Introduction
Un thermomètre infrarouge détecte le rayonnement infrarouge émis par la surface d’un objet et calcule sa température de surface à partir de l’énergie reçue. En principe, il est donc possible de mesurer l’aluminium, le cuivre, l’acier inoxydable et de nombreux autres métaux.
Cependant, le fait qu’une surface puisse être mesurée ne signifie pas qu’une température exacte puisse être obtenue directement.
Les surfaces en aluminium ou en cuivre polies, usinées ou brillantes présentent généralement une faible émissivité infrarouge et une forte réflectivité. Le thermomètre peut alors recevoir une quantité importante de rayonnement thermique réfléchi par l’environnement, ce qui peut entraîner un écart important entre la température affichée et la température réelle de la surface.
Lors de la mesure de métaux très réfléchissants, la principale difficulté n’est donc pas d’obtenir une lecture, mais de maîtriser l’influence de l’émissivité et des réflexions thermiques environnantes.
Points essentiels
● L’aluminium, le cuivre et les autres métaux peuvent être mesurés par infrarouge, mais les surfaces métalliques brillantes font partie des cibles les plus difficiles à mesurer correctement.
● L’aluminium et le cuivre polis présentent généralement une faible émissivité et une forte réflectivité, ce qui les rend sensibles au rayonnement thermique réfléchi par les machines, les personnes, les murs ou les sources chaudes environnantes.
● Si le réglage d’émissivité de l’appareil ne correspond pas à l’émissivité réelle de la surface, l’écart de mesure peut être important.
● Les surfaces oxydées, peintes, anodisées ou rugueuses sont généralement plus faciles à mesurer que les surfaces métalliques polies ou très brillantes.
● Lorsque la précision doit être améliorée, il est possible de créer une zone de mesure à émissivité plus stable à l’aide d’un ruban noir adapté, d’un revêtement mat ou d’un autre traitement de surface approprié.
● La taille de la cible, la distance de mesure, le diamètre du spot et les sources de rayonnement thermique environnantes doivent également être pris en compte.
Pourquoi l’aluminium et le cuivre sont-ils difficiles à mesurer par infrarouge ?
Un thermomètre infrarouge mesure le rayonnement émis par la surface de la cible et non directement la température à l’intérieur du matériau.
Les propriétés radiatives d’une surface dépendent fortement de son émissivité. En règle générale, une surface à forte émissivité émet davantage de son propre rayonnement thermique et se mesure donc plus facilement. Lorsque l’émissivité est faible, l’influence du rayonnement réfléchi par l’environnement devient beaucoup plus importante.
L’aluminium et le cuivre brillants sont des exemples classiques de matériaux à faible émissivité. Ils émettent relativement peu de rayonnement infrarouge propre, mais réfléchissent efficacement celui provenant de leur environnement.
Le thermomètre peut donc recevoir simultanément le rayonnement propre de la cible et le rayonnement thermique réfléchi par celle-ci.
C’est pourquoi la température affichée sur une même surface métallique peut varier alors que sa température réelle reste stable, simplement parce que l’angle de mesure, la position de l’opérateur ou la position d’une source chaude a changé.
Pourquoi les métaux très réfléchissants affichent-ils souvent une température trop basse ?
Il est fréquent qu’une surface métallique soit réellement chaude alors que le thermomètre infrarouge indique une température nettement plus basse.
Une cause importante est l’écart entre l’émissivité réglée sur l’instrument et l’émissivité réelle de la surface métallique.
De nombreux matériaux couramment mesurés sans contact présentent une émissivité relativement élevée. Si le thermomètre est réglé pour ce type de surface alors que la cible réelle est un métal brillant à faible émissivité, le calcul de température peut présenter une erreur importante.
Toutefois, l’erreur de mesure sur un métal réfléchissant ne se traduit pas toujours par une valeur trop basse.
