Introduction
Lorsqu’un thermomètre infrarouge affiche 120,0 °C, cela ne signifie pas que la température réelle de la surface est nécessairement exactement égale à 120,0 °C.
Toute mesure réelle comporte une certaine incertitude. En thermométrie infrarouge, celle-ci dépend non seulement des performances de l’instrument, mais aussi de l’émissivité de la cible, de la température de l’environnement réfléchie par la surface, de la distance de mesure, de la taille de la cible, de l’angle de mesure et des conditions ambiantes.
Dans les applications exigeantes, il ne suffit donc pas de connaître uniquement la valeur affichée. Il faut également savoir quel niveau de confiance peut être associé à cette valeur.
C’est précisément le rôle de l’incertitude de mesure.
Points essentiels
● L’incertitude de mesure fournit une évaluation quantitative de la fiabilité d’un résultat.
● Elle ne correspond ni à une erreur de manipulation ni à la simple spécification d’exactitude de l’instrument.
● En thermométrie infrarouge, elle peut provenir de l’instrument, de la cible, de l’environnement et de la méthode de mesure.
● L’émissivité et la température réfléchie figurent souvent parmi les principales sources d’incertitude.
● Une distance excessive, une cible plus petite que la zone mesurée ou un angle important peuvent accroître l’incertitude.
● Dans les applications professionnelles, les différents facteurs peuvent être réunis dans un budget d’incertitude.
Qu’est-ce que l’incertitude de mesure ?
L’incertitude de mesure peut être définie comme une description quantitative de l’intervalle de valeurs pouvant raisonnablement être associé au mesurande dans des conditions de mesure données.
Par exemple, un thermomètre infrarouge peut indiquer :
120,0 °C
Après évaluation de l’instrument, de l’émissivité, de l’environnement, de la répétabilité et des autres facteurs pertinents, le résultat peut être exprimé ainsi :
120,0 °C ± 2,0 °C
Si ±2,0 °C correspond à une incertitude élargie déterminée selon une méthode appropriée, cette valeur caractérise un intervalle quantifié associé au résultat.
Cela ne signifie pas que la température réelle est garantie entre 118 °C et 122 °C, ni que l’appareil commet une erreur de 2 °C. Une expression rigoureuse de l’incertitude doit, lorsque cela est nécessaire, préciser la méthode d’évaluation, le facteur d’élargissement ou la probabilité de couverture.
Dans une application industrielle courante, on peut retenir que plus l’incertitude est faible, plus le niveau de confiance associé au résultat est généralement élevé.
Quelle est la différence entre incertitude et erreur de mesure ?
Ces deux notions sont souvent confondues.
L’erreur de mesure représente la différence entre :
valeur mesurée − valeur de référence ou valeur vraie
Par exemple, si une température de référence connue est de 100,0 °C et que l’instrument indique 101,2 °C, l’écart par rapport à la référence est d’environ +1,2 °C.
Dans la plupart des mesures réelles, cependant, la valeur vraie exacte n’est pas connue parfaitement. L’erreur réelle ne peut donc pas être déterminée avec certitude.
L’incertitude de mesure répond à une autre question :
Quel niveau de confiance peut-on accorder au résultat ?
Ainsi :
● L’erreur décrit l’écart entre un résultat et une référence.
● L’incertitude décrit quantitativement le doute associé au résultat.
● Un biais systématique connu peut parfois être corrigé.
● Même après correction, une incertitude subsiste généralement.
Erreur et incertitude ne doivent donc pas être considérées comme équivalentes.
Quelle est la différence entre incertitude de mesure et exactitude de l’instrument ?
Les spécifications d’un thermomètre infrarouge indiquent souvent une exactitude telle que :
±1,5 °C
ou :
±1,5 % de la valeur lue
Cette spécification caractérise les performances de l’instrument, mais elle ne représente pas à elle seule l’incertitude totale d’une mesure réelle.
Le résultat peut également être influencé par :
● le réglage de l’émissivité ;
● les réflexions de surface ;
● la distance de mesure ;
● la taille du spot ;
● la température ambiante ;
● l’angle de mesure ;
● l’absorption atmosphérique ;
● l’homogénéité thermique de la cible ;
● la répétabilité.
Par conséquent :
L’exactitude de l’instrument constitue une contribution importante à l’incertitude, mais elle n’en représente pas la totalité.
Même un thermomètre très performant peut fournir un résultat présentant une incertitude importante si l’émissivité est mal réglée ou si la cible ne couvre pas suffisamment la zone mesurée.
Quelles sont les principales sources d’incertitude en thermométrie infrarouge ?
Contrairement à une mesure par contact, le thermomètre infrarouge ne touche pas la cible. Il calcule la température à partir du rayonnement infrarouge reçu depuis sa surface.
