EP3732471A1 - Procédé et dispositif de contrôle non destructif d'une paroi - Google Patents

Procédé et dispositif de contrôle non destructif d'une paroi

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Publication number
EP3732471A1
EP3732471A1 EP18842434.5A EP18842434A EP3732471A1 EP 3732471 A1 EP3732471 A1 EP 3732471A1 EP 18842434 A EP18842434 A EP 18842434A EP 3732471 A1 EP3732471 A1 EP 3732471A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
medium
thermal
thermal radiation
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18842434.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Johann MEULEMANS
Laurent IBOS
Vincent Feuillet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Isover SA France
Universite Paris Est Creteil Paris 12
Original Assignee
Saint Gobain Isover SA France
Universite Paris Est Creteil Paris 12
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Isover SA France, Universite Paris Est Creteil Paris 12 filed Critical Saint Gobain Isover SA France
Publication of EP3732471A1 publication Critical patent/EP3732471A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for non-destructive control of a partition wall between a first medium and a second medium, by thermal analysis, in particular with a view to locating thermal bridges and thermal singularities of the wall.
  • the invention can be applied for non-destructive testing of any type of partition wall between two environments, including a wall of a building, a wall of a vehicle, a wall of an oven, a wall of a refrigerator , a wall of a tank.
  • the invention can be applied for the non-destructive control of a wall belonging to the envelope of a room, such as a wall, a floor, a roof, which can be equipped with doors or windows, the wall then being a partition wall between the inside and the outside of the room.
  • any space of habitat or storage may be a residential space or fixed storage, such as a house or a building, especially for residential or tertiary use warehouse type, factory, etc., or a part such a building, for example an apartment in a building with several floors, or such as a machine, especially in the field of household appliances, an oven, a refrigerator, etc.
  • a housing or transportable storage space such as a train wagon, a car cabin, a truck cabin or a storage space in a truck, a cabin of a ship or a storage space in a ship, an aircraft cabin or storage space in an airplane.
  • the invention finds a particularly interesting application for the diagnosis of multilayer walls with high thermal resistance which are used, in the context of the construction of new buildings or renovation, to reduce heat loss in buildings.
  • the presence of thermal bridges tends to greatly reduce the performance of such walls. It is important to be able to detect insulation faults due for example to installation defects, structural irregularities, settlements of insulating material, etc.
  • infrared thermography is a technique adapted to this type of inspection, because of its non-destructive nature.
  • the NF EN 13187 standard describes a qualitative method for detecting thermal irregularities in the building envelope by infrared thermography. It is more precisely to locate the thermal irregularities, to locate the infiltrations of air through the enclosure of the building, to locate the areas of high humidity.
  • thermographic inspection is passive and cyclical (or punctual), with dependence on the conditions of use of the building and external climatic conditions.
  • the implementation of this method requires to be placed in very specific conditions.
  • the NF EN 13187 standard indicates that the temperature difference between the inside and outside must be sufficiently large, in particular greater than about 10 ° C, to detect thermal irregularities.
  • the examination must be performed in static (or stationary) mode, with little variation of outside and inside temperature in order to avoid a dynamic (or non-stationary) regime.
  • a difficulty is then to determine whether the envelope is in the course of time evolution, because of the meteorological conditions and / or the inertia of the structures and / or uses of the building.
  • the invention intends to remedy more particularly by proposing a method and a device for non-destructive wall control which can be implemented simply and rapidly, free from dependency on weather conditions and the inertia of structures.
  • the subject of the invention is a method of non-destructive inspection of a partition wall between a first medium and a second medium, in particular between the inside and the outside of a room, characterized in that it includes steps in which:
  • a temporal modulation of an air heating power is carried out in the first medium capable of thermally biasing the wall;
  • a result of analysis of the wall is generated from the evolution of the intensity detected.
  • heating power of the air in the first medium any operating condition generating a variation of the air temperature in the first medium, for temperature conditions given in the second middle. It is understood that the heating power can be, over time, positive, zero or negative.
  • a positive heating power corresponds to a heat input into the first medium, which can be obtained by means of a heater.