Si la surface métallique réfléchit un four, un élément chauffant, une machine chaude ou une autre source à haute température, la température affichée peut au contraire être trop élevée. Il n’est donc pas possible de corriger de manière fiable ce type de mesure en ajoutant simplement une valeur fixe à la température affichée.
Quelle est l’importance de l’émissivité ?
L’émissivité est l’un des paramètres les plus importants pour mesurer l’aluminium, le cuivre et d’autres métaux par infrarouge.
Les différents métaux n’ont pas la même émissivité. De plus, pour un même matériau, l’état de surface peut modifier considérablement cette valeur.
Dans le cas de l’aluminium, par exemple :
● l’aluminium poli peut présenter une très faible émissivité ;
● l’aluminium oxydé peut avoir une émissivité nettement plus élevée ;
● sur de l’aluminium peint, le comportement radiatif est principalement déterminé par la couche de peinture ;
● une surface rugueuse, corrodée ou traitée peut présenter une émissivité très différente de celle d’un aluminium brillant fraîchement usiné.
Il en va de même pour le cuivre. Le cuivre brillant, le cuivre oxydé et le cuivre revêtu peuvent présenter des propriétés radiatives infrarouges très différentes.
Il n’est donc pas recommandé d’utiliser automatiquement une seule valeur d’émissivité pour toutes les surfaces en aluminium ou en cuivre.
Pourquoi la valeur mesurée peut-elle changer avec l’angle de mesure ?
Les métaux très réfléchissants réfléchissent fortement le rayonnement infrarouge. Lorsque l’angle de mesure change, la source de rayonnement environnemental réfléchie vers le thermomètre peut elle aussi changer.
Par exemple, lorsqu’un opérateur mesure une surface métallique brillante de face, le rayonnement thermique émis par son propre corps peut être réfléchi par le métal vers l’instrument.
En changeant de position, cette même surface peut ensuite réfléchir un mur, un plafond, une machine ou une source chaude.
Même si la température réelle de la cible ne change pas, la quantité totale de rayonnement reçue par le thermomètre peut donc varier et entraîner une fluctuation de la température affichée.
Lorsqu’une modification de l’angle de mesure provoque une variation importante de la lecture, il convient d’examiner en priorité l’influence du rayonnement réfléchi avant de conclure à un défaut de l’appareil.
L’aluminium et le cuivre oxydés sont-ils plus faciles à mesurer ?
Dans de nombreux cas, oui.
L’oxydation, la corrosion, la peinture, les revêtements et d’autres traitements de surface modifient les propriétés radiatives infrarouges des métaux.
Comparées aux surfaces métalliques très polies ou proches d’un miroir, les surfaces oxydées, revêtues ou rugueuses présentent généralement une émissivité plus élevée. Elles sont donc souvent moins sensibles au rayonnement réfléchi par l’environnement et plus faciles à mesurer par infrarouge.
Il faut toutefois garder à l’esprit qu’un thermomètre infrarouge mesure les propriétés radiatives de la couche extérieure de la surface.
Sur une plaque d’aluminium peinte, par exemple, l’instrument détecte principalement le rayonnement de la peinture. Si une différence de température importante existe entre le revêtement et le métal sous-jacent, la valeur affichée ne doit pas être automatiquement assimilée à la température interne du métal.
Comment améliorer la fiabilité des mesures sur l’aluminium et le cuivre ?
Lorsque l’application permet de modifier temporairement la surface, il est possible de créer une zone de mesure présentant une émissivité plus stable.
Une méthode courante consiste à appliquer un ruban noir adapté, présentant une émissivité connue ou relativement élevée, sur la zone à mesurer. Il faut ensuite attendre que le ruban et le métal atteignent l’équilibre thermique avant de mesurer la température du ruban.
Le rôle du ruban n’est pas de modifier la température du métal. Il transforme simplement une surface à faible émissivité et fortement réfléchissante en une surface à émissivité plus élevée et moins réfléchissante, plus facile à mesurer de manière fiable.
Selon l’application, un revêtement mat adapté ou une autre surface de référence à émissivité connue peut également être utilisé.
