Utiliser des matériaux à faible coût pour augmenter l’émissivité cible

Les surfaces métalliques propres, non oxydées et nues ont une émissivité assez faible. Si faible qu’il est difficile à la mesurer avec une caméra d’imagerie thermique. Dans de nombreuses applications industrielles de recherche et de développement, il existe de nombreuses cibles à faible émissivité, en particulier pour les applications électriques. Pour obtenir de bonnes mesures, nous devons augmenter l’émissivité de ces cibles problématiques.

Une caméra d’imagerie thermique enregistre l’intensité du rayonnement dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique et le convertit en une image visible. L’énergie infrarouge provenant d’un objet est focalisée par l’optique de la caméra sur un détecteur infrarouge. Le détecteur envoie les informations aux composants électroniques du capteur pour le traitement des images. Les composants électroniques traduisent les données provenant du détecteur en une image qui peut être visualisée dans le viseur ou sur un moniteur vidéo standard ou un écran ACL. La thermographie infrarouge est l’art de transformer une image infrarouge en une image radiométrique, qui permet de lire les valeurs de température de l’image. Ainsi, chaque pixel de l’image radiométrique est en fait une mesure de température.

Afin d’interpréter correctement les images thermiques, vous devez savoir comment différents matériaux et circonstances influencent les lectures de température de la caméra d’imagerie thermique. L’émissivité est l’efficacité avec laquelle un objet émet un rayonnement infrarouge, par rapport à un émetteur parfait (ou un soi-disant corps noir, qui a une valeur d’émissivité de 1). En réalité, les cibles que nous sommes susceptibles de mesurer ne sont pas des radiateurs parfaits, avec une valeur d’émissivité inférieure à 1. Pour ces cibles, la température mesurée découlera d’une combinaison de rayonnement émis, transmis et réfléchi. Il est important de définir la bonne valeur d’émissivité dans votre caméra d’imagerie thermique, sinon les mesures de température seront incorrectes. Les caméras d’imagerie thermique FLIR Systems ont des paramètres d’émissivité prédéfinis pour beaucoup de matériaux, et le reste se trouve dans un tableau d’émissivité.

Un corps noir parfait a une émissivité de 1. En d’autres termes, le rayonnement de la cible est émis à 100 % par la surface cible.

En réalité, nos cibles ne sont pas des corps noirs parfaits. La température mesurée d’une cible découlera d’une combinaison de rayonnements émis, transmis et réfléchis.

Les valeurs d’émissivité, de réflexion et de conductivité thermique d’une cible dépendront fortement des propriétés du matériau. La plupart des non-métaux ont des valeurs d’émissivité proches de 0,9, ce qui signifie que 90 % du rayonnement mesuré provient du rayonnement émis par la cible. La plupart des métaux polis ont des valeurs d’émissivité proches de 0,05 à 0,1. Les métaux ternis, oxydés ou autrement corrodés ont des valeurs d’émissivité allant de 0,3 à 0,9 selon la quantité d’oxydation ou de corrosion. Les matériaux dont l’émissivité est inférieure à 0,7 sont difficiles à mesurer, les matériaux dont l’émissivité est inférieure à 0,2 sont presque impossibles à mesurer, sans augmenter la valeur d’émissivité d’une manière ou d’une autre. Heureusement, il existe des moyens rentables de compenser pour une faible émissivité sur les cibles. Ces méthodes réduisent la réflectance de la cible et améliorent ainsi la précision des mesures.

Si vous regardez l’image thermique, vous pourriez penser que les feuilles sont plus froides que la surface de la tasse. En réalité, ils ont exactement la même température, la différence d’intensité du rayonnement infrarouge est causée par une différence d’émissivité.

Ruban électrique

La plupart des rubans électriques de haute qualité ont une émissivité de 0,95. Il faut être prudent, surtout avec les caméras à longueur d'onde moyenne (3 à 5 μm), que la bande est opaque. Certains rubans de vinyle sont assez minces pour avoir une certaine transmittance infrarouge et sont donc inacceptables pour une utilisation comme revêtements à haute émissivité. Le ruban isolant en vinyle noir 88 de la marque Scotch a une émissivité de 0,96 dans les régions de longueur d’onde courte (3 à 5 μm) et de longueur d’onde longue (8 à 12 μm) est recommandé.

Température d’une grande ASIC avec un bouchon en métal brillant : sans revêtement, l’ASIC a signalé une température proche de la température ambiante. Une fois qu’une couche de ruban Kapton à haute émissivité a été appliquée, la température réelle de 43,9 °C a été signalée.

Cet exemple montre deux canettes avec du ruban adhésif. L’autre à gauche est rempli d’eau chaude; l’autre est à température ambiante. Pour le contenant chaud, la température du ruban est de 72,8 °C (163 °F), et de 23,5 °C (74,3 °F). Cette dernière lecture est essentiellement la température ambiante, car l’émissivité du bidon est assez faible. Il s’agit d’un exemple classique de la nécessité d’utiliser une application à haute émissivité sur une cible à faible émissivité.

