Chauvin-Arnoux C.A 1875 Manuel utilisateur

CC

C.A 1875

 Banc thermographie

 Thermography bench

Notice de fonctionnement

User’s Manual

FRANÇAIS

ENGLISH

Français

1

Français…………………………………………………………………………………..1

English…………………………………………………………………………………..50

Vous venez d’acquérir un banc didactique thermographie C.A 1875 et nous vous

remercions de votre confiance.

Pour obtenir le meilleur service de votre appareil :

• lisez attentivement cette notice de fonctionnement,

• respectez les précautions d’emploi

SIGNIFICATION DES SYMBOLES UTILISES

Tri sélectif des déchets pour le recyclage des matériels

électriques et électroniques au sein de l'Union

Européenne.

Conformément à la directive WEEE 2002/96/EC : ce

matériel ne doit pas être traité comme déchet ménager.

Risque de danger. Consulter la notice de fonctionnement

avant d’utiliser l’appareil.

Le marquage CE garantit la conformité aux directives

européennes ainsi qu'aux réglementations en matière de

CEM.

Attention, surface chaude

PRECAUTIONS D’EMPLOI

Si cet appareil est endommagé ou qu’une pièce est manquante, veuillez contacter

immédiatement le vendeur.

Le non respect des instructions ou précautions d'emploi peut compromettre la

protection assurée par l’appareil.

La présente notice doit être consultée pour chaque symbole de risque de danger

rencontré.

Français

2

SOMMAIRE

1. INTRODUCTION 4

2. PRESENTATION 5

3. CARACTERISTIQUES 7

3.1

Caractéristiques générales du banc............................................7

3.2

Caractéristiques du fusible ..........................................................8

4. MISE EN SERVICE 8

5. MANIPULATIONS 9

5.1

Les transferts thermiques............................................................9

5.1.1

La théorie………………………………………………………….9

5.1.2

Manipulations: étude de l’influence de l’émissivité………….15

5.2

Etude du corps réel....................................................................16

5.2.1

La théorie………………………………………………………..16

5.2.2

Manipulations : étude de l’influence de la réflexion et de la

transmission………………………………………………………………18

5.3

Optique et camera de thermographie........................................18

5.3.1

La théorie : étude de la résolution spatiale…………………..18

5.3.2

Manipulation : étude de la résolution spatiale……………….22

5.4

Manipulations sur logiciel...........................................................23

5.5

La thermographie en pratique ...................................................25

5.5.1

Modes de détermination de défaut……………………………25

5.5.2

Applications……………………………………………………..26

5.6

Réalisation d’un rapport Q19.....................................................28

5.6.1

Présentation……………………………………………………..28

5.6.2

Mise en application……………………………………………..31

6. MAINTENANCE 31

6.1

Réparation ................................................................................. 31

6.2

Changement fusible...................................................................32

7. GARANTIE 32

8. POUR COMMANDER 32

Français

3

ANNEXE 1 : DETERMINATION EMISSIVTE 33

ANNEXE 2 : DETERMINATION TEMPERATURE REFLECHIE 34

ANNEXE 3 : EXERCICES D’APPLICATION 35

ANNEXE 4 : SOLUTIONS 41

Français

4

1. INTRODUCTION

La technologie de détection par thermographie infrarouge est devenue un moyen

irremplaçable de garantir la sécurité des conditions de production industrielle. Son

utilisation est commune à des secteurs de l’industrie aussi divers que la métallurgie

et la sidérurgie, l’énergie électrique, l’industrie pétrolière, l’automation, l’exploitation

du gaz naturel, l’industrie des transports, et à d’autres professions engagées tel

que dans la lutte contre le feu et la surveillance des frontières. A toutes ces

activités caractérisées par des procédures de fonctionnement en flux tendu, des

équipements de production sous haute-tension, des courants électriques puissants

ou des vitesses d’opération élevées, l’imagerie thermique infrarouge offre une

méthode d’inspection sans-contact et en temps réel.

