Caméras thermiques haute vitesse - le besoin de vitesse

Mesurer la chaleur avec des thermocouples ou des pyromètres peut fournir une image incomplète des propriétés thermiques de l'appareil. Ces méthodes traditionnelles n’offrent pas la résolution ou la vitesse nécessaires pour une caractérisation complète dans le cadre d'applications thermiques à haute vitesse. D'un autre côté, les caméras infrarouges capturent des milliers de points de mesures thermiques haute vitesse, qui vous indiquent précisément là où la chaleur augmente, et à quelle vitesse. Avec la caméra infrarouge adaptée, vous pouvez rassembler des mesures fiables et générer des données pratiques pour vos recherches.

Types de caméras infrarouges thermiques

Il existe deux types principaux de caméras infrarouges thermiques utilisées aujourd'hui. Il s'agit des caméras à comptage de photons refroidies haute performance et des caméras basées sur un microbolomètre non refroidies et économiques. 

La majorité des caméras refroidies thermographiques sur le marché aujourd'hui utilisent un détecteur en antimoniure d’indium (InSb). Les caméras refroidies fonctionnent en comptant les photons d'énergie dans une bande d'onde spécifique, généralement la bande infrarouge moyenne à environ 3-5 μm. Les photons frappent les pixels et sont convertis en électrons stockés dans un condensateur d’intégration. Le pixel est obturé électroniquement par l’ouverture ou la coupure du condensateur d’intégration. Les temps d'intégration normaux pour des objets entre -20 °C et 350 °C avec une caméra InSB FLIR vont de 6 ms à 50 µs en fonction du modèle de caméra. Ces temps d'intégration extrêmement courts permettent d'obtenir des 'arrêts sur image' et de mesurer précisément des transitoires ultra-rapides.

Image en stop-motion de FA-18 Hornet capturée à l’aide d’une caméra thermique refroidie FLIR InSb

Image thermique d’un thermocouple traditionnel

Les caméras non refroidies sont moins chères, plus petites, plus légères et consomment moins que les caméras refroidies mentionnées précédemment. Les pixels d’une caméra non refroidie sont conçus à partir d’un matériau dont la résistance évolue considérablement avec la température. Les matériaux les plus couramment utilisés pour cette application sont l'oxyde de vanadium ou le silicone amorphe. L'énergie thermique se concentre sur le pixel et le pixel est chauffé ou refroidi physiquement. Parce que sa résistance varie selon la température, sa valeur peut être mesurée et rapportée à la température cible via un processus d’étalonnage. Les pixels ayant une masse finie, ils possèdent une constante de temps thermique. Pour une caméra à microbolomètre moderne, les constantes de temps se situent généralement entre 8 et 12 ms. Cela ne signifie pas que le pixel peut être lu toutes les 8 à 12 ms et qu'il fournit une réponse précise ! En règle générale, pour un système de premier ordre réagissant à un signal d’entrée progressif, l’état stable est atteint au bout de la constante de temps multipliée par cinq.

Constantes de temps et expérience de pensée

Une manière amusante d'envisager le temps de réponse d'un détecteur microbolomètre est d'imaginer que vous disposez de deux seaux d'eau. Le premier seau est rempli d’eau glacée bien mélangée à 0 °C, et l’autre est rempli d’eau entrant rapidement en ébullition (100 °C). Laissez le microbolomètre examiner l'eau glacée puis passez instantanément au seau d’eau bouillante (un signal d’entrée progressif de 100 °C) et tracez le graphique de température qui en résulte. Si nous convertissons la constante de temps thermique de 10 ms en demi-période pour des questions de simplification mathématique, nous obtenons une valeur approximative de 7 ms.

Figure 1 - Réponse du système à une transition de 0 °C à 100 °C, tau = 10 ms, demi-période = 7 ms

Figure 3 - InSb par rapport à un microbolomètre pour les transitions thermiques

Figure 2 - Image thermique de papier quittant des rouleaux chauffants 

Nous pouvons voir que le microbolomètre indique 50 °C à 7 ms ou une demi-période, 75 °C à deux demi-périodes, 87,5 °C à trois demi-périodes, etc. Que ce passerait-il si nous essayions de lire ce microbolomètre à l'équivalent de 100 images/sec ou 10 ms ? La caméra indiquerait 63 °C et aurait une erreur de 37 °C. La caméra indiquerait correctement la température du pixel mais le pixel n'aurait pas atteint la température de la scène qu'il examinait. De manière générale, il ne sert à rien d'exécuter les microbolomètres à plus de 30 images/sec.

