Analyse de réparations collées par thermographie InfraRouge : optimisation de la réponse thermique du joint structural

Ce travail vise à l'optimisation de la détection de défauts dans des assemblages collés. La stratégie employée associe une nouvelle procédure expérimentale de Contrôle Non Destructif par Thermographie InfraRouge et la conception d'un nouveau matériau joint aux propriétés thermiques spécifiques

Thermographie infrarouge synchronisée avec la mesure de paramètres météorologiques : Application à l'auscultation du tablier d'un pont ouvert au trafic

International audienceCet article présente un monitoring thermique conduit pendant plusieurs jours sur le tablier du pont de « Musmeci » à Potenza (Italie). L’analyse des données est conduite en exploitant la mesure de paramètres météorologiques synchronisée avec l’acquisition d’images thermiques. Une analyse par FFT, permet de détecter sur les séquences de cartes d’amplitude et de phase la structure interne du tablier. Un modèle thermique exprimé dans le domaine fréquentiel a été développé et couplé à une procédure d’estimation de paramètres.Une cartographie de la distribution spatiale de la conductivité thermique apparente est ainsi calculée puis comparée avec l’analyse d’images par approche fréquentielle

Etude de champs de température séparables avec une double décomposition en valeurs singulières (quelques applications à la caractérisation des propriétés thermophysiques des matérieux et au contrôle non destructif)

La thermographie infrarouge est une méthode largement employée pour la caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux. L avènement des diodes laser pratiques, peu onéreuses et aux multiples caractéristiques, étendent les possibilités métrologiques des caméras infrarouges et mettent à disposition un ensemble de nouveaux outils puissants pour la caractérisation thermique et le contrôle non desturctif. Cependant, un lot de nouvelles difficultés doit être surmonté, comme le traitement d une grande quantité de données bruitées et la faible sensibilité de ces données aux paramètres recherchés. Cela oblige de revisiter les méthodes de traitement du signal existantes, d adopter de nouveaux outils mathématiques sophistiqués pour la compression de données et le traitement d informations pertinentes. Les nouvelles stratégies consistent à utiliser des transformations orthogonales du signal comme outils de compression préalable de données, de réduction et maîtrise du bruit de mesure. L analyse de sensibilité, basée sur l étude locale des corrélations entre les dérivées partielles du signal expérimental, complète ces nouvelles approches. L'analogie avec la théorie dans l'espace de Fourier a permis d'apporter de nouveaux éléments de réponse pour mieux cerner la physique des approches modales.La réponse au point source impulsionnel a été revisitée de manière numérique et expérimentale. En utilisant la séparabilité des champs de température nous avons proposé une nouvelle méthode d'inversion basée sur une double décomposition en valeurs singulières du signal expérimental. Cette méthode par rapport aux précédentes, permet de tenir compte de la diffusion bi ou tridimensionnelle et offre ainsi une meilleure exploitation du contenu spatial des images infrarouges. Des exemples numériques et expérimentaux nous ont permis de valider dans une première approche cette nouvelle méthode d'estimation pour la caractérisation de diffusivités thermiques longitudinales. Des applications dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux sont également proposées. Une ancienne problématique qui consiste à retrouver les champs de température initiaux à partir de données bruitées a été abordée sous un nouveau jour. La nécessité de connaitre les diffusivités thermiques du matériau orthotrope et la prise en compte des transferts souvent tridimensionnels sont complexes à gérer. L'application de la double décomposition en valeurs singulières a permis d'obtenir des résultats intéressants compte tenu de la simplicité de la méthode. En effet, les méthodes modales sont basées sur des approches statistiques de traitement d'une grande quantité de données, censément plus robustes quant au bruit de mesure, comme cela a pu être observé.Infrared thermography is a widely used method for characterization of thermophysical properties of materials. The advent of the laser diodes, which are handy, inexpensive, with a broad spectrum of characteristics, extend metrological possibilities of infrared cameras and provide a combination of new powerful tools for thermal characterization and non destructive evaluation. However, this new dynamic has also brought numerous difficulties that must be overcome, such as high volume noisy data processing and low sensitivity to estimated parameters of such data. This requires revisiting the existing methods of signal processing, adopting new sophisticated mathematical tools for data compression and processing of relevant information.New strategies consist in using orthogonal transforms of the signal as a prior data compression tools, which allow noise reduction and control over it. Correlation analysis, based on the local cerrelation study between partial derivatives of the experimental signal, completes these new strategies. A theoretical analogy in Fourier space has been performed in order to better understand the physical meaning of modal approaches.The response to the instantaneous point source of heat, has been revisited both numerically and experimentally. By using separable temperature fields, a new inversion technique based on a double singular value decomposition of experimental signal has been introduced. In comparison with previous methods, it takes into account two or three-dimensional heat diffusion and therefore offers a better exploitation of the spatial content of infrared images. Numerical and experimental examples have allowed us to validate in the first approach our new estimation method of longitudinal thermal diffusivities. Non destructive testing applications based on the new technique have also been introduced.An old issue, which consists in determining the initial temperature field from noisy data, has been approached in a new light. The necessity to know the thermal diffusivities of an orthotropic medium and the need to take into account often three-dimensional heat transfer, are complicated issues. The implementation of the double singular value decomposition allowed us to achieve interesting results according to its ease of use. Indeed, modal approaches are statistical methods based on high volume data processing, supposedly robust as to the measurement noise.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Thermographie infrarouge de champs ultrasonores en vue de l'évaluation et du contrôle non destructifs de matériaux composites

