Introduction

Un thermomètre infrarouge ne mesure pas la température par contact direct. Il détecte le rayonnement infrarouge émis par la surface cible et calcule sa température en fonction de l’intensité reçue, de l’émissivité et d’autres paramètres.

Deux objets présentant exactement la même température réelle peuvent donc produire des signaux infrarouges différents si leur matériau ou leur état de surface diffère.

La rugosité de surface fait partie des facteurs susceptibles de modifier les caractéristiques radiatives d’une surface.

Cet effet est particulièrement important lors de la mesure des métaux. Un même matériau peut présenter un comportement infrarouge différent selon qu’il est poli, meulé, sablé, oxydé ou revêtu. L’utilisation d’une valeur d’émissivité identique pour tous ces états de surface peut alors entraîner des écarts de mesure.

Points essentiels

● La mesure de température infrarouge dépend fortement de l’émissivité de la surface cible.
● La rugosité peut modifier à la fois l’émission et la réflexion du rayonnement infrarouge.
● De nombreux métaux polis et lisses présentent généralement une faible émissivité et une forte réflectivité.
● Les surfaces métalliques rugueuses, oxydées ou traitées sont souvent plus faciles à mesurer de manière stable que les surfaces très polies.
● La rugosité n’est pas le seul facteur déterminant l’émissivité : le matériau, l’oxydation, le revêtement, la longueur d’onde et la température interviennent également.
● Pour les surfaces à faible émissivité, le réglage doit correspondre à l’état réel de la surface plutôt qu’au seul nom du matériau.

Pourquoi la mesure infrarouge dépend-elle de l’état de surface ?

Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement infrarouge. Toutefois, toutes les surfaces ne rayonnent pas l’énergie infrarouge avec la même efficacité.

Cette propriété est exprimée par l’émissivité ε. Un corps noir idéal possède une émissivité égale à 1, tandis que les matériaux réels présentent généralement des valeurs inférieures.

Pour un objet opaque, on peut utiliser la relation simplifiée suivante :

Émissivité ε + Réflectivité ρ ≈ 1

Ainsi, lorsqu’une surface présente une faible émissivité, elle réfléchit généralement une proportion plus importante du rayonnement infrarouge provenant de son environnement.

Le signal reçu par le thermomètre infrarouge peut donc comprendre :

● Le rayonnement infrarouge émis directement par l’objet mesuré ;
● Le rayonnement infrarouge environnant réfléchi par sa surface vers l’instrument.

Plus une surface réfléchit le rayonnement de son environnement, plus le résultat peut être influencé par les sources de chaleur voisines, les machines, les murs, l’opérateur ou d’autres objets.

Pourquoi la rugosité modifie-t-elle le comportement du rayonnement infrarouge ?

À l’échelle microscopique, une surface réelle n’est jamais parfaitement plane. Le meulage, le sablage, le moulage, la corrosion et d’autres procédés créent de nombreux reliefs et cavités microscopiques.

Ces structures modifient l’interaction du rayonnement infrarouge avec la surface.

Sur une surface très lisse, le rayonnement incident tend davantage à produire une réflexion spéculaire, comparable à celle d’un miroir. Le thermomètre peut alors recevoir le rayonnement réfléchi d’une source thermique située dans une direction précise.

Une surface rugueuse diffuse davantage le rayonnement dans plusieurs directions. Une partie du rayonnement peut également subir plusieurs réflexions et absorptions à l’intérieur des microcavités.

Pour de nombreux matériaux, en particulier les métaux, ce phénomène peut augmenter l’émissivité effective et réduire le caractère fortement spéculaire de la réflexion.

Un même métal peut donc présenter un comportement très différent en mesure infrarouge selon sa finition de surface.

Pourquoi les surfaces métalliques brillantes sont-elles particulièrement difficiles à mesurer ?

Les métaux brillants et polis figurent parmi les cibles les plus délicates en thermométrie infrarouge.

L’aluminium non oxydé, l’acier inoxydable, le cuivre et d’autres métaux similaires peuvent présenter une émissivité infrarouge relativement faible et une réflectivité élevée.

Une faible proportion du rayonnement reçu par le thermomètre peut alors provenir directement du métal, tandis qu’une part plus importante peut correspondre au rayonnement ambiant réfléchi.

Par exemple, si une surface métallique polie et chaude réfléchit le rayonnement infrarouge d’un environnement plus froid, la température indiquée peut être inférieure à la température réelle. À l’inverse, la réflexion provenant d’un appareil de chauffage, d’une machine chaude ou de l’opérateur peut entraîner une valeur trop élevée.