Tout facteur modifiant le rayonnement détecté ou sa conversion en température peut donc contribuer à l’incertitude.
Les principales sources peuvent être regroupées comme suit.
● Facteurs liés à l’instrument : exactitude, résolution, répétabilité, stabilité à long terme, caractéristiques du détecteur et état d’étalonnage.
● Facteurs liés à la cible : émissivité, rugosité, oxydation, revêtement, état de surface, dimensions et homogénéité thermique.
● Facteurs environnementaux : température ambiante, rayonnement réfléchi par des objets chauds, vapeur d’eau, fumée, poussières et variation de température de l’instrument.
● Facteurs liés à la méthode : distance de mesure, rapport D:S, angle de visée, couverture complète du spot et méthode d’utilisation.
L’importance relative de chacun dépend de l’application.
Pourquoi l’émissivité est-elle une source importante d’incertitude ?
L’émissivité est l’un des paramètres fondamentaux de la thermométrie infrarouge.
Le thermomètre calcule la température à partir du rayonnement infrarouge émis par la surface. Or, tous les matériaux n’émettent pas le rayonnement thermique avec la même efficacité.
Si l’émissivité réelle est de 0,80 tandis que l’appareil est réglé sur 0,95, la conversion du signal radiatif en température sera incorrecte.
Une attention particulière est nécessaire pour :
● les métaux polis ;
● l’aluminium brillant ;
● l’acier inoxydable ;
● le cuivre ;
● les surfaces métallisées ou plaquées ;
● les surfaces dont l’état évolue au cours du procédé.
Les surfaces peintes, le caoutchouc, les plastiques, le papier et de nombreux matériaux non métalliques présentent généralement une émissivité plus élevée et sont souvent plus faciles à mesurer de manière stable.
Pour les surfaces à faible émissivité, l’incertitude sur la valeur d’émissivité peut devenir l’une des principales composantes de l’incertitude globale.
Pourquoi la température réfléchie influence-t-elle l’incertitude ?
Le rayonnement reçu par le thermomètre infrarouge ne provient pas nécessairement uniquement de la cible.
Pour une surface opaque, le rayonnement détecté peut être représenté de manière simplifiée comme la somme de :
rayonnement émis par la cible + rayonnement ambiant réfléchi par la surface
Les surfaces métalliques à faible émissivité et forte réflectivité sont particulièrement sensibles aux réflexions provenant notamment de :
● fours ;
● conduites chaudes ;
● éléments chauffants ;
● personnes ;
● plafonds ;
● murs ;
● autres équipements chauds.
Si ce rayonnement réfléchi entre dans le champ de vision de l’appareil, il peut modifier la température indiquée.
Lorsque l’environnement thermique varie lui-même au cours de la mesure, cet effet devient encore plus difficile à quantifier et l’incertitude augmente.
Les mesures infrarouges de haute précision doivent donc tenir compte à la fois de l’émissivité et de la température réfléchie de l’environnement.
Pourquoi la distance de mesure influence-t-elle l’incertitude ?
Un thermomètre infrarouge possède un champ de vision optique défini. Sur la plupart des appareils, la zone mesurée augmente avec la distance.
Cette caractéristique est généralement exprimée par le rapport D:S, ou rapport distance/diamètre du spot.
Avec un rapport D:S de 12:1, par exemple, une distance de 1200 mm correspond théoriquement à un spot d’environ 100 mm de diamètre.
Si la cible ne mesure que 50 mm alors que le spot atteint 100 mm, l’instrument peut recevoir un rayonnement provenant :
● de la cible ;
● de l’arrière-plan ;
● des structures environnantes.
La température affichée ne représente alors plus exclusivement la cible.
Afin de réduire cette source d’incertitude, la cible doit être sensiblement plus grande que le spot de mesure, et non simplement égale à son diamètre théorique.
Pourquoi l’angle de mesure peut-il augmenter l’incertitude ?
Idéalement, une mesure infrarouge doit être réalisée aussi perpendiculairement que possible à la surface.
Lorsque l’angle s’éloigne de la normale à la surface :
● le spot devient plus allongé ;
● la zone réellement observée augmente ;
● l’émissivité effective de certains matériaux peut varier ;
● la direction des réflexions thermiques peut également changer.
Pour les surfaces rugueuses et non métalliques à forte émissivité, une variation modérée de l’angle peut avoir peu d’effet.
En revanche, pour les métaux lisses, les surfaces à faible émissivité et les applications de précision, l’angle peut contribuer de manière significative à l’incertitude.
Comment la température ambiante influence-t-elle l’incertitude ?
