Transcript Thermographie (IRT)

MEC-761 Essais mécaniques et contrôle non destructif
09 – Thermographie (IRT)
MEC-761
Essais mécaniques et contrôle non destructif
Département de génie mécanique
Programme de baccalauréat
Le génie pour l'industrie
MEC761 - Martin Viens, prof.
MEC-761 Essais mécaniques et contrôle non destructif
09 – Thermographie (IRT)
Introduction
• La thermographie est basée sur l’étude des variations de
température à la surface d’une pièce et ce, en fonction du
temps.
• Elle s’appuie sur l’utilisation de caméras qui, en fonction
de la chaleur dégagée par la pièce inspectée (radiations
infrarouges), génèrent une image correspondante. Dans
cette image, la température à la surface de la pièce est
représentée par une couleur distinctive.
• Cette méthode permet de détecter et de localiser des
discontinuités de conduction thermique.
En fait, la
présence de défauts sera caractérisée par des anomalies
dans l’image thermique.
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Catégories d'inspection
Il faut distinguer
thermographique:
deux
grandes
catégories
d'inspection
Thermographie passive: on observe l'état thermique d'un
spécimen sans intervenir sur cet état.
Utilisée dans le domaine de la maintenance, pour évaluer l'isolation
thermique d'un bâtiment, en télédétection, dans certains examens
médicaux, en vision de nuit, dans le contrôle de certains procédés, …
Thermographie active: on observe les variations de
température à la surface d'un spécimen après avoir
déséquilibré son état thermique (grâce à une source de
chaleur, on force une transitoire ou la propagation d'une
onde thermique dans le spécimen).
Utilisée dans le cadre d'examens non destructifs
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Thermographie passive
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Thermographie active
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Principe de base
Transfert de chaleur
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Transfert de chaleur
Lorsque deux corps de températures différentes sont en relation, ils
échangent spontanément de l’énergie jusqu’à atteindre l’équilibre
thermique (même température). Ce transfert d’énergie, qui est
communément appelé transfert de chaleur, peut se faire selon trois
modes:
 Conduction thermique
 Convection thermique
 Radiation thermique
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Conduction thermique
Mode de transfert thermique provoqué par une différence de
température entre deux régions d'un milieu, ou entre deux
milieux en contact.
Dans un solide homogène, la diffusion de la chaleur est régie
par l'équation de diffusion de Fourier (cas unidimensionnel):
T
2 T
  2
t
x
où  
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k
c
T:
:
k:
:
c:
Température (°K)
Diffusivité thermique (m2/s)
Conductivité thermique (W/m°K)
Masse volumique (kg/m3)
Chaleur spécifique (J/kg°K)
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Convection thermique
Mode de transfert thermique qui implique
déplacement de matière (un fluide) dans le milieu.
un
Fluide au fond de la casserole:
• chauffé par conduction,
• les particules se dilatent, deviennent moins denses et montent
vers la surface.
Fluide à la surface de la casserole:
• refroidi par échange thermique avec l'air ambiant,
• les particules se contractent, gagnent en densité et plongent vers
le fond.
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Radiation thermique
Mode de transfert thermique se faisant par l'entremise d'un
rayonnement électromagnétique (rayonnement infrarouge).
Tout matériau, élevé à une température supérieure au zéro
absolu (0° Kelvin, -273°C), émet des radiations thermiques
qui sont dues à l'agitation de ses électrons.
L’intensité et la fréquence des radiations
augmentent avec la température du
matériau.
Ce mode de transfert de chaleur est le
seul à survenir au travers du vide.
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Sommaire de la mise en œuvre
En CND, l'inspection thermographique d'une pièce repose
sur les étapes suivantes:
• L'équilibre thermique de la pièce est perturbé en la soumettant à une
source d'énergie externe (flash ou modulation thermique, vibration
mécanique transformée en chaleur, …).
• Par conduction, les gradients thermiques cherchent naturellement à
s'estomper (transfert de chaleur vers un nouvel équilibre).
• Ce transfert de chaleur provoque une évolution, dans le temps, de la
température à la surface de la pièce.
• Cette cartographie thermique de la pièce est enregistrée dans une
séquence vidéo grâce à une caméra infrarouge (basée sur le transfert
de chaleur par radiation).
• La séquence d'images est interprétée en fonction de la géométrie et de
l'état de surface de la pièce. Toute anomalie dans ces images peut être
due à un défaut dans la pièce.
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Principe de base
Flux thermique
T1 (°K)
T2 (°K)
Excitation et conduction thermique
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Thermographie active
caméra
Source
échantillon
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Thermographie pulsée
• Utilise une source qui produit une courte impulsion
de chaleur
• Les variations de température mesurée sont reliées à
la transition du système d’un état thermique à un
autre (évolution dans le temps)
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Cas particulier
Cas d'une plaque isotrope semi-infinie qui absorbe, au temps
t = 0, une impulsion thermique sur l'une de ses deux
surfaces (cas unidimensionnel)  T
2 T
t
 
