variations du rayonnement reçu produisent des variations correspondantes du signal du détecteur.

La température n’est cependant pas calculée simplement à partir d’une quantité brute de rayonnement.

L’appareil prend également en compte les caractéristiques du détecteur, la compensation thermique interne, l’émissivité de la cible, les données d’étalonnage et les algorithmes de traitement.

Un système complet de mesure infrarouge comprend donc :

● Le système optique — détermine la zone observée.
● Le détecteur infrarouge — convertit le rayonnement en signal mesurable.
● L’électronique de traitement — amplifie, compense et traite le signal.
● Le réglage d’émissivité — tient compte des propriétés radiatives des différentes surfaces.
● L’affichage — présente la température calculée.

Le système optique détermine en premier lieu quelle zone contribue réellement au résultat.

Qu’est-ce que le champ de vision ?

Le champ de vision est généralement désigné par l’abréviation FOV (Field of View).

Il correspond à la zone spatiale dont le thermomètre reçoit le rayonnement infrarouge. Lorsque la distance entre l’appareil et la cible varie, la surface correspondante varie également.

À courte distance, la zone mesurée est généralement réduite. Plus la distance augmente, plus la surface couverte et le spot de mesure s’agrandissent.

Si la cible est petite et que la distance est trop importante, le champ de vision peut englober à la fois la cible et son environnement.

Par exemple, lors de la mesure d’un tube chauffé de faible diamètre, une distance excessive peut conduire l’appareil à inclure également une paroi ou une structure située derrière le tube. La température affichée ne représentera alors pas uniquement la température du tube.

Qu’est-ce que le spot de mesure ?

Le spot de mesure correspond à la surface dont le rayonnement infrarouge est reçu à une distance donnée.

Le terme « spot » ne désigne pas le point laser visible. Il décrit la véritable zone couverte par le système optique infrarouge.

La taille du spot augmente généralement avec la distance.

Pour mesurer de petits composants, des tuyaux fins, des connexions électriques ou des points chauds localisés, il est donc nécessaire de vérifier que le spot réel reste inférieur à la surface utile de la cible.

Si la cible est plus petite que le spot, le rayonnement des zones environnantes peut modifier le résultat.

Quel est le lien entre le rapport D:S et le système optique ?

D:S signifie Distance-to-Spot Ratio, c’est-à-dire rapport entre la distance de mesure et la taille du spot.

● D correspond à la distance entre le thermomètre et la cible.
● S correspond à la taille approximative du spot à cette distance.

Avec un rapport D:S de 12:1, une distance d’environ 1 200 mm peut par exemple correspondre, dans les conditions spécifiées, à un spot d’environ 100 mm de diamètre.

À distance identique :

● Un appareil 12:1 couvre une zone relativement plus grande.
● Un appareil 30:1 couvre une zone plus petite.
● Un rapport 50:1 ou supérieur convient mieux aux petites cibles situées à plus grande distance.

Un rapport D:S plus élevé indique donc généralement une meilleure capacité à mesurer une petite zone à distance.

Pour connaître précisément la taille du spot, il convient de se référer au diagramme distance/spot fourni par le fabricant, car un système optique réel ne se comporte pas comme un cône géométrique parfaitement idéal.

Pourquoi la cible doit-elle être plus grande que le spot ?

La cible doit couvrir entièrement la zone de mesure.

Si le champ de vision englobe également les surfaces voisines, leur rayonnement infrarouge contribue au signal reçu.

Supposons par exemple qu’un petit composant métallique soit à 80 °C et que la paroi située derrière soit à 25 °C. Si le spot couvre simultanément les deux surfaces, le thermomètre ne reçoit plus uniquement le rayonnement du composant.

La température affichée peut alors être sensiblement différente de la température réelle de la cible.

Pour obtenir une mesure fiable :

● La cible doit couvrir complètement le spot.
● Pour une meilleure fiabilité, la cible devrait être sensiblement plus grande que le spot.
● Pour une petite cible, réduire la distance lorsque cela est possible.
● Si la distance ne peut pas être réduite, choisir un appareil avec un rapport D:S plus élevé.

Le fait que le laser soit positionné sur la cible ne garantit pas que seule cette cible soit mesurée.

Le laser fait-il partie du système de mesure de température ?

De nombreux thermomètres infrarouges portables disposent d’un ou plusieurs lasers pour faciliter la visée. Cela peut donner l’impression que la température est mesurée au moyen du faisceau laser.

Ce n’est pas le cas.

Le laser sert principalement à l’orientation. La température est déterminée à partir du rayonnement infrarouge naturellement émis par la surface.

● Le laser facilite la visée.
● Le système optique infrarouge collecte le rayonnement thermique.
● Le détecteur transforme ce rayonnement en signal.
● L’électronique calcule la température.

Selon la conception, le laser peut indiquer approximativement le centre de la zone mesurée ou plusieurs lasers peuvent aider à matérialiser son étendue. La relation exacte entre les repères laser et la zone de mesure doit être vérifiée dans la documentation du modèle concerné.

Le rapport D:S et le diagramme distance/spot sont donc plus importants que la taille apparente du point laser.

Pourquoi la résolution optique est-elle importante ?

La résolution optique détermine la capacité de l’appareil à mesurer des cibles petites ou éloignées.

Pour de grandes surfaces telles que murs, sols, carters de machines ou larges conduites, une résolution optique très élevée n’est généralement pas indispensable.

Elle devient particulièrement importante pour :

● Mesurer des équipements chauds à distance.
● Mesurer des conduites de faible diamètre.
● Contrôler des bornes ou connexions électriques.
● Mesurer des zones localisées sur des circuits imprimés, moteurs ou composants mécaniques.
● Contrôler des objets chauds, mobiles ou difficiles d’accès.
● Mesurer un composant précis dans un espace restreint.