Peintures et revêtements

La plupart des peintures ont une émissivité d’environ 0,9 à 0,95. Les peintures à base métallique ont une faible émissivité et ne sont pas recommandées. La couleur de la peinture n’est pas la variable significative de son émissivité infrarouge. La planéité de la peinture est plus importante que sa couleur. Les peintures mates sont préférables aux peintures brillantes. Le revêtement doit également être suffisamment épais pour être opaque. Deux couches suffisent habituellement. Le ruban adhésif convient aux petites surfaces. La peinture est bonne pour les grandes surfaces, mais il s’agit d’un revêtement permanent. Pour les revêtements sur de grandes surfaces qui doivent être enlevées, ou lorsque le ruban adhésif est inapproprié, les poudres suspendues dans la boue ou la forme de pulvérisation peuvent bien fonctionner. Le révélateur pénétrant de teinture et la poudre pour les pieds en vaporisateur de Dr. Scholl’s™ sont deux exemples. Les issivitesses de ces poudres se situent entre 0,9 et 0,95, à condition qu’elles soient appliquées assez épaisses pour être opaques.

Gauche : PCB sans peinture à augmentation d’émissivité. Droit : avec une peinture qui augmente l’émissivité. L’inconvénient de l’utilisation de peintures peut être la réduction des détails fins.

Liquide correcteur White Out

L’application d’un voile blanc est un excellent moyen d’augmenter l’émissivité d’une surface. Cette méthode peut être appliquée aux plus petits composants électriques, contrairement au ruban qui ne collera pas aux petites surfaces. Le voile blanc se nettoie à l’aide d’une petite brosse et d’alcool. L’émissivité du blanc est d’environ 0,95 à 96 pour une caméra LW.

Autres recommandations

Étant donné que bon nombre de ces cibles sont souvent sous tension électrique, il est toujours nécessaire d’être prudent. Cela signifie de recouvrir les cibles uniquement lorsqu’elles ne sont pas sous tension et d’utiliser uniquement un revêtement approuvé pour assurer le bon fonctionnement lorsqu’elles sont sous tension. Assurez-vous que le revêtement couvre une zone de taille suffisante. Connaissez le rapport de taille des points de votre caméra pour la mesure et la distance de fonctionnement minimale que vous pouvez utiliser en toute sécurité. Par exemple, une caméra avec un rapport de taille de point de 250 :1 peut mesurer une cible d’un pouce à un maximum de 250 pouces, ou 20,8 pieds (ou une cible d’un centimètre à un maximum de 250 centimètres – ou 2,5 mètres). Pour les applications à température plus élevée, utilisez de la peinture à haute température comme de la peinture pour moteur ou charbon pour gril. Les rubans et les poudres sont limités dans la plage de températures d’application. Pour les systèmes électriques, si le ruban fond, le problème est probablement important. Vous ne devriez donc pas avoir besoin d’un matériau à haute température pour cette application.

Contrôle des valeurs d’émissivité sur les cartes de circuits imprimés

Pendant les procédures de détection des défauts, la mesure de la température des composants sur une carte de circuits imprimés (PCB) peuplée peut être une technique très utile et rentable, mais elle est difficile en raison des différentes valeurs électroniques des différents composants. Habituellement, les BPC sont remplis d’une variété de composants métalliques et plastiques fabriqués par différents fabricants qui appliquent leurs propres finitions aux composants. Lorsque le panneau est traité avec un revêtement connu, testé et caractérisé, il simplifie normalement le problème. Après le revêtement, les surfaces des composants ont les mêmes valeurs électroniques et les températures relatives peuvent être déterminées en prenant un thermogramme.

Pour contrôler les valeurs d’émissivité, vous pouvez traiter une carte de circuit imprimé avec un revêtement.

Détermination de l’émissivité

Il est nécessaire de connaître la valeur d’émissivité pour une véritable évaluation de la température à partir de la radiation de mesure. Cependant, les valeurs d’émissivité des tableaux doivent être utilisées avec prudence. Souvent, il n’est pas clair sur quelle bande de longueur d’onde la valeur d’émissivité est valide. Et les émissivités changent avec la longueur d’onde. L’état de la surface, la texture et la forme jouent également un rôle clé dans l’émissivité d’un matériau. Voici une façon de comprendre l’effet de l’incertitude d’émissivité sur la précision des mesures : Supposons que l’incertitude dans l’émissivité cible est de ±0,05. Pour une émissivité de 0,95, cela représente une erreur d’environ 5 % (0,05/0,95). Pour un matériau comme le cuivre brillant, l’émissivité est de 0,05, ce qui représente une erreur de 100 % (0,05/0,05). Ces erreurs se propagent dans le calcul de la température, augmentant ainsi l’erreur de lecture de la température. Nous recommandons de ne pas tenter de mesurer la température pour les émissivités cibles inférieures à environ 0,5 en raison de cet effet. Enduire la cible d’un matériau à haute émissivité.

Matériaux de revêtement à haute émissivité