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur bonne tenue mécanique et de leur faible densité. La diversité des domaines d application des matériaux composites donne lieu à une grande variété de modes de sollicitation et d endommagement. De ce fait, l évaluation de leurs propriétés et le contrôle de leur état présentent un grand intérêt industriel. Dans ce travail, une nouvelle méthode d évaluation et de contrôle non destructif dite par sonothermographie est explorée. Cette méthode est basée sur l'analyse du champ thermique induit par des ondes ultrasonores de puissance dans les matériaux absorbants tels que les composites. Deux applications complémentaires sont étudiées, d une part l évaluation des propriétés thermiques du matériau et d autre part le contrôle non destructif de structures par thermographie infrarouge. Dans ce cadre, le problème direct de la sonothermographie est résolu numériquement à partir d un modèle par éléments finis. Ce modèle permet de simuler le champ thermique induit par la propagation d ondes ultrasonores dans un matériau absorbant dont les propriétés sont connues. Les simulations réalisées permettent de montrer l applicabilité de la sonothermographie à la détection de défauts. Une nouvelle approche de caractérisation thermique est également développée. Cette approche basée sur la formulation faible de l équation de conduction de la chaleur permet une estimation robuste de la diffusivité thermique du matériau à partir du champ thermique induit par les ondes ultrasonores de puissance. Des résultats expérimentaux sont présentés pour le cas de plaques minces.The composite materials are widely used in industry because of their high mechanical resistance and low density. The diversity of composite materials application fields gives rise to a large variety of solicitation and damage conditions. For this reason, the evaluation of their properties and their health monitoring are of great industrial interest. In this work, a new method of evaluation and non-destructive testing named sonothermography is explored. This method is based on the analysis of thermal fields induced by ultrasonic waves in absorbent materials such as composites. Two additional applications are studied: the evaluation of the thermal properties of the material and the non-destructive testing of structures by infrared thermography. In this framework, the direct problem of sonothermography is solved numerically using a model based on the finite element method. This model allows to simulate the thermal field induced by the propagation of ultrasonic waves in absorbent material whose properties are known. The simulations carried out show the applicability of the sonothermography for the detection of defects. An innovative approach for thermal characterization is also developed. This approach based on the weak formulation of the heat conduction equation allows a robust estimate of the thermal diffusivity of the material from the thermal field induced by ultrasonic waves. Experimental results are presented for thin plates.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Analyse de réparations collées par thermographie InfraRouge: Optimisation de la réponse thermique du joint structural

National audienceCe travail vise à l'optimisation de la détection de défauts dans des assemblages collés. La stratégie employée associe une nouvelle procédure expérimentale de Contrôle Non Destructif par Thermographie InfraRouge et la conception d'un nouveau matériau joint aux propriétés thermiques spécifiques

Numerical modeling of pulse thermography experiments for defect characterisation purposes

