2.4 Techniques de mesures
2.4.1 La thermographie infrarouge
Dans nos tests, lors de la chauffe, il va y avoir des intéractions moléculaires entre le sys- tème matériel et les photons du champ de rayonnement et donc une émission d’énergie ra- diative. Comme la gamme de température reste faible (<600oC), le clinquant va émettre un
rayonnement principalement dans la gamme de l’infrarouge dont la luminance totale L qui correspond à un flux énergétique émis par un élément de surface est déterminé par la loi de Stefan-Boltzmann :
L = ǫσSBTw4 (2.2)
où ǫ est l’émissivité qui est définie comme le rapport entre l’énergie émise par le corps étudié et l’énergie émise par un corps noirs dans les mêmes conditions. Elle exprime la capacité des matériaux à émettre ou à absorber un rayonnement dans le domaine infrarouge et elle dépend de la longueur d’onde λ, de la température T et de l’angle d’émission du rayonnement θ. σ est la constante de Stefan-Boltzmann et vaut σSB=5.67x10−8W.m−2.K−4. Et enfin, Tw représente
la température de paroi. La caméra infrarouge
On utilise alors pour la mesure de température, une caméra sensible CEDIP JADE III avec une résolution de 240 x 320 pixels2 en grand champ à 350 Hz et une fréquence d’acquisition maximale de 1400 Hz sur un petit champ, dans la gamme de longueurs d’onde 3.5-5.1 µm (infrarouge moyen). Son capteur de type Focal Plan Array est refroidi par un moteur Stirling à 79K.
La géométrie semi-annulaire a été choisie pour donner un accès optique à la caméra infra- rouge au dos de la paroi. Il est donc possible de mesurer un champ de température directement en captant la puissance rayonnée sans pour autant perturber la cinétique de chauffe ainsi que l’écoulement. Selon notre sujet d’étude, il est possible d’observer toute la paroi chauffée de l’ordre de 85x8mm, ce qui permet d’observer la thermique globale lors de la chauffe. Des phé- nomènes plus microscopiques qui engendrent des thermiques plus locales, comme le suivi de bulles à partir d’un site de nucléation, peuvent être étudiés également.
Elle peut mesurer 16 384 niveaux de gris étroitement reliés à la température par un poly- nôme d’ordre 4 qui donne alors une courbe d’étallonage. Selon le régime de l’ébullition étudié, la dynamique et donc la gamme de température change, il faut alors jouer sur le temps d’intégra- tion qui correspond au temps d’exposition du capteur au rayonnement. Plus ce temps est long, plus il est possible d’avoir des mesures de températures basses avec une bonne dynamique, tout en limitant l’accès aux mesures des fortes températures, la caméra saturant vite dans ce cas là. Pour avoir accès à des fortes températures, il faut baisser ce temps d’intégration, ce qui va alors jouer sur la dynamique de la caméra aux basses températures. Un compromis est alors fait pour chaque campagne d’essai en fonction des tests réalisés. Une fois la fréquence et le temps d’intégration fixée, il faut étalonner la caméra pour avoir la correspondance entre l’énergie reçu par la caméra et la température et prendre en compte la température atmosphérique pour une correction dans le traitement des données, voir figure 2.10a et 2.10b.
Pour l’étalonnage, une Correction de Non Uniformité (NUC) est faite en premier lieu sur la caméra entre 2 niveaux de température (température ambiante et plus haute température étudiée) à l’aide de 2 corps noirs, à savoir un corps noir DCN 100 N4, et un corps noir ECN
100 N6 de la société HGH. Ce sont des surfaces noires avec une émissivité connue de 0.98
dont il est possible de contrôler la température. Le premier corps noir possède une gamme de température comprise entre 20oC et 100oC avec une précision de 0.3oC, le deuxième corps
précision de 0.3oC. Ainsi pour plusieurs températures de corps noirs, on connait les niveaux de
gris associés. On peut alors écrire :
ξ(T ) = ǫξǫ=1(T ) + (1 − ǫ) ξT amb (2.3)
Avec ξ le niveau observé par la caméra, ǫ l’émissivité, (1-ǫ) la proportion réfléchie et ξT amb le
niveau à la température ambiante. ξǫ=1 est le niveau numérique obtenu si l’on travaillait avec
un corps à l’émissivité parfaite (ǫ = 1). On a donc
ξǫ=1(T ) = ξ − (1 − ǫ) ξT amb
ǫ (2.4)
On applique sur le clinquant une peinture noire avec une émissivité de 0.94. En effet, le clinquant est une feuille de métal à l’émissivité très faible d’environ 0.2 qui est insuffisant pour une mesure sans peinture. Cependant il y a une différence d’émissivité lors de l’étalonnage avec les corps noirs (0.98) et lors des mesures avec la peinture (0.94). Un terme correctif est donc appliqué sur nos mesures en prenant en compte la contribution de l’environnement à Tamb.
ξsectiond′essai= ǫsectiond′essai.ξǫ=1+ (1 − ǫsectiond′essai) .ξT amb (2.5)
Une telle courbe d’étalonnage de niveaux de gris en fonction de la température est obtenue (figure 2.10a et 2.10b).
