Introduction
Un thermomètre infrarouge est un instrument de mesure de température sans contact. Il ne mesure pas directement la température interne d’un objet. Il détecte le rayonnement infrarouge émis par sa surface, puis convertit ce signal en valeur de température grâce à un capteur, une électronique de traitement et des algorithmes internes.
Avec le temps, les caractéristiques du capteur infrarouge, du système optique et des composants électroniques peuvent évoluer. La contamination de la lentille, les conditions ambiantes ou les contraintes mécaniques peuvent également affecter les performances.
L’étalonnage ne consiste donc pas simplement à mesurer « un objet dont la température est connue ». Il s’agit de comparer l’indication de l’instrument à une source de rayonnement de référence caractérisée et traçable, dans des conditions maîtrisées.
Points essentiels
● L’étalonnage consiste à comparer la valeur indiquée par le thermomètre à une valeur de référence connue.
● Une source corps noir stable est généralement utilisée comme référence radiométrique.
● L’émissivité, la distance, l’angle de visée, la température ambiante et la taille de la zone mesurée influencent le résultat.
● Plusieurs points de température sont généralement nécessaires pour évaluer les performances sur la plage utile.
● L’étalonnage détermine l’erreur ; l’ajustage modifie l’instrument afin de réduire cette erreur.
● L’évaluation complète doit également prendre en compte la répétabilité et l’incertitude de mesure.
Pourquoi étalonner un thermomètre infrarouge ?
Les thermomètres infrarouges sont normalement contrôlés et étalonnés lors de leur fabrication. Néanmoins, leurs caractéristiques métrologiques peuvent évoluer au cours de leur utilisation.
● La réponse du capteur infrarouge peut dériver.
● La poussière, l’huile ou les rayures sur la lentille peuvent modifier le rayonnement reçu.
● Les circuits électroniques et les convertisseurs analogique-numérique peuvent subir une dérive.
● Les environnements très chauds, très froids, humides ou soumis à de fortes variations thermiques peuvent influencer les performances.
● Une chute ou un choc peut affecter l’optique ou les composants internes.
L’étalonnage permet de vérifier si l’erreur réelle de l’instrument reste compatible avec les exigences de mesure.
Principe de base de l’étalonnage
Un thermomètre infrarouge calcule la température à partir du rayonnement thermique émis par une surface. En règle générale, l’énergie rayonnée augmente avec la température. Toutefois, pour une surface réelle, cette émission dépend également de son émissivité.
Lors de l’étalonnage, une source de rayonnement stable et caractérisée est portée à une température définie. Une fois la stabilité obtenue, le thermomètre est positionné à la distance et selon l’angle prescrits.
Exemple :
● Température de référence : 100,0 °C
● Indication du thermomètre : 101,2 °C
● Erreur d’indication : +1,2 °C
Relation simplifiée :
Erreur d’indication = Valeur indiquée − Température de référence
Une valeur positive signifie que le thermomètre indique une température supérieure à la référence ; une valeur négative indique l’inverse.
Pourquoi utiliser une source corps noir ?
Une surface ordinaire peut avoir une température connue, mais son émissivité, sa réflectivité et son uniformité thermique ne sont pas toujours suffisamment maîtrisées.
C’est pourquoi l’étalonnage professionnel utilise généralement une source corps noir ou une source radiométrique conçue pour s’en approcher.
Un corps noir idéal absorbe tout rayonnement incident et émet un rayonnement thermique déterminé uniquement par sa température. Les sources réelles s’en rapprochent grâce à une conception en cavité et à des surfaces à forte émissivité.
Principaux avantages :
● Rayonnement stable.
● Émissivité effective connue.
● Température précisément contrôlée.
● Bonne homogénéité de la zone utile.
● Possibilité de raccordement à des références métrologiques supérieures.
Une source corps noir réduit donc nettement les erreurs liées aux caractéristiques inconnues de la cible.
Comment déterminer la température de référence ?
La température de référence ne correspond pas nécessairement à la simple valeur affichée par le calibrateur corps noir.
Dans un système d’étalonnage correctement maîtrisé, elle est établie au moyen d’un thermomètre de référence ou d’un capteur étalonné, tout en tenant compte de la stabilité, de l’homogénéité et des caractéristiques radiométriques de la source.
