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MéTROLOGIE

Neuf caméras thermographiques passées au cribleH

A des fins de maîtrise énergétique, les caméras thermographiques sont de plus en plus souvent utilisées pour caractériser des bâtiments et des process industriels. Un thermogramme pertinent n’est toutefois pas aussi simple à obtenir : il faut en effet savoir utiliser correctement la caméra, bien connaître les aspects d’incertitude, de conditions environnementales, etc. L’association des exploitants de mesure, de régulation et d’automatismes (Exera) a réalisé, en partenariat avec l’Ademe, une campagne d’essais en laboratoire et sur site portant sur neuf modèles industriels. Les résultats, globalement satisfaisants, ont notamment permis de mettre en relief des problèmes afin que les utilisateurs les prennent en compte dans la pratique.

PL’Exeraamenéunecampagned’essaissurneufcamérasinfrarougesafindefournirauxutilisateursdesinformationspertinentessurlesproduitsdumarché.

PLesessaisonteulieuenlaboratoirepuissursite,aussibienpourl’analysed’unbâtimentquepourdesapplicationsindustrielles(armoireélectrique,fourdecuisson…).

PLesrésultatsserévèlentsatisfaisants…mêmesitouteslescamérasn’ontpasremplil’ensembledestests.

L’essentiel

Les caméras thermographiques sont-elles des appareils de mesure ? La question peut paraître incon-grue pour un certain nombre

d’utilisateurs, mais il existe pourtant des per-sonnes qui pensent que la réponse est non. Cette seconde “philosophie” trouve notam-ment son explication dans certaines incerti-tudes des étalons (corps noirs) très proches de celles des caméras infrarouges, dans l’in-fluence de l’opérateur, ses compétences en la matière et la considération d’autres fac-teurs permettant l’obtention de mesures correctes et pertinentes. « L’opérateur doit en effet faire bien attention à saisir une valeur d’émis-sivité correcte de l’objet mesuré, à prendre en compte les conditions climatiques (rayonnement solaire, par exemple), la présence de sources chaudes qui peuvent

entraîner des biais dans la mesure, etc. », explique Claude Pelletier, ani-mateur de la commis-sion technique “ther-mographie” de l’as so-ciation des exploitants de mesure, de régula-tion et d’automatismes (Exera).N’oublions pas qu’une caméra ne mesure pas une température, mais une luminescence qui est ensuite convertie en température par un algorithme. On com-prend mieux l’in-fluence de la taille et de la nature de l’objet, de

trise de l’énergie. Que ce soit chez les parti-culiers, dans le bâtiment ou les process industriels. Selon une étude du groupement d’intérêt économique CEREN de 2009, les principaux postes d’économie dans l’indus-trie étaient déjà les moteurs (29 %), le chauffage des locaux (19 %), les chaufferies (12 %), la ventilation (9 %)… « Face aux défis majeurs de l’accès à l’énergie, de l’accroissement de la demande, de l’augmentation des prix, la France a introduit des mesures incitatives favorisant l’effica-

la qualité des surfaces, de la distance à l’objet, etc. entre une prise de vue correcte et un thermogramme exploitable. Le risque d’er-reurs lié au manque de formation des opé-rateurs peut ainsi être plus élevé lorsque ce sont des non-spécialistes, voire des particu-liers qui utilisent des caméras thermogra-phiques. Et cette situation se rencontre de plus en plus en souvent du fait de l’utilisation grandissante des caméras pour la caractéri-sation thermique, une étape clé dans la maî-

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Que ce soit dans le bâtiment, la R&D ou la maintenance industrielle, les caméras thermographiques sont de plus en plus souvent mises en œuvre pour caractériser les équipements en vue d’améliorer leur efficacité énergétique. Mais un thermogramme pertinent n’est toutefois pas aussi simple à obtenir…