Cette méthode de détection ne nécessite aucune coupure de courant, n’exige ni

arrêt des machines, ni interruption de la production. Elle permet de diagnostiquer à

l’avance les disfonctionnements latents, et ainsi de prévenir l’occurrence des

pannes, d’éviter les incidents de production. L’imagerie thermique est une

technique innovante d’évaluation « sans-contact », à la fois sûre, fiable, et rapide.

Une caméra thermique ne mesure pas des températures mais des flux de

rayonnement. Après le réglage de certains paramètres par l’opérateur en

thermographie, la caméra calcule alors les températures de la cible. Elle fournit

ensuite à l’utilisateur une cartographie des températures, appelée thermogramme :

à chaque température est associée une couleur.

Voici deux exemples de thermogrammes :

Vues intérieures de coffrets électriques triphasés

En premier lieu, nous pourrions constater que ces deux thermogrammes sont quasi

identiques : nous observons une phase plus chaude que les deux autres (celle de

gauche pour le thermogramme de gauche, celle du haut pour le thermogramme de

Français

5

droite,). En effet, leur couleur est jaune clair, ce qui indique selon l’échelle de

couleur située à droite de l’image IR que la température y est plus élevée.

Regardons de plus près ces deux images en insérant des curseurs de température.

Thermogramme de gauche :

- Curseur 1 : 52,9°C

- Curseur 2 : 44, 9°C

Suivant les règles de thermographie classique (voir après), il n’y a pas de problème

particulier.

Thermogramme de droite :

- Curseur 1 : 60,3 °C

- Curseur 2 : 35,3 °C

Dans ce cas, l’écart de température est de 25 °C ! Nous pouvons conclure à un

réel problème sur l’installation et une action corrective est à mettre en place.

En conclusion, il faut faire attention aux échelles de couleur et réaliser une véritable

analyse . En effet, sombre signifie plus froid et clair signifie plus chaud, mais cela

ne veut pas dire qu’il y ait un problème de détecter ! Il ne faut pas oublier que la

caméra est un outil de mesure et qu’il est nécessaire de continuer les

investigations !

2. PRESENTATION

Une demande grandissante en formation à la thermographie infrarouge a amené

CHAUVIN ARNOUX à développer un équipement de mesure spécialement conçu

dans un but pédagogique.

Loin d’être exhaustives, les manipulations proposées ont pour seul but d’illustrer

par quelques exemples les relevées de mesure faux qu’il est possible de réaliser

en thermographie infrarouge.

L’objectif est de sensibiliser les personnes au fait qu’une caméra infrarouge est un

outil de mesure de précision qui nécessite une prise en main approfondie.

Le banc didactique C.A 1875 est composé d’une plaque chauffante équipée de

plusieurs cibles d'états de surface et de matériaux différents ainsi que d'écrans de

test qui se fixent sur l’avant du banc à l’aide d’aimants. (Voir le schéma ci-

dessous).

L’objectif de ce banc est de permettre à l’étudiant de mettre en avant les

principales causes d’erreur possibles lors de la réalisation d’une mesure à l’aide

d’une caméra infrarouge.

Français

6

Cet ensemble permet d’effectuer les expérimentations suivantes :

- Problème d’émissivité des matériaux

- Problèmes de positionnement

- Problème de réflexion

- Problème de transmission

- Problème de résolution spatiale

Présentation du banc didactique thermographie C.A 1875 :

1 : Plaque chauffante

2 : LEDs d’indication de montée ou de descente en température

3 : Interrupteur Marche / Arrêt

4 : Connexion câble alimentation secteur

5 : Compartiment fusible

6 / 10: Plaques de matériaux différents

7 : Couvercle de protection du banc

8 : Plaque de fixation des écrans de test

9 : Plaque noire de référence pour les différents tests

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Français

7

Présentation des écrans de test

Ecran de test n°1 :

Vitre plexiglas

Présentation des cibles chaudes

3. CARACTERISTIQUES

3.1 CARACTERISTIQUES GENERALES DU BANC

Alimentation : 230 V

50 / 60 Hz

Consommation : 400 mA

Température plaque chauffante : 50 à 55°C ± 3°C

Plaque noire

d’émissivité 0,95

Plaque 6 :

Al

uminium

AG3

Plaque 4 :

Cuivre

rouge

Plaque 3 :

Stratifié

FR4

Plaque 2 :

Acier inox

Plaque 1 :

Acier poli

Ecran de test n°2:

Fentes de largeur variable

Plaque 5 :

Laiton

Français

8

Dimension : 280 x 225 x 110 mm

Poids : 1,8 kg

Conditions d'environnement :

Utilisation en intérieur :

0 à 40°C et 10 à 90% HR

Altitude inférieure à 2000 m

Degré de pollution de 2

Stockage : -20 à + 65°C et 10 à 90% HR

Altitude inférieure à 12000 m.