Les thermomètres infrarouges possèdent eux aussi une plage de température de fonctionnement.
Lorsqu’un appareil passe rapidement d’un environnement froid à une zone chaude, son système optique, son détecteur et son électronique peuvent avoir besoin d’un certain temps pour atteindre un nouvel équilibre thermique.
Une mesure réalisée avant stabilisation peut présenter une incertitude plus élevée.
L’environnement peut également agir en :
● modifiant la température interne de l’appareil ;
● modifiant le rayonnement de fond réfléchi ;
● modifiant la température de la cible ;
● créant des courants d’air ou des gradients thermiques ;
● provoquant condensation ou contamination sur l’optique.
Pour les mesures de précision, il est donc recommandé de laisser l’instrument s’acclimater avant d’effectuer les relevés critiques.
Pourquoi les mesures répétées sont-elles utiles ?
Des mesures répétées sur une même cible stable peuvent produire des valeurs légèrement différentes, par exemple :
120,1 °C
120,3 °C
120,2 °C
120,4 °C
120,2 °C
La dispersion de ces résultats permet d’évaluer la répétabilité.
Dans une analyse d’incertitude, les composantes évaluées statistiquement à partir de mesures répétées relèvent généralement d’une évaluation de type A.
Les informations provenant de certificats d’étalonnage, de spécifications constructeur, de données d’émissivité ou d’autres sources non statistiques sont généralement traitées selon une évaluation de type B.
Les différentes incertitudes-types peuvent ensuite être combinées afin d’obtenir l’incertitude-type composée.
Qu’est-ce qu’un budget d’incertitude ?
En métrologie professionnelle et en laboratoire, il est généralement insuffisant de déclarer simplement qu’une erreur estimée est « d’environ ±2 °C ». On établit plutôt un budget d’incertitude.
Pour une mesure infrarouge, il peut notamment inclure :
● l’incertitude d’étalonnage ;
● la résolution de l’instrument ;
● la répétabilité ;
● le réglage de l’émissivité ;
● la température réfléchie ;
● la distance et la taille du spot ;
● les variations de température ambiante ;
● l’inhomogénéité thermique de la cible.
Chaque contribution est convertie en incertitude-type puis combinée selon une méthode mathématique adaptée.
L’incertitude élargie peut ensuite être exprimée par :
U = k × u₍c₎
où :
● U est l’incertitude élargie ;
● u₍c₎ est l’incertitude-type composée ;
● k est le facteur d’élargissement.
Dans de nombreuses applications, une valeur proche de k = 2 est utilisée et correspond souvent à une probabilité de couverture proche de 95 %. Cette correspondance dépend cependant du modèle de mesure et des distributions de probabilité et ne doit pas être appliquée automatiquement dans tous les cas.
Exemple simple d’incertitude en mesure infrarouge
Supposons qu’un thermomètre infrarouge mesure la surface d’un équipement et affiche :
150,0 °C
Les principales contributions sont évaluées, notamment l’étalonnage, la répétabilité, l’émissivité et la température réfléchie.
Après combinaison, on obtient par exemple :
U = 2,5 °C, k = 2
Le résultat peut alors être indiqué comme suit :
150,0 °C ± 2,5 °C (k = 2)
Cette présentation est plus informative qu’une simple valeur de 150,0 °C.
Elle indique à la fois la valeur mesurée et une évaluation quantitative de sa fiabilité dans les conditions de mesure considérées.
Les ±2,5 °C ne représentent donc pas uniquement l’exactitude propre du thermomètre, mais le résultat de plusieurs contributions combinées.
Comment réduire l’incertitude en thermométrie infrarouge ?
Dans la pratique, l’incertitude peut souvent être réduite en améliorant les conditions et la méthode de mesure.
● Régler correctement l’émissivité selon le matériau au lieu d’utiliser une valeur unique pour toutes les surfaces.
● Tenir particulièrement compte du rayonnement thermique réfléchi sur les métaux à faible émissivité.
● Éviter les distances inutilement grandes et s’assurer que la cible couvre entièrement le spot.
● Mesurer aussi perpendiculairement que possible à la surface.
● Éviter de mesurer à travers du verre ordinaire, des fenêtres en plastique ou des matériaux dont la transmission infrarouge est inconnue.
● Réduire l’influence de la vapeur, de la fumée et des poussières.
● Laisser l’instrument atteindre un équilibre thermique après un changement important de température ambiante.
● Effectuer plusieurs mesures sur les points critiques plutôt que de se fier à une seule lecture.
● Pour les applications de précision, étalonner ou vérifier régulièrement l’instrument avec une référence traçable ou une source corps noir.
● Standardiser la distance, l’angle, l’émissivité et la position de mesure lorsque la reproductibilité est importante.
