Thermal Measurement

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Mesures avec une caméra Infrarouge

Généralités avant utilisation d'une caméra Généralités avant utilisation d'une caméra
- Si le concept de température réfléchie vous est inconnu, suivez un cours.
- Il est néanmoins possible de faire des mesures IR fiables à la condition d'utiliser un scotch sur la partie à mesurer, en oubliant tout autre point mesuré dans l'image sans l'ajout d'un scotch dessus. Toujours mettre en balance une mesure classique de température avec un thermomètre à pointe.
- Une mesure IR est une "mesure de surface" d'un objet. Aucune chance de voir à travers la matière (à l'exception de matériaux très spécifiques designés pour). Toute la difficulté de la mesure IR est d'identifier l'origine du flux de chaleur émis par la surface d'un objet, pouvant être soit:
  - Emis "intrinsequement" par l'objet mesuré et porté à une température donné.
  - Réfléchi par l'objet mesuré, et ne représentant pas une indication de la température de l'objet visé/mesuré.
  - Traversant l'objet mesuré (cas très atypique de fenetre/lentille infrarouge).
- Une caméra reglée par l'opérateur à une emissivité dans la gamme [0.95; 1] (configuration standard) peut très facilement
  - Rater complètement des points chauds
    Cas d'un busbar en cuivre poli à 200 °C pouvant être mesuré à seulement 40 °C (mauvaise emissivité + environnement neutre).
  - Indiquer des points chauds farfelus
    Cas d'un busbar en cuivre poli à 25 °C pouvant être mesuré à 100 °C (mauvaise emissivité + source chaude locale se reflétant).

E.S.T emissivité inconnue. E.S.T emissivité inconnue.
- La méthode la plus simple et la plus sûre:
  - Si l'emissivité est inconnue, et que la mesurer est hors de portée, placer un bout de scotch ou peindre l'équipement sous test (E.S.T); regler sur la caméra une emissivité de 0.95 (scotch). Le sotch atteint très vite la température de l'équipement mesuré (peu d'inertie thermique) et la mesure n'est pas affectée par l'angle de mesure ou des sources de température locales (le scotch ne les refletant pas).
  - Ne croire seulement que le point de mesure relevé sur le scotch.. Avec un morceau de scotch sur l'équipement, la mesure est quasiment toujours très juste, mais on perd l'intérêt de l'image complète au profit d'un point de mesure seul crédible.
- La méthode plus ardue, requierant la détermination de l'émissivité
  - En premier lieu, il peut être intéressant de déterminer si l'émissivité est haute ou pas. Une température affichée, à émissivité réglée constante de 0.95, qui varierait en fonction de l'angle de mesure indique une émissivité basse et une mesure délicate.
  - Si la connaissance de l'émissivité est nécessaire, suivre le cas décrit ci dessous, avec émissivité faible. Ne jamais oublier qu'une emissivité est déterminée pour une température de l'objet et un angle de mesure considéré.

E.S.T emissivité > 0.95. E.S.T emissivité > 0.95.
- Avec une emissivité connue supérieure à 0.95 (scotch appliqué ou matériel naturellement emissif, bois, peau, plastique...), la mesure est quasiment toujours très juste et ne demande pas de précautions particulières.

E.S.T emissivité < 0.95. E.S.T emissivité < 0.95.
- Mesurer la température équivalente réfléchie: Pourquoi?
  - Une emissivité inférieure à 0.95 indique qu'une partie de l'énergie thermique irradiée par l'équipement sous test vient de l'environnement externe se réfléchissant sur l'objet, en plus de sa radiation thermique propre (sa température). Mesurer la température équivalente réfléchie revient à évaluer l'impact de l'environnement thermique dans l'information traitée par la caméra. (ISO 18434-1 norme).
- Mesurer la température équivalente réfléchie: Comment?
  1. Froisser et aplatir une feuille de papier aluminium (cuisine), la coller sur un plaque de carton, et courber l'ensemble en reproduisant l'objet à mesurer (cas d'objet convexe ou concave).
  2. Placer ce recepteur thermique le plus près possible de l'équipement sous test en le placant entre la caméra et l'équipement sous test.
  3. Placer la caméraexactly telle qu'elle le sera pour la mesure finale (angle, distance, position...)..
  4. Regler une émissivité de 1, en moyennant la température sur la surface entière du papier aluminium.
  5. La témpérature moyenne indiquée est la température équivalente réfléchie, et doit être réglée et rentrée manuellement dans la caméra. Ne plus alors changer l'environnement (un néon si éteint lors de l'identification doit rester éteint lors de la mesure, ne pas changer pareillement l'angle de mesure...).
  6. Noter qu'une source de chaleur très proche et très forte sur un équipement sous test de basse émissivité induira un risque d'erreurs de mesures très importantes, car le flux majoritaire traité par la caméra sera un flux parasite à supprimer dans le processing des données récoltées par le capteurt. (un fer à souder à 350°C se refletant sur un busbar en cuivre poli par exemple; mieux vaut l'éteindre le temps de la mesure.)
- Toujours utiliser un angle de mesure de 25 ° à 40 °.
  - Utiliser cet angle de mesure permet d'effectuer une mesure sans être trop impacté par quelques degrés de différence entre plusieurs mesures (sensibilité faible sur la mesure). L'emissivité peut facilement varier de 0.2 jusqu'à 0.05 d'un angle de 0 ° à 25°.