NB : un stockage à une température plus élevée est possible mais nécessite de

réarmer manuellement le thermostat de sécurité pour rendre l'appareil fonctionnel.

Conformité aux normes internationales :

- Sécurité selon IEC 61010 Ed.2 2001

- CEM selon IEC 61326-1 Ed.97 + A1 Ed.98 + A2 Ed.2001

3.2 CARACTERISTIQUES DU FUSIBLE

Dimensions : 5 x 20 mm

Calibre : 0,5 A rapide – 250 V

4. MISE EN SERVICE

Le banc didactique thermographie C.A 1875 doit être placé sur une surface

plane. La plaque chauffante doit être perpendiculaire au plan de travail.

Français

9

Une fois le banc positionné, branchez-le à une prise secteur équipée d'une terre et

mettez en service avec le bouton Marche/Arrêt.

Attendez quelques minutes que la plaque monte en température pour effectuer les

premiers tests.

Schéma de fonctionnement des LEDs et de la variation de température de la

plaque chauffante.

Lors de la mise en route du banc, L1 s’allume jusqu’à ce que la plaque atteigne

environ 55°C. Une fois arrivée à cette température, L2 s’allume et la plaque se

refroidit jusqu’à environ 50°C. La chauffe se remet en service avec l'allumage de L1

et ainsi de suite. Ce cycle se fera indéfiniment tant que le banc sera en

fonctionnement.

5. MANIPULATIONS

Consultez la notice de fonctionnement pour la prise en main de la RayCAm.

Avant toute nouvelle manipulation, créez un nouveau dossier

d’enregistrement de thermogramme.

Lors des manipulations, sauvegardez un maximum d’images.

5.1 LES TRANSFERTS THERMIQUES

5.1.1 La théorie

Pour bien comprendre les événements en jeu, il est important de connaître les

phénomènes qui sont à la base des évolutions, des changements de température.

Il existe trois modes de transfert thermique :

L1 L2

T(°C)

Ta

Régulation

t

60° Max

Français

10

- La conduction

- La convection

- Le rayonnement

Ces trois modes peuvent être présents simultanément et indépendamment l’un de

l’autre.

Un flux de chaleur est un terme d’énergie thermique par unité de temps. Un flux de

transfert ne se produit que lorsqu’une différence de température est présente.

L’énergie thermique est transférée d’un corps chaud vers un corps froid.

Il est nécessaire de comprendre les phénomènes thermiques en jeu avant tout.

La conduction.

En physique, la conductivité thermique est la grandeur introduite pour quantifier

l'aptitude d'un corps à conduire de la chaleur. Elle représente la quantité de chaleur

transférée par unité de surface et par unité de temps sous l'action d'une différence

de température entre les deux extrémités d'un échantillon de ce corps, donc en

présence d'un gradient de température.

Prenons l'exemple d'une barre métallique que l'on chauffe à l'une de ses extrémités

: l'agitation thermique des atomes situés à l'extrémité chauffée de la barre

augmente et se transmet de proche en proche dans la direction inverse du gradient

thermique.

Application : voir Annexe 3 exercice 1

La convection.

Un débit ou une circulation de liquide ou de gaz peut transporter avec lui une

certaine quantité d'énergie thermique. Ce transport de chaleur porte le nom de

CONVECTION thermique. Dans la convection, la chaleur se sert du fluide comme

véhicule pour se déplacer. Il existe deux types de transferts convectifs:

Gradient thermique

Augmentation de la température à

l’extrémité de la barre

Français

11

- La convection naturelle: lorsqu'il existe une différence de température

entre deux points d'un fluide, le fluide chaud aura tendance à monter sous

l'effet de la poussée d'Archimède. Il y aura ainsi circulation naturelle du

fluide sous l'effet de la chaleur qui, par ailleurs, sera transportée avec lui:

on parle de convection naturelle.