  • a negative heating power corresponds to a supply of cold in the first medium, which can be obtained using an air conditioning unit.
  • the terms “heating” or “heating” may designate as much a supply of heat as a contribution of cold.
  • the thermal radiation released by the wall is generally infrared radiation, in particular for the analysis of walls at room temperature, but depending on the temperature of the wall tested, it can be used.
  • act of a radiation comprising wavelengths outside the wavelength range of the infrared, for example wavelengths in the visible range, the ultraviolet range, or in the corresponding domain at terahertz frequencies.
  • the invention proposes an active thermography method, combining the application of a temporal modulation of a heating power of the air in the first medium suitable for soliciting the wall and the detection of a heat radiation released by the wall during the modulation of the heating power, which makes it possible to detect thermal irregularities of the wall regardless of the initial state of the wall and the climatic conditions.
  • the heating of the air in the first medium makes it possible to solicit the wall in a global manner, so that an overall diagnosis of the wall can be made. Thanks to the invention, it is possible to detect spatial variations in the insulation of the wall, and in particular thermal bridges, which may be structural, related to an interruption or degradation of the insulation within the wall (PTI, or integrated thermal bridges) or related to an interruption of the insulation at an intersection of wall elements (PTL, or thermal link bridges), repetitive or non-repetitive.
  • thermal bridges which may be structural, related to an interruption or degradation of the insulation within the wall (PTI, or integrated thermal bridges) or related to an interruption of the insulation at an intersection of wall elements (PTL, or thermal link bridges), repetitive or non-repetitive.
  • the invention can advantageously involve a global thermal load of the envelope of a room, that is to say a solicitation of all the walls of the room, via the heating of the air inside the room .
  • the thermal load can be applied to the walls of the outer shell of the building and / or internal walls such as party walls.
  • the principle underlying the invention is to use the temporal variations in the intensity of the thermal radiation released by the wall, when the wall is subjected in its entirety to a controlled thermal stress resulting from heating the air. in the first middle. It is noted that, in the context of the invention, it is not necessary to have a uniform heating of the wall, via the heating of the air of the first medium, even if this is preferable.
  • the invention makes it possible to generate a result of analysis of the wall over a short period, with duration tests that can in particular extend from a few tens of minutes to a few hours, limiting the influence of the parameters likely to modify the dynamic behavior of the wall.
  • the shortness of the measurements makes it possible to overcome the influence of the conditions of use of the local and the variations of the external climatic conditions.
  • the temporal evolution of the intensity of the thermal radiation released by the wall is detected on the side of the first medium, that is to say on the middle side where the modulation of the heating power of the air.
  • the temporal modulation of the heating power of the air in the first medium is produced from a deterministic signal, such as a square-wave, ramp, triangular, sinusoidal or Dirac pulse signal, or more generally a signal involving a monotonous function increasing then decreasing or vice versa.
  • a deterministic signal such as a square-wave, ramp, triangular, sinusoidal or Dirac pulse signal, or more generally a signal involving a monotonous function increasing then decreasing or vice versa.
  • the temporal modulation of the heating power of the air in the first medium is produced from a random signal, such as a Gaussian random signal, PRBS (pseudo random binary sequence), or SWEEP (sinusoidal variable frequency).
  • a random signal such as a Gaussian random signal, PRBS (pseudo random binary sequence), or SWEEP (sinusoidal variable frequency).
  • the temporal modulation of the heating power of the air in the first medium comprises the application of at least two distinct heating powers over two successive periods of time.
  • the temporal modulation of the heating power of the air in the first medium comprises the application of a first strictly positive heating power, so as to reach an air temperature in the first medium strictly greater than the air temperature in the second medium, followed by the application of a second heating power substantially zero, so as to obtain a free cooling of the first medium.
  • the temporal modulation of the heating power of the air in the first medium is applied by means of at least one heater having a controlled power source.
  • the heater or heaters are not very inert so as to ensure rapid heating of the air in the first medium.
