Introduction

Lorsqu’un thermomètre infrarouge est dirigé vers une surface en verre, la température affichée peut être sensiblement différente de la valeur attendue. Il est également généralement impossible de mesurer correctement la température réelle d’un objet situé derrière la vitre. Cette situation conduit souvent à penser qu’un thermomètre infrarouge ne peut pas mesurer le verre.

Cette affirmation mérite toutefois d’être nuancée.

Un thermomètre infrarouge industriel classique peut souvent mesurer la température de surface du verre lui-même, à condition que les conditions de mesure soient adaptées. En revanche, il ne peut généralement pas « voir à travers » une vitre ordinaire afin de mesurer un objet situé derrière, contrairement à la lumière visible.

Le résultat dépend également de la nature du verre, de son épaisseur, du traitement de surface, de l’émissivité, du rayonnement réfléchi par l’environnement et de la bande spectrale de l’instrument.

Il est donc essentiel de comprendre ce que mesure réellement un thermomètre infrarouge.

Points essentiels

● Un thermomètre infrarouge mesure le rayonnement infrarouge qui atteint son détecteur depuis la zone ciblée, et non directement la température à l’intérieur du matériau.
● Un matériau transparent dans le visible n’est pas nécessairement transparent dans l’infrarouge.
● De nombreux thermomètres infrarouges industriels fonctionnent approximativement dans la bande de 8 à 14 μm, où une vitre ordinaire ne peut généralement pas être considérée comme transparente.
● L’appareil mesure donc principalement le rayonnement provenant de la surface du verre et non la température d’un objet situé derrière.
● La réflexion de surface, le réglage de l’émissivité, l’angle de mesure et l’environnement thermique influencent la précision.
● Une mesure à travers une fenêtre de protection nécessite un matériau de fenêtre et un système de mesure adaptés à la même plage spectrale infrarouge.

Que mesure réellement un thermomètre infrarouge ?

Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique, dont une partie se situe dans le domaine infrarouge.

Le système optique du thermomètre collecte ce rayonnement et le dirige vers un détecteur infrarouge. L’instrument calcule ensuite la température de surface à partir du signal détecté, de l’émissivité, des conditions ambiantes et de ses paramètres d’étalonnage internes.

Le rayonnement reçu peut comprendre :

● Le rayonnement émis par la surface cible ;
● Le rayonnement infrarouge ambiant réfléchi par cette surface ;
● Pour certains matériaux transparents ou semi-transparents dans l’infrarouge, une composante transmise depuis l’arrière du matériau.

La précision dépend donc de l’importance relative de ces différentes composantes.

Pourquoi peut-on voir à travers le verre sans pouvoir nécessairement mesurer à travers avec un thermomètre infrarouge ?

C’est l’une des principales sources de confusion.

L’œil humain perçoit principalement la lumière visible, approximativement entre 0,4 et 0,7 μm. Le verre ordinaire présente une bonne transmission dans cette plage de longueurs d’onde, ce qui permet de voir les objets placés derrière une vitre.

Un thermomètre infrarouge fonctionne toutefois dans une autre plage spectrale.

De nombreux instruments industriels utilisent une bande d’environ 8 à 14 μm. Dans cet infrarouge lointain, les propriétés optiques du verre ordinaire diffèrent fortement de celles observées dans le domaine visible.

Lorsque le thermomètre est dirigé vers une vitre, le détecteur ne reçoit donc généralement pas l’intégralité du rayonnement infrarouge émis par l’objet situé derrière. Il reçoit principalement le rayonnement propre de la vitre ainsi que le rayonnement infrarouge réfléchi par sa surface.

C’est pourquoi un thermomètre infrarouge standard ne permet généralement pas de mesurer correctement, à travers une vitre ordinaire, la température d’une machine, d’une canalisation ou d’un autre équipement.

Un thermomètre infrarouge peut-il mesurer la température de surface du verre ?

Oui, dans des conditions adaptées.

Si l’objectif consiste à mesurer la surface du verre lui-même, la mesure infrarouge est souvent possible. Le verre n’étant pas un corps noir idéal, l’émissivité et le rayonnement réfléchi doivent toutefois être pris en compte.

Par exemple, lors de la mesure d’un panneau de verre chauffé, une part importante du rayonnement reçu par l’instrument peut provenir directement de la surface du verre. Une température de surface pertinente peut alors être obtenue si les conditions de mesure sont correctement maîtrisées.

En revanche, si le thermomètre est dirigé à travers le verre vers un moteur, un élément chauffant ou un autre objet, la valeur affichée ne représente généralement pas la température réelle de cet objet.

Il faut donc distinguer clairement :

● La mesure de la température de surface du verre, généralement possible sous certaines conditions ;
● La mesure d’un objet à travers une vitre ordinaire, généralement impossible avec un thermomètre infrarouge standard.