Une chaîne typique de traçabilité comprend :
● Une référence de température de niveau supérieur ;
● Un thermomètre ou capteur de référence étalonné ;
● Une source corps noir ;
● Le thermomètre infrarouge à étalonner.
Cette relation documentée avec des références reconnues constitue la traçabilité métrologique.
Comment se déroule généralement l’étalonnage ?
La procédure exacte dépend du type d’instrument, de la plage de température et du niveau d’exactitude attendu.
● Vérifier l’état général, la lentille et le fonctionnement de l’instrument.
● Laisser le thermomètre s’acclimater dans un environnement stable.
● Régler la source corps noir au point de température souhaité et attendre sa stabilisation.
● Régler l’émissivité correcte sur l’instrument si nécessaire.
● Positionner le thermomètre à la distance et à l’angle prévus.
● Attendre la stabilisation de l’indication et relever la valeur.
● Comparer cette valeur à la référence.
● Répéter l’opération à d’autres points de température.
● Vérifier la conformité avec les critères d’acceptation définis.
Plusieurs lectures peuvent être réalisées à chaque point afin d’améliorer la fiabilité du résultat.
Pourquoi utiliser plusieurs points d’étalonnage ?
L’erreur d’un thermomètre infrarouge n’est pas forcément constante sur toute sa plage de mesure.
Un appareil peut être très proche de la référence à température ambiante mais présenter une erreur plus importante à haute température.
Les points d’étalonnage sont généralement choisis en fonction :
● De la plage nominale de mesure ;
● De la plage réellement utilisée ;
● De la précision spécifiée ;
● Des exigences de l’application.
Pour un appareil principalement utilisé entre 100 et 300 °C, plusieurs points dans cette plage sont donc particulièrement pertinents.
Pourquoi l’émissivité influence-t-elle l’étalonnage ?
L’émissivité représente la capacité d’une surface réelle à émettre un rayonnement thermique par rapport à un corps noir idéal à la même température.
Une mauvaise valeur d’émissivité peut provoquer une erreur importante dans le calcul de la température.
Avant l’étalonnage, il convient de vérifier :
● La valeur d’émissivité réglée sur l’appareil ;
● La valeur exigée par la procédure ;
● La possibilité ou non de régler l’émissivité ;
● Les paramètres spécifiés pour le système de référence.
Une valeur par défaut ne doit pas être utilisée automatiquement si la procédure exige un autre réglage.
Pourquoi la distance de mesure est-elle importante ?
Le champ de vision d’un thermomètre infrarouge est généralement décrit par le rapport D:S.
D correspond à la distance de mesure et S au diamètre approximatif de la zone mesurée.
Plus la distance augmente, plus la zone mesurée s’agrandit. Si elle dépasse la surface utile du corps noir, le thermomètre peut recevoir du rayonnement provenant de l’environnement.
Il faut donc :
● Respecter la distance prescrite.
● Maintenir toute la zone de mesure à l’intérieur de la surface utile.
● Éviter les bords de l’ouverture du corps noir.
Cet aspect est particulièrement important lorsque le rapport D:S est faible.
Pourquoi contrôler l’angle de visée ?
Le thermomètre doit idéalement être orienté aussi perpendiculairement que possible à la surface de référence.
Un angle important peut :
● Modifier la zone réellement observée ;
● Modifier le trajet optique ;
● Inclure le bord de la source ou l’environnement dans le champ de mesure ;
● Réduire la répétabilité.
Les systèmes professionnels utilisent donc souvent des supports de positionnement.
Quel est l’effet de la température ambiante ?
Le capteur infrarouge est lui-même sensible à l’état thermique de l’instrument. Les thermomètres IR disposent donc généralement d’une compensation interne.
Un appareil déplacé d’un environnement froid vers un laboratoire chaud peut présenter une dérive temporaire s’il est utilisé immédiatement.
Pour un étalonnage fiable :
● Maintenir une température ambiante stable.
● Éviter les courants d’air importants.
● Éviter le rayonnement solaire direct ou les sources de chaleur proches.
● Laisser l’instrument atteindre l’équilibre thermique.