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tous les fabricants donnent par exemple la même incertitude de mesure (±2 %) ; cela peut être lié au fait que la plupart des constructeurs ne fabriquent pas les éléments sensibles.Pour sa première campagne d’essais portant sur des caméras thermographiques, la com-mission technique de l’Exera s’est cantonnée à l’utilisation de produits récents, autant que possible, et à la réalisation d’essais répondant au mieux aux préoccupations des utilisa-teurs. Du côté des caméras infrarouges prê-tées par les constructeurs ou distributeurs, les modèles évalués sont les suivants : RayCam CA 1884 (voir Mesures n° 806) de Chauvin-Arnoux ; VarioCAM 580 et VarioCAM 780 d’InfraTec ; EasIR-4 et TP8 de Guide Infrared distribué en France par dBVib Technologies ; T200 de Flir Systems ; Ti 32 (voir Mesures n °819) de Fluke ; MikroSHOT de Mikron Infrared (groupe LumaSense Technologies) ; et 881-3 (voir Mesures n° 819) de Testo.Représentatives de l’offre pour les applica-tions industrielles et pour le bâtiment (main-tenance et R&D), toutes les caméras

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cité énergétique dans le cadre de la loi de programme fixant les orientations de la politique énergétique (POPE ; loi n° 2005-781 du 13 juillet 2005) », rappelle Sylvie Riou, ingénieur au sein du Département des procédés industriels et agricoles (DPIA) de la Direction de l’air, du bruit et de l’efficacité énergétique (DABEE) de l’Ademe.

Répondre aux interrogations des adhérentsSuite à la remontée d’interrogations et de problèmes rencontrés de la part d’adhérents concernant la mise en œuvre et l’utilisation de caméras thermographiques, l’Exera a dé-cidé de lancer une campagne d’essais sur ces appareils de mesure, en partenariat avec l’Ademe qui a notamment financé la moitié du budget. « L’objectif de ces essais, qui se sont déroulés aux premiers semestres 2010 et 2011, n’a pas été de comparer intrinsèquement des produits du commerce entre eux. Il s’agissait de mettre en relief les problèmes qui ont été constatés et auxquels les utilisateurs devront faire plus particulièrement at-tention dans la pratique », indique Claude Pelletier (Exera). Parmi les interrogations,

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En plus des paramètres liés à l’application (taille et nature de l’objet, valeur de l’émissivité, distance entre l’objet et la caméra…) à connaître, les utilisateurs doivent également «maîtriser» les conditions environnementales, la présence de sources chaudes et autres facteurs d’influence afin de s’assurer d’obtenir des mesures fiables.➜

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fonctionnent dans la bande spectrale de 8 à 14 µm de longueur d’onde avec une op-tique propre à chaque appareil. Leur détec-teur est un microbolomètre non refroidi doté d’une matrice à plan focal de 160x120, 384x288 ou 640x480 pixels. Parmi les autres caractéristiques (voir encadré ci-dessous), citons une exactitude de ±2 °C, ±2 % ou ±1,5 K, des systèmes de correction de l’émissivité, de la distance, de la température ambiante et de l’humidité relative, un écran TFT couleur de 2,5 ou 3,5 pouces, des sorties PAL, NTSC, FBAS et S-Video, des batteries Li-ion…En ce qui concerne le protocole d’essais, l’objectif était de vérifier la conformité des résultats aux spécifications fournies par les constructeurs et de donner des informations complémentaires, selon les applications ren-contrées par les membres de l’association. « Il s’agit, par exemple, de compléter les caractéris-tiques techniques apportées par les constructeurs et de mettre à disposition des rapports permettant une évaluation et un choix plus faciles des caméras. Les utilisateurs ont ainsi un argument pertinent et cré-dible pour leurs demandes auprès des services

