Introduction

Les thermomètres infrarouges donnent généralement des résultats stables sur des matériaux tels que le plastique, le caoutchouc, le bois ou les surfaces revêtues. Avec l’acier inoxydable, l’aluminium, le cuivre et d’autres métaux, un problème fréquent apparaît toutefois : le métal peut être très chaud alors que l’appareil affiche une température nettement inférieure.

Cela ne signifie pas nécessairement que le thermomètre est défectueux. Dans la plupart des cas, cette différence provient des propriétés radiatives de la surface métallique.

Un thermomètre infrarouge ne mesure pas directement la température réelle d’un objet. Il détecte le rayonnement infrarouge provenant de la surface et convertit ce signal en température en fonction notamment de l’émissivité réglée. Les surfaces métalliques à faible émissivité et fortement réfléchissantes sont donc particulièrement sensibles au rayonnement ambiant réfléchi, à l’état de surface et à la géométrie de mesure.

Points essentiels

● Les métaux brillants ont généralement une faible émissivité et émettent relativement peu de rayonnement infrarouge propre.
● Plus l’émissivité est faible, plus l’influence du rayonnement infrarouge réfléchi par l’environnement peut devenir importante.
● Un réglage d’émissivité par défaut trop élevé peut entraîner une erreur significative sur une surface métallique brillante.
● L’oxydation, la peinture, la rugosité et les contaminants peuvent modifier l’émissivité réelle d’une surface métallique.
● L’angle de mesure, les sources chaudes environnantes, la taille de la cible et le diamètre du spot influencent également le résultat.
● La fiabilité peut être améliorée par un réglage approprié de l’émissivité ou par la création d’une zone de mesure à forte émissivité.

Pourquoi les thermomètres infrarouges sous-estiment-ils souvent la température des métaux ?

Un thermomètre infrarouge estime la température à partir de l’énergie rayonnée par la surface de la cible dans une plage de longueurs d’onde infrarouges déterminée.

Sur un matériau à forte émissivité, une grande partie du rayonnement détecté provient directement de la cible. La température de surface peut donc être estimée de manière relativement fiable.

Le comportement d’un métal brillant est différent.

● L’aluminium poli, le cuivre et l’acier inoxydable présentent souvent une faible émissivité.
● Ils émettent relativement peu de rayonnement infrarouge propre.
● Ils réfléchissent davantage le rayonnement thermique de leur environnement.
● Une part importante du signal reçu par l’appareil peut ainsi provenir de réflexions.

Lorsque l’environnement est nettement plus froid que le métal, par exemple pour une pièce métallique chaude dans un atelier à température ambiante, la surface métallique réfléchit le rayonnement infrarouge d’éléments plus froids.

Le rayonnement total reçu par l’appareil peut alors être inférieur à celui que produirait une surface à forte émissivité à la même température. La température calculée peut donc être sensiblement inférieure à la température réelle du métal.

L’émissivité est le principal facteur de sous-estimation

L’émissivité caractérise la capacité d’une surface à émettre un rayonnement infrarouge. Elle est généralement exprimée par une valeur comprise entre 0 et 1.

Un corps noir idéal a une émissivité égale à 1. Les surfaces réelles présentent des valeurs inférieures.

De nombreux matériaux non métalliques possèdent une émissivité relativement élevée, tandis que les métaux propres ou polis peuvent présenter une émissivité beaucoup plus faible.

À température réelle identique :

● Une surface à forte émissivité émet un rayonnement infrarouge propre relativement important.
● Un métal à faible émissivité émet moins de rayonnement propre et réfléchit davantage celui de son environnement.

Deux surfaces ayant exactement la même température réelle peuvent donc produire des signaux infrarouges très différents.

Si l’émissivité configurée sur le thermomètre ne correspond pas suffisamment à celle de la surface métallique réelle, la température calculée sera faussée.

Pourquoi l’émissivité par défaut n’est-elle pas toujours adaptée aux métaux ?

Certains thermomètres infrarouges utilisent une émissivité fixe, par exemple ε = 0,95. Les modèles à émissivité réglable sont eux aussi souvent configurés par défaut autour de cette valeur.

Ce réglage convient à de nombreux matériaux à forte émissivité, mais pas nécessairement aux métaux brillants.

Si l’émissivité réelle de la surface est nettement inférieure à la valeur réglée, l’appareil calcule la température à partir d’hypothèses radiatives qui ne correspondent pas aux caractéristiques réelles de la cible.

Avec un appareil à émissivité réglable, il est donc recommandé d’identifier autant que possible le matériau et son état de surface avant de choisir une valeur appropriée.