  • At least one heating device with a controlled power source for heating the first medium may be a fixed equipment of the first medium, that is to say a heater installed in the first medium independently of the implementation of the method . It can in particular be a heat pump.
  • At least one controlled power source heating apparatus for heating the first medium may be an apparatus reported in the first medium specifically for carrying out the method.
  • the heating of the first medium can be implemented by means of a combination of at least one heating device which equips the first medium in a fixed manner, independently of the implementation of the method, and at least one heater reported in the first medium specifically for carrying out the method.
  • the heaters of the first medium can be of convective, radiative or conductive type, or combine several of these technologies. This may include, in particular, electrical appliances such as electric convectors; carpets or heating films; Radiant parasols.
  • the solar radiation is low, preferably zero.
  • the solar radiation is freed from the influence of uncontrolled variations of solar radiation on the heating of the wall.
  • the temporal evolution of the intensity of thermal radiation released by the wall is detected by means of at least one a thermal radiation detector disposed facing the wall.
  • the thermal radiation detector is arranged opposite the wall on the side of the first medium, that is to say on the middle side where the modulation of the heating power of the heater has been applied. 'air.
  • thermal radiation detectors examples include, but are not limited to: spot metering sensors, such as a pyrometer or thermopile; imagers, such as a thermal camera. They may be monochromatic or multi-spectral detectors, or scanning detectors. In terms of detected radiation, it may be, without limitation, detectors of infrared radiation, visible light, ultraviolet radiation, terahertz waves.
  • a wall analysis result is generated from the observation of a temporal or frequency thermographic sequence of the wall, corresponding to the evolution of the detected thermal radiation intensity.
  • the observed thermographic sequence can be the raw sequence of the evolution of the detected thermal radiation intensity, or a sequence obtained after application of one or more post-treatments to the evolution of the radiation intensity. thermal detected.
  • the principle of post-processing is to submit a thermogram to a series of treatments and mathematical operations to improve the detection of a certain type of information, for example the thermal signature of an irregularity of the wall.
  • Post-treatments that can be applied to the evolution of the detected thermal radiation intensity are listed below, by way of non-limiting examples. Of course, these post treatments can be applied individually or in any technically feasible combination.
  • a simple filter to implement is to integrate between two time limits the thermosignal for each pixel, so as to increase the signal-to-noise ratio.
  • a spatial convolution filter so as to increase the signal-to-noise ratio in the images.
  • ⁇ may be post-treatments using processing methods.
  • integral transformations include the Fourier transform, the Laplace transform, the convolution.
  • FFT fast Fourier transform
  • PPT pulsed phase thermography or pulsed phase thermography
  • PCT principal component thermography, or principal component analysis
  • SVD singular value decomposition, or singular value decomposition
  • TSR thermoography signal reconstruction, or thermographic signal reconstruction
  • FIOS higher order statistics, or higher order statistics
  • PLS partial least squares, or least partial squares
  • parametric adjustment post-treatments with a parametric identification model based on different methods, such as for example: modal methods; the proper orthogonal decomposition (proper orthogonal decomposition, or POD); the general decomposition proper (proper general decomposition, or PGD); "gray box” type models (ARX, ARMAX, ARMA models for example).
  • modal methods such as for example: modal methods; the proper orthogonal decomposition (proper orthogonal decomposition, or POD); the general decomposition proper (proper general decomposition, or PGD); "gray box” type models (ARX, ARMAX, ARMA models for example).
  • segmentation can also be post-processing segmentation, aiming to gather pixels together according to predefined criteria.
  • the pixels are thus grouped into regions, which constitute a tiling or partition of the image. This may allow, for example, to separate elements from a background.
  • segmentation methods include, but are not limited to: region-based segmentation, such as region-growing, split-and-merge; edge-based segmentation; segmentation based on classification or thresholding of pixels based their intensity (classification or thresholding); segmentation based on transformation techniques (transformed Hough for example).
  • SVD single value decomposition
  • the principle of the SVD is to change from a data volume (film) to a two-dimensional matrix A of size M x N, where the number of lines M corresponds to the number of pixels (X, Y) and the number of pixels. columns N is the number of frames.