- La convection forcée dans laquelle l'écoulement du fluide est forcé par un

dispositif mécanique quelconque (pompe ou gravité pour un liquide,

ventilateur pour de l'air).

La convection forcée est un phénomène dangereux en thermographie infrarouge.

En effet, la convection forcée va amener la surface d’un corps à se refroidir, sans

pour autant modifier sa température interne.

Par exemple, le vent est un mode de convection forcée. En présence de vent, l’être

humain a une sensation de rafraîchissement et sa peau peut diminuer en

température. Par contre, sa température interne ne va absolument pas être

modifiée !!! Avec ou sans vent, l’organisme humain dispose d’une régulation très

précise de sa température.

Comme en thermographie nous ne mesurons que la température de surface des

objets, notre analyse sera fausse. En effet, la surface du matériau sera uniforme en

température dû au phénomène de convection forcée mais les températures

internes peuvent être différentes.

Application : voir Annexe 3 exercice 2

Français

12

Le rayonnement : cas du corps parfait, le corps noir.

Tout corps à une température supérieure à 0 degré kelvin (zéro absolu, soit -

273,15°C) émet un rayonnement électromagnétique app elé rayonnement

thermique. Le rayonnement infrarouge est le rayonnement électromagnétique dont

la longueur d’onde est comprise entre 700 nanomètres et 1 millimètre.

Etant donnée la loi de conservation de l’énergie, pour qu’un corps rayonne cela doit

venir de lui-même : c’est une énergie interne.

En thermographie, on utilise le rayonnement pour mesurer la température des

corps.

Pour chaque température et longueur d’onde données, il existe une énergie

maximum rayonnée que tout corps ne peut dépasser. Ces informations sont

données par les courbes de Planck :

La loi de Wien donne la longueur d’onde (en micromètre) correspondant à l’énergie

maximale rayonnée d’un corps noir à une température donnée T (en Kelvin).

2898

λ

max

=

T

La longueur d’onde du maximum de rayonnement infrarouge décroît lorsque la

température du corps noir augmente.

Energie

rayonnée

Français

13

C’est la loi de Stephan-Boltzmann qui permet de quantifier ces échanges. L’énergie

E rayonnée par un corps s’écrit :

E = S. σ. T

4

Avec:

E: énergie rayonnée exprimée en W / m².

σ: constante de Stephan-Boltzmann = 5,6703 . 108 W.m

-2

.K

-4

S : surface du corps exprimée en m²

T : température du corps en Kelvin

Un corps noir est un corps dont la surface absorbe la totalité du rayonnement reçu.

NB : un corps noir n'existe pas matériellement, il représente un objet idéalisé dont

la seule radiation émise serait la radiation thermique seulement dépendante de sa

propre température.

Application : voir annexe 3 exercice 3 et 4

L’émissivité

L'émissivité d'un matériau (souvent écrite ε), est le rapport de l'énergie qu'il

rayonne par celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température. C'est donc

une mesure de la capacité d'un corps à absorber et à ré-émettre l'énergie

rayonnée.

L'émissivité est une grandeur comprise entre 0 et 1.

Les lois précédentes ne sont pas tout à fait vraies et il est nécessaire d’introduire

ce paramètre émissivité.

La courbe de Planck précédente devient alors :

Energie

rayonnée

λ (µm)

Courbe pour un corps noir à une température T

Courbe pour un corps réel à une température T

Français

14

Plus l’émissivité diminuera, plus le maximum de la courbe diminuera également.