(a) À basse température. (b) À haute température
Figure2.10 – Courbe d’étalonnage de la caméra infrarouge pour plusieurs temps d’intégration pour des basses et hautes températures
Il a été vérifié que sur la gamme 20-100oC, les deux corps noirs rayonnent de la même
manière.
Pour la protéger d’éventuelles projections de fluide en cas de rupture du clinquant, un hublot transparent aux rayonnement infrarouge est toujours disposé devant elle, même pendant l’éta- lonnage. Si la température ambiante est modifiée lors des tests, un étalonnage supplémentaire doit être fait, pour éviter que les mesures soient perturbées.
Facteur de transmission
Comme la caméra est située derrière le clinquant, un espace d’air libre les séparent. Il faut donc tenir compte du facteur moyen de transmission atmosphérique qui dépend de la bande spectrale de la caméra, de la distance de mesure, du taux d’humidité relative et de la température atmosphérique figure 2.11.
Figure 2.11 – Courbe typique du facteur moyen de transmission de l’atmosphère en fonction de la distance de mesure, pour une atmosphère à 50% d’humidité relative, Pajani [75].
La caméra infrarouge mesure dans des longueurs d’ondes moyenne de 3.5 à 5.1µm, il ne faut pas alors dépasser une distance de 2m pour considérer le milieu comme transparent. Or nos mesures ne se font jamais à plus de 1.5m, tout le rayonnement est donc transmis à la caméra. L’angle d’observation
Lorsque l’émission du corps rayonnant est isotrope, c’est-à-dire que la luminance est la même quel que soit la direction, alors l’émissivité ne dépend pas de l’angle d’observation mais seule- ment de la température et de la longueur d’onde λ, ce sont alors des surfaces Lambertiennes. Dans le cas contraire, l’angle d’observation est à prendre en compte, et on parle d’émissivité directionnelle. Notre géométrie est un demi-cylindre, l’angle d’observation change par rapport à la normale, l’émission n’est donc pas isotrope. La peinture à une émissivité de 0.94 pour un angle d’émission de 90o. Il devient alors intéressant de connaître l’émissivité directionnelle en
fonction de l’angle d’observation. Quelques valeurs de ǫ(θ) sont représentés figure 2.12a. Deux cas se distinguent, celui des matériaux conducteurs comme les métaux où l’émissivité est gé- néralement faible et qui dépend fortement de l’angle d’observation (figure 2.12b). Et le cas des matériaux diélectriques où l’émissivité varie peu dans une large plage angulaire, Cabannes [21] (de 0 à 60o) et sont considérés comme des surfaces Lambertienne (figure 2.12c).
Notre peinture est considérée comme un matériau diélectrique, sa conductivité thermique étant très faible, on suppose que la conductivité électrique l’est aussi. Le matériau qui s’en rapproche le plus sur la figure 2.12a est la peinture glycérophtalique dont l’émissivité reste de 0.94 jusqu’à un angle d’observation de 30o. On fait alors l’hypothèse que pour notre peinture,
l’angle d’observation maximal pour garder une émissivité de 0.94, est de 30o. Une comparaison
(a) Émissivité directionnelle adimensionné pour dif- férents matériaux (Cabannes [21])
Angle d'observation Émissivité directionnelle ( ) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.2 0.15 0.1 0.05
(b) Émissivité directionnelle de l’acier poli
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 1.0 Angle d'observation Émissivité directionnelle ( )
(c) Émissivité directionnelle de la peinture glycéroph- talique.
Figure2.12 – Influence de direction d’émission sur l’émissivité directionnelle par rapport à la normale pour plusieurs matériaux (Cabannes [21]) et émissivité directionnelle de l’acier poli et de la peinture glycérophtalique déterminé avec la figure 2.12a.
Admettons que le demi-cylindre correspond à une zone d’observation de 20 pixels (valeur typique lors des tests), l’angle d’observation est mesuré comme sur la figure 2.13.
Un rapide calcul donne pour chaque pixel, l’angle d’observation et donc la taille de chacun dans le tableau 2.4.
Tableau 2.4– Angle d’observation pour une image de 20pixels dans le clinquant.
θ (o) θ0 θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 θ7 θ8 θ9 θ10
0 6 12 18 24 30 37 45 53 65 90
L (mm) L0−1 L1−2 L2−3 L3−4 L4−5 L5−6 L6−7 L7−8 L8−9 L9−10 Ltot
0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.6 0.6 0.8 1.9 6.6
Avec θ l’angle d’observation pour un placement de la caméra à une distance supposée infinie (1.5m) par rapport au rayon du demi-cylindre(4.2mm) et L (mm) = θ.r qui correspond à la taille de chaque pixel. Ainsi, il est possible de prendre 5 pixels autour du centre du clinquant sans que l’émissivité n’en soit affectée, ce qui donne un champ de température radial de 10 pixels.
Enfin, pour réduire le temps d’exposition de la caméra, on peut avoir recours à un filtre placé devant l’objectif de la caméra qui change l’émissivité apparente lorsque les températures sont trop élevées (pour éviter que la caméra sature).
Figure 2.13 – Angle d’observation par rapport à la normale sur une image de 20 pixels dans le clinquant pour une caméra placée à une distance infini du clinquant.
Cette caméra infrarouge est aussi couplée avec une caméra rapide placée à 90o de celle-ci.