Données du monde réel

Examinons un processus d'impression nécessaire pour chauffer une feuille de papier jusqu'à 60 °C. Le papier sort des rouleaux à une vitesse de 127 cm/seconde et doit avoir une température uniforme en largeur comme en longueur.

Une caméra à comptage de photons refroidie et une caméra à microbolomètre ont toutes deux été utilisées pour capturer des données côte à côte. La figure 3 montre que les données des deux types de caméras semblent considérablement différentes. Les données du microbolomètre montrent une forte hausse de température relativement constante sur toute la durée. Les données de la caméra à comptage de photons montrent des variations considérables de la température au fil du temps. La caméra refroidie indique que le rouleau chauffant a refroidi au contact du papier lors de la première révolution. Le contrôleur à commande à tout ou rien a capté la chute de température et a entièrement réactivé le contrôleur de chauffage en réaction. Par conséquent, les rouleaux ont été chauffés jusqu’à atteindre le point de consigne, le chauffage a été arrêté, puis le processus a repris. Ce graphique a été suffisant pour convaincre l’ingénieur en R&D de deux choses : une caméra de comptage des photons était nécessaire pour tester le produit, et un système de contrôle PID devait être mis en place sur le rouleau chauffant au lieu du simple contrôleur à commande à tout ou rien pour respecter les objectifs de conception souhaités. 

Caméra à détecteur à comptage de photons (temps d'intégration de 66 μs)

Caméra à détecteur microbolomètre (constante de temps de 8 ms)

Enregistrement à 60 Hz avec temps d'intégration de 1 ms

Enregistrement à 60 Hz avec temps d'intégration de 12 ms

Pour le 2ème exemple, nous étudions des pales sur un ventilateur haute vitesse et essayons d'effectuer un arrêt sur image des pales afin de mesurer précisément leur température. Comme prévu, si nous n'avons pas de temps d'exposition assez rapides, les images seront floues et nous ne pourrons pas effectuer d'arrêt sur image pour obtenir les mesures de température réelles. (Voir Figure 4)

Notez à quel point le temps d’intégration offert par la caméra refroidie est rapide, car elle fige le mouvement de la pale, et permet ainsi de mesurer précisément la surface de la pale et les serpentins de chauffage. À l’inverse, les pales se déplacent trop rapidement pour être capturées par la caméra non refroidie. Toutes les mesures de température effectuées sur les serpentins seront trop basses, car ceux-ci sont en fait bloqués par les pales en mouvement.

Un dernier exemple de ce même problème se retrouve en mesurant les effets thermiques des pales d'hélicoptère en mouvement. Le frottement du vent crée un gradient thermique le long de la pale qui augmente lorsque vous vous rapprochez du bout de la pale. Avec les détecteurs microbolomètre, vous ne pouvez pas effectuer un véritable arrêt sur image de l'objet pour déterminer et mesurer précisément les températures réelles. (Voir figure 5 et 6)

Choisissez le bon outil pour votre mission

Comme vous pouvez le voir, il est important d’utiliser le détecteur thermique approprié à votre tâche. Si vous choisissez un détecteur dont la réponse est intrinsèquement lente puis essayez de lire ses données à une cadence d’images élevée, vous risquez de vous retrouver avec des données erronées. En règle générale, les microbolomètres peuvent être utilisés pour un nombre d’images par seconde pouvant atteindre 50. Pour les tests pour lesquels les transitions thermiques sont plus rapides ou dans le cadre desquels un nombre d’images par seconde plus élevé est nécessaire, il est généralement préférable d’opter pour une caméra à comptage de photons refroidie dont les performances sont meilleures. Cependant, si des fréquences d'images élevées ne sont pas nécessaires, alors une caméra à microbolomètre non refroidie peut vous revenir beaucoup moins cher.