La loi de Stephan-Boltzmann devient alors :

E = ε. S. σ. T

4

L’émissivité est une caractéristique d’un matériau et de son état de surface. Plus

un corps sera capable d’absorber de la chaleur, plus son émissivité sera proche de

1. Des abaques fournissent les émissivités des différents matériaux.

Pour réaliser des mesures correctes en thermographie, il est nécessaire de réaliser

des manipulations sur des corps à émissivité élevée (ε > 0,8). C’est le cas des

plastiques opaques, des métaux oxydés, du bois et des matériaux de construction,

des peintures…. Si l’utilisateur doit réaliser des mesures sur des matières à faible

émissivité, il est conseillé d’appliquer une peinture noire dessus avant de faire la

manipulation. Des erreurs de mesure très importantes sont apportées par la

négligence ou la mauvaise appréciation de ce paramètre.

Un autre paramètre influençant la valeur d’émissivité est l’angle de mesure. Selon

le graphe ci-dessous :

Ainsi, pour réaliser une mesure correcte, il est nécessaire de positionner sa caméra

perpendiculaire à la cible de mesure (bien en face) pour que la valeur d’émissivité

entrée dans la caméra corresponde bien à la réalité. Une tolérance de +/- 45° est

acceptée.

L’émissivité est un paramètre fondamental en thermographie. Il est essentiel de

bien la régler avant toute prise de mesure. Pour cela, il suffit de connaître le

matériau dont on cherche à déterminer la température et de rentrer dans la caméra

l’émissivité correspondante.

Dans le cas où aucune information n’est disponible sur le type du corps, une norme

existe précisant la manière pour déterminer ce paramètre (Voir Annexe 1).

Français

15

5.1.2 Manipulations: étude de l’influence de l’émissivité

Manipulation 1 : Mise en avant des problèmes de mesure sur des matériaux

d’émissivité différentes.

Assurez-vous que le banc régule en température depuis quelques instants.

Pointez la caméra vers la plaque chauffante, en s’assurant que vous êtes bien

positionné face au banc.

- Faites en sorte d'avoir dans le champ de vision de la caméra la plaque centrale et

au moins une des 6 plaques extérieures.

Que constatez-vous ?

Quelle conclusion pouvez-vous en tirer ?

- Selon la technique de détermination de l’émissivité présentée en annexe 1,

déterminer l’émissivité des différentes plaques.

- Positionnez un morceau de ruban adhésif noir sur l’une des 6 plaques

extérieures. Pointez à nouveau la caméra vers cette plaque.

Que constatez-vous ?

Quelle conclusion pouvez-vous en tirer ?

Manipulation 2 : Mise en avant des problèmes de positionnement vis à vis de la

cible.

Créez un nouveau dossier.

- Pointez la caméra vers la plaque chauffante, en s’assurant que vous êtes bien

positionné perpendiculairement au banc. Ciblez la zone centrale noire, d’émissivité

élevée proche de 0,95.

- Prenez une mesure de température au centre de la plaque.

- Inclinez votre caméra légèrement. Prenez une nouvelle mesure de température.

- Recommencez l’opération en inclinant à nouveau votre caméra, chaque fois d’un

angle de 10° environ et relevez la température.

Quelle conclusion pouvez-vous en tirer ?

Français

16

5.2 ETUDE DU CORPS REEL

5.2.1 La théorie

Le corps noir est donc un objet théorique. On ne peut appliquer les formules

précédentes à un objet réel que moyennant quelques corrections : les objets réels

n’absorbent qu’une fraction α du rayonnement incident, en réfléchissant une partie

ρ et transmettent une fraction τ.

Suivant le principe de conservation de l’énergie, on obtient la relation suivante :

α . I(T) + ρ . I(T) + τ . I(T) = I(T) ,

soit α + ρ + τ = 1

Lors d’un équilibre, l’objet va émettre ε (T) la même quantité d’énergie qu’il a

absorbé α (T).

Nous avons la relation suivante :

α . I(T) = ε . I(T)

soit α = ε

D’où:

ε + ρ + τ = 1

En thermographie, il est uniquement possible de réaliser des mesures sur des

corps opaques. La transmission des matériaux est donc nulle.

