Thermoréflectométrie polychromatique du proche infrarouge pour la mesure de champs de température sur des matériaux texturés et de géométrie complexe.

par Benjamin Javaudin

Projet de thèse en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Yannick Le Maoult et de Thierry Sentenac.

Thèses en préparation à l'Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux , dans le cadre de MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés , en partenariat avec ICA - Institut Clément Ader (laboratoire) depuis le 01-12-2016 .


  • Résumé

    La mesure de champs de températures sans contact basée sur l'analyse de la luminance de la scène observée avec une caméra, implique la résolution de l'équation radiométrique qui relève, même dans le cas le plus simple, de deux inconnues : la température de luminance et l'émissivité. La thermoréflectométrie proche infrarouge bichromatique, développée dans le projet ANR « Real Time True Temperature », résout cette équation par la mesure, simultanée et in-situ, du champ de température de luminance, par thermographie classique, et du champ d'émissivité par une méthode de réflectométrie spécifique. En effet, la mesure « classique » indirecte de l'émissivité par réflectométrie demande la mesure de la réflectivité directionnelle-hémisphérique. La méthode retenue mesure la seule réflectivité bidirectionnelle et la réflectivité directionnelle hémisphérique est déduite à travers un modèle, appelé le facteur de diffusion. Le modèle le plus simple suppose une homothétie de la fonction de distribution des réflectivités bidirectionnelles à deux longueurs d'onde. Cette modélisation permet des mesures de champs de températures dans une gamme de 600°C à 1000°C et sur des matériaux plutôt spéculaires et de forme plane placée perpendiculairement au plan de la caméra. L'objectif de la thèse est d'étendre la gamme de mesure de température de 200°C à 1000°C et d'aborder des matériaux texturés avec différentes rugosités (éventuellement proches des longueurs d'onde d'observation) et de forme concave. Ces objectifs impliquent une modélisation du facteur de diffusion plus générale capable de considérer les comportements des matériaux texturés sur la large gamme de longueur d'onde et la géométrie de la pièce observée. Cette modélisation prendra en compte les indices optiques du milieu, qui dépendent de la température et de la longueur d'onde, la rugosité de surface et les angles d'observation. Cette modélisation entrainera la conception d'un thermoréflectométre à plusieurs longueurs d'onde afin de résoudre le nouveau système formé.

  • Titre traduit

    Design of a thermoreflectometry polychromatic method for in-situ measurement of true temperature fields on scattering materials.


  • Résumé

    In many fields such as energy or aerospace, thermal diagnosis on reactors or engines based on the temperature measurement fields without contact has many benefits. However this temperature determination, based on the analysis of the radiance scene with a camera, involves the resolution of the radiometric equation, even in the simplest case, which depends of two unknowns: the radiance temperature and emissivity. The innovative approach introduced by the thermoreflectometry (ANR project "True Real Time Temperature"), developed in a dynamic context, is based on the simultaneous and in-situ measurement of the radiance temperature field, by a classic method of thermography, and the emissivity field by a specific reflectometry method. Indeed, the indirect conventional measurement of emissivity by reflectometry requires the measurement of the directional-hemispherical reflectance, that is to say the reflected radiation in all directions of the hemisphere. The challenge of the method is the measurement of only the bidirectional reflectivity, that is to say in one direction, and the hemispherical directional reflectivity is derived through a model, called the diffusion factor. The first model, investigated in R3T project, assumes a homothetic scaling of the hemispherical directional reflectivity at two wavelengths. The radiometric equation then has two unknowns, the diffusion factor and the true temperature, which is solved by measuring the radiance temperature and bidirectional reflectivity at two wavelengths (bichromatic thermoreflectometry). This approach address rather specular materials and has showed a low uncertainty on temperature measurement (inferior to 10%). The aim of the thesis is to suggest a modelling of diffusion factor suitable for the behavior of scattering materials. This modeling will be based on an extensive study of thermoradiative properties including the "bidirectional reflectance distribution function" (BRDF). It will take into account the complex refractive index (intrinsic parameters) which depends on the wavelength, temperature and also the surface roughness in order to model its scattering effect. This thesis has a double objective, firstly the modelling of the diffusion factor that will involve developing experimental setups to characterize radiative properties, and also, as a consequence of the new modelling, the design of the new method of thermoreflectometry with several wavelengths, called polychromatic thermoreflectometry.