Pourquoi la mesure de la surface du verre peut-elle rester imprécise ?

Les erreurs proviennent généralement de plusieurs facteurs combinés.

● Réglage incorrect de l’émissivité : si la valeur programmée diffère sensiblement de l’émissivité réelle de la surface, la température calculée sera faussée.
● Réflexion de surface : le verre réfléchit une partie du rayonnement thermique environnant. Des personnes, fours, chauffages, lampes ou équipements chauds peuvent donc influencer la mesure.
● Traitements de surface différents : verre transparent, verre traité, verre Low-E, verre miroir, verre dépoli et autres surfaces revêtues peuvent présenter des propriétés infrarouges très différentes.
● Angle de mesure excessif : une mesure fortement inclinée peut augmenter l’influence des réflexions. Une orientation aussi proche que possible de la normale à la surface est généralement préférable.
● Zone cible insuffisante : à grande distance, le diamètre du spot de mesure peut dépasser la zone en verre et intégrer le rayonnement de surfaces voisines.
● Écart thermique important entre les deux faces : la température d’une face du verre ne correspond pas nécessairement à la température du matériau entier, de l’autre face ou d’un objet situé derrière.

Pourquoi ne peut-on pas mesurer la température d’un équipement à travers une vitre ?

Prenons l’exemple d’une machine chaude placée derrière un hublot en verre.

Même si elle reste parfaitement visible, son rayonnement thermique ne traverse pas nécessairement la vitre dans la plage spectrale utilisée par le thermomètre.

L’instrument reçoit alors principalement :

● Le rayonnement thermique propre de la vitre ;
● Le rayonnement ambiant réfléchi par la surface du verre ;
● Une éventuelle composante transmise, limitée et dépendante du matériau, de l’épaisseur et de la longueur d’onde.

La température affichée peut ainsi être beaucoup plus proche de celle de la vitre que de celle de la machine située derrière.

Pourquoi le verre réfléchit-il le rayonnement infrarouge de l’environnement ?

Le rayonnement détecté par l’instrument ne provient pas toujours exclusivement de la cible.

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

Émissivité + Réflectivité ≈ 1

Lorsque l’émissivité d’une surface diminue, l’influence du rayonnement infrarouge réfléchi tend à augmenter.

Une surface vitrée réfléchissante peut ainsi renvoyer vers le thermomètre le rayonnement provenant de sources thermiques voisines.

Par exemple :

● Le rayonnement thermique de l’opérateur peut être réfléchi par la vitre ;
● Un four ou un chauffage voisin peut perturber la mesure ;
● Dans un environnement chaud, une surface vitrée froide peut présenter une température apparente supérieure à sa température réelle.

La position de mesure et l’environnement thermique doivent donc être soigneusement maîtrisés.

Comment améliorer la précision de la mesure d’une surface en verre ?

Lorsque l’objectif est de mesurer la surface du verre, les précautions suivantes sont recommandées :

● Vérifier que la mesure concerne bien la surface du verre et non l’objet situé derrière.
● Régler l’émissivité en fonction du type de verre et de son état de surface.
● Mesurer aussi perpendiculairement que possible afin de limiter les réflexions.
● Éviter les positions où la vitre réfléchit des personnes, chauffages, fours, lampes ou autres sources thermiques intenses.
● Respecter une distance permettant de maintenir l’ensemble du spot de mesure à l’intérieur de la zone ciblée.
● Pour une mesure plus exigeante, utiliser si nécessaire une surface de référence à forte émissivité connue, après établissement de l’équilibre thermique avec le verre.
● Pour les mesures critiques de procédé, vérifier les résultats avec un instrument de référence étalonné ou un capteur de température par contact approprié.

Le verre revêtu et le verre ordinaire donnent-ils les mêmes résultats ?

Pas nécessairement.

Les vitrages industriels et architecturaux peuvent comporter différentes couches fonctionnelles : couches Low-E, revêtements métalliques ou autres traitements optiques.

Ces revêtements peuvent modifier considérablement l’émissivité et la réflectivité dans l’infrarouge.

Le verre Low-E, par exemple, est conçu pour limiter les échanges thermiques par rayonnement dans certaines bandes spectrales. L’utilisation de paramètres adaptés à un verre non traité peut donc entraîner des erreurs importantes.

Pour un verre revêtu, l’émissivité doit être déterminée en fonction de la surface réellement mesurée, du revêtement et de la face concernée.

Un thermomètre infrarouge peut-il mesurer à travers tous les matériaux transparents ?

Non.

La transparence visible et la transmission infrarouge sont deux propriétés distinctes.