Une erreur observée sur un métal brillant n’indique donc pas nécessairement un manque de précision de l’instrument. Elle peut principalement provenir des propriétés radiatives de la surface.

Une surface plus rugueuse possède-t-elle toujours une émissivité plus élevée ?

Il serait incorrect d’affirmer que « plus la surface est rugueuse, plus son émissivité est élevée » dans toutes les situations.

Pour de nombreux métaux à faible émissivité, le meulage, le sablage ou une autre forme de rugosification peuvent augmenter l’émissivité effective par rapport à une surface fortement polie. Toutefois, l’émissivité réelle dépend également de nombreux autres paramètres.

Parmi eux :

● La nature du matériau ;
● Le degré d’oxydation ;
● La présence d’huile, de poussière, de corrosion ou de contamination ;
● La présence de peinture, de revêtement ou de dépôt métallique ;
● La plage de longueurs d’onde infrarouges utilisée ;
● La température de l’objet ;
● Le procédé de finition de surface.

La rugosité n’est donc qu’un facteur parmi plusieurs déterminant l’émissivité.

Pour de nombreux matériaux non métalliques à forte émissivité, comme certains plastiques, caoutchoucs, bois, céramiques et peintures, l’influence relative de la rugosité est généralement moins importante que pour les métaux brillants.

Pourquoi les métaux oxydés sont-ils souvent plus faciles à mesurer ?

L’oxydation peut modifier sensiblement les propriétés optiques et infrarouges d’une surface métallique.

Une couche d’oxyde peut se former sur une surface initialement brillante, réduire sa réflectivité et augmenter sa capacité à émettre du rayonnement infrarouge. Dans de nombreuses applications, un métal oxydé présente donc une émissivité nettement supérieure à celle du même matériau lorsqu’il est propre et poli.

Une même pièce métallique peut par exemple comporter :

● Une zone brillante récemment usinée ;
● Une zone meulée ou mate ;
● Une zone oxydée ;
● Une zone contaminée par de l’huile ou recouverte d’un revêtement.

Même si la température réelle de ces zones est très proche, un thermomètre infrarouge utilisant la même valeur d’émissivité peut afficher des températures différentes.

Il est donc préférable, dans les applications industrielles, de mesurer des zones présentant un état de surface homogène.

La rugosité modifie également la direction de la réflexion infrarouge

La rugosité influence non seulement l’émissivité, mais également la manière dont le rayonnement infrarouge est réfléchi.

Les métaux lisses peuvent présenter une réflexion spéculaire prononcée. Lorsque l’angle de mesure change, la quantité et l’origine du rayonnement ambiant réfléchi vers l’instrument peuvent également changer.

Les surfaces rugueuses diffusent généralement davantage la réflexion et se comportent moins comme un miroir infrarouge orienté dans une direction particulière.

Une même surface métallique brillante peut ainsi fournir des mesures différentes selon l’angle d’observation.

Pour limiter cet effet :

● Mesurer aussi près que possible de la normale à la surface ;
● Éviter les objets très chauds ou très froids à proximité immédiate ;
● Éviter que le rayonnement thermique de l’opérateur soit réfléchi par la surface vers le thermomètre ;
● Maintenir un angle et une position de mesure constants lors des comparaisons.

Comment régler l’émissivité pour des surfaces de rugosité différente ?

Si le thermomètre infrarouge permet de régler l’émissivité, celle-ci doit correspondre à l’état réel de la surface, et non uniquement au nom du matériau.

Il n’existe par exemple pas une seule valeur d’émissivité de l’acier inoxydable valable pour toutes les situations.

L’acier inoxydable poli, brossé, oxydé ou revêtu peut présenter des valeurs d’émissivité très différentes.

Pour les mesures nécessitant une meilleure exactitude, il est possible de :

● Consulter des données d’émissivité correspondant à la fois au matériau et à son état de surface précis ;
● Déterminer une valeur d’émissivité appropriée à partir d’une mesure de température de référence ;
● Lorsque cela est possible, appliquer un ruban à forte émissivité connue ou un revêtement adapté sur la zone de mesure ;
● Pour un suivi à long terme d’un même équipement, conserver la même zone de mesure et un état de surface comparable.

Une valeur issue d’un tableau générique doit donc être considérée comme une référence initiale plutôt que comme une valeur universelle.

Pourquoi faut-il conserver un état de surface comparable lors des mesures comparatives ?

Dans les opérations de maintenance, la thermométrie infrarouge est souvent utilisée pour comparer la température de plusieurs points.

Il peut s’agir, par exemple, de roulements, de carters de moteur, de connexions électriques ou de tuyauteries métalliques.