x 2
Conditions limites sur T(x,t):
 0 xe  x  l
T  x ,0   
T0 0  x  xe
T x ,   T f 
T0  xe
l
 T 0 ,t   T l ,t 

0
t
t
2



n
2l  1


 n  ze 
 n z 



T  z ,t   T f  1 
   sin
  cos
  exp  t  
 
 l 
 l  
 l 
  ze n 1 n

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Thermographie pulsée
y
t
TSa(t)
x
Td(t)
defect
t1 t2 t3
T
TSa(t)
T
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...
T
Q
tN t
 T ( t )  T d ( t )  TS a ( t )
e  t
Td(t)
t1 t2 t3
...
t
tN
t
t1 t2 t3
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...
tN
t
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Exemple de résultats
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Thermographie modulée
• Utilise une source de chaleur dont l’intensité varie
sinusoïdalement avec le temps;
• Les variations de température mesurée sont reliées à
l’état stationnaire du système.
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Onde thermique
Lorsque la surface d'un corps est chauffé par un apport
d'énergie périodique, la chaleur de surface diffuse
suivant une onde thermique.
T  z ,t   T0 e  z  cost  z  
z : profondeur sous la surface du corps
T0 : amplitude des excursions en température à la surface

2

: longueur de diffusion thermique
 : fréquence de l' onde
  2 : longueur d' onde thermique

v     2 
k
: diffusivit é thermique
 cp
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Note: la vitesse de propagation
de l'onde est donnée par…
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Vibrothermographie
•
Aussi connu sous le nom d’inspection thermosonique;
•
Technique généralement utilisée pour l’inspection de fissures dans des
structures métalliques;
•
L’énergie est injectée dans la pièce sous la forme d’une puissante
oscillation mécanique (transducteur sonique ou ultrasonique);
•
Dans un tel cas, les
défauts sont stimulés de
l’interne:
l’énergie
mécanique est dissipée
sous la forme d’ondes
thermiques qui émanent
du défaut lui-même et se
propagent jusqu’à la
surface de la pièce.
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Vibrothermographie
• Les défauts sont détectés indépendamment de leur orientation;
• Généralement, on peut obtenir une grande profondeur de
champ dans un temps d’inspection relativement court;
• Exemple d’inspection: inspection d’une aube de turbine en
moins de 12 secondes.
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Principe de base
Détection et radiation thermique
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Émissivité & corps noir
Corps noir:
Radiateur thermique idéal (notion
théorique) qui émet et absorbe toutes les radiations
thermiques possibles à une température donnée.
Émissivité: Propriété de la surface d’un matériau qui
représente le pourcentage du flux thermique généré
par ce dernier par rapport au flux généré par un
corps noir à la même température.

qT 
q0 T 
L’émissivité d’une surface entre dans le calcul de la
température de cette surface.
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Émissivités typiques
1.0
0.9
Tissus, cuir
Végétaux
Graphite, caoutchouc
Granite
Laque noire mate
Eau, neige
0.8
Émissivité ( )
0.7
0.6
Métaux dépolis ou oxydés
0.5
0.4
0.3
Aluminium
Acier
Cuivre
Magnésium
Etc.
Terre, sable
Béton, brique, asphalte
Céramique, verre
Peinture, plastique
0.2
0.1
Métaux polis
0.0
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Exitance spectrale d’un corps
rouge
violet
 : émissivité du corps
h  6.626076 10 34 J  s (constante de Planck)
c  2.99792458  108 m s (vitesse de la lumière)
k B  1.380658 10  23 J K (cte de Boltzmann)
c1  2hc 2
c2  hc k B
Loi de Planck:
M   
  c1
5  e c
2
T

1
Loi de Wien:
Corps noir (=1)
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max   m  
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2897.76829
T K
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Loi de Stefan-Boltzmann
En intégrant l'exitance spectrale sur tout le spectre, on
obtient l'exitance totale du corps.
M     T 4
q  A1 M 1  A2 M 2