Comment fonctionne une caméra? Comment fonctionne une caméra?
- Une caméra mesure la quantité de chaleur émise par la surface d'un objet (d'une certaine longueur d'onde).
  - Si l'émissivité de E.S.T est proche de 1:
    La caméra va déduire de l'énergie mesurée dans sa gamme utile (couvrant seulement une partie du spectre émis) la température du corps noir équivalent. C'est une application directe de la loi de Plank, qui lie la température d'un corps noir à son rayonnement, avec, au passage un pic parfaitement connu (un maximum de la courbe à une fréquence donnée, rapidement donné par la loi de Wien).
    Un corps noir d'une emissivité de 1 @ 150°C va émettre des rayonnements electromagnétiques en "forme de cloche" avec un pic à une longueur d'onde de 6.85 µm. La totalité du rayonnement sur le spectre global (bande de fréquence) amènerait à l'énergie donnée par la formule de Stephan Boltzmann.
    Le rôle de la calibration d'une caméra est d'établir la correspondance entre la température du corps noir et la la quantité limitée de l'énergie mesurée (car bande de fréquence limitée). Le capteur infrarouge a ainsi une réponse donnée à un corps noir à une température donnée, avec une fonction de transfert connue et vérifiée par calibration. Le capteur sera d'autant mieux adapté que sa bande de fréquence utile (la bande de mesure) correspond bien à la bande de fréquence considérée, même si ne couvrant pas la totalité du rayonnement. (un capteur [7.5; 13] um est bien adapté à des températures de [-20; 120] °C, car le signal dans la gamme du capteur y est fort car proche du pic de Wien.

Comprendre les concepts de mesures infrarouges.

L'émissivité est un chiffre relatif sans unité entre 0 et 1. Il représente la quantité d'énergie émise par la surface d'un objet. Une émissivité de 0.6 indique que l'objet émet 60 % de son énergie propre, quand l'environnement thermique s'y reflete à hauteur de 40%. Une émissivité de 1 black body signifie que l'objet émet 100% de l'énergie disponible du fait de température

L'émissivité n'est pas inhérent à un matériel mais change drastiquement avec l'angle de mesure également, ainsi qu'avec la température de l'objet, et ce en particulier dans le cas de faible émissivité. Ce paramètre est crucial pour accéder dans un premier lieu à l'énergie propre rayonnée de l'E.S.T. Les flux de température variant en puissance 4 de la température en °K, des incertitudes sur l'émissivité et sur les températures equivalentes réfléchies influe grandement la précision de mesure, encore une fois surtout sur des objets à faible émissivité.

Il est incohérent d'utiliser des émissivités inférieures à 1, sans rentrer la température équivalente réfléchie. Quelques exceptions existent, où une erreur sur cette température due à l'environnement est peu sensible, lorsque l'E.S.T est singulièrement plus chaud que son environnement. Dans un sens, la partie en T°C⁴ même diminuée d'une émissivité faible reste bien supérieure à la quantité d'énergie réfléchie, et une erreur sur la température équivalente réfléchie ne sera pas très impactancte. Par contre une erreur sur l'émissivité impactera toujours la précision sur la température de l'objet.
Par example un objet à 370 °C et d'une émissivité de 0.7 dans un environnement équivalent réfléchi à 25 °C sera donné à 360 °C, même si l'opérateur rentrait une température erronnée de 90 °C pour la température équivalente réfléchie.

Always keep in mind that a 0.97 emissivity DUT @ 25 °C can nevertheless be affected by the presence of a 300 °C large local source (reflected apparent temperature of 300 °C). Always think in energy. Even if reflected energy is reflected with a coeffient of 0.03, the total amount of energy due to 300 °C can be consequent compared to the total infrared energy sent to the camera. The calculation will finally end in a low temperature device, since the majority of the thermal flux will be assumed to be coming from outside.