“achats” et de la hiérarchie », ajoute Claude Pelletier (Exera).Défini par la commission technique thermo-graphique de l’association, le protocole est basé sur les normes applicables, en labora-toire, aux essais des caméras thermogra-phiques (norme OIML R 141), aux calculs des incertitudes ainsi que sur les retours d’expérience de participants. « Nous avons toutefois eu quelques difficultés à définir un proto-cole, par manque d’expérience et à cause de la né-cessité de décrypter assez souvent les spécifications techniques des constructeurs. Les unités et les termes ne sont en effet pas homogènes d’une marque à l’autre ; les spécifications sont incomplètes ; il y a parfois des différences entre les données mentionnées dans la documentation papier et le site Internet », énumère Claude Pelletier (Exera).La campagne d’essais s’est déroulée en deux parties : une première qui a duré du 15 fé-vrier au 28 juin 2010 et la seconde, du 25 février au 7 juillet 2011. Si le choix du matériel s’est fait sur la bonne volonté des constructeurs et des distributeurs français, la sélection des laboratoires a fait l’objet d’un

appel d’offres. Compte tenu des moyens, des accréditations et d’autres critères, ont ainsi été retenus, pour les mesures en laboratoire, le Czech Metrology Institute (CMI) situé en République tchèque et le Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat) pour les mesures sur site.

Des essais en laboratoire comme référenceLes essais réalisés par le CMI ont porté sur la détermination des caractéristiques métrolo-giques de chaque caméra afin de servir de référence pour les mesures sur site, sur des essais climatiques et dynamiques. A noter que l’interprétation des résultats se fait sur les fichiers de données acquis par les camé-ras ou via un logiciel de traitement. Les ca-ractéristiques métrologiques évaluées sont, la résolution thermique (Noise Equivalent Temperature Difference ou NETD) – la plus pe-tite différence de température que la caméra peut capter –, ainsi que l’angle sous lequel une radiation infrarouge est repérée par un élément photosensible du détecteur (Instantaneous Field Of View ou IFOV). Ce qui permet de déterminer la dimension du point minimum pouvant être détectée par la ca-méra.Autre caractéristique estimée, la résolution spatiale angulaire met en évidence l’in-fluence de la dimension de la source, à une distance donnée, sur la justesse de la réponse de l’instrument. « Un objet thermique de test avec une fente variable est installé devant le corps noir, selon un positionnement horizontal puis vertical. Pour des mesures correctes de températures maxi-male et moyenne, il est important de pouvoir fixer la caméra dans une position stable (support ou tré-pied) », explique Lenka Knazovická, ingé-nieur du département thermométrie du CMI. En plus des courbes de réponse en température(1), l’institut tchèque a égale-ment déterminé la sensibilité de la matrice dans un champ non uniforme. Cette der-nière valeur permet de vérifier l’influence de la position d’un objet dans le champ de la matrice visualisée sur le thermogramme (centre, bords supérieur et inférieur, gauche et droite).« Pour les essais climatiques, nous avons vérifié l’in-fluence de la température ambiante (–15 à +40 °C) et de l’humidité relative (20 à 80 % HR), par paliers, sur les mesures effectuées par la caméra installée dans une enceinte climatique et visant un corps noir à +100 °C positionné lui à l’extérieur de l’enceinte », détaille Lenka Knazovická (CMI). Et pour les mesures dy-namiques, il s’agissait d’étudier l’influence d’un flux d’air sur l’objectif. « La caméra est

lRayCam CA 1884 de Chauvin-Arnoux :-20à+250°C,160x120pixels,0,1°C(NETDà+30°C),7,5à14µm(bandespectrale),2,2mrad(IFOV)…lVarioCAM 580 et VarioCAM 780 d’InfraTec : -40à+1200°C(troiséchelles),320x240pixels,inférieureà0,05K,7,5à14µm,1,4mradou0,83mrad…lEasIR-4 et TP8 de Guide Infrared, distribué en France par dBVib Technologies : -20à+250°C,160x120pixels,inférieureà0,1°C,8à14µm…et-20à+800°C,384x288pixels,0,08°C,8à14µm…

lT200 de Flir Systems : -20à+1200°C(troiséchelles),200x150pixels,inférieureà100mK,7,5à13µm,2,18mrad…lTi 32 de Fluke :-20à+600°C,320x240pixels,inférieureà45mK,7,5à14µm,1,25mrad…lMikroSHOT de Mikron Infrared (groupe LumaSense Technologies):-20à+350°C,160x120pixels,0,2°C,8à13µm,3,1mrad…l881-3 de Testo :-20à+100°C/0à+350°C(échellecommutable),160x320pixels(320x240enoption),inférieureà50mK,8à14µm,3,3mrad…