Le laser intervient-il dans l’étalonnage de température ?
Sur la plupart des thermomètres infrarouges portables, le laser sert uniquement à faciliter la visée.
La mesure de température est effectuée par l’optique infrarouge et le détecteur IR.
Ainsi :
● Le point laser ne représente pas toute la zone mesurée.
● Sa position ne définit pas nécessairement l’ensemble du champ de vision.
● Pour l’étalonnage, c’est la zone effectivement observée par l’optique IR qui est déterminante.
Le contrôle de l’alignement laser peut être réalisé séparément, mais il ne constitue pas un étalonnage de température.
Quelle différence entre étalonnage et ajustage ?
L’étalonnage détermine l’écart entre l’indication de l’instrument et la référence.
L’ajustage consiste à modifier l’instrument afin de réduire cet écart.
Exemple :
● Référence : 100 °C
● Indication : 102 °C
L’étalonnage met en évidence une erreur d’environ +2 °C.
Si les paramètres internes sont ensuite modifiés pour rapprocher l’indication de 100 °C, il s’agit d’un ajustage.
Un instrument peut donc être étalonné sans être ajusté.
Qu’est-ce que l’incertitude de mesure ?
Aucune mesure réelle n’est totalement exempte d’incertitude. Même un système corps noir de haute qualité possède ses propres limites.
Les principales contributions peuvent provenir :
● Du thermomètre de référence ;
● De la stabilité de la source ;
● De l’homogénéité thermique ;
● De l’émissivité effective ;
● De la résolution d’affichage ;
● De la répétabilité ;
● De la distance et de l’angle ;
● Des variations de température ambiante.
Une évaluation professionnelle tient donc compte à la fois de l’erreur observée et de l’incertitude associée au résultat.
Quand faut-il vérifier ou réétalonner un thermomètre infrarouge ?
Il n’existe pas d’intervalle universel adapté à tous les instruments. La fréquence doit être définie en fonction de l’utilisation, de l’environnement, des exigences métrologiques et de l’historique de l’appareil.
Un contrôle est particulièrement recommandé :
● Après une utilisation intensive ;
● Après une exposition à des conditions sévères ;
● Après une chute ou un choc ;
● Lorsque les valeurs diffèrent sensiblement d’une référence fiable ;
● Après une réparation ou le remplacement d’un composant important ;
● À l’échéance de la périodicité définie ;
● Lorsque les résultats influencent directement la qualité d’un produit ou une décision de maintenance.
FAQ
Peut-on étalonner un thermomètre infrarouge avec de l’eau chaude ?
L’eau chaude peut servir à une vérification fonctionnelle simple, mais elle ne convient pas à un étalonnage formel. L’évaporation, la convection, la température de surface et l’émissivité peuvent perturber le résultat.
Pourquoi ne pas utiliser une simple plaque métallique ?
Les métaux nus présentent souvent une faible émissivité et une forte réflectivité infrarouge. Le thermomètre peut donc mesurer en partie le rayonnement réfléchi de l’environnement.
Un seul point correct garantit-il la précision sur toute la plage ?
Non. L’erreur peut varier avec la température. Plusieurs points représentatifs sont nécessaires pour évaluer une plage plus large.
L’étalonnage rend-il automatiquement l’appareil plus précis ?
Non. L’étalonnage détermine l’erreur existante. Une amélioration nécessite éventuellement un ajustage ou une réparation.
Une lentille sale influence-t-elle le résultat ?
Oui. La poussière, l’huile ou d’autres contaminants peuvent modifier la quantité de rayonnement atteignant le détecteur.
Conclusion
L’étalonnage d’un thermomètre infrarouge consiste à comparer son indication à une source de rayonnement de référence connue dans des conditions maîtrisées d’émissivité, de distance, d’angle et d’environnement.
Les méthodes professionnelles utilisent généralement une source corps noir stable associée à un système de référence traçable. L’émissivité, le rapport D:S, la taille de la zone mesurée, l’angle de visée, les conditions ambiantes et la stabilité thermique de l’instrument jouent tous un rôle important.
L’étalonnage fournit ainsi une base quantitative et traçable permettant d’évaluer et de maintenir la fiabilité des mesures de température sans contact.