La méthode des éléments finis est un outil mathématique puissant qui permet la résolution des équations différentielles décrivant un processus physique donné. Elle est particulièrement adaptée à la résolution de problèmes non linéaires ayant des géométries complexes. Une de ces applications est la modélisation du transfert de chaleur dans un objet soumis à une inspection par la technique de thermographie infrarouge pulsée (PT). Les résultats de ce travail ont prouvé que les solutions obtenues numériquement correspondent aux résultats expérimentaux, ceci malgré les contraintes liées à la puissance de l'ordinateur utilisé (capacité mémoire, disque, etc.) afin de résoudre le problème d'une manière adéquate. Par conséquent, le modèle numérique peut être considéré comme un outil complémentaire à la caractérisation des défauts par la PT. Dans le cas d'une procédure d'inspection où les différenst types de défauts présents dans le spécimen sont connus a priori, la modélisation numérique peut être utilisée efficacement afin d'améliorer la caractérisation de ces défauts, grâce à la combinaison modélisation MEF / expérience. En se basant sur l'analyse qualitative de l'évolution temporelle des profils de température obtenus en pratique, on a démotnré qu'il est possible de déterminer le type de défaut par une simple comparaison de la forme expérimentale de l'évolution du contraste qui est dépendante du type de défaut, avec les résultats obtenus grâce au modèle numérique. Une fois que le défaut est connu, en cas de structures complexes de type "sandwich", sa profondeur peut être réduite automatiquement puisque la plupart de ces défauts typiques apparaît sur les interfaces des couches de l'échantillon. Afin de procéder à la détermination de la taille du défaut, tâche qui est souvent très difficile en cas de structures multicouches à cause du contraste flou observé sur le défaut, provoqué par les effets latéraux de diffusion de chaleur, les expressions de régression obtenues à partir des résultats de modélisation peuvent être utilisées. Dans ce contexte, comme il a été démontré, la valeur du contraste thermique maximal obtenue expérimentalement n'est pas un paramètre fiable qui peut être utilisée avec confiance comme indicateur quantitatif des caractéristiques du défaut (dans ce cas-ci, sa taille latérale). Ceci est principalement dû au niveau élevé de l'incertitude sur le contraste maximal de température [delta]Tmax déterminé à partir de l'expérience, ainsi qu'à la force dépendance de [delta]Tmax à l'égard de la puissance de la source de chlauer appliquée. Ce problème devient signficatif dans le contexte de chauffage non-uniforme inévitablement présent dans les expériences de thermographie pulsée. En ce qui concerne l'incertitude des mesures, dans les cas où le signal thermique du défaut est faible, l'incertitude peut devenir égale ou même plus grande que la [delta]Tmax obtenu. Cependant, dans la plupart des cas, elle représente un pourcentage significatif du [delta]Tmax déterminé expérimentalement. D'autre part, les effets de l'excitation non-uniforme se sont avérés partiellement éliminés quand la procédure proposée pour la sélection de la région saine adéquate est utilisée. La procédure est basée sur l'utilisation de l'Image de Distribution de Source (IDS) reconstruite à partir de plusieurs thermogrammes initiaux acquis juste après que l'excitation soit appliquée à l'échantillon (alors que les effets possibles des défauts ne sont pas encore visibles sur la surface du spécimen). Une fois appliquée, la méthodologie s'assure que les régions défectueuses et saines aient reçu une quantité égale d'énergie (chaleur) durant l'excitation (jusqu'à une différence tolérable donnée). Cependant, aucune des corrections et mesures de précaution ne peuvent éliminer la nature fortement incertaine des valeurs expérimentales de [delta]Tmax. D'un autre côté, la période T max d'apparition de [delta]Tmax semble être beaucoup moins affectée par dse incertitudes de mesure et est relativement sensible aux caractéristiques du défaut (telles que sa taille et sa profondeur). On a démontré que même s'il existe des différences dans les valeurs absolues, les périodes de contraste maximal de température obtenues expérimentalement et numériquement peuvent être reliées par une simple relation algébrique, qui est réduite à une différence à une constante donnée. Une fois que ce rapport est établi, la régression obtenue par la modélisation peut être utilisée efficacement afin de fournir les informations désirées sur les caractéristiques inconnues du défaut. D'ailleurs, dans plusieurs cas où seulement un nombre limité de défauts est disponible dans l'échantillon calibré, pour que le procédé d'inversion soit établi, ou quand les données de mesure sont trop bruitées pour permettre la formulation d'une méthodologie d'inversion fiable, la modélisation numérique permet la déterminaison plus simple et plus directe des relations de régression pour de futures caractérisations de défauts. Par conséquent, le nombre illimité de simulations peu coûteuses pouvant être effectuées permet la création d'ensemble global et complet de relations entre les caractéristiques de défauts et les variables significatives de la PT, telle que la période d'apparition du contraste maximal de température