  • the spatial information is then obtained by traversing the matrix along its lines, while the temporal information is obtained by traversing the matrix according to its columns.
  • the columns of U contain the Orthogonal Func- tional Modes (EOF), which represent the spatial variations of the data.
  • the lines of V T contain the principal components (PC, or "Principal Components”) which represent the temporal variations of the data.
  • the singular value decomposition thus makes it possible to present the matrix A, which depends on spatio-temporal coordinates, in a matrix product dissociating time and space.
  • the first EOF represents the most significant spatial signal variations. It is possible, by selecting certain EOF, to eliminate the detrimental contributions to detection such as heating uniformity problems or reflection problems.
  • the distant EOFs corresponding to the smallest singular values, represent the noise and can also be eliminated.
  • an SVD after-treatment has the double advantage of filtering the parasitic noise, which avoids having to apply an additional post-processing dedicated to filtering, and to improve the thermal images in terms of detection.
  • This last advantage is particularly important in the context of the invention, which aims to diagnose walls in real contexts, and not in the laboratory.
  • an SVD postprocessing makes it possible to locate thermal irregularities in a wide variety of experimental configurations, including in imperfect configurations, with, for example, inhomogeneities of wall heating or reflection problems.
  • a wall analysis result can be generated directly from the digital levels recorded by the thermal radiation detector, without determining the corrected temperature levels (or "true” temperatures) of the wall taking into account in particular the emissivity.
  • a wall analysis result can be generated directly from the observation of a thermographic sequence in digital levels, be it the raw sequence in digital levels provided by the detector. thermal radiation, or a sequence obtained after applying one or more post treatments to the raw sequence in digital levels. Indeed, it has been found experimentally that the detection of thermal irregularities, which is done in relative levels, is carried out both from the thermographic sequence in numerical levels and from the thermographic sequence in corrected temperature levels. (or "true” temperatures).
  • this variant requires, in order to access the corrected temperatures, to know the temperature of the environment, the ambient air temperature, the relative humidity, the distance to the wall observed, the emissivity of the wall and potentially, in case of zones of the wall having different emissivities, the emissivity of each zone.
  • a wall analysis result can be generated by applying, to the evolution of the detected thermal radiation intensity, a differentiated post-treatment for different regions of interest of the wall.
  • the analysis of different regions of interest makes it possible, for example, to study walls having different compositions, which may have different types of irregularities and / or defects.
  • the analysis by region of interest also makes it possible to remove areas liable to interfere with the analysis, resulting, for example, from experimental problems during the test of the wall, such as a light left inadvertently lit, the presence of electrical wires etc.
  • At least a portion of the steps of the control method are determined by computer program instructions.
  • the invention also relates to a computer program on a recording medium, this program being capable of to be implemented in a terminal, or more generally in a computer, this program comprising instructions adapted to the execution of all or part of the steps of a control method as described above.
  • This program can use any programming language, and be in the form of source code, object code, or intermediate code between source code and object code, such as in a partially compiled form.
  • the invention also relates to a computer readable recording medium, and comprising instructions of a computer program as mentioned above.
  • the recording medium may be any entity or device capable of storing the program.
  • the medium may comprise storage means, such as a read-only memory, a non-volatile rewritable memory, for example a USB key, an SD card, an EEPROM, or a magnetic recording means, for example a Hard disk.
  • the recording medium may also be an integrated circuit in which the program is incorporated, the circuit being adapted to execute or to be used in the execution of the method.
  • the recording medium may be a transmissible medium such as an electrical or optical signal, which may be conveyed via an electrical or optical cable, by radio or by other means.
  • the program according to the invention may in particular be downloaded to a computer network.
  • Another object of the invention is a non-destructive control device for a separation wall between a first medium and a second medium, this control device comprising:
  • At least one heating device having a controlled power source, configured to apply a temporal modulation of an air heating power in the first medium capable of thermally biasing the wall;
  • At least one thermal radiation detector configured to detect the temporal evolution of the intensity of a thermal radiation released by the wall
  • a computer data processing management unit comprising a calculation module configured to generate, from data representative of the temporal evolution of the intensity of thermal radiation detected by the thermal radiation detector, data representative of a result of analysis of the wall.