Pourquoi ne faut-il pas se fier uniquement à l’exactitude indiquée ?
Imaginons deux thermomètres infrarouges présentant les spécifications suivantes :
Instrument A : ±1,0 °C
Instrument B : ±1,5 °C
Sur le papier, l’instrument A semble plus performant.
Mais si, lors de la mesure avec l’instrument A :
● l’émissivité est mal réglée ;
● la distance est trop grande ;
● la cible ne remplit pas le spot ;
● une forte réflexion provenant d’une source chaude est présente ;
alors que l’instrument B est utilisé dans des conditions correctement maîtrisées, le résultat fourni par l’instrument B peut être plus fiable.
La qualité d’une mesure infrarouge ne peut donc pas être évaluée uniquement à partir de la spécification d’exactitude.
Les performances de l’instrument définissent sa capacité de base, tandis que les conditions de mesure déterminent si cette capacité peut réellement être exploitée.
Dans quelles applications l’incertitude est-elle particulièrement importante ?
Lors d’une inspection de maintenance courante, il peut suffire de déterminer si une surface est proche de 40 °C ou de 100 °C. Un budget d’incertitude complet n’est alors généralement pas nécessaire.
L’incertitude devient particulièrement importante pour :
● les mesures de laboratoire ;
● la recherche et le développement ;
● l’étalonnage en température ;
● la vérification de procédés thermiques ;
● les procédés industriels à haute température ;
● le contrôle qualité ;
● la comparaison de plusieurs instruments ;
● les comparaisons interlaboratoires ;
● les contrôles associés à des tolérances définies.
Plus l’exigence métrologique est élevée, plus il est important d’évaluer non seulement la valeur mesurée, mais aussi la confiance que l’on peut lui accorder.
FAQ
Si le thermomètre affiche 100 °C, la température réelle est-elle exactement de 100 °C ?
Pas nécessairement. La valeur affichée est calculée à partir du rayonnement infrarouge reçu et des paramètres utilisés. Les performances de l’instrument, l’émissivité, la température réfléchie, la distance et l’environnement peuvent influencer le résultat.
Une incertitude plus faible est-elle toujours préférable ?
À conditions comparables, une incertitude plus faible signifie généralement une meilleure confiance dans le résultat. Sa réduction peut toutefois nécessiter un instrument plus performant, un meilleur contrôle de l’environnement, un étalonnage plus rigoureux et une méthode de mesure plus standardisée.
Si l’exactitude de l’instrument est de ±1,5 °C, l’incertitude vaut-elle également ±1,5 °C ?
Non. ±1,5 °C correspond généralement à une spécification de l’instrument. L’incertitude réelle peut aussi inclure l’étalonnage, la répétabilité, l’émissivité, les réflexions, la distance de mesure et les conditions ambiantes.
Faut-il calculer l’incertitude à chaque utilisation ?
Non. Les inspections industrielles courantes et le dépannage ne nécessitent généralement pas de calcul complet. Une évaluation systématique devient importante en laboratoire, en étalonnage, en contrôle qualité et lorsqu’une tolérance de mesure est spécifiée.
Qu’est-ce qui influence le plus l’incertitude : l’émissivité ou l’exactitude de l’instrument ?
Il n’existe pas de réponse unique. Pour des surfaces stables à forte émissivité, les performances de l’instrument peuvent être déterminantes. Pour des métaux polis et d’autres surfaces à faible émissivité, l’émissivité et la température réfléchie peuvent avoir une influence nettement supérieure.
Conclusion
En thermométrie infrarouge, l’incertitude de mesure ne signifie pas simplement « de combien l’appareil peut se tromper ». Il s’agit d’un concept métrologique utilisé pour quantifier le niveau de confiance associé au résultat.
Elle peut inclure des contributions provenant de l’exactitude et de l’étalonnage de l’instrument, de la répétabilité, de l’émissivité, de la température réfléchie, de la taille de la cible, de la distance, de l’angle de mesure et des conditions ambiantes.
L’une des principales particularités de la thermométrie infrarouge est sa forte dépendance aux propriétés radiatives de la surface. Même avec un instrument très performant, un mauvais réglage de l’émissivité, une couverture insuffisante du spot ou des réflexions mal maîtrisées peuvent entraîner une incertitude importante.
Pour les mesures courantes, un réglage correct de l’émissivité, une distance et un angle adaptés, une couverture suffisante de la cible et des conditions ambiantes stables améliorent sensiblement la fiabilité.
Pour les laboratoires, l’étalonnage, le contrôle qualité et les applications de haute précision, il convient en revanche d’établir un budget d’incertitude complet permettant d’évaluer systématiquement les différentes contributions.