Il faut toutefois rappeler que l’émissivité d’un métal n’est pas une constante absolue. Elle peut varier avec la rugosité, l’oxydation, le revêtement, la température et la bande spectrale. Les tableaux d’émissivité doivent donc être considérés comme des valeurs de référence.

Pourquoi un même métal peut-il donner des résultats différents ?

La possibilité de mesurer correctement un métal par infrarouge ne dépend pas uniquement de sa composition, mais aussi de son état de surface.

Par exemple, pour l’acier inoxydable :

● Une surface polie miroir est très réfléchissante et possède généralement une faible émissivité.
● Une surface brossée ou rugueuse peut présenter un comportement différent.
● Une surface oxydée peut avoir une émissivité nettement plus élevée.
● Une peinture, un revêtement, de l’huile ou des contaminants modifient le rayonnement réellement détecté.

Un même métal de base peut donc produire des résultats très différents selon son traitement de surface.

C’est pourquoi l’utilisation d’une seule valeur d’« émissivité du métal » ne peut pas garantir une mesure précise dans toutes les situations.

Pourquoi le rayonnement réfléchi peut-il faire paraître un métal chaud plus froid ?

Pour une surface opaque, la part de rayonnement qui n’est pas émise par la surface est largement liée à la réflexion de l’environnement.

Ce phénomène est particulièrement important pour les métaux à faible émissivité.

Prenons l’exemple d’une surface métallique brillante à 150 °C dans un environnement d’environ 25 °C.

Du fait de sa faible émissivité, l’appareil détecte non seulement le rayonnement propre du métal chaud, mais également le rayonnement provenant des murs, des machines, du sol ou d’autres objets plus froids et réfléchi par la surface métallique.

Le thermomètre reçoit donc un signal radiatif combiné.

Si la faible émissivité et le rayonnement réfléchi ne sont pas correctement pris en compte, la température affichée peut être sensiblement inférieure à la température réelle de la surface.

Une surface métallique est-elle toujours mesurée trop basse ?

Non.

Une sous-estimation est fréquente, mais une faible émissivité ne produit pas systématiquement une erreur négative. Le problème principal est que la mesure devient très sensible au rayonnement réfléchi.

Si le métal est plus chaud que son environnement et qu’il réfléchit principalement des surfaces plus froides, la température affichée sera souvent trop basse.

En revanche, si la surface réfléchit un four, un chauffage, une conduite chaude ou une autre source dont la température est supérieure à celle de la cible, le rayonnement détecté peut augmenter et la mesure devenir trop élevée.

Il est donc plus exact de retenir les points suivants :

● Une faible émissivité augmente fortement la sensibilité au rayonnement ambiant réfléchi.
● Une sous-estimation est particulièrement fréquente pour un métal chaud dans un environnement plus froid.
● Un environnement réfléchi plus chaud peut au contraire provoquer une surestimation ou des fluctuations.

Pourquoi l’angle de mesure influence-t-il le résultat sur un métal ?

Il est préférable d’éviter des angles de mesure très obliques sur les surfaces métalliques à faible émissivité.

Lorsque l’angle change, la direction et la nature des éléments réfléchis par la surface changent également.

Une surface métallique proche d’un miroir peut être considérée comme un « miroir infrarouge ».

Un léger déplacement de l’appareil peut suffire pour que la surface réfléchisse un mur, une machine, un opérateur, un luminaire ou une source de chaleur différente.

Pour améliorer la répétabilité, il est recommandé de conserver une position et un angle de mesure constants et, lorsque cela est possible, de mesurer aussi perpendiculairement que possible à la surface.

Comment améliorer la mesure infrarouge des surfaces métalliques ?

Sur les métaux à faible émissivité, viser directement la surface nue n’est pas toujours la méthode la plus fiable.

Plusieurs mesures permettent d’améliorer le résultat :

● Régler correctement l’émissivité. Si le thermomètre permet ce réglage, adapter la valeur au matériau et à l’état réel de la surface.
● Privilégier les zones oxydées, rugueuses ou revêtues. Elles sont généralement plus faciles à mesurer que les surfaces métalliques brillantes.
● Créer une zone à forte émissivité. Lorsque cela est possible, appliquer un ruban ou un revêtement approprié à forte émissivité et attendre l’équilibre thermique avec le métal avant la mesure.
● Réduire l’influence des réflexions. Éviter que des sources de chaleur importantes ou des surfaces à température très différente se reflètent vers le thermomètre.
● Maintenir un angle adapté. Mesurer aussi près que possible de la normale à la surface.
● Vérifier la taille de la cible. La zone mesurée doit être suffisamment grande pour contenir entièrement le spot de mesure.