The development of thermal and spectroscopic methods for the characterization of catalysts for CO2 storage

La capture de CO2 par adsorption sur des solides poreux (adsorbants) est une alternative prometteuse en raison de sa sélectivité et de sa faible consommation d énergie. Nous avons étudié l'adsorption in-situ de CO2 sur des adsorbants solides en combinant la spectroscopie infrarouge par réflexion diffuse (DRIFT) avec la thermographie infrarouge afin de mieux comprendre les mécanismes d'interaction CO2-adsorbant et ainsi optimiser sa captation dans des procédés de capture en post-combustion. La thermographie IR est utilisée pour détecter la source de chaleur transitoire provenant de la surface de l adsorbant au cours de l'adsorption de CO2. Un modèle de transfert de chaleur a été développé afin d estimer les chaleurs d adsorption. Un mini réacteur conçu pour la DRIFT nous a permis d identifier les espèces adsorbées et d'étudier leur évolution sur la surface de l adsorbant selon la température et l'atmosphère environnante. Enfin, le couplage d informations provenant des deux approches nous a permis l investigation haut-débit des paramètres clefs pour le choix des adsorbants les plus performants.CO2 capture via adsorption process on porous materials (adsorbents) is a promising alternative due to its high selectivity and low energy penalties. We have investigated in-situ CO2 adsorption on solid adsorbents by combining Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform spectroscopy (DRIFT) with infrared thermography to better understand the mechanisms controlling CO2-adsorbent interactions and thus optimize its capture in post-combustion capture processes. Infrared thermography is used to detect the transient heat source coming from the adsorbent surface during CO2 adsorption. A heat transfer model has been developed in order to estimate the adsorption heats. A model chemical reactor designed for DRIFT allowed us to clearly evidence the adsorbed species and to study the surface species evolution according to the temperature and the surrounding atmosphere. Finally, the coupling of information coming from the two approaches allowed us a high-throughput investigation of key parameters for the selection of the most efficient adsorbents.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Développement d’outils numériques pour l'audit énergétique des bâtiments

