Introduction

Même lorsque l’émissivité, la distance de mesure et l’angle de visée sont correctement définis, une mesure de température infrarouge peut évoluer au cours du temps. L’une des principales raisons est que la cible ou le thermomètre infrarouge n’a pas encore atteint un état thermique suffisamment stable.

Dans le contexte de la thermométrie infrarouge, l’expression « équilibre thermique » ne signifie pas nécessairement que la cible doit présenter exactement la même température que son environnement. En pratique, il est surtout important de déterminer si la température de surface de la cible et l’état thermique interne de l’instrument se sont suffisamment stabilisés pour que des mesures répétées donnent des résultats cohérents.

La compréhension de cet équilibre est donc essentielle aussi bien pour interpréter correctement le phénomène thermique que pour améliorer la fiabilité des mesures sur le terrain.

Points essentiels

● En thermométrie infrarouge, l’équilibre thermique désigne généralement un état dans lequel la température de surface mesurée est suffisamment stable.
● Il ne signifie pas nécessairement que la cible et son environnement doivent être à la même température.
● Le chauffage, le refroidissement, les courants d’air et les échanges thermiques continus peuvent faire varier la température de surface.
● Un thermomètre infrarouge peut avoir besoin d’un temps d’acclimatation lorsqu’il passe d’un environnement froid à un environnement chaud, ou inversement.
● Pour les cibles dont la température évolue rapidement, il convient de distinguer la température instantanée de surface de la température en régime stabilisé.
● La fiabilité de la mesure dépend d’un objectif clairement défini et d’une bonne maîtrise des facteurs affectant la stabilité thermique.

Qu’est-ce que l’équilibre thermique ?

Du point de vue thermodynamique, lorsqu’une différence de température existe entre plusieurs corps, un transfert de chaleur peut se produire. Au fur et à mesure des échanges, les écarts de température tendent à diminuer. Lorsqu’il n’existe plus, à l’échelle macroscopique, de différence de température entraînant un transfert net de chaleur, le système peut être considéré comme étant à l’équilibre thermique.

Dans les applications industrielles de thermométrie infrarouge, il n’est toutefois généralement pas nécessaire d’attendre que la cible et l’ensemble de son environnement atteignent un équilibre thermodynamique strict.

Par exemple, le carter d’un moteur fonctionnant en continu peut rester à 65°C alors que l’air ambiant est à 25°C. Le moteur produit en permanence de la chaleur tout en en dissipant par convection, conduction et rayonnement. Même si sa température reste supérieure à celle de l’environnement, sa surface peut se maintenir dans une plage relativement stable lorsque la production et la dissipation de chaleur s’équilibrent approximativement.

Pour une mesure infrarouge, cet état thermique stationnaire est généralement plus pertinent qu’un équilibre thermodynamique strict.

Pourquoi l’équilibre thermique influence-t-il la mesure infrarouge ?

Un thermomètre infrarouge ne mesure pas directement la température interne d’un objet. Il détecte le rayonnement infrarouge émis par sa surface dans une bande spectrale donnée et calcule la température de surface en tenant notamment compte de l’émissivité.

Lorsque la surface chauffe ou refroidit rapidement, le rayonnement infrarouge qu’elle émet évolue également. La température affichée varie donc avec le temps.

Par exemple, lorsqu’une pièce métallique est retirée d’un four à haute température, sa surface commence immédiatement à céder de la chaleur à l’air ambiant, aux dispositifs de maintien et aux objets voisins. Des mesures effectuées à différents instants peuvent alors donner des températures sensiblement différentes.

Cela ne signifie pas nécessairement que le thermomètre infrarouge présente une erreur. La cible peut simplement se trouver encore dans un processus thermique dynamique.

Il est donc important de préciser si l’objectif consiste à :

● mesurer la température instantanée à un moment donné ;
● ou déterminer la température après stabilisation du fonctionnement.

Ces deux objectifs n’imposent pas les mêmes exigences en matière de stabilité thermique.

Que signifie une cible thermiquement stable ?

Dans la pratique, la stabilité thermique d’une cible peut souvent être évaluée en observant l’évolution de sa température au cours du temps.

Lorsque des mesures répétées dans les mêmes conditions ne présentent plus que de faibles variations, la zone observée peut généralement être considérée comme relativement stable.

Il faut toutefois tenir compte du fait que différentes parties d’un objet peuvent nécessiter des durées différentes pour se stabiliser.

Sur une pièce métallique épaisse, par exemple, la surface peut chauffer rapidement alors que l’intérieur reste nettement plus froid. Tant que la chaleur continue à se propager dans le matériau, la température de surface peut encore évoluer.