Le panel des caméras évaluées

Figure 1. Essais de température en laboratoire

Pour la réponse en température et sur la totalité des points d’essais, 75 % des caméras infrarouges évaluées en laboratoire sont conformes aux spécifications données par les constructeurs et 25 % sont non conformes (à gauche). Le graphique de droite indique le détail des résultats par caméra.

ConformesNon conformes

25 %

75 %

0 20 40 60 80 100 %

C9C8C7C6C5C4C3C2C1

Non conformes

Conformes

Résu

ltats

par

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installée en poste fixe et vise un corps noir à une température constante de +30 °C. L’objectif est ensuite balayé par un flux d’air à vitesse variable (trois valeurs entre 1,5 et 2,5 m/s et au moins cinq mesures pour chaque vitesse) pour rechercher la dérive éventuelle apportée », poursuit-elle.Côté résultats, les essais en laboratoire mon-trent que les caméras thermographiques sont globalement bonnes… pour celles qui ont pu être évaluées. La résolution thermique NETD, par exemple, n’a pas pu être calculée pour trois modèles, car ils ne disposent pas de la fonctionnalité d’exportation des don-nées sous Excel. Pour les autres caméras, la résolution thermique mesurée varie entre 27 et 63 % de la valeur annoncée dans les spécifications des constructeurs. La même situation s’est produite pour l’IFOV : « Hormis pour deux caméras infrarouges dont la spécification ne pouvait pas, là encore, être calculée, les autres appareils de mesure affichent des valeurs divergeant de 36 à 100 % de celles mentionnées dans les fiches techniques », indique Claude Pelletier (Exera).En ce qui concerne la résolution spatiale angulaire, les résultats sont satisfaisants pour six caméras (sur les neuf évaluées), c’est-à-dire que les mesures s’inscrivent dans les spécifications annoncées par les constructeurs.

Mesures sur la façade d’un bâtiment industrielA l’instar de la non-conformité de réponse dans le champ, pour laquelle seule une ca-méra n’est pas conforme, de la réponse en température (75 % d’appareils conformes et 25 % de non conformes sur la totalité des points d’essais, voir figure 1), les essais clima-tiques (79 % des caméras conformes et 21 % de non conformes, voir figure 2) et les essais dynamiques où tous les résultats sont satisfaisants.

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Parmi les essais sur site, le Cetiat a réalisé des thermogrammes sur la façade de l’un de ses bâtiments. Cette façade se compose de parois de qualité thermique différente : bardage isolé (hall industriel ; A1), double vitrage (hall industriel ; A2), bardage isolé (bureaux ; B1), double vitrage (bureaux ; B2), simple vitrage (hall industriel ; A3), mur non isolé (A4) et porte en métal isolée (A5).

Figure 2. Essais climatiques en laboratoire

Pour les essais climatiques et sur la totalité des points d’essais, 79 % des caméras thermographiques évaluées en laboratoire sont conformes aux spécifications données par les constructeurs et 21 % sont non conformes (à gauche). Le graphique de droite indique le détail des résultats par caméra.

