Mesure de l’émissivité en Namibie sur le site GOBABEB

Instrument de mesure:

L’appareil utilisé est le dispositif de mesure d’émissivité EM3 de THEMACS Ingénierie. Ce dispositif est le résultat d’un brevet déposé en 2012 par le CERTES (Université Paris Est Créteil). Le brevet[1] décrit l’appareil, son fonctionnement en[2]. La figure 1 montre l’appareil.

Gauche: La tête de mesure                    Droite: Mesures sur le site GOBABEB

 

Mesures d’émissivité à large bande:

Les mesures ont été effectuées autour du mât géré par le KIT. Les numéros des points de mesure correspondent aux points marqués autour de la clôture entourant le mât. Ces points ont été repris par Laurent Poutier et Stéphane Langlois de l’ONERA pour les mesures spectrales. L’écart-type de l’émissivité est compris entre 0,005 et 0,009. L’incertitude élargie atteint ainsi un niveau de 0,015 à 0,027.

Compte tenu des mesures effectuées sur ce type de sol, une émissivité moyenne de 0,915 peut être considérée comme la valeur de référence. Les mesures brutes sont données dans le tableau 1. Les moyennes des différentes mesures effectuées sur les points à différents moments sont données dans le tableau 2.

Tableau 1

N° mesure Point Emissivité
1 Point1 0.92327535
2 Point2 0.90424594
3 Point2 0.92339245
4 Point2 0.91850336
5 Point3 0.901494
6 Point3 0.91510734
7 Point4 0.92652498
8 Point4 0.91449254
9 Point5 0.91273598
10 Point5 0.92465132
11 Point6 0.90190386
12 Point6 0.91785928
13 Point6 0.92599801
14 Point7 0.91800566
15 Point7 0.90679296
moyenne 0.91566554
standard dev. 0.00866439

 

Tableau 2

Point Emissivité
Point1 0.92327535
Point2 0.91538058
Point3 0.90830067
Point4 0.92050876
Point5 0.91869365
Point6 0.91525372
Point7 0.91239931
moyenne 0.91625886
standard dev. 0.00505357

 

Mesures d’émissivité dans la bande III:

Les mesures suivantes ont été prises dans la bande III. Le filtre fourni par Dexter-Research est illustré à la figure 2. La thermopile a été changée pour la remplacer dans une bande plus proche de celle des radiomètres KT15 et KT19. Cependant, comme le montre la figure 2, la bande est beaucoup plus large que celle de ces radiomètres. Les mesures d’émissivité ne peuvent pas être complètement comparées. Les résultats sont présentés dans les tableaux 3 et 4.

 

Tableau 3

Point Emissivité
point1 0.92783419
point1 0.90714245
point1 0.91019695
point1 0.91059108
point2 0.89965401
point2 0.89935842
point3 0.89029346
point3 0.89216557
point3 0.90152612
point3 0.88694337
point4 0.91689713
point5 0.87728723
point6 0.90182172
point6 0.90211732
point6 0.90172319
moyenne 0.90170348
standard dev. 0.01236199

 

Table 4

Point Emissivité
point1 0.91394117
point2 0.89950621
point3 0.89273213
point4 0.91689713
point5 0.87728723
point6 0.90188741
moyenne 0.90037521
standard dev. 0.01450188

 

 

 

Bande spectrale de la thermopile de Dexter Research Center Incorporation. La gamme de mesure est comprise entre 8-14μm

 

Mesures spectrales de laboratoire:

Ces mesures ont été effectuées en laboratoire et non sur le terrain. Le spectromètre est un Frontier® Perkin-Elmer®, avec une sphère d’intégration Pike®. Les mesures ont été effectuées séparément sur des morceaux de sable et de gravier (quartz supposé). Les échantillons sont présentés à la figure 3.

Les résultats sont présentés aux figures 4 et 5. On peut voir que le gravier a un facteur de réflexion élevé (environ 0,5) et très variable dans la bande de 8-14µm, alors que le sable a un facteur de réflexion très faible (entre 0,04 et 0,15). Le rapport entre le gravier de quartz et le sable influence fortement le facteur de réflexion et donc l’émissivité. L’émissivité est une moyenne de l’émissivité du sable et du gravier pondérée par la surface de chaque composant.

Le calcul de l’émissivité est présenté dans le tableau 5.

Le calcul est fait pour une température de 303K.

Le calcul dans la bande 2-17µm est similaire à la mesure en bande large avec EM3. Pour le sable, la valeur de la réflectance supérieure à 0,4 pour une longueur d’onde inférieure à 2µm explique la différence de ces valeurs (EM3 εsol=0.915 , mesure spectrale εsable=0.937 εgravier=0.873).

Les calculs sont effectués avec différentes bandes :

  • 2-17µm (maximum réalisable avec une sphère intégrante)
  • 8-14µm la gamme utilisée dans EM3 dans la bande III
  • 8-12µm la sensibilité de la caméra thermique A35
  • 6-11.5µm la sensibilité du KT-19.85

Pour la dernière, nous avons pris la sensibilité du KT-19.85. II présentée dans la figure 6 pour le calcul d’une émissivité apparente.

 

Tableau 5

Emissivité pour différentes bandes spectrales
Matériau 2-17µm 8-14µm 8-12µm 9.6-11.5µm
Sable 0.937 0.925 0.909 0.9365
Gravier 0.873 0.806 0.758 0.894

 

A) Spectromètre Frontier®; B) Gravier quartz Gobabeb; C et D) Sable Gobabeb

 

Conclusion:

La différence de substrat entre le sable et le gravier, et la grande différence de comportement spectral montrent que l’émissivité dépend du rapport de ces deux composantes. La seule comparaison possible est la bande passante de 8-14µm. La mesure avec EM3 montre une émissivité de 0.901 et la mesure spectrale montre une valeur de 0.925 si l’on ne tient pas compte de la valeur du gravier (0.806). Nous avons supposé une réponse plate du détecteur en EM3.

La différence entre les différentes mesures provient de la largeur de bande spectrale des détecteurs. Nous devons construire un dispositif de mesure d’émissivité adapté au radiomètre utilisé pour la mesure thermique. L’émissivité avec mesure spectrale du sable indique une valeur de 0,9365. La juste valeur pourrait être inférieure s’il y a plus de graviers, supérieure à la rugosité du sol. Cette valeur est similaire aux mesures précédentes.

De nouvelles recherches sont nécessaires pour expliquer certaines différences dans les valeurs de mesure.

 

Figure 4: Réflectance spectrale de quatre échantillons de gravier

Figure 5: Réflectance spectrale de trois échantillons de sable

Figure 6: Sensibilité du KT19-85. II d’après la documentation Heitronics®.

 

References:

 

[1] Brevet : «  dispositif de mesure de l’émissivité ou de la réflectivité d’une surface », N° 1251476

  1. CANDAU, L. IBOS, J.P.MONCHAU

 

[2] Infrared Emissivity Measurements of Building and Civil Engineering Materials A new device for measuring emissivity J.P.MONCHAU, L. IBOS, Y. CANDAU , V. FEUILLET (CERTES, Université Paris Est, Créteil), M. MARCHETTI (CETE de l’Est-LRPC Nancy-ERA Tomblaine ), J. DUMOULIN (IFSTTAR, MACS, Bouguenais ) (International Journal Of Thermophysics), Vol. 34, N°4, Avril 2013

 

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