Introduction
Un thermomètre infrarouge ne mesure pas directement la température « réelle » d’un objet. Il détecte le rayonnement infrarouge reçu dans une plage spectrale définie, puis détermine la température de surface à partir de l’énergie rayonnée.
Lorsqu’un rayonnement atteint un matériau, une partie peut être absorbée, une autre réfléchie et une autre encore transmise à travers le matériau. Parallèlement, tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet son propre rayonnement thermique.
Pour comprendre correctement la mesure de température sans contact, trois paramètres sont donc essentiels : l’émissivité ε, la réflectivité ρ et la transmissivité τ.
Ces paramètres ne sont pas indépendants. Dans des conditions données de longueur d’onde, de direction, de température et d’état de surface, ils sont liés par un bilan énergétique qui influence directement le résultat de la mesure infrarouge.
Points essentiels
● L’émissivité décrit la capacité d’une surface à émettre un rayonnement thermique.
● La réflectivité décrit la capacité d’une surface à réfléchir le rayonnement incident.
● La transmissivité indique la part du rayonnement incident qui traverse un matériau.
● Pour un rayonnement incident, l’absorptivité α, la réflectivité ρ et la transmissivité τ vérifient : α + ρ + τ = 1.
● Selon la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique, à l’équilibre thermique et pour une même longueur d’onde et une même direction : ε = α.
● Dans ces conditions : ε + ρ + τ = 1.
● Pour la plupart des matériaux opaques rencontrés en thermométrie infrarouge, τ≈0 ; on peut donc généralement considérer que ε + ρ ≈ 1.
● Une faible émissivité est généralement associée à une forte réflectivité, ce qui augmente l’influence du rayonnement réfléchi par l’environnement.
Qu’est-ce que l’émissivité ?
L’émissivité ε indique la capacité d’une surface réelle à émettre un rayonnement thermique par rapport à un corps noir idéal porté à la même température.
Pour un corps noir idéal :
ε = 1
Pour un matériau réel, l’émissivité se situe généralement dans l’intervalle :
0 ≤ ε ≤ 1
De nombreux matériaux non métalliques, revêtements et surfaces oxydées présentent une émissivité infrarouge relativement élevée. Les surfaces métalliques propres ou polies ont souvent une émissivité nettement plus faible.
L’émissivité est particulièrement importante pour un thermomètre infrarouge, car l’instrument doit déterminer quelle part du rayonnement détecté provient réellement de la surface mesurée.
Si l’émissivité réelle d’une surface est de 0,30 alors que l’appareil est réglé sur 0,95, l’erreur de température peut devenir importante.
L’émissivité ne doit pas être considérée comme une valeur absolument fixe propre à un matériau. Elle peut varier avec la longueur d’onde, la température, la rugosité, l’oxydation, le revêtement et l’angle d’observation.
Qu’est-ce que la réflectivité ?
La réflectivité ρ représente la fraction du rayonnement incident réfléchie par une surface.
Une réflectivité élevée signifie qu’une proportion plus importante du rayonnement infrarouge provenant de l’environnement est renvoyée par la surface.
Les métaux polis, par exemple, présentent souvent une forte réflectivité dans l’infrarouge. Lorsqu’ils sont mesurés avec un thermomètre infrarouge, le détecteur peut recevoir non seulement le rayonnement propre du métal, mais également celui des murs, machines, équipements chauffants ou même de l’opérateur, après réflexion sur la surface.
C’est pourquoi les surfaces à faible émissivité et forte réflectivité sont plus difficiles à mesurer avec précision.
La réflectivité infrarouge ne doit pas être confondue avec l’aspect visible d’une surface. Une surface brillante ou mate à l’œil nu peut se comporter différemment dans la plage spectrale utilisée par le thermomètre infrarouge.
Qu’est-ce que la transmissivité ?
La transmissivité τ correspond à la fraction du rayonnement incident qui traverse un matériau.
De nombreux matériaux solides couramment mesurés, notamment les métaux, le bois, les parois, les céramiques et les plastiques suffisamment épais, peuvent généralement être considérés comme opaques dans la plage spectrale des thermomètres infrarouges courants. Dans ce cas :
τ ≈ 0
Certains matériaux peuvent toutefois transmettre une part significative du rayonnement dans des bandes infrarouges particulières. C’est notamment le cas de certains films minces, de certains plastiques et de matériaux optiques spécialement conçus pour l’infrarouge.
La transparence dans le visible ne signifie donc pas nécessairement transparence dans l’infrarouge.
Le verre ordinaire transmet efficacement la lumière visible, mais il est généralement opaque dans l’infrarouge à grandes longueurs d’onde utilisé par de nombreux thermomètres infrarouges portables. Une mesure effectuée à travers une vitre ordinaire ne correspond donc généralement pas à la température réelle de la surface située derrière celle-ci.