L'énergie émise est de la forme alpha.T⁴ (T en °K), quand la détermination de la température par la loi de Wien est plutôt comme suit: lambda(m) = beta / T(°K).

Fenêtres IR. Fenêtres IR.

A l'exception de fenêtres IR de très haute qualité et très fort prix, le coefficient de transmission dépend de la température mesurée, autrement dit de la longueur d'onde.

Le coefficient de transmission de la fenêtre doit être déterminée en fonction de chaque température, par exemple de 40 °C à 160 °C. Une méthode aisée consiste à utiliser une plaque chauffante home made (resistance plaquée sur une plaque à forte émissivité) en mesurant la température avec et sans la fenêtre.

Il est recommandé de placer l'objectif de la caméra au plus près de la fenêtre.

Bibilographie .pdf

Choosing a camera. Choosing a camera.

An important parameter is the spectrum range the camera can measure. To determine it, use the Wien displacement law, which says that Lambda(µm) = 2898 / T(°K). A range of [7.5; 13] µm suits measurement from [-20; 120] °C.

A camera that takes both thermal and digital photos is recommended.

Infrared Camera Measurement

Some basic statements before using a Infrared Camera

If reflected apparent temperature is unknown to you, follow a course.

Without any knowledge regarding infrared domain, it is only possible to get a value of the temperature being measured on a tape piece put on the D.U.T, ignoring the rest of the image. Always consider the old fashion way, using a direct contact thermometer, which does the same.

Infrared measurement is the measurement of the surface of an object. No chance to see through an object (except if made for, like IR window). All the science of infrared is to identify the origin of the flux, transmitted by the surface to the camera: being irradiated from the measured object itself, or simply reflected by it?

A camera with an emissivity set to [0.95; 1] (standard configuration) can very easily

Completly miss hot spots
A highly polished busbar at 200 °C can be measured at 40 °C (wrong emissivity + cool environment).

Indicate wrong hot spots
A highly polished busbar at 25 °C can be measured at 100 °C (wrong emissivity + close heat source).

D.U.T emissivity is unknown. D.U.T emissivity is unknown..

The easiest and safest method, when possible:

If emissivity is unknown, and you don't want to measure it, place a tape piece on it, or paint the piece if possible, and use emissivity of 0.95 (tape) in the camera. The tape is generally immediately reaching the D.U.T temperature, and is not too much affected by the measurement angle, or external heat sources around (not reflective per nature).

Only believe in the point temperature on this tape in your nice picture.. With a tape placed on the D.U.T, measurement is always correct most of the time, and you can believe it.

The hardest method, when being obliged to dig in:

First, if you want to know if emissivity is high enough, or not, change the angle while doing the measurement, and distance. If temperature measured is highly affected, emissivity is low. This is quick and alerts you on the possible traps.

When an identification process is required, calibrate the D.U.T following the case where emissivity is low. Don't forget the emissivity value should be obtain ideally while doing the measurement (angles, temperature affecting it).

D.U.T emissivity > 0.95. D.U.T emissivity > 0.95.

With D.U.T emissivity of more than 0.95 (tape on it or highly emissive material), measurement is easy and correct most of the time.

D.U.T emissivity < 0.95. D.U.T emissivity < 0.95.

Measure the reflected apparent temperature. Why?

Emissivity less than 0.95 means a part of energy emitted by the D.U.T will come from its proper emission, and from the environment being reflected by the D.U.T. Measuring the reflected apparent temperature means to identify the environment equivalent thermal source. (ISO 18434-1 standard).

Measure the reflected apparent temperature. How?

Crump and reflatten a piece of aluminium paper, stick it on a carton, curve it as your device is.

Place it as closer as possible from the D.U.T and in line with the camera.

Place your camera exactly as it will be for the final measurement (angle, distance).

Use an emissivity of 1, and average the temperature being measured on the aluminium paper.

The temperature is the reflected apparent temperature, and has to be entered in the camera as a given parameter of the measurement to follow. Be careful not to change your environment (a ceiling light being OFF stays OFF, don't move the measurement angle...).

Note that a very high and small heating source reflecting in a low emissivity D.U.T would be very difficult to compensate, since it would create highly local high gradient. (an 350°C iron solder reflecting in a polish copper for example is very difficult to compensate, better turning it off.)

Always try to measure your low emissivity D.U.T if possible with an angle of 25 ° to 40 °.

