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
-
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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Émissivité des matériaux réels
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2. Calcul de l’émissivité à partir de l’indice complexe
La relation (6), basée sur le principe de conservation de l’énergie, relie pour une longueur d’onde donnée le facteur de transmission, le facteur de réflexion et le facteur d’absorption :
( 6 )
où α est le facteur d’absorption spectral, τ le facteur de transmission directionnel hémisphérique spectral et ρ le facteur de réflexion directionnel hémisphérique spectral.
Pour un matériau opaque, la loi de Kirchhoff dit que le facteur d’absorption directionnel spectral est égal à l’émissivité directionnelle spectrale. Cette loi combinée avec la relation (6) pour un matériau opaque conduit à :
( 7 )
La relation (7) est à la base des méthodes indirectes de mesure de l’émissivité directionnelle spectrale. Elle permet de calculer l’émissivité à partir du facteur de réflexion directionnel hémisphérique spectral qui peut lui-même être calculé en utilisant les relations de Fresnel. Cette approche n’est valable que pour les dioptres, c’est-à-dire pour les surfaces lisses.
2.1 Calcul de l’émissivité pour les deux polarisations de la lumière
Pour le dioptre plan, on peut calculer l’émissivité à partir de l’expression des coefficients de réflexion, calculés à partir de l’indice complexe,
. On peut retrouver ce calcul détaillé dans ...
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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
-
Verre dans la construction – Détermination de l’émissivité - NF EN 12898 - 2001
-
Standard Test Methods for Total Normal Emittance of Surfaces Using Inspection-Meter Techniques, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM E408-13 - 2013
-
Standard Test Method for Total Hemispherical Emittance of Surfaces up to 1 400 °C, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM C835-06 - 2006
-
Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM C1371-15 - 2015
-
Standard Test Method for Normal Spectral Emittance at Elevated Temperatures, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM E307-72(2014) - 2014
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