Quelle relation existe entre l’émissivité, la réflectivité et la transmissivité ?
Selon le principe de conservation de l’énergie, un rayonnement arrivant sur un matériau peut suivre trois voies principales :
● Une partie est absorbée.
● Une partie est réfléchie.
● Une partie est transmise.
On obtient donc :
α + ρ + τ = 1
avec :
● α = absorptivité ;
● ρ = réflectivité ;
● τ = transmissivité.
Selon la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique, à l’équilibre thermique, pour une même longueur d’onde et une même direction :
ε = α
Il en résulte :
ε + ρ + τ = 1
Cette relation constitue une base importante pour comprendre le comportement radiatif des matériaux dans l’infrarouge.
En pratique, ces paramètres dépendent de la longueur d’onde. Il est donc plus rigoureux de considérer l’émissivité, la réflectivité et la transmissivité dans la plage spectrale utilisée par l’instrument.
Pourquoi peut-on généralement utiliser ε + ρ ≈ 1 pour les matériaux opaques ?
Pour de nombreux objets mesurés en thermométrie infrarouge, la transmission est négligeable :
τ ≈ 0
En remplaçant dans :
ε + ρ + τ = 1
on obtient :
ε + ρ ≈ 1
Pour un matériau opaque, une forte émissivité est donc généralement associée à une faible réflectivité, tandis qu’une faible émissivité s’accompagne d’une réflectivité élevée.
À titre illustratif :
● Si ε = 0,95, ρ est d’environ 0,05.
● Si ε = 0,80, ρ est d’environ 0,20.
● Si ε = 0,20, ρ peut être d’environ 0,80.
Ces valeurs servent uniquement à illustrer le bilan énergétique et ne constituent pas des valeurs universelles pour tous les matériaux réels.
Cette relation explique également pourquoi les surfaces à forte émissivité sont généralement plus faciles à mesurer : une plus grande part du signal détecté provient directement de l’objet, tandis que l’influence du rayonnement ambiant réfléchi est plus faible.
Pourquoi les surfaces à faible émissivité sont-elles plus difficiles à mesurer avec précision ?
Supposons qu’une surface métallique opaque présente une émissivité de seulement 0,20. Dans des conditions simplifiées, sa réflectivité peut être proche de :
ρ ≈ 0,80
La surface émet alors relativement peu de rayonnement thermique propre, mais réfléchit fortement le rayonnement infrarouge de son environnement.
Si des équipements chauffants, fours, machines ou autres sources chaudes se trouvent à proximité, leur rayonnement peut être réfléchi par le métal vers le thermomètre infrarouge.
À l’inverse, un environnement nettement plus froid peut également influencer la mesure d’un objet métallique chaud.
La difficulté associée à une faible émissivité ne tient donc pas uniquement au fait que la surface « émet moins d’infrarouge ». Le principal problème est que le rayonnement réfléchi par l’environnement peut représenter une part beaucoup plus importante du signal total reçu par l’instrument.
Les surfaces en aluminium poli, acier inoxydable, cuivre ou matériaux similaires nécessitent donc une attention particulière.
Une forte émissivité garantit-elle toujours une meilleure précision ?
Non.
Les surfaces à forte émissivité sont généralement plus faciles à mesurer, car une plus grande partie du signal détecté provient de l’objet lui-même et l’influence des réflexions ambiantes est réduite.
Cependant, la précision globale dépend aussi de plusieurs autres facteurs :
● Réglage correct de l’émissivité ;
● Taille de la cible par rapport au spot de mesure ;
● Distance de mesure adaptée ;
● Angle de mesure approprié ;
● Propreté de l’optique ;
● Présence de vapeur, de fumée ou de fortes sources infrarouges ;
● Précision nominale de l’instrument et plage de réponse spectrale.
L’émissivité est donc un facteur essentiel, mais elle n’est pas le seul élément déterminant.
Pourquoi ne peut-on pas appliquer simplement ε + ρ = 1 aux matériaux transparents ?
Lorsqu’un matériau transmet une quantité significative de rayonnement dans la plage de fonctionnement du thermomètre :
τ ≠ 0
La relation simplifiée :
ε + ρ = 1
n’est alors plus valable.
Il faut considérer la relation complète :
ε + ρ + τ = 1
Pour un matériau transmettant l’infrarouge, le détecteur peut recevoir simultanément le rayonnement propre du matériau, le rayonnement ambiant réfléchi et le rayonnement transmis depuis des objets situés derrière le matériau.
L’interprétation de la mesure devient donc plus complexe que pour une cible opaque.