  • the management unit comprises a module for controlling the power source of the or each heating appliance according to data representative of the temporal modulation of the heating power of the air to be applied in the first medium.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a bungalow which one wishes to control the envelope to locate possible thermal bridges and thermal singularities;
  • FIG. 2 is a schematic top view of the interior of the bungalow where a control device according to the invention is installed, notably comprising an infrared thermal camera, for implementing a control of two walls of the bungalow, one of which has a glazing unit;
  • FIG. 3 is a schematic cross section showing the structure of the walls of the bungalow, where each wall is a multilayer wall with high thermal resistance;
  • FIG. 4 is an image of the walls of the bungalow obtained with the infrared thermal camera of Figure 2 by performing an infrared thermography test according to standard NF EN 13187;
  • FIGS. 5 to 7 are the first three orthogonal statistical modes (EOF, or "Empirical Orthogonal Functions”) obtained by applying a SVD (singular value decomposition) post-processing to a thermographic sequence obtained with the infrared thermal camera of FIG. 2, performing an active infrared thermography test according to the method of the invention;
  • FIG. 8 is a graph showing the main components (PC, or "Principal Components”) resulting from the singular value decomposition of the thermographic sequence corresponding to the first three orthogonal statistical modes of FIGS. 5 to 7.
  • the method according to the invention is implemented for non-destructive testing of two walls 1 1, 13 belonging to the envelope of a bungalow 10, which are oriented respectively to the west and north.
  • the wall 1 1 facing west is provided with a glazing 12 which is a triple glazing.
  • the walls of the bungalow 10 are formed from insulating sandwich panels 6 having a 35 mm thick polyurethane layer inserted between two metal plates.
  • Each wall of the bungalow is also provided with a multilayer system of insulation from the inside (ITI), positioned using wooden battens 2, which comprises successively from the sandwich panel 6:
  • a 20 mm thick layer 5 comprising a paving of vacuum insulation panels (VIP or "Vacuum Insulation Panels") of standard size, and expanded polystyrene (EPS or "Expanded Polystyrene”) panels to fill the spaces; remaining between the VIP panels;
  • VIP vacuum insulation panels
  • EPS expanded polystyrene
  • EPS expanded polystyrene panels
  • the overall thermal resistance of the walls of the bungalow is 5.3 m 2 .KW 1 .
  • the walls 1 1, 13 of the bungalow Due to their multilayer structure, the walls 1 1, 13 of the bungalow have a number of thermal irregularities, in particular due to the partial layout of the VIP panels, to the junctions between the different insulating materials (EPS and VIP), to the presence of wooden battens.
  • the comparative example and the example according to the invention described below illustrate the contribution of the invention to identify and locate these thermal singularities of the walls of the bungalow.
  • the infrared thermal imaging camera used is a cooled long wavelength camera equipped with a Mercury Cadmium Telluride (MCT) detector for a matrix spatial resolution of 320 x 256 pixels and a sensitivity (NETD, or Noise Equivalent Temperature Difference) of less than 25 mK at room temperature (FLIR SC7300L model).
  • MCT Mercury Cadmium Telluride
  • NETD Noise Equivalent Temperature Difference
  • Figure 4 shows a mapping of the digital levels of the infrared thermal camera of the walls of the bungalow 10.
  • the gray scale represents the scale of the digital levels.
  • thermal bridges of different types corresponding to irregularities of a structural nature, such as the floor-floor, glazed-wall, wall-wall, and so on.
  • FIG. 2 The control method according to the invention is implemented using the device shown in FIG. 2, which comprises:
  • an infrared thermal camera 14 identical to that described previously in the comparative example, positioned inside (I) of the bungalow 10 opposite the two walls 11 and 13; a plurality of electric convectors 18 of nominal power 250 W, positioned near the center of the bungalow 10 for heating the air inside (I) of the bungalow;
  • a computer data processing management unit 19 which is for example a portable PC type computer and which integrates a calculation module configured to generate, from data representative of the temporal evolution of the thermal radiation intensity infrared detected by the infrared thermal camera 14, data representative of a result of analysis of each wall 1 1, 13.