The building sector currently accounts for nearly 45% of the national energy bill, and the existing buildings are slowly renewed. Energy audit is a tool for decision support to improve building performance by providing suitable renovation strategies. However, actual energy audit methods fail to completely determine the building thermal properties, and the proposed retrofit strategies may be inappropriate. We propose an innovative energy audit method which significantly reduces the uncertainties on the building thermal parameters and the thermal state. It differs from conventional methods by its operating protocol and its numerical resolution. In addition to the collection of use scenarios, thermal characteristics of built and systems, and weather conditions, it exploits the information embedded in the measurement of the thermal state, composed of the temperatures of the rooms, and the surface temperature of walls and heating devices. This data feed an inverse problem of parameters identification. Using a model for EDP gives us a direct access to the tools of the optimal control theory, including the adjoint state method. With this formalism, the inverse problem can be rewritten as a nonlinear optimization problem of the calibration of the thermal model. The unknown parameters consist of the most influential parameters of the building thermal model: the heat capacity and the thermal conductivity of the walls, the heaters characteristics, the windows transmittance and the mean rate of air renewal. We propose two alternatives to the method. The first requires the data of each individual power provided to heating device, and the second uses a global measure of the heat production. We apply them on a numerical case study: the thermal model is used for both the measures generation and the parameters identification. Once the thermal state measurements are synthesized, the selected parameters are disturbed by conventional uncertainties of the building. We investigate the method on a randomly generated sample, which gives us as many starting values for the algorithm. This allows to compute the uncertainty of the method. Reducing the operating protocol for the second alternative results in a decrease of the identification accuracy. We analyze the robustness of the method when the weather conditions of the audit change, when the sensor noise of the thermal state increases, and when we deal with strong initial parameter uncertainties. We show that the method is stable compared to the sensor noise and the thermal response of the rooms is generally well reconstructed. In order to improve the ventilation consideration, we then propose a technique to distinguish two thermal sources whose dynamics differ: one piecewise constant, and one smooth in time. The method is to solve an inverse problem, taking into account the temporal regularity of functions by a projection step. This tool has been validated on an experimental study, and the results demonstrate robustness to measurement noise. This result is a milestone in the will to overcome the constraint of precisely describing to use scenarios in the audit methodology. Finally, we propose an inverse formalism to characterize the thermal properties of a 3D structure from temperature measurements on a part of its boundary. The tool allows the reconstruction of various types and forms of internal defects. He could find opportunities in the thermal building diagnostics for characterizing insulation defects or thermal bridgesLe secteur du bâtiment représente aujourd'hui près de 45% de la facture énergétique nationale, et le parc des bâtiments existants se renouvelle lentement. L'audit énergétique est un outil d'aide à la décision permettant d'améliorer la performance des bâtiments en proposant des scénarios de rénovation adaptés. Cependant, les méthodes d'audit actuelles ne parviennent pas à saisir réellement les propriétés thermiques des bâtiments et les propositions de rénovation peuvent être inadaptées. Nous proposons une méthode innovante d'audit énergétique des bâtiments qui permet de réduire fortement les incertitudes sur les paramètres et la réponse thermique du modèle. Elle diffère des méthodes classiques par son protocole opératoire et ses outils de résolution numérique. En plus du recueil des scénarios d'usage, des caractéristiques thermiques des systèmes et du bâti, et des conditions climatiques, elle exploite l'information contenue dans la mesure de l'état thermique, composé des températures des pièces et des températures de surfaces de certaines parois et des émetteurs. Ces données alimentent un problème inverse d'identification de paramètres. L'utilisation d'un modèle aux EDP nous donne accès aux outils du contrôle optimal, et notamment à la méthode de l'état adjoint. Avec ce formalisme, le problème inverse se réécrit comme un problème d'optimisation non linéaire de calibration du modèle thermique. Les paramètres inconnus sont constitués des paramètres les plus influents : la capacité et la conductivité thermiques des parois, les caractéristiques des émetteurs, la transmittance des fenêtres et le débit de renouvellement d'air moyen. Nous proposons deux variantes de la méthode, que nous appliquons sur un cas d'étude numérique. La première nécessite les données de chaque puissance individuelle fournie aux émetteurs, et la seconde utilise une mesure globale de production de chaleur. L'approche est étudiée numériquement : le modèle thermique sert à la fois pour la génération des mesures et pour l'identification. Une fois les mesures de l'état thermique synthétisées, les paramètres retenus sont perturbés suivant les incertitudes classiques du bâtiment. Nous éprouvons la méthode sur un échantillon de tirages aléatoires, engendrant autant d'initialisations pour l'algorithme, afin de calculer l'incertitude de la méthode. L'allègement du protocole opératoire pour la seconde variante se traduit toutefois par une baisse de la précision de l'identification. Nous analysons la robustesse de la méthode lorsque les conditions climatiques de l'audit changent, que le bruit des capteurs de l'état thermique augmente, et pour de fortes incertitudes initiales des paramètres. Nous montrons que la méthode est stable par rapport au bruit des capteurs et que l'incertitude sur l'état thermique du bâtiment est globalement réduite. Afin d'améliorer la prise en compte de l'aéraulique, nous proposons une technique permettant de discriminer deux sources ayant des dynamiques différentes : l'une constante par morceaux, l'autre régulière dans le temps. La méthode résout un problème inverse prenant en compte la régularité des fonctions par projection. Cet outil est validé sur une étude expérimentale, dont les résultats démontrent la robustesse au bruit de mesure. Ce résultat constitue un jalon dans la volonté de s'affranchir de la contrainte de maîtrise de scénarios d'usage de la méthode d'audit. Enfin, nous proposons un formalisme inverse pour caractériser les propriétés thermiques d'une structure 3D à partir de mesures de température sur une partie de sa frontière. L'outil permet de reconstruire différentes formes et natures de défauts. Il pourrait trouver des débouchés dans la caractérisation de défauts d'isolation ou de ponts thermique