Résu

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0

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Non conformesConformes%

CamérasC1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9

Non conformesConformes

21 %

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Si les essais en laboratoire n’ont pas dévoilé de grandes surprises, la seconde partie de la campagne de l’Exera s’est révélée bien plus intéressante. Les mesures sur site ont porté sur un bâtiment et sur deux “process” in-dustriels, exemples les plus représentatifs des applications des membres de l’Exera. Pour les mesures sur un bâtiment, le Cetiat a uti-lisé la façade d’un des siens qui se compose d’un bardage isolé, d’un double vitrage et d’un simple vitrage au niveau d’un hall, d’un bardage isolé et d’un double vitrage de bu-reaux, d’un mur non isolé et d’une porte en métal isolée (voir illustration ci-dessous). Les thermogrammes – une dizaine de thermo-grammes sont acquis par prise de vue pour des questions de statistiques – ont été obte-nus de nuit, pour disposer d’une tempéra-ture constante dans les locaux, et à une dis-tance de 25 m de la façade.« Nous avions installé des thermocouples, des Pt100 étalonnés sur la façade et des thermohygromètres raccordés à notre laboratoire métrologique afin de suivre la température des parois, la température et l’humidité relative dans les locaux et à l’extérieur », rappelle Romain Casaliggi, chef de projets

thermicien au Cetiat. Pour des raisons de livraison, les essais se sont déroulés en deux phases, le 10 mai 2010 et le 16 avril 2010. Une émissivité moyenne d’environ 0,9 a été retenue pour les thermogrammes, comme celle de la façade n’était pas connue. « Autres difficultés, il a fallu composer avec une fenêtre mé-téorologique adaptée (absence de pluie et de vent, températures fraîches d’environ +7 °C), l’extinc-tion de l’éclairage nocturne de la façade et un pro-blème de prise de vue sans trépied », ajoute Romain Casaliggi (Cetiat).

Mesures sur un four et une armoire électriqueLes essais de process ont été, quant à eux, plus poussés. Ils ont porté sur une armoire électrique (zone à une température de +30/35 °C, mesures faites à une distance de 1,5 m), un four de cuisson de peinture en poudre (paroi à +50 °C et porte ouverte à +130 °C, distance de 1,5 m) et un radiant infrarouge (zone à +500 °C, distance de 2 m). Deux séries d’essais ont été réalisées en avril 2010 sur les différentes installations en fonctionnement, avec suivi des conditions d’ambiance. Une dizaine de thermo-grammes ont été faits par prise de vue, les valeurs étant confrontées à la moyenne des caméras. « Là encore, l’absence de trépied livré avec les appareils a posé un problème, en rendant difficile l’obtention de cadrages répétitifs », indique Romain Casaliggi (Cetiat).En complément des essais sur ces process, le centre technique a également mis en œuvre des essais angulaires. Il s’agissait ➜

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de mesures infrarouges sur un cylindre d’un diamètre de 200 mm et régulé à une température de +50 ou +110 °C, et sur une plaque plane de 200x200 mm de dimen-sions et régulée à une température de +200 °C. Dans les deux configurations, le cylindre et la plaque étaient peints de ma-nière homogène pour une émissivité figée d’environ 0,9, les thermogrammes – tou-jours avec une dizaine de thermogrammes par prise de vue –, ont été réalisés à une distance de 2 m et les conditions d’am-biance (température et humidité relative) étaient suivies.Les résultats obtenus sur site, comparés aux mesures issues des sondes de température, révèlent que 80 % des caméras thermogra-

phiques sont conformes (sur la totalité des points d’essais, c’est-à-dire l’ensemble des caméras). Donc 20 % sont non conformes pour les essais sur la façade d’un bâtiment (voir figure 3). Seuls sept modèles ont toute-fois été évalués dans cet essai. Pour le contac-teur (armoire électrique), les huit caméras testées répondent aux spécifications annon-cées par les constructeurs. « La neuvième ca-méra ayant été hors spécifications lors des essais en laboratoire, son constructeur l’a reprise pour vérifi-cation et elle n’était plus disponible pour les essais sur site », explique Claude Pelletier (Exera).Toujours sur les huit caméras infrarouges évaluées, les résultats sont conformes pour quatre modèles, en ce qui concerne la me-sure de température de la paroi du four, et

lConvivialité interface :Simple:1modèlelBonne:6modèleslTrèsbonne:2modèleslArrangement du menu :Simple:1lMoyen:6lTrèsbien:2lMesures additionnelles : Incomplètes:1lMoyennementcomplètes:3lComplètes:2lTrèscomplètes:3lFacilité du changement d’émissivité :