  • the computer 19 comprises a software application comprising instructions, intended to be executed by the computer 19, for the implementation of all or part of the calculation steps of the method, including post-processing steps.
  • the computer 19 also comprises a control module of the electric convectors 18 for heating according to data representative of the temporal modulation of the heating power of the air to be applied inside (I) of the bungalow 10 .
  • a time modulation of the heating power of the air inside (I) of the bungalow 10 is carried out with the aid of the electric convectors 18, making it possible to heat the walls 1 1, 13 .
  • the temporal modulation of the heating power of the air inside (I) of the bungalow 10 comprises:
  • the temporal evolution of the intensity of the infrared heat radiation emitted by the walls of the bungalow is measured using the infrared thermal imaging camera. 14.
  • An analysis result of the walls of the bungalow 10 is then generated from the change in the infrared radiation intensity detected by the infrared thermal camera 14, by applying SVD (singular value decomposition) post-processing directly to the thermographic sequence in digital levels recorded by the infrared thermal camera 14, globally for the entire area of the envelope of the bungalow located in the field of view of the camera 14.
  • SVD singular value decomposition
  • FIGS. 5 to 8 show the first three orthogonal statistical modes (EOF) and the principal components (PC) resulting from the singular value decomposition of the thermal sequence obtained with the infrared thermal camera 14.
  • the first three orthogonal statistical modes contain most of the information contained in the thermographic sequence.
  • the other orthogonal statistical modes correspond to noise.
  • the EOFI visible in FIG. 5, corresponds to an "average” image (or “baseline”).
  • baseline We observe the various thermal irregularities of structural order already identified during the point observation carried out according to the standard NF EN 13187. The contrast is however better and makes it possible to visualize the paving of panels VI P of the layer 5.
  • the method of the invention proposes to achieve a global thermal load of at least one wall of a room, resulting from a heating of the air in the room, and to generate a result. overall analysis of the wall from the temporal evolution of the intensity of thermal radiation released by the wall in response to this thermal stress.
  • control method according to the invention can be implemented throughout the year, including outside the winter period, contrary to the method of standard NF EN 13187.
  • the detection of the thermal irregularities of the wall is made more efficient by the application of one or more post-treatments to the thermographic sequence corresponding to the measured evolution of the intensity. thermal radiation released by the wall.
  • a particularly favorable post-treatment in the context of the invention is the treatment of SVD, which makes it possible to select zones of interest of the images of the detected thermographic sequence, without having prior information on the structure of the wall.
  • SVD can both filter out unwanted noise, which increases the signal-to-noise ratio and avoids having to apply another filtering postprocessing, and improves the detection of thermal irregularities, by compressing the data of measurement, thus making it possible to locate thermal irregularities even under imperfect test conditions, for example in the presence of inhomogeneities of heating of the wall or reflection phenomena.
  • This last aspect is particularly important for the in situ diagnosis of thermal irregularities in building walls, where the diagnosis is made on site, with an imposed configuration (orientation of the walls for example) and potential disturbances (climatic variations for example) , which is different from diagnoses made in controlled environments, such as in the laboratory.
  • the compression of the data resulting from the processing of SVD makes it possible to reduce the volume of data to be stored.
  • the principal components (PC) resulting from the singular value decomposition can also be useful for accessing additional information, for example to differentiate between different types of thermal irregularities or to have access to their position at depth in the walls.
  • the example above illustrates the case of a thermal stressing of the walls of a room resulting from an air heating inside the room in two phases of slot type, including the application of a first positive positive heating power followed by the application of a second substantially zero heating power.
  • the thermal stressing of the wall may result from any temporal modulation of the heating power of the air in the first medium, and notably from a different modulation of a two-power slot. separate heating.
  • the temporal modulation of the heating power of the air in the first medium can be produced from a random signal close to a white noise, which has the advantage of soliciting the wall according to a plurality of excitation modes and can detect a greater variety of thermal irregularities.