Pour les applications industrielles nécessitant une meilleure confiance dans la valeur absolue, un capteur de température par contact peut être utilisé comme référence afin de valider les conditions de mesure et le réglage d’émissivité.

Pourquoi utilise-t-on souvent un ruban noir pour mesurer les métaux ?

L’utilisation d’un ruban noir constitue une méthode pratique pour les surfaces métalliques à faible émissivité.

Un métal propre et brillant peut présenter une émissivité très faible, alors qu’un ruban noir adapté peut offrir une émissivité plus élevée et plus stable.

Après application, il faut attendre que le ruban et la surface métallique atteignent un équilibre thermique suffisant. La mesure infrarouge peut ensuite être effectuée sur la zone recouverte.

Le thermomètre détecte alors principalement le rayonnement provenant de la surface à forte émissivité plutôt que celui de la surface métallique nue et réfléchissante. Cela réduit fortement les erreurs liées à l’émissivité et au rayonnement ambiant réfléchi.

Le ruban utilisé doit être compatible avec la température réelle de la surface et ne doit jamais être utilisé au-delà de sa plage de température admissible.

Quand faut-il éviter de mesurer directement un métal par infrarouge ?

Une attention particulière est nécessaire dans les cas suivants :

● La surface est fortement polie ou presque miroir.
● L’émissivité réelle ne peut pas être estimée avec suffisamment de confiance.
● Des fours, chauffages ou autres sources infrarouges intenses sont présents à proximité.
● La cible métallique est trop petite pour couvrir entièrement le spot de mesure.
● Une grande précision absolue est exigée.
● Des conditions de mesure stables et répétables ne peuvent pas être obtenues.

Lorsque le procédé le permet, il est préférable de créer une zone à forte émissivité ou de vérifier la température avec une méthode de contact adaptée.

FAQ

Peut-on mesurer l’acier inoxydable avec un thermomètre infrarouge ?

Oui, mais la mesure directe d’un acier inoxydable brillant peut présenter des erreurs importantes. Il faut tenir compte de la finition de surface, de l’oxydation, d’un éventuel revêtement et du rayonnement ambiant réfléchi.

Pourquoi l’appareil affiche-t-il seulement une température modérée alors que le métal est très chaud ?

Une cause fréquente est la faible émissivité du métal combinée à la réflexion d’un environnement plus froid. Si l’émissivité réglée ne correspond pas non plus à la surface réelle, l’écart peut devenir très important.

Le cuivre et l’aluminium sont-ils particulièrement difficiles à mesurer ?

Le cuivre et l’aluminium brillants font partie des surfaces les plus délicates pour la thermométrie infrarouge générale, car ils peuvent présenter une faible émissivité et une forte réflectivité.

Suffit-il de réduire le réglage d’émissivité ?

Non. Un réglage approprié améliore la mesure, mais une surface à faible émissivité continue de réfléchir fortement son environnement. Le réglage de l’émissivité ne supprime donc pas toutes les sources d’erreur.

Pourquoi un métal oxydé est-il plus facile à mesurer ?

L’oxydation modifie les propriétés radiatives de la surface. De nombreux métaux oxydés présentent une émissivité plus élevée que le métal propre et brillant, ce qui augmente la part du rayonnement provenant réellement de la cible.

Peut-on coller un ruban noir avant de mesurer ?

Oui. C’est une technique courante. Le ruban doit être compatible avec la température de la surface et atteindre l’équilibre thermique avec le métal avant la mesure.

Conclusion

Les thermomètres infrarouges indiquent fréquemment une température trop basse sur les métaux parce que les surfaces métalliques brillantes ont généralement une faible émissivité et une forte réflectivité infrarouge.

L’appareil peut alors détecter non seulement le rayonnement propre du métal, mais également une quantité importante de rayonnement réfléchi provenant de l’environnement. Lorsqu’un métal chaud se trouve dans un environnement plus froid, cette situation conduit fréquemment à une sous-estimation de sa température réelle.

Pour mesurer l’aluminium, le cuivre, l’acier inoxydable et d’autres métaux similaires, il convient donc de prendre en compte simultanément l’émissivité, l’état de surface, le rayonnement de fond réfléchi, l’angle de mesure, la taille de la cible et la dimension du spot.

Pour les mesures exigeant une meilleure fiabilité, un réglage approprié de l’émissivité, le choix d’une surface plus favorable ou la création d’une zone stable à forte émissivité au moyen d’un ruban ou d’un revêtement adapté sont généralement préférables à une mesure directe sur un métal propre et brillant.