La thermométrie infrarouge fournit principalement la température de surface de la zone observée. Une température de surface stable ne signifie donc pas nécessairement que l’ensemble de l’objet présente une température interne uniforme.

Dans quelles situations la stabilité thermique est-elle souvent insuffisante ?

● Juste après le démarrage d’un équipement : les moteurs, roulements, équipements électriques et systèmes de chauffage nécessitent généralement un certain temps pour atteindre leur régime thermique normal. Les premières mesures correspondent alors à la phase de montée en température.
● Immédiatement après l’arrêt du chauffage : une pièce retirée d’un four, un élément chauffant qui vient d’être coupé ou un composant mécanique récemment arrêté peut continuer à refroidir.
● Après un changement d’environnement : une pièce sortie d’une chambre froide continue à absorber de la chaleur dans une pièce plus chaude, tandis qu’un objet chaud placé dans un environnement plus froid continue à en perdre.
● En présence d’un flux d’air important : ventilateurs, climatisation, air comprimé ou vent peuvent modifier les échanges convectifs et donc la température locale de surface.
● Lorsque la cible est en contact avec un autre objet à une température différente : le contact avec un établi froid, un support ou un dispositif de fixation peut rapidement modifier la température locale par conduction.
● Sur des équipements à fonctionnement cyclique : certains moteurs, compresseurs ou équipements de production fonctionnent par intermittence. Leur température peut donc évoluer de manière cyclique plutôt que se stabiliser à une valeur unique.

Le thermomètre infrarouge doit-il également être thermiquement stable ?

Oui.

Le détecteur infrarouge, le système optique, les capteurs de température internes et les circuits de compensation sont influencés par la température propre de l’instrument et par celle de l’environnement.

Dans des conditions normales, les mesures internes de température et les algorithmes de compensation réduisent ces influences. Toutefois, lorsque l’instrument subit un changement brutal et important de température ambiante, son état thermique interne peut évoluer rapidement, par exemple :

● lors du passage direct d’un environnement extérieur froid à un atelier chauffé ;
● lors du passage d’un local climatisé à une zone de production chaude ;
● lorsqu’un appareil resté longtemps dans un véhicule chaud ou froid est utilisé immédiatement ;
● lorsque l’appareil reste pendant une longue période à proximité d’un four ou d’une autre source de chaleur intense.

Dans ces situations, les valeurs peuvent dériver temporairement même si la température de la cible est stable.

Pour les mesures nécessitant une bonne fiabilité, il est donc recommandé de laisser l’instrument s’acclimater à son nouvel environnement avant d’effectuer les mesures de référence.

Le temps nécessaire dépend de la conception du thermomètre et doit être déterminé selon les instructions du fabricant plutôt qu’à partir d’une durée fixe appliquée à tous les appareils.

Quelle différence entre équilibre thermique et temps de réponse ?

L’équilibre thermique et le temps de réponse sont deux notions différentes.

Le temps de réponse d’un thermomètre infrarouge indique la rapidité avec laquelle l’instrument réagit à une variation du rayonnement infrarouge émis par la cible. Les thermomètres modernes peuvent généralement actualiser leurs mesures très rapidement.

La stabilité thermique concerne, quant à elle, l’évolution réelle de l’état thermique de la cible ou de l’instrument.

Par exemple, lorsqu’une pièce chaude refroidit rapidement, un thermomètre à temps de réponse court peut suivre fidèlement cette diminution de température. Un temps de réponse plus court ne permet toutefois pas à la pièce d’atteindre plus rapidement un état thermique stable.

Ainsi :

● Le temps de réponse détermine la vitesse à laquelle l’appareil suit une variation de température.
● La stabilité thermique détermine si la température mesurée continue elle-même à évoluer.

Ces deux notions ne doivent pas être confondues.

Quel lien entre équilibre thermique et précision de mesure ?

Le fait qu’une cible ne soit pas encore thermiquement stable ne signifie pas nécessairement que le thermomètre infrarouge manque de précision.

Si une pièce refroidit de 100°C à 80°C et que l’appareil affiche successivement 96°C, 92°C, 88°C puis 84°C, ces valeurs peuvent représenter correctement le refroidissement réel de sa surface.

La question essentielle est de savoir si ces mesures correspondent à l’objectif recherché.

Si l’objectif consiste à suivre le processus de refroidissement, les variations de température constituent des données utiles. En revanche, si l’on souhaite comparer les températures normales de fonctionnement de plusieurs machines, il convient d’effectuer les mesures dans des conditions similaires de charge, de durée de fonctionnement et d’état thermique.