Pasfacile:2lMoyenne:1lBonne:6lRépétabilité des cadrages :Bonnepour6camérassur9lRéarrangement de l’échelle de température :Possiblepour8camérassur9lQualité des notices et manuels : Moyenne:1lBonne:5lTrèsbonne:3lAssistance et coopération :Moyenne:3lBonne:2lTrèsbonne:3

Résultats synthétisés

Figure 3. Essais sur site : façade du bâtiment

Pour les essais sur la façade d’un bâtiment et sur la totalité des points d’essais, 80 % des sept caméras infrarouges évaluées sont conformes et 20 % sont non conformes (à gauche). Le graphique de droite indique le détail des résultats par caméra.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

A1

A2

A3

A4

A5

B1

B1

Résu

ltats

par

cam

éra

Nombre de résultats dans les spéci�cations des constructeurs

Non conformesConformes

20 %

80 %

pour seulement deux caméras dans le cas de l’ouverture de la porte du four. Par contre, tous les résultats obtenus avec le radiant concordent pour les caméras disposant d’une étendue de mesure jusqu’à +500 °C. Enfin, les essais angulaires ont surtout servi à montrer la dégradation de la “mesure” en fonction de l’angle de visée, angle qui dépend également du type de caméra. On retrouve bien une augmentation de l’écart de température de quelques degrés Celsius en fonction de l’angle (5° et 45° par rap-port à la normale), en moins ou en plus par rapport à la valeur des thermocouples de contact.

Ne pas sous-estimer les logiciels et le SAVA l’issue de l’ensemble des essais, les camé-ras thermographiques ont été soumises à une dernière analyse. Il s’agissait en fait de noter, pour chaque modèle, la documenta-tion remise, sa maniabilité et la facilité de réglage, la qualité des fonctionnalités du lo-giciel de traitement des données et l’ergo-nomie de l’ensemble caméra et logiciels de traitement (voir encadré ci-contre). « Si l’on fait abstraction des produits “asiatiques”, les deux cri-tères de différenciation pour une caméra infrarouge sont le service après-vente (SAV) et les logiciels, en plus de l’utilisation proprement dite. C’était égale-ment une manière de faire passer auprès des membres les différents retours d’expérience », réaffirme Claude Pelletier (Exera).La commission technique de l’association avoue d’ailleurs avoir été surprise que cer-taines valeurs ne soient pas conformes lors des essais sur site. Ce qui fait dire à Claude Pelletier d’être toujours très critique sur des résultats obtenus en thermographie. Il pour-suit : « Nous n’avons malheureusement réalisé ni d’essais sur les chocs, sachant que le risque de chute accidentelle des caméras est grand, ni d’essais de CEM [compatibilité électromagnétique, NDR], ni d’essais à de “basses” températures pour des raisons de coût. Peut-être pour une prochaine campagne… » En conclusion, la campagne d’essais menée par l’association, qui prépare un guide sur le sujet, a montré que les ca-méras infrarouges pouvaient être de véri-tables instruments de mesure fournissant des mesures crédibles et fiables… entre les mains d’un opérateur compétent et respec-tant les bonnes conditions opératoires.

Cédric Lardière

(1) Pour les réponses en température, le nombre de paliers de température par gamme a été déterminé en fonction des gammes intégrées dans chacune des caméras évaluées en raison des recoupements entre gammes.

➜

lMenu (arrangement, convivialité) : Moyen:1modèlelBien:6modèleslTrèsbien:2modèleslRéglage optique :Manuel:2lAuto:1lAuto/Manu:6lImagerie infrarouge et réelle :Oui:7lNon:2

lFacilité de réglage :Oui:7lNon:2(émissivité)lBienpourles9caméras(étendued’échelle)lStabilité de la mesure : Oui:8lNon:1lExport des données : Oui:6lNon:3lTrépied de fixation de la caméra : 6trépiedsfournissur9

L Analyses complémentaires

L Logiciels, documents et SAV

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