Introduction

Un thermomètre infrarouge détermine la température de surface à partir du rayonnement infrarouge détecté. Toutefois, le rayonnement reçu par l’instrument ne provient pas nécessairement uniquement de la cible.

Pour la plupart des matériaux opaques, la surface émet son propre rayonnement thermique tout en réfléchissant une partie du rayonnement infrarouge provenant de l’environnement. Les murs, appareils de chauffage, fours, luminaires, conduites chaudes et même les personnes peuvent participer à cet environnement radiatif.

Pour déterminer correctement la température, il faut donc tenir compte à la fois du rayonnement émis par la cible et du rayonnement ambiant réfléchi. Plus l’émissivité de la cible est faible et plus sa surface est brillante, plus l’influence du rayonnement ambiant peut être importante.

Points essentiels

● Le rayonnement détecté par un thermomètre infrarouge peut comprendre à la fois le rayonnement propre de la cible et le rayonnement réfléchi provenant de l’environnement.
● Pour une cible opaque, une faible émissivité correspond généralement à une réflectivité plus élevée.
● Les matériaux à forte émissivité sont généralement moins sensibles au rayonnement ambiant, tandis que les surfaces métalliques à faible émissivité y sont beaucoup plus sensibles.
● Certains instruments permettent de saisir une température réfléchie afin de compenser le rayonnement ambiant.
● Un réglage correct de l’émissivité, l’évitement des réflexions de sources chaudes et un angle de mesure approprié permettent de réduire les erreurs.

Qu’est-ce que le rayonnement ambiant ?

Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement thermique. Dans un environnement de mesure infrarouge, les murs, machines, conduites, fours, personnes et autres objets constituent donc des sources de rayonnement.

Une partie de ce rayonnement peut atteindre la surface de la cible, puis être réfléchie vers le thermomètre infrarouge.

Comme ce rayonnement ne provient pas directement de la cible, il est généralement désigné comme rayonnement ambiant, rayonnement de fond ou rayonnement réfléchi.

Par exemple, lors de la mesure d’une plaque métallique brillante située à proximité d’un four chaud, le thermomètre peut recevoir :

● Le rayonnement infrarouge émis par la plaque elle-même ;
● Le rayonnement du four réfléchi par la surface métallique ;
● Pour les mesures à plus grande distance, une contribution éventuelle liée à l’absorption et à l’émission atmosphériques le long du trajet optique.

Si toute cette énergie était interprétée comme provenant de la cible, la température affichée pourrait s’écarter de la température réelle de sa surface.

Pourquoi le rayonnement ambiant influence-t-il la mesure infrarouge ?

Pour de nombreux matériaux opaques en équilibre thermique, la relation suivante peut être utilisée comme approximation :

Émissivité ε + Réflectivité ρ ≈ 1

Cela signifie qu’un matériau qui émet peu de rayonnement infrarouge réfléchit généralement une proportion plus importante du rayonnement reçu de son environnement.

Le rayonnement détecté dans la direction de la cible peut être représenté de manière simplifiée par :

Lmesuré ≈ εLcible + (1 − ε)Lfond

où :

● ε représente l’émissivité de la surface ;
● Lcible représente le rayonnement infrarouge correspondant à la température réelle de la cible ;
● Lfond représente le rayonnement ambiant effectif réfléchi vers l’instrument.

Lorsque ε est proche de 1, la majeure partie du rayonnement détecté provient de la cible elle-même et l’influence du rayonnement réfléchi reste relativement faible.

Lorsque ε est faible, la proportion de rayonnement réfléchi augmente. Dans ce cas, une modification de la température ou de la position d’une source chaude voisine peut modifier la valeur mesurée même si la température réelle de la cible ne change pas.

Comment un thermomètre infrarouge prend-il en compte le rayonnement de fond ?

Le thermomètre détecte le rayonnement dans une plage spectrale définie puis convertit le signal du détecteur en température à l’aide de ses algorithmes internes, du réglage d’émissivité et de la compensation thermique interne.

La manière dont le rayonnement de fond est pris en compte dépend des fonctions disponibles sur l’instrument.

● Compensation de l’émissivité

La plupart des thermomètres infrarouges à émissivité réglable permettent de saisir une valeur correspondant au matériau et à l’état de sa surface. Cette valeur est utilisée pour estimer correctement la contribution du rayonnement émis et du rayonnement réfléchi.