Lorsqu’une mesure doit être effectuée à travers une fenêtre, un film ou un autre milieu transparent, il est nécessaire de vérifier sa transmission spectrale dans la plage de fonctionnement réelle du thermomètre infrarouge. L’apparence visuelle du matériau ne suffit pas.
La couleur visible et l’émissivité infrarouge sont-elles identiques ?
Non.
La couleur visible dépend principalement de l’absorption et de la réflexion de la lumière dans la plage d’environ 380 à 780 nm, tandis que les thermomètres infrarouges fonctionnent à des longueurs d’onde beaucoup plus importantes.
Ainsi :
● Un objet noir ne présente pas nécessairement la même forte émissivité dans toutes les bandes infrarouges.
● Un objet blanc n’a pas nécessairement une faible émissivité infrarouge.
● Un matériau transparent à l’œil nu peut être opaque dans l’infrarouge.
● Une surface apparemment peu réfléchissante peut présenter une forte réflectivité dans l’infrarouge.
Une mesure de température infrarouge doit donc s’appuyer sur les propriétés radiatives du matériau dans la plage spectrale réelle de l’instrument, et non uniquement sur son apparence visible.
Quelle est l’importance pratique de ces paramètres en thermométrie infrarouge ?
Comprendre la relation entre ε, ρ et τ permet d’identifier de nombreuses causes d’erreur de mesure.
● Les surfaces à forte émissivité, faible réflectivité et faible transmissivité sont généralement les plus faciles à mesurer sans contact.
● Les surfaces à faible émissivité et forte réflectivité sont davantage influencées par le rayonnement infrarouge ambiant.
● Les matériaux transmissifs dans l’infrarouge peuvent conduire le détecteur à recevoir également le rayonnement d’objets situés derrière eux.
● Pour les métaux brillants, il ne suffit pas toujours de simplement orienter correctement le thermomètre vers la cible.
● Avant de mesurer à travers du verre ou un matériau transparent, il convient de vérifier sa transmission dans la plage infrarouge de l’instrument.
● Avec un thermomètre à émissivité réglable, le réglage doit autant que possible correspondre au matériau et à l’état réel de la surface.
Pour les surfaces fortement réfléchissantes, il faut également tenir compte de la présence éventuelle d’objets très chauds ou d’autres sources infrarouges intenses dans l’environnement.
FAQ
L’émissivité et la réflectivité ont-elles toujours une somme égale à 1 ?
Non. L’approximation ε+ρ≈1 n’est valable que pour les matériaux pratiquement opaques dans la plage infrarouge concernée, c’est-à-dire lorsque τ≈0. Si la transmission est significative, il faut utiliser ε+ρ+τ=1.
Une faible émissivité signifie-t-elle que l’objet est froid ?
Non. L’émissivité décrit la capacité d’une surface à émettre un rayonnement thermique, et non sa température réelle. Deux objets à la même température peuvent produire des niveaux de rayonnement infrarouge très différents selon leur émissivité.
Pourquoi une forte réflectivité influence-t-elle la mesure infrarouge ?
Parce que le thermomètre peut détecter du rayonnement provenant de l’environnement et réfléchi par la surface cible. Plus la réflectivité est élevée, plus l’influence potentielle de l’environnement est importante.
Un matériau transparent possède-t-il toujours une transmissivité élevée ?
Non. La transparence dépend de la longueur d’onde. Un matériau transparent dans le visible peut être opaque dans l’infrarouge, et inversement.
Pourquoi les métaux polis sont-ils difficiles à mesurer avec un thermomètre infrarouge ?
Ils présentent généralement une faible émissivité infrarouge et une forte réflectivité. Le rayonnement ambiant réfléchi peut donc représenter une part importante du signal reçu et entraîner des erreurs significatives si l’émissivité et l’environnement ne sont pas correctement pris en compte.
Conclusion
L’émissivité, la réflectivité et la transmissivité décrivent les principales interactions d’un matériau avec l’énergie rayonnée.
Pour le rayonnement incident :
α + ρ + τ = 1
À l’équilibre thermique, la loi de Kirchhoff établit :
ε = α
On obtient donc :
ε + ρ + τ = 1
Pour les matériaux opaques les plus couramment mesurés avec un thermomètre infrarouge, τ≈0, ce qui permet d’écrire approximativement :
ε + ρ ≈ 1
Cette relation explique pourquoi les surfaces à forte émissivité sont généralement plus faciles à mesurer de manière fiable, tandis que les surfaces à faible émissivité et forte réflectivité sont davantage influencées par le rayonnement de l’environnement.
Dans la pratique, il convient également de prendre en compte le type de matériau, l’état de surface, la plage spectrale de l’instrument, l’angle de mesure et l’environnement thermique. Le nom du matériau, sa couleur visible ou sa transparence apparente ne suffisent pas à déterminer correctement son comportement infrarouge.