La capacité d’un matériau à transmettre le rayonnement infrarouge dépend notamment de :

● Sa composition ;
● Son épaisseur ;
● La longueur d’onde ;
● Les revêtements de surface ;
● La plage de température ;
● La conception du système optique.

Certains matériaux sont transparents dans le visible mais opaques dans l’infrarouge lointain. À l’inverse, certains matériaux spécialisés présentent une transmission élevée dans des bandes infrarouges précises.

Les systèmes industriels utilisant une mesure à travers une fenêtre de protection doivent donc employer des matériaux spécifiquement adaptés à la plage spectrale du thermomètre.

Dans quelles applications faut-il particulièrement tenir compte du verre ?

Les erreurs liées aux vitrages sont fréquentes dans les situations suivantes :

● Mesure de machines à travers un hublot d’inspection ;
● Mesure d’objets extérieurs à travers une fenêtre de bâtiment ;
● Mesure dans une vitrine réfrigérée ou chauffante à travers une porte vitrée ;
● Mesure de composants automobiles à travers les vitrages ;
● Mesure d’équipements de laboratoire derrière une protection transparente ;
● Mesure de verre Low-E, miroir, revêtu ou fortement réfléchissant.

Dans ces situations, il faut d’abord identifier quelle surface contribue réellement au rayonnement reçu par le thermomètre.

Pourquoi un point laser visible derrière la vitre ne signifie-t-il pas que cet objet est mesuré ?

Sur la plupart des thermomètres infrarouges portatifs, le laser est principalement une aide à la visée.

Il ne constitue pas le rayonnement infrarouge utilisé pour déterminer la température.

Le laser visible peut donc traverser une vitre et atteindre l’objet placé derrière, tandis que le rayonnement infrarouge nécessaire à la mesure ne traverse pas cette même vitre dans la bande spectrale du détecteur.

Par conséquent :

● La position du point laser ne correspond pas nécessairement à l’origine réelle du rayonnement infrarouge mesuré ;
● Le passage du laser à travers le verre ne prouve pas que le thermomètre peut mesurer à travers celui-ci ;
● La faisabilité d’une mesure à travers une fenêtre dépend de la bande spectrale du thermomètre et de la transmission infrarouge du matériau.

FAQ

Un thermomètre infrarouge peut-il mesurer le verre ?

Oui. La température de surface du verre peut généralement être mesurée, mais l’émissivité, les réflexions, le traitement de surface, l’angle et l’environnement thermique doivent être maîtrisés.

Peut-on mesurer un objet situé derrière une vitre ?

Avec les thermomètres infrarouges industriels courants fonctionnant autour de 8–14 μm, la mesure précise à travers du verre ordinaire n’est généralement pas possible.

Pourquoi le laser traverse-t-il la vitre ?

Parce que le laser de visée fonctionne dans le visible, tandis que la mesure thermique utilise une autre plage de longueurs d’onde infrarouges.

Faut-il régler l’émissivité pour mesurer du verre ?

Oui. Le réglage doit être adapté au type de verre et à son traitement de surface.

Pourquoi la température affichée change-t-elle avec l’angle de mesure ?

L’angle modifie la géométrie de réflexion du verre et peut augmenter la contribution du rayonnement thermique ambiant réfléchi.

Le verre Low-E peut-il être mesuré comme un verre ordinaire ?

Pas nécessairement. Les couches Low-E modifient fortement les propriétés radiatives de la surface.

Comment savoir si l’on mesure la vitre ou l’objet derrière ?

Avec une vitre ordinaire et un thermomètre infrarouge long-onde standard, il faut généralement considérer que la mesure correspond principalement à la surface du verre. Une mesure à travers une fenêtre nécessite la confirmation d’une transmission infrarouge suffisante dans la bande spectrale de l’instrument.

Conclusion

L’une des erreurs les plus fréquentes consiste à supposer que le verre, parce qu’il est transparent à la lumière visible, l’est également au rayonnement infrarouge utilisé pour la mesure de température.

Les thermomètres infrarouges industriels classiques fonctionnent souvent dans l’infrarouge long, où une vitre ordinaire ne transmet pas le rayonnement comme elle transmet la lumière visible. L’appareil reçoit donc principalement le rayonnement thermique de la surface du verre et le rayonnement réfléchi par l’environnement, et non le rayonnement thermique réel de l’objet situé derrière.

Il faut donc distinguer clairement la mesure de la température de surface du verre et la mesure à travers le verre. La première est généralement possible si l’émissivité, l’angle, la taille de la cible et les réflexions sont correctement maîtrisés. La seconde nécessite un matériau de fenêtre infrarouge spécifique et un système de mesure adapté à sa bande de transmission.

Dans les applications professionnelles, la bande spectrale de l’instrument, la transmission de la fenêtre, l’émissivité, la réflexion et la géométrie optique doivent être considérées conjointement.