Le ruban ou le revêtement choisi doit être compatible avec la température réelle et les conditions d’utilisation. Il ne doit pas être appliqué sans précaution sur des surfaces très chaudes, des pièces en mouvement, des zones présentant un risque électrique ou des équipements qui ne doivent pas être touchés.
Le réglage de l’émissivité suffit-il à résoudre le problème ?
Si le thermomètre infrarouge permet de régler l’émissivité, un réglage approprié peut améliorer sensiblement la mesure. Cependant, il ne supprime pas toutes les sources d’erreur.
Les surfaces à faible émissivité restent fortement sensibles au rayonnement thermique réfléchi.
Même avec une valeur d’émissivité correctement réglée, une machine chaude, une personne ou toute autre source thermique située à proximité peut encore influencer le résultat.
Lors de la mesure de l’aluminium, du cuivre ou d’autres métaux très réfléchissants, il convient donc de vérifier simultanément :
● si l’émissivité réelle de la surface est connue ;
● si le réglage d’émissivité de l’instrument est approprié ;
● si des sources de rayonnement nettement plus chaudes ou plus froides sont présentes à proximité ;
● si l’angle de mesure favorise des réflexions importantes ;
● si la cible est suffisamment grande ;
● si la distance de mesure est appropriée.
Le réglage de l’émissivité n’est donc qu’un élément parmi l’ensemble des conditions de mesure.
Pourquoi la distance de mesure est-elle également importante ?
Même si l’émissivité est correctement réglée, une distance de mesure inadaptée peut conduire à un résultat erroné.
Un thermomètre infrarouge ne mesure pas uniquement le point indiqué par le laser. Il mesure le rayonnement infrarouge moyen reçu sur une certaine surface. En général, le diamètre du spot augmente avec la distance.
Si un tube en cuivre, une barre en aluminium, un jeu de barres ou une borne métallique est plus petit que le spot réel, le thermomètre reçoit également du rayonnement provenant de l’arrière-plan.
Par exemple, si un petit tube en cuivre est mesuré de trop loin, le spot peut couvrir à la fois le tube et le mur situé derrière. La température affichée correspond alors au rayonnement combiné de plusieurs surfaces et non uniquement à celui du tube.
La distance de mesure doit donc être choisie en fonction du rapport distance/diamètre du spot (D:S), et la cible doit idéalement être nettement plus grande que le spot de mesure.
Dans quelles situations faut-il être particulièrement prudent ?
Les situations suivantes sont particulièrement susceptibles de générer des erreurs importantes :
● plaques en aluminium ou en cuivre fortement polies ;
● barres ou jeux de barres en cuivre ou en aluminium récemment usinés et brillants ;
● pièces métalliques à finition miroir ou presque miroir ;
● zones proches d’un four, d’un élément chauffant ou d’un équipement à haute température ;
● petites cibles mesurées à une distance excessive ;
● surfaces présentant simultanément des zones brillantes et des zones oxydées ;
● applications de laboratoire, de contrôle qualité ou de process exigeant une grande précision sur la température absolue.
Lorsque l’émissivité et le rayonnement de fond réfléchi ne peuvent pas être suffisamment maîtrisés, il n’est pas recommandé de fonder une décision précise sur une seule mesure infrarouge.
Pour les applications exigeant une meilleure confiance métrologique, une sonde de température par contact adaptée peut être utilisée comme référence ou pour validation.
Un thermomètre infrarouge est-il adapté aux contrôles rapides de température sur les métaux ?
Oui, à condition de distinguer un contrôle rapide d’une mesure précise de température absolue.
En maintenance industrielle, en inspection électrique et lors du contrôle d’équipements mécaniques, le thermomètre infrarouge est particulièrement efficace pour identifier rapidement des écarts de température anormaux.
Il est par exemple possible de comparer plusieurs barres, connexions ou composants en cuivre ou en aluminium présentant une conception et un état de surface similaires afin de repérer une zone anormalement chaude.