  • the analysis of the wall was carried out on the basis of the observation of a thermographic sequence in digital levels, obtained by applying an SVD post-processing directly to the sequence in levels. recorded by the infrared thermal camera, without determining the corrected temperature levels (or "true" temperatures) of the walls of the room.
  • a wall analysis result from corrected temperature levels of the walls, determined for example by using thermocouples positioned during the test on the two walls studied and on a correction plate positioned in the corner of the two walls, the correction plate comprising a mirror zone and a high emissivity zone for accessing the environmental temperature and the apparent temperature as is known in the field of thermography.
  • the SVD postprocessing was applied globally for the entire area of the bungalow envelope located in the field of view of the infrared thermal camera.
  • the SVD after-treatment could have been applied in a differentiated manner, for example on the one hand for the west-facing wall, and on the other hand for the north-facing wall, which are two regions of interest of the envelope of the bungalow subject to different environmental conditions, or in a differentiated manner to remove areas likely to hinder the analysis, such as areas of passage of electrical son, etc..
  • the previous example illustrates the implementation of the invention for the control of walls of a bungalow but, more generally, the invention is of course applicable to any type of wall.
  • the invention in particular, in the field of building, the invention is applicable to walls, floors, ceilings, crawling roofs, etc.
  • the invention is applicable not only to the walls of the outer envelope of the building, but also to the inner walls such as party walls.

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Abstract

Ce procédé, destiné au contrôle non destructif d'une paroi (11, 13) de séparation entre un premier milieu (I) et un deuxième milieu (E), comprend des étapes dans lesquelles : - on procède à une modulation temporelle d'une puissance de chauffe de l'air dans le premier milieu (I) propre à solliciter thermiquement la paroi; - on détecte l'évolution temporelle de l'intensité d'un rayonnement thermique dégagé par la paroi lors de la modulation de la puissance de chauffe; - on génère un résultat d'analyse de la paroi à partir de l'évolution de l'intensité de rayonnement thermique détectée.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTRÔLE
NON DESTRUCTIF D’UNE PAROI
La présente invention a trait à un procédé et un dispositif de contrôle non destructif d’une paroi de séparation entre un premier milieu et un deuxième milieu, par analyse thermique, notamment en vue de localiser des ponts thermiques et singularités thermiques de la paroi.
L’invention peut être appliquée pour le contrôle non destructif de tout type de paroi de séparation entre deux milieux, notamment une paroi d’un bâtiment, une paroi d’un véhicule, une paroi d’un four, une paroi d’un réfrigérateur, une paroi d’une cuve.
En particulier, l’invention peut être appliquée pour le contrôle non destructif d’une paroi appartenant à l’enveloppe d’un local, tel qu’un mur, un sol, un toit, qui peut être équipée de portes ou de fenêtres, la paroi étant alors une paroi de séparation entre l’intérieur et l’extérieur du local.
On entend ici par "local" tout espace d’habitat ou de stockage. En particulier, il peut s’agir d’un espace d’habitat ou de stockage fixe, tel qu’une maison individuelle ou un bâtiment, notamment à usage d’habitation ou tertiaire de type entrepôt, usine, etc., ou une partie d’un tel bâtiment, par exemple un appartement dans un immeuble à plusieurs étages, ou encore tel qu’une machine, notamment dans le domaine de l’électroménager, un four, un réfrigérateur, etc. Il peut également s’agir d’un espace d’habitat ou de stockage transportable, tel qu’un wagon de train, un habitacle de voiture, une cabine de camion ou un espace de stockage dans un camion, une cabine de navire ou un espace de stockage dans un navire, une cabine d’avion ou un espace de stockage dans un avion.
L’invention trouve une application particulièrement intéressante pour le diagnostic de parois multicouches à haute résistance thermique qui sont utilisées, dans le cadre de la construction de bâtiments neufs ou en rénovation, pour réduire les pertes de chaleur dans les bâtiments. La présence de ponts thermiques tend à réduire fortement la performance de telles parois. Il est important de pouvoir détecter des défauts d’isolation dus par exemple à des défauts de pose, des irrégularités de structure, des tassements de matériau isolant, etc.
