Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
L’émissivité thermique intervient dans les échanges thermiques par rayonnement. Ce nombre sans dimension caractérise la capacité d’une surface à émettre un rayonnement thermique. Cette propriété dépend de la température, de la longueur d’onde, de l’état de surface notamment. Les échanges thermiques par rayonnement, les mesures de température par pyrométrie nécessitent donc la connaissance de ce facteur. L’influence des différents paramètres sera examinée dans le présent article, ainsi que les différentes méthodes permettant de mesurer l’émissivité.
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Thermal emissivity is a factor in radiative heat exchanges. This dimensionless number characterizes the ability of a surface to emit heat radiation. This property depends in particular on temperature, wavelength, and surface state. Radiative heat exchange, and temperature measurement by pyrometry, thus require knowledge of this variable. The influence of various parameters on emissivity is described in this article, together with the various methods used to measure it.
Auteur(s)
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Jean-Pierre MONCHAU : Docteur en science de l’ingénieur - Ingénieur Centrale Marseille - IUT de Créteil-Vitry
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Jacques HAMEURY : Ingénieur études et recherches - Mesures de propriétés thermiques des matériaux - Laboratoire national de métrologie et d’essais
INTRODUCTION
Les domaines scientifiques et techniques nécessitant la connaissance de l’émissivité des surfaces sont extrêmement nombreux. L’émissivité est indispensable pour calculer et optimiser les échanges thermiques par rayonnement. La mesure de température à distance par pyrométrie optique ou thermographie et la détection à distance d’objets, de sources de chaleur et de cibles sont également des applications courantes demandant la connaissance et la maîtrise de l’émissivité des matériaux. Actuellement, la forte diminution du prix des caméras thermiques a popularisé cet outil de mesure et de diagnostic dans de nombreux domaines. Les utilisations de ces caméras dans des conditions très diverses nécessitent une meilleure connaissance de l’émissivité des matériaux afin de faire des mesures maîtrisées ou tout au moins de ne pas faire d’erreurs grossières de diagnostic.
L’émissivité d’un matériau dépend fortement de la nature du matériau, elle peut dépendre également de la longueur d’onde, de la morphologie de la surface (rugosité) et de la température. De nombreuses données d’émissivité sont disponibles dans la littérature technique et scientifique pour de nombreux matériaux mais les valeurs numériques trouvées peuvent être extrêmement dispersées pour un même matériau. Cela est souvent dû au fait que les matériaux testés étaient légèrement différents (par exemple un métal plus ou moins oxydé) ou que les états de surface étaient différents. Souvent, les sources des données ne spécifient pas clairement le type d’émissivité fournie, les conditions de mesures et les caractéristiques détaillées des matériaux testés. Généralement les incertitudes sur les valeurs disponibles dans la littérature ne sont pas données. Pour l’utilisateur, la seule solution pour obtenir des données d’émissivité fiables reste donc souvent la mesure de l’émissivité sur le matériau utilisé.
Cet article donne dans une première partie des notions très sommaires sur le rayonnement thermique, les définitions des émissivités les plus couramment utilisées (émissivité directionnelle ou hémisphérique, émissivité spectrale ou totale) ainsi que les relations entre les propriétés radiatives des matériaux et entre l’émissivité normale et l’émissivité hémisphérique. Ce document présente également des instruments de mesure d’émissivité disponibles commercialement et les normes valides principales traitant des mesures d’émissivité. Les difficultés et les limites des techniques de mesures présentées sont analysées en détail et des exemples de bilan de sources d’incertitude et de budgets numériques d’incertitudes sont donnés.
Il est recommandé de se référer à [BE 8 210] pour des notions plus complètes sur le rayonnement thermique des matériaux, les relations théoriques donnant l’émissivité d’un matériau, les émissivités des matériaux réels et les calculs d’échanges thermiques entre des surfaces.
Les techniques de mesure d’émissivité présentées sont les méthodes calorimétriques pour les mesures de l’émissivité totale hémisphérique et les méthodes radiométriques utilisées pour mesurer les émissivités directionnelles « spectrales », en « bandes spectrales larges » ou « totales » (toutes les longueurs d’onde). L’émissivité totale hémisphérique est utilisée essentiellement pour les calculs d’échanges thermiques par rayonnement entre surfaces (bilans thermiques) alors que les émissivités directionnelles sont utilisées pour les mesures de températures à distance, pour la visualisation de scènes thermiques (imagerie infrarouge, thermographie), pour la détection de cibles ainsi que pour des applications de radiométrie infrarouge (mesures des densités de flux thermiques radiatifs).
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MOTS-CLÉS
Diélectriques matériaux Métaux technique de mesure méthodes radiométriques méthodes calorimétriques
KEYWORDS
dielectrics | materials | metals | measurement technique | radiometric methods | Calorimetric methods
DOI (Digital Object Identifier)
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Incertitudes des mesures de l’émissivité7. Difficultés des mesures de l’émissivité
Cette partie ne traite que des mesures sur les matériaux opaques.
7.1 Méthodes directes par mesure du rayonnement émis par le matériau
7.1.1 Mesure de l’émissivité directionnelle spectrale ou de l’émissivité directionnelle totale
Cette mesure se fait par comparaison directe du rayonnement produit par le matériau au rayonnement produit par une source de référence ; la technique de mesure est directement basée sur une des définitions données par les relations (2), (3) ou (4). Il est indispensable de disposer d’une source de rayonnement de référence de bonne qualité ; cette source peut être un corps noir ou un corps d’émissivité connue chauffé à une température supérieure à la température de l’environnement. La température de luminance de la source de référence doit être mesurable avec une incertitude suffisante pour le besoin. Si un matériau d’émissivité connue est utilisé pour constituer une source de référence à surface plane, c’est la température de surface du matériau qui doit être mesurée précisément, ce qui peut être une difficulté technique. La difficulté principale des mesures des émissivités directionnelles par méthode directe est la mesure précise de la température de surface de l’éprouvette. Il faut être très conscient que la mesure de la température de surface par simple mise en contact d’un capteur de température, même de petite dimension, avec la surface d’un matériau...
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Difficultés des mesures de l’émissivité
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KAUDER (L.) - Spacecraft Thermal Control Coatings References. - NASA-TP-2005-212792 (2005).
-
(2) - P. LORRAIN, CORSON (D.R.) - Champs et ondes électromagnétiques. - s.l. : Armand Collin.
-
(3) - SACADURA (J.F.) - Measurement techniques for thermal radiation properties. - Proceedings of The Ninth International Heat Transfer Conference, Jerusalem, Israel P 207-222 (1990).
-
(4) - RUBIN (M.), ARASTEH (D.), HARTMANN (J.) - A correlation between normal and hemispherical emissivity of low emissivity coatings on glass. - s.l. : Int. Comm. Heat Mass Transfer (1987).
-
(5) - BLAIN (B.J.), DOUGLAS (R.W) - Infra-red optical constants of glasses - (1965).
-
(6) - JANSSEN (D.), LOHRENGEL (J.) - Investigation and development of a method for the measurement...
NORMES
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Verre dans la construction – Détermination de l’émissivité - NF EN 12898 - 2001
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Standard Test Methods for Total Normal Emittance of Surfaces Using Inspection-Meter Techniques, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM E408-13 - 2013
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Standard Test Method for Total Hemispherical Emittance of Surfaces up to 1 400 °C, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM C835-06 - 2006
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Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM C1371-15 - 2015
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Standard Test Method for Normal Spectral Emittance at Elevated Temperatures, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM E307-72(2014) - 2014
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