Pour une même cible de 20 mm, un appareil présentant un rapport D:S élevé peut généralement être utilisé à une distance supérieure.

Le choix d’un thermomètre infrarouge doit donc tenir compte non seulement de la plage de température et de la précision, mais également de la taille des cibles et de la distance de travail.

Un thermomètre infrarouge possède-t-il une mise au point fixe ?

La conception dépend du modèle.

De nombreux thermomètres infrarouges portables polyvalents utilisent une optique fixe ne nécessitant aucun réglage manuel. L’utilisateur sélectionne simplement une distance adaptée en fonction du rapport D:S et du diagramme distance/spot.

Certains appareils destinés à de petites cibles ou à des applications industrielles particulières peuvent proposer une optique à courte focale, une mise au point réglable ou d’autres conceptions spécifiques.

Pour les très petites cibles, un rapport D:S élevé ne suffit donc pas toujours. Il faut également vérifier la taille minimale du spot à la distance d’utilisation prévue.

Quels facteurs peuvent affecter la mesure optique ?

Outre la conception de l’appareil, les conditions d’utilisation peuvent influencer la transmission du rayonnement jusqu’au détecteur.

Distance excessive

Plus la distance augmente, plus le spot s’agrandit. S’il devient supérieur à la cible, l’environnement influence la mesure.

Cible trop petite

Si la cible ne remplit pas le champ de vision, le rayonnement de son environnement est également pris en compte.

Fenêtre ou lentille contaminée

Poussière, huile, humidité ou autres dépôts peuvent réduire la transmission du rayonnement infrarouge.

Trajet optique obstrué

Un obstacle placé entre l’appareil et la cible empêche le rayonnement d’atteindre correctement le système optique.

Mesure à travers du verre ordinaire

Un verre transparent à la lumière visible n’est pas nécessairement transparent dans l’infrarouge. Il n’est donc généralement pas possible de mesurer directement la température réelle d’un objet situé derrière une vitre ordinaire.

Fumée, vapeur ou forte concentration de poussières

Ces éléments peuvent absorber, diffuser ou modifier le rayonnement infrarouge entre la cible et l’appareil.

Angle de mesure excessif

Une orientation aussi proche que possible de la normale à la surface est généralement préférable. Un angle très important modifie la forme de la zone observée et peut renforcer l’influence des réflexions.

Comment utiliser correctement le thermomètre en tenant compte de son optique ?

Pour exploiter correctement les performances optiques :

● Vérifier le rapport D:S avant la mesure.
● Consulter le diagramme distance/spot.
● S’assurer que la cible est plus grande que le spot réel.
● Réduire la distance pour les petites cibles.
● Choisir une résolution optique plus élevée pour les petites cibles éloignées.
● Ne pas assimiler la taille du point laser à la surface réellement mesurée.
● Maintenir la lentille ou la fenêtre infrarouge propre.
● Éviter, dans la mesure du possible, les mesures à travers du verre, une vapeur dense, de la fumée ou des milieux similaires.
● Orienter l’appareil aussi perpendiculairement que possible à la surface.
● Régler correctement l’émissivité en fonction du matériau.

Le système optique détermine quelle zone est mesurée, tandis que l’émissivité influence la conversion du rayonnement reçu en température.

Une mesure fiable nécessite donc une combinaison correcte de taille de cible, distance, conditions optiques et réglage d’émissivité.

FAQ

À quoi sert le système optique d’un thermomètre infrarouge ?

Il collecte le rayonnement infrarouge provenant d’une zone déterminée et le dirige vers le détecteur tout en définissant le champ de vision.

Le thermomètre mesure-t-il la température au niveau du point laser ?

Non. Le laser sert principalement à viser. La mesure repose sur le rayonnement reçu depuis l’ensemble de la zone couverte par le système optique.

Pourquoi la zone de mesure augmente-t-elle avec la distance ?

Parce que le thermomètre possède un champ de vision défini. À mesure que la distance augmente, ce champ couvre une surface réelle plus importante.

Un rapport D:S plus élevé est-il toujours préférable ?

Il offre une meilleure résolution optique pour les petites cibles ou les distances importantes, mais le choix doit également tenir compte de la plage de température, de la précision, du temps de réponse, de l’émissivité et de l’application.

Que se passe-t-il si la cible est plus petite que le spot ?

Le rayonnement des surfaces environnantes peut également être pris en compte et modifier la température affichée.

Peut-on mesurer à travers du verre ordinaire ?

En général, non. Le verre ordinaire n’est pas transparent pour une grande partie du rayonnement infrarouge utilisé par ces appareils.

Une fenêtre optique sale peut-elle affecter la mesure ?

Oui. La poussière, l’huile ou l’humidité peuvent réduire la transmission du rayonnement. La surface optique doit être entretenue conformément aux recommandations du fabricant.

Conclusion

Le système optique constitue un élément essentiel entre la cible et le détecteur infrarouge. Il collecte le rayonnement provenant d’une zone définie et le transmet au capteur.

Il détermine directement le champ de vision, la taille du spot, le rapport D:S et la résolution optique, qui définissent à leur tour la taille de cible pouvant être mesurée à une distance donnée.

En pratique, il ne suffit pas de positionner le laser sur la cible. Il faut également vérifier que le véritable spot de mesure reste entièrement à l’intérieur de la zone souhaitée. Pour les petites cibles ou les mesures à grande distance, le rapport D:S et le diagramme distance/spot sont particulièrement importants.

Une bonne compréhension du système optique permet de choisir une distance de mesure appropriée, de réduire l’influence de l’environnement et d’obtenir des mesures de température sans contact plus fiables.