La stabilité thermique influence donc principalement la représentativité, la répétabilité et la comparabilité des données.

Comment réduire l’influence des variations thermiques sur les mesures ?

● Lorsque l’on recherche une température stabilisée, attendre que l’équipement atteigne son régime normal avant de mesurer.
● Lors de la comparaison de plusieurs équipements, travailler dans des conditions aussi proches que possible en termes de charge, de durée de fonctionnement et d’environnement.
● Éviter les mesures exigeantes immédiatement après avoir déplacé l’instrument entre deux environnements présentant une forte différence de température.
● Maintenir constants la distance, l’angle, l’émissivité réglée et la zone de mesure.
● Éviter autant que possible les courants d’air importants, les sources de chaleur proches et les variations rapides de la température ambiante.
● Pour une cible en phase de chauffage ou de refroidissement, effectuer des mesures répétées ou continues plutôt que de se limiter à une seule valeur.
● Si la température continue à évoluer, noter l’heure de mesure et l’état de fonctionnement de l’équipement afin de faciliter l’interprétation des données.

Dans le cadre d’un suivi de tendance industriel, la reproductibilité des conditions de mesure est souvent plus importante que l’analyse isolée d’une seule température absolue.

Comment déterminer si la cible est suffisamment stable ?

Sur le terrain, il n’est généralement pas nécessaire de démontrer un équilibre thermodynamique strict. L’objectif est de vérifier si la variation de température est devenue suffisamment faible pour répondre au besoin de mesure.

Une méthode simple consiste à observer la température depuis une position fixe en conservant la même distance de mesure et le même réglage d’émissivité.

Si la température continue à augmenter ou diminuer de façon nette, la cible reste dans un processus thermique dynamique. Si les variations deviennent faibles au fil du temps, elle peut généralement être considérée comme relativement stable.

Il n’existe pas de seuil universel applicable à toutes les applications. La maintenance, le contrôle de procédé, les mesures de laboratoire et les inspections générales peuvent exiger des niveaux de stabilité différents. La variation acceptable doit donc être définie en fonction de l’objectif de mesure.

FAQ

La cible doit-elle atteindre la même température que l’environnement avant une mesure infrarouge ?

Non. Les équipements industriels génèrent souvent en permanence de la chaleur en fonctionnement et peuvent rester sensiblement plus chauds que leur environnement. Il est surtout important que leur température de surface soit suffisamment stable pour la mesure envisagée.

Pourquoi la température continue-t-elle à augmenter lorsque je mesure plusieurs fois le même point ?

L’équipement est peut-être encore en phase de montée en température. Une modification de la charge, du refroidissement ou des conditions ambiantes peut également être en cause. Il convient d’abord de vérifier si l’équipement a atteint son régime de fonctionnement stable.

Puis-je utiliser immédiatement un thermomètre infrarouge après l’avoir déplacé de l’extérieur vers l’intérieur ?

Il peut être utilisé pour une observation générale. Toutefois, si la différence de température entre les deux environnements est importante et qu’une bonne fiabilité de mesure est requise, il est préférable de laisser l’appareil s’acclimater avant de réaliser les mesures de référence.

Un état thermique instable signifie-t-il que le thermomètre affiche une température incorrecte ?

Pas nécessairement. La température peut réellement être en train de changer. Il faut surtout vérifier si la valeur observée correspond bien à l’état que l’on souhaite caractériser.

Une température de surface stable signifie-t-elle que la température interne est également stabilisée ?

Pas nécessairement. La thermométrie infrarouge mesure principalement la température de surface. Les matériaux épais, les matériaux à faible conductivité thermique ou les objets contenant une source de chaleur interne peuvent présenter des écarts importants entre la surface et l’intérieur.

Conclusion

En thermométrie infrarouge, l’équilibre thermique doit surtout être compris comme un état suffisamment stable pour répondre à l’objectif de mesure, et non comme l’obligation pour la cible d’avoir exactement la même température que son environnement.

Lorsqu’une cible chauffe, refroidit, fonctionne ou échange continuellement de la chaleur avec son environnement, son rayonnement infrarouge de surface évolue avec sa température. Le thermomètre lui-même peut également nécessiter un certain temps de stabilisation après une variation importante de la température ambiante.

Avant toute mesure, il convient donc de déterminer si l’on recherche une température instantanée, une tendance thermique ou une température de fonctionnement stabilisée. Des conditions de mesure maîtrisées et une bonne compréhension de l’état thermique sont indispensables pour obtenir des données infrarouges répétables, comparables et pertinentes.