Thermographie dans des milieux semi-transparents à l'infrarouge par thermotransmittance

Thermography in semitransparent media based on mid-infrared thermotransmittance

• Auteur / Autrice : Coline Bourges
• Direction : Stefan Dilhaire, Christophe Pradere
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 12/09/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Franck Enguehard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Chevalier, Bruno Quesson, Josep Altet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Delmas, Jean-Laurent Gardarein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie

Tomographie

Milieux semitransparents

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Thermotransmittance infrarouge

Milieux semi-Transparents

Transferts de chaleur

Laminographie

Microscopie

Infrared thermotransmittance

Semitransparent media

Heat transfer

Laminography

Microscopy

Résumé

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'un besoin grandissant de caractérisation multi-physique de nouveaux matériaux ou de systèmes énergétiques. A l'échelle du laboratoire, le développement des études sur les systèmes micro-fluidiques et les matériaux multicouches nécessitent d'investiguer les transferts thermiques volumiques. Ces systèmes étant pour la plupart des milieux semi-transparents à l'infrarouge (IR), les méthodes de thermographies usuelles sont peu adaptées pour leur caractérisation. Le développement d’une nouvelle méthode de caractérisation quantitative sans contact des champs de température dans ces milieux semi-transparents est un véritable enjeu scientifique et industriel.L'objectif de ces travaux de thèse est donc de développer et de valider une méthode de mesure quantitative de tomographie microscopique IR pour caractériser des milieux semi-transparents. Nous avons choisi une méthode basée sur la dépendance en température des propriétés optiques des matériaux, et particulièrement leur transmittance. Ce phénomène est appelé thermotransmittance et donne une information sur la température moyenne dans l'épaisseur du matériau. Ainsi, la mesure de thermotransmittance combinée à un dispositif tomographique doit permettre la mesure de température des milieux semi-transparents.Le principal verrou scientifique identifié pour l’utilisation de cette méthode est le très faible niveau de signal de thermotransmittance mesuré en comparaison du bruit de mesure et du rayonnement IR parasite. Dans un premier temps, les travaux se sont donc focalisés sur le développement d’une méthode de détection mono-point du signal de thermotransmittance avec la mise en place d'un dispositif expérimental robuste aux bruits de mesure. Un modèle thermo-optique a également accompagné ce développement de la mesure pour apporter une compréhension quantitative du phénomène de thermotransmittance. Puis, une fois validée, l'instrumentation a évoluée vers une mesure de champs de température en 2D par caméra IR. Enfin, couplées à des modèles thermiques, ces mesures de champs ont permis d’estimer les propriétés thermophysiques des matériaux étudiés.Une fois la mesure quantitative de thermotransmittance par imagerie IR validée, la suite des travaux porte sur l'implémentation d'un dispositif de mesure tomographique par laminographie. L'imagerie par thermotransmittance couplée à l'instrumentation par laminographie et à des méthodes de reconstruction permet de reconstruire des champs volumiques de température. Une preuve de concept de cette méthode est présentée à la fin du manuscrit.

This thesis work is part of a growing need for multi-physics characterization of new materials or energy systems. At laboratory level, the development of studies on micro-fluidic systems and multi-layer materials requires the investigation of 3D heat transfer. Since most of these systems are semi-transparent in the infrared (IR), conventional thermography methods are not well suited to their characterization. The development of a new technique for contactless quantitative characterization of temperature fields in these semitransparent media is a scientific and industrial challenge.The aim of this thesis work is developing and validating a quantitative measurement technique using IR microscopic tomography to characterize semi-transparent media. We have chosen a method based on the temperature dependence of materials optical properties, particularly their transmittance. This phenomenon is known as thermotransmittance, and provides information on the average temperature across the thickness of the material. Thermotransmittance measurement combined with a tomographic device will enable us to measure the 3D temperature field of semitransparent media.The main scientific drawback identified for the use of this method is the weak thermotransmittance signal measured, compared with measurement noise and parasitic IR radiation. Initially, work focused on developing a single-point detection method for the thermotransmittance signal, with the implementation of an experimental setup robust to measurement noise. A thermo-optical model was also developed to provide a quantitative understanding of the thermotransmittance phenomenon. Once validated, the instrumentation was upgraded to 2D temperature field measurement using an IR camera. Finally, coupled with thermal models, these field measurements were used to estimate the thermophysical properties of the studied materials.Once quantitative measurement of thermotransmittance using IR imaging had been validated, the next step was to implement a tomographic measurement system using laminography. Thermotransmittance imaging, coupled with laminographic instrumentation and reconstruction methods, enables 3D temperature fields to be reconstructed. A proof-of-concept of this method is presented at the end of the manuscript.