 5c1
15 c24
 5.6705110 8
W
m2 K 4
où :  est la constante de Stefan ‐ Boltzmann
A1 et A2 sont les surfaces d' échange thermique
Note: La résistance thermique Rth est clairement non-linéaire
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Équipement
Capteurs thermiques,
systèmes d’imagerie et
sources de chaleur
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Configuration de l’équipement
Lampes flash
Lampes
infrarouges
Transducteurs
ultrasoniques
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Atténuation de l’atmosphère
Deux bandes d’utilisation en CND
(MWIR)
haute température ⇦ 3 à 5 m

(LWIR)
8 à 13 m ⇨ température ambiante



LW: Long wavelength
MW: Medium wavelength
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Détecteur thermique (bolomètre)
L’absorption du rayonnement thermique augmente la
température du dispositif ce qui, en retour, change sa
résistivité électrique.
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Détecteur quantique
• Transforme instantanément l’énergie de chaque photon
thermique en signal électrique.
• Ce type de détecteur est plus sensible et plus rapide que
le détecteur thermique mais requiert un système de
refroidissement pour opérer adéquatement.
• Les détecteurs thermiques sont sensibles aux photons
incident dans une gamme spectrale plus large que celle
des détecteurs quantiques.
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Technologie FPA
(Focal Plane Array)
640 x 480 pixel
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Caméras infrarouges
Critères de sélection:
• Bande de détection: MWIR (3 à 5 m) ou
LWIR (8 à 13 m)
• Type de
quantique
détecteur:
thermique
ou
• Résolution (nombre de pixels)
• Image fixe ou vidéo
• Caméra radiométrique (mesure de la
température) ou non (image thermique
relative sans mesure de température
absolue)
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Sources de chaleur
•
•
•
•
•
•
Laser
Lampe « flash »
Micro-ondes
Chauffage par induction
Élément résistif
Jet d’air chaud
Lampe « flash »
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Applications
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Analyse
• Les défauts apparaissent comme des indications
thermiques dans l'image (pixels plus chauds ou plus
froids que prévus par une évaluation du transfert de
chaleur dans une pièce saine).
• Une variation de l'état de surface d'une pièce
(rugosité, contamination, …) perturbe l'image
thermique obtenue (émissivité).
• Il faut distinguer les radiations émises par une pièce
de celles qui sont réfléchies par cette même pièce
(particulièrement important pour les pièces
réfléchissantes).
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Thermographie passive
Maintenance
isolation thermique d'un bâtiment
Télédétection
Cancer et inflammation
vision de nuit
contrôle de certains procédés
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Contrôle de qualité en ligne
Extrusion de plastique: la thermographie permet de visualiser les
inhomogénéités du produit et d'ajuster les paramètres du procédé en
conséquence.
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Contrôle de qualité en ligne
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Niveau d’un liquide
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Maintenance préventive
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Maintenance préventive
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Ventilation et chauffage
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Télédétection
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Détection de défauts
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Détection de défauts
Inserts dans des plaques de
composite
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Détection de défauts
Caméra
Lampes
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Délamination
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Comparaison avec UT
Réflection
Jonction entre
nids d’abeille
Transmission
C-Scan UT 5 MHz
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Structures aéronautiques
• Détection de fissures, de rivets lâches, d’inclusion d’eau et de
joints collés;
• Structures en aluminium, en nid d’abeille ou en composite
polymérique.
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09 – Thermographie (IRT)
Avantages
• Permet l’inspection de pièces et de structures ayant
des géométries complexes;
• Efficace sur une grande variété de matériaux
(aluminium, plastique, composites à matrice
polymérique, structure en nid d’abeille, …);
• Ne requiert l’accès qu’à un des deux côtés d’une
pièce sans toutefois nécessiter un contact avec cette
pièce;
• Permet une visualisation instantanée de toute la
surface de la pièce;
• Mise en œuvre simple. Facilement transportable.
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Limitations
• Certaines caméras infrarouges nécessitent un
refroidissement;
• Les variations d’émissivité de la surface affectent
l’image;
• En fonction de la source de chaleur utilisée, le
chauffage peut ne pas être uniforme;
• La surface peut réfléchir des signaux thermiques
provenant d’autres sources;
• La résolution décroît rapidement avec la profondeur
des défauts (quelques millimètres)
• Le contraste est parfois limité.
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