Nous avons la relation :

ε + ρ = 1

et ρ = 1 - ε

Ainsi, lors d’une mesure en thermographie, il est nécessaire de tenir compte du

rayonnement réfléchi « ambiant ». Une situation réelle de mesure est donc :

Rayonnement incident à une

température T : I(T)

ρ (T)

τ (T)

α (T)

Français

17

Et le rayonnement total reçu par la caméra est donc :

R

mesuré

= R

objet

+ R

réfléchi

ε. σ. (T

objet

)

4

ρ . σ. (T

réfléchi

)

4

D’où : R

mesuré

= ε. σ. (T

objet

)

4

+ ρ . σ. (T

réfléchi

)

4

= ε. σ. (T

objet

)

4

+ (1 – ε) . σ. (T

réfléchi

)

4

Pour obtenir la température de l’objet, il est donc nécessaire de fournir à la

RayCAm les paramètres émissivité et température réfléchie.

La température réfléchie correspond à la température ambiante proche de la cible.

Si aucun élément ne vient perturber la cible à inspecter, cette température

correspond à la température ambiante.

Dans le cas où une source chaude ou froide proche de la cible dégagerait une

chaleur, une norme existe précisant la manière pour déterminer cette température

réfléchie (Voir Annexe 2).

Application : voir annexe 3 exercice 5

Rayonnement réfléchi de

l’environnement sur l’objet

Rayonnement de l’objet

Français

18

5.2.2 Manipulations : étude de l’influence de la réflexion et de la

transmission

Manipulation 3 : Mise en avant des problèmes de mesure liés aux phénomènes de

réflexion

Créez un nouveau dossier.

- Positionnez la caméra en face de la plaque en aluminium : brillant, de faible

émissivité et donc fortement réfléchissante.

- Prenez une mesure avec votre corps en face de la plaque.

- Prenez une mesure en décalant votre corps, de telle sorte qu’il ne soir pas en

face de cette plaque.

- Quelle conclusion pouvez-vous en tirer ?

Manipulation 4 : Mise en avant des problèmes de mesure liés aux problèmes de

transmission.

Créez un nouveau dossier.

- Prenez une mesure de température de la plaque noire centrale, d’émissivité 0,95.

- Positionnez l'écran de test numéro 1 (fenêtre de plexiglas) sur la zone prévue du

banc.

Attendez 2-3 minutes que le milieu s’uniformise en température.

Ciblez la plaque noire à travers la vitre plexiglas et prenez une mesure de

température. Retirez la vitre et reprenez une mesure.

- Quelle conclusion pouvez-vous en tirer ?

5.3 OPTIQUE ET CAMERA DE THERMOGRAPHIE

5.3.1 La théorie : étude de la résolution spatiale.

Pouvoir de Résolution Spatiale d’Observation (PRSO).

On peut définir le Pouvoir de Résolution Spatiale d’Observation (PRSO) par un

angle. On parle d’angle IFOV (Instantaneous Field Of View) qui désigne l’angle

Français

19

sous lequel un détecteur de la matrice voit une surface élémentaire (∆s) de la

scène thermique.

La difficulté pour définir IFOV tient au fait que les dimensions des capteurs

matriciels ne sont pas standardisées. On ne désigne donc pas un objectif par sa

distance focale, mais par l’angle FOV (Field Of View), sous lequel la caméra voit la

scène thermique. Il y a en fait deux FOV :

- HFOV : angle horizontal

- VFOV : angle vertical

A partir de là, IFOV peut être défini par la relation :

HFOV VFOV

IFOV (°) = =

ndH ndV

Avec :

- ndH : nombre de détecteurs sur l’horizontale de la matrice

- ndV : nombre de détecteurs sur la verticale de la matrice

En fait, on préfère exprimer l’IFOV en milliradians (mrad), ce qui correspond à une

surface élémentaire en mm vue à une distance de 1 m (…mm@1m).

D’où la relation :

HFOV x π x 1000 VFOV x π x 1000

IFOV (mrad) = = = PRSO

ndH x 180° ndV x 180°

L’IFOV correspond à la résolution spatiale de la caméra, c’est à dire à la dimension

de la zone que peut mesurer un détecteur. Cette dimension dépend de la distance

à laquelle se trouve la caméra de la cible.

Plus l’on est proche de la zone à inspecter, plus l’IFOV sera petit et la caméra

percevra des objets de petite taille.

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