De manière connue, la thermographie infrarouge est une technique adaptée à ce type d'inspection, en raison de son caractère non destructif. La norme NF EN 13187 décrit une méthode qualitative de détection des irrégularités thermiques dans l’enveloppe d’un bâtiment par thermographie infrarouge. Il s’agit plus précisément de localiser les irrégularités thermiques, localiser les infiltrations d’air à travers l’enceinte du bâtiment, localiser les zones d’humidité élevée.
Dans le cadre de la norme NF EN 13187, l’inspection thermographique est passive et conjoncturelle (ou ponctuelle), avec une dépendance vis-à-vis des conditions d’utilisation du bâtiment et des conditions climatiques extérieures. La mise en oeuvre de cette méthode impose de se placer dans des conditions bien spécifiques. En particulier, la norme NF EN 13187 indique que l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur doit être suffisamment important, en particulier supérieur à environ 10°C, pour permettre de détecter les irrégularités thermiques. De plus, l’examen doit être réalisé en régime statique (ou stationnaire), avec peu de variations de température extérieure et intérieure afin d’éviter un régime dynamique (ou non stationnaire). Une difficulté est alors de déterminer si l’enveloppe est en cours d’évolution temporelle, du fait des conditions météorologiques et/ou de l’inertie des structures et/ou des usages du bâtiment. Les flux d’énergie doivent tous être orientés dans le même sens, et ce depuis un certain temps, ce qui implique l’absence de soleil (pouvant générer des échanges radiatifs) depuis un certain temps, ainsi que l’absence de réchauffement de l’air (pouvant générer des échanges convectifs). L’absence de neige, de pluie ruisselante, de givre et de vent est également requise. Toutes ces conditions rendent délicate la mise en oeuvre de la méthode décrite dans la norme NF EN 13187.
C’est à ces inconvénients qu’entend plus particulièrement remédier l’invention en proposant un procédé et un dispositif de contrôle non destructif d’une paroi qui peuvent être mis en oeuvre de manière simple et rapide, en s’affranchissant de dépendances aux conditions météorologiques et à l’inertie des structures.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de contrôle non destructif d’une paroi de séparation entre un premier milieu et un deuxième milieu, notamment entre l’intérieur et l’extérieur d’un local, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes dans lesquelles :
- on procède à une modulation temporelle d’une puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu propre à solliciter thermiquement la paroi ;
- on détecte l’évolution temporelle de l’intensité d’un rayonnement thermique dégagé par la paroi lors de la modulation de la puissance de chauffe ;
- on génère un résultat d’analyse de la paroi à partir de l’évolution de l’intensité détectée.
Dans le cadre de l’invention, on entend par "puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu" toute condition opératoire générant une variation de la température de l’air dans le premier milieu, pour des conditions de température données dans le deuxième milieu. Il est entendu que la puissance de chauffe peut être, au cours du temps, positive, nulle ou négative. Une puissance de chauffe positive correspond à un apport de chaleur dans le premier milieu, qui peut être obtenu à l’aide d’un appareil de chauffage. Une puissance de chauffe négative correspond à un apport de froid dans le premier milieu, qui peut être obtenu à l’aide d’un appareil de climatisation. Par souci de simplicité, dans le cadre de cette description, les termes "chauffe" ou "chauffage" peuvent désigner tout autant un apport de chaleur qu’un apport de froid.
De plus, dans le cadre de l’invention, le rayonnement thermique dégagé par la paroi est généralement un rayonnement infrarouge, en particulier pour l’analyse de parois à température ambiante, mais en fonction de la température de la paroi testée, il peut s’agir d’un rayonnement comprenant des longueurs d’onde en dehors du domaine de longueurs d’onde de l’infrarouge, par exemple des longueurs d’onde dans le domaine du visible, de l’ultraviolet, ou encore dans le domaine correspondant aux fréquences térahertz. L’