Si les états de surface sont différents, par exemple si une zone est polie et une autre oxydée, les températures indiquées peuvent différer même lorsque les températures réelles sont identiques.

Pour améliorer la pertinence des comparaisons :

● Mesurer des matériaux identiques ou similaires ;
● Conserver des niveaux de rugosité et d’oxydation comparables ;
● Utiliser un réglage d’émissivité approprié et cohérent ;
● Maintenir une distance et un angle de mesure similaires ;
● Vérifier que la zone de mesure se trouve entièrement à l’intérieur de la cible.

Le contrôle de ces paramètres améliore la comparabilité et la répétabilité des mesures.

Comment réduire l’influence de la rugosité dans la pratique ?

Pour les surfaces présentant naturellement une forte émissivité, la rugosité nécessite généralement peu de précautions particulières. Les métaux et autres matériaux à faible émissivité demandent davantage d’attention.

Quelques bonnes pratiques :

● Identifier avant la mesure si la surface est brillante, mate, oxydée ou revêtue ;
● Ne pas considérer que tous les états de surface d’un même matériau possèdent la même émissivité ;
● Choisir si possible une zone présentant une rugosité et un état de surface homogènes ;
● Éviter les zones fortement réfléchissantes ou exposées aux réflexions de sources thermiques voisines ;
● Appliquer une correction d’émissivité appropriée sur les métaux à faible émissivité ;
● Lorsque la modification de la surface est autorisée, utiliser un ruban à forte émissivité ou un revêtement adapté comme zone de référence ;
● Pour le suivi de tendances, conserver la même position, la même distance, le même angle et le même état de surface.

L’objectif n’est pas simplement de « rendre la surface plus rugueuse ». Il s’agit surtout de connaître et de maîtriser l’émissivité et la réflectivité de la surface réellement mesurée.

FAQ

Une surface plus rugueuse garantit-elle une mesure infrarouge plus précise ?
Non. De nombreux métaux à faible émissivité sont plus faciles à mesurer après rugosification, mais l’exactitude dépend également du réglage d’émissivité, du rayonnement ambiant réfléchi, de l’angle, de la taille de la zone de mesure et des performances de l’instrument.

Pourquoi différentes zones d’un même métal peuvent-elles afficher des températures différentes ?
Outre de véritables différences de température, les variations de polissage, d’oxydation, d’usure, de contamination, de corrosion ou de revêtement peuvent modifier l’émissivité et donc la température infrarouge affichée.

Un métal mat est-il plus facile à mesurer qu’un métal poli ?
Dans de nombreux cas, oui. Les surfaces mates, meulées ou oxydées présentent généralement des caractéristiques infrarouges plus favorables que les surfaces fortement polies. L’émissivité doit néanmoins être adaptée au matériau et à l’état de surface réels.

La rugosité influence-t-elle aussi fortement les plastiques et les caoutchoucs ?
En général, son influence est moins importante que sur les métaux brillants. De nombreux plastiques, caoutchoucs, peintures et autres matériaux non métalliques possèdent déjà une émissivité relativement élevée. Le comportement exact dépend toutefois du matériau et de la plage spectrale de mesure.

Peut-on utiliser directement le tableau d’émissivité fourni dans le manuel ?
Oui, comme référence. Toutefois, ces valeurs correspondent généralement à des matériaux, états de surface, températures et plages spectrales spécifiques. L’oxydation, l’usinage, les contaminations et les revêtements réels doivent également être pris en compte.

Conclusion

La rugosité de surface influence la mesure de température infrarouge parce qu’elle modifie la manière dont une surface émet et réfléchit le rayonnement infrarouge.

Pour de nombreux métaux, les surfaces fortement polies présentent une faible émissivité et une forte réflectivité, ce qui les rend particulièrement sensibles au rayonnement réfléchi provenant de l’environnement. Le meulage, l’oxydation ou d’autres traitements de surface peuvent augmenter l’émissivité effective et rendre la mesure plus stable.

La rugosité n’est toutefois pas le seul paramètre à considérer. Le matériau, l’oxydation, le revêtement, la plage spectrale, l’angle de mesure et le rayonnement ambiant réfléchi influencent également le résultat.

Pour obtenir des mesures infrarouges fiables, il est donc plus important d’identifier l’état réel de la surface mesurée que de sélectionner une valeur d’émissivité uniquement en fonction du nom du matériau. Un réglage approprié de l’émissivité et des conditions de mesure constantes sont essentiels, notamment pour les surfaces à faible émissivité et fortement réfléchissantes.