Un réglage correct de l’émissivité ne supprime toutefois pas automatiquement l’influence du rayonnement ambiant. Pour une cible à faible émissivité située dans un environnement radiatif intense, une erreur importante peut subsister.

● Compensation de la température réfléchie

Certains thermomètres infrarouges professionnels et systèmes d’imagerie thermique permettent de saisir une température réfléchie ou un paramètre équivalent.

L’instrument utilise cette valeur pour estimer le rayonnement environnemental réfléchi par la surface de la cible et l’intégrer dans le calcul de température.

La température réfléchie ne correspond pas nécessairement à la température de l’air. Elle représente la température radiative équivalente de l’environnement vu par la surface de la cible.

● Compensation de la température interne de l’instrument

Le détecteur infrarouge lui-même peut être affecté par la température interne de l’appareil et par les variations de l’environnement. Les thermomètres infrarouges disposent donc généralement d’une compensation interne destinée à corriger la dérive du signal.

Cette compensation concerne le comportement thermique de l’appareil et ne doit pas être confondue avec la compensation du rayonnement de fond réfléchi par la cible.

Quelles cibles sont les plus sensibles au rayonnement ambiant ?

L’influence du rayonnement réfléchi varie fortement selon le matériau et l’état de surface.

Les matériaux à forte émissivité, les surfaces rugueuses et les surfaces revêtues sont généralement moins sensibles. C’est notamment le cas de :

● Surfaces peintes mates ;
● Caoutchouc ;
● Plastiques ;
● Bois ;
● Papier ;
● Nombreux matériaux non métalliques.

Une attention particulière est nécessaire pour :

● Aluminium poli ;
● Acier inoxydable ;
● Cuivre ;
● Pièces métalliques brillantes ;
● Surfaces spéculaires ou fortement réfléchissantes.

Ces matériaux présentent souvent une faible émissivité, qui peut également varier selon la longueur d’onde, l’oxydation, la rugosité et le traitement de surface. Ils peuvent donc réfléchir une proportion importante du rayonnement infrarouge environnant.

Une surface métallique polie relativement froide peut par exemple réfléchir le rayonnement d’un four voisin et donner une température mesurée nettement supérieure à sa température réelle.

À l’inverse, une cible chaude à faible émissivité réfléchissant un environnement plus froid peut donner une valeur inférieure à la température réelle.

La température ambiante et la température réfléchie sont-elles identiques ?

Non.

La température ambiante désigne généralement la température de l’air autour du thermomètre et de la cible. La température réfléchie décrit l’environnement radiatif global auquel la surface de la cible est exposée.

Dans un atelier, par exemple, l’air peut être à 25 °C alors qu’un four à 300 °C se trouve à proximité immédiate de la pièce métallique mesurée.

Dans ce cas :

● La température de l’air peut rester proche de 25 °C ;
● Le rayonnement reçu par la surface métallique peut être fortement influencé par le four ;
● La température réfléchie effective peut donc être nettement supérieure à la température de l’air.

Pour les mesures infrarouges exigeantes, la température de l’air ne doit donc pas être automatiquement assimilée à la température réfléchie.

Comment réduire les erreurs dues au rayonnement ambiant ?

Plusieurs mesures pratiques permettent de limiter son influence.

● Régler correctement l’émissivité

La valeur choisie doit correspondre au matériau et à son état réel de surface. Il faut notamment tenir compte de l’oxydation, de la rugosité, des revêtements et des traitements de surface.

● Éviter les réflexions de sources chaudes

Vérifiez la présence de fours, conduites chaudes, appareils de chauffage ou autres sources importantes et déterminez si leur rayonnement peut être réfléchi vers l’instrument.

● Optimiser la position et l’angle de mesure

Si la température affichée varie nettement lorsque l’angle de mesure est légèrement modifié, le rayonnement réfléchi peut contribuer au résultat.

Pour les mesures infrarouges courantes, il est préférable de mesurer aussi perpendiculairement que possible à la surface, tout en évitant une géométrie dans laquelle une source chaude se trouve dans la direction de réflexion spéculaire vers l’instrument.

● Limiter la réflexion du rayonnement de l’opérateur

Lors de la mesure de métaux à faible émissivité, l’opérateur peut lui-même devenir une source de rayonnement infrarouge. À faible distance, une surface brillante peut réfléchir vers l’appareil le rayonnement du corps ou des mains.

L’opérateur et les autres objets chauds doivent donc être maintenus hors des directions de réflexion susceptibles d’atteindre le thermomètre.

● Utiliser une surface de référence à forte émissivité

Lorsque le procédé le permet, il est possible d’appliquer un revêtement à forte émissivité connue, un ruban adapté ou un autre matériau de référence. La mesure doit être effectuée après stabilisation thermique entre la référence et la cible.

Cette méthode réduit fortement l’incertitude liée au rayonnement ambiant réfléchi par les surfaces métalliques à faible émissivité.

● Régler la température réfléchie lorsque l’instrument le permet

Sur les appareils disposant de cette fonction, la valeur doit être adaptée à l’environnement radiatif réel et ne pas être systématiquement assimilée à la température ambiante.

Comment identifier une influence du rayonnement de fond ?

Plusieurs observations peuvent révéler une interférence liée au rayonnement réfléchi.

● La température affichée varie fortement lors d’un faible changement d’angle ;
● La valeur change lorsque l’opérateur se déplace ;
● La mise en marche ou l’arrêt d’un chauffage voisin modifie la mesure ;
● Une même surface métallique donne des valeurs sensiblement différentes selon la direction d’observation ;
● Une zone recouverte d’un matériau à forte émissivité donne une valeur nettement différente de la surface métallique non traitée.

Dans ces situations, il ne faut pas conclure immédiatement à un défaut du thermomètre. Il convient d’abord de vérifier l’émissivité, l’environnement radiatif et la géométrie de mesure.

FAQ

Une température de fond plus élevée entraîne-t-elle toujours une température mesurée plus élevée ?

Non. Le sens de l’erreur dépend de la température réelle de la cible, de son émissivité et de la température radiative de l’environnement. Un fond plus chaud qu’une cible à faible émissivité peut entraîner une surestimation, tandis qu’un environnement plus froid peut provoquer une sous-estimation.

Les objets à forte émissivité sont-ils totalement insensibles au rayonnement ambiant ?

Non. Ils sont simplement moins affectés, car une plus grande partie du rayonnement détecté provient directement de la cible.

Faut-il encore tenir compte du rayonnement ambiant si l’émissivité est correctement réglée ?

Oui. Cela reste particulièrement important pour les métaux à faible émissivité, les surfaces très réfléchissantes et les cibles proches de sources de chaleur importantes.

Peut-on régler la température réfléchie sur la température de la pièce ?

Dans un environnement relativement homogène sans source chaude ou froide importante, la température de la pièce peut parfois constituer une approximation acceptable. Ce n’est toutefois pas le cas en présence d’un four, d’un chauffage, d’une paroi froide ou d’autres surfaces présentant de fortes différences de température.

Pourquoi les mesures sur les métaux brillants varient-elles autant ?

Les métaux brillants présentent généralement une faible émissivité et une forte réflectivité. Une part importante du rayonnement détecté peut donc provenir de l’environnement, ce qui rend le résultat sensible à l’angle de mesure, à la position de l’opérateur et aux sources thermiques voisines.

Conclusion

Un thermomètre infrarouge ne mesure pas directement la température : il la déduit du rayonnement infrarouge détecté. Il est donc nécessaire de tenir compte à la fois du rayonnement propre de la cible et du rayonnement ambiant réfléchi.

Pour les matériaux à forte émissivité, le rayonnement de la cible domine généralement et l’influence de l’environnement reste limitée. Pour les métaux polis et autres surfaces à faible émissivité, le rayonnement réfléchi peut au contraire devenir une source importante d’erreur.

Une mesure fiable nécessite donc un réglage correct de l’émissivité, l’identification des sources radiatives chaudes et froides à proximité, une géométrie de mesure adaptée et, si nécessaire, la compensation de température réfléchie ou l’utilisation d’une surface de référence à forte émissivité.

Comprendre le rôle du rayonnement ambiant est essentiel pour interpréter correctement les résultats d’un thermomètre infrarouge et diagnostiquer les valeurs anormales.