This will allow you to use an emissivity for reflective material without being too sensitive to the measurement angle. Note that emissivity of a D.U.T especially when highly reflective depends highly from the measurement angle. It can easily move from 0.2 down to 0.05 from 0 ° to 25°.

How does work an infrared camera? How does work an infrared camera?

Emissivity of 1 Emissivity of 1 - Emissivity of 0.7 Emissivity of 0.7

Illustration of the IR camera data processing .xlsm

A IR camera receives a heat radiation emitted by an object surface at a given frequency (wave length).

If D.U.T emissivity is close to 1:
Camera will deduce from the peak wave the temperature of the device (Wien displacement law).
A 1 emissivity D.U.T (black body) @ 150°C will emit a radiated wave @ 6.85 µm.

If D.U.T emissivity is less than 1:
Camera processor will first remove the energy provided by the environment. It will use the reflectance (1 - emissivity) + reflected apparent temperature, both parameters manually entered by the expert to calculate the equivalent reflected energy. It will then determine the total energy emitted by the D.U.T only. Using its emissivity, it will deduce the D.U.T object temperature.
A 0.6 emissivity D.U.T @ 150°C will emit a radiated wave @ 7.50 µm (equivalent of a black body radiation @ 113°C).

Always think in terms of a global energy being sent to the camera by your D.U.T. Indicating to the camera the emissivity and reflected temperature determes the part of energy being measured by the camera which is not coming from DUT but uses the D.U.T reflecting on it. This reflected energy has to be substracted from the whole energy sent to the camera to achieve a correct measurement.

Understanding the concept of infrared measurement.

Emissivity is a relative number, between 0 and 1. It represents the percentage of heat energy apparent from an object which is emitted by its surface. An emissivity of 0.6 means that the infrared radiation coming from the object is 60 % emitted by the object itself, 40 % being reflected from the environment. An emission of 1 is a black body and represents the maximum radiated thermal energy a surface can emit being at the given temperature.

Emissivity is not an inherent fixed material property. It drastically changes with measurement angle and device temperature. Never give a value for a low emissivity; give a curve vs angle, and vs temperature. This parameter is absolutely crucial, since once the reflected heat energy will be removed from the measurement, it will direcly affect the final measurement.

It doesn't make sense to use emissivity of less than 1 without a clear idea of the reflected apparent temperature, except if the temperature of the DUT is very high, and then the DUT emitted flux is then still higher than the reflected one. In a sense, the T⁴ factor determining energy sent will overcome the poor emissivity, regarding to the environment if quiet.
For example a DUT at 370 °C with a real emissivity of 0.7 in a 25 °C reflected apparent temperature equivalent environment will still be measured at almost 360 °C, even with a wrong reflected apparent of 90 °C entered in the camera.

Always keep in mind that a 0.97 emissivity DUT @ 25 °C can nevertheless be affected by the presence of a 300 °C large local source (reflected apparent temperature of 300 °C). Always think in energy. Even if reflected energy is reflected with a coeffient of 0.03, the total amount of energy due to 300 °C can be consequent compared to the total infrared energy sent to the camera. The calculation will finally end in a low temperature device, since the majority of the thermal flux will be assumed to be coming from outside.

Emitted energy is alpha.T⁴ (T in °K). Very different temperature, from device or from environment will have strong effect on reflective system.

IR windows. IR windows.

except very high quality and expensive ones, they provide transmission factor depending on temperature. What makes the measurement difficult is if this transmission factor is not constant, the apparent temperature has to be taken into account, considering the power emitted by the DUT. For example, a tape (0.95) at 100 °C will be affected by a transmission factor of 0.5, when the same DUT but with a emissivity of 0.2, even at same temperature will be affected by a different factor. The transmission factor is depending of the given thermal energy spectrum ray, not the real temperature of the surface.

The transmission of the IR window should be determined at temperatures throughout the range of interest, e.g. 40 °C to 160 °CC. An easy method is to use a hot-plate, with tape (0.95) and measure the temperature WITHOUT the IR window. Put the IR window in and them re-measure the temperature.

It is recommended to place the camera lens against the IR window to prevent thermal energy from other sources behind the camera.

Bibilographie .pdf

Choosing a camera. Choosing a camera.

An important parameter is the spectrum range the camera can measure. To determine it, use the Wien displacement law, which says that Lambda(µm) = 2898 / T(°K). A range of [7.5; 13] µm suits measurement from [-20; 120] °C.

A camera that takes both thermal and digital photos is recommended.