Dans ce type d’application, les différences relatives de température peuvent être plus utiles qu’une valeur absolue isolée.
En revanche, si l’objectif est de déterminer précisément la température de surface d’une pièce brillante en cuivre ou en aluminium, une lecture infrarouge non corrigée peut ne pas être suffisamment fiable. Il faut alors tenir compte de l’émissivité, du rayonnement réfléchi, de l’état de surface et de la géométrie de mesure.
FAQ
Peut-on mesurer directement une plaque d’aluminium brillante avec un thermomètre infrarouge ?
● Une valeur peut être obtenue, mais l’aluminium brillant présente généralement une faible émissivité et une forte réflectivité. La mesure directe peut donc comporter une erreur importante. Si une meilleure précision est nécessaire, la surface doit être préparée de manière appropriée ou la mesure vérifiée par une autre méthode.
Pourquoi la température mesurée sur un tube en cuivre varie-t-elle parfois fortement ?
● Outre une variation réelle de température, le rayonnement infrarouge réfléchi par l’environnement, l’angle de mesure, une distance excessive ou un spot trop grand peuvent provoquer ces fluctuations.
Un ruban noir peut-il réellement améliorer la mesure de température sur un métal ?
● Oui, s’il est utilisé dans sa plage de température appropriée. Il permet de créer une surface présentant une émissivité plus stable et une réflectivité plus faible. Il faut attendre l’équilibre thermique entre le ruban et le métal avant d’effectuer la mesure.
Un réglage correct de l’émissivité de l’aluminium garantit-il une mesure exacte ?
● Non. Même avec un réglage correct, le rayonnement réfléchi, l’état d’oxydation, l’angle de mesure, la taille de la cible et le diamètre du spot peuvent encore influencer le résultat.
L’aluminium oxydé et l’aluminium brillant peuvent-ils utiliser la même valeur d’émissivité ?
● Il n’est pas recommandé de supposer une valeur unique. L’état de surface peut modifier fortement les propriétés radiatives, et l’émissivité doit donc être adaptée à la surface réellement mesurée.
Le point laser représente-t-il toute la zone mesurée sur une barre en cuivre ?
● Non. Le laser sert principalement à viser et ne représente pas l’ensemble de la zone de mesure infrarouge. Le spot réel est généralement plus grand. Il faut utiliser le rapport D:S pour vérifier que la cible couvre suffisamment la zone mesurée.
Une sonde de contact est-elle plus fiable pour les métaux très réfléchissants ?
● Lorsqu’un contact sûr est possible et que les conditions de mesure sont appropriées, une sonde de température par contact peut fournir une référence ou une validation utile, en particulier lorsqu’une température absolue précise est nécessaire.
Conclusion
Les thermomètres infrarouges peuvent mesurer l’aluminium, le cuivre et d’autres métaux très réfléchissants, mais ces surfaces font partie des cibles les plus délicates pour la mesure de température sans contact.
La difficulté ne vient pas du fait que les métaux n’émettent pas de rayonnement infrarouge. Elle provient principalement de leur faible émissivité et de leur forte réflectivité, qui permettent au rayonnement thermique réfléchi par l’environnement d’avoir une influence importante sur le signal reçu par l’appareil.
Pour obtenir des résultats fiables, il faut considérer conjointement l’état de surface, le réglage d’émissivité, le rayonnement réfléchi, l’angle de mesure, la taille de la cible et le rapport D:S. Lorsque des exigences de précision plus élevées s’appliquent, un ruban noir à émissivité connue, un revêtement mat approprié ou une autre surface de référence contrôlée peut être utilisé. Une mesure par contact peut également servir de validation lorsque cela est nécessaire.
Pour les inspections industrielles et les contrôles rapides d’échauffement anormal, le thermomètre infrarouge reste un instrument sans contact particulièrement efficace. Sur l’aluminium brillant, le cuivre et les autres surfaces à faible émissivité, la maîtrise des conditions de mesure est toutefois plus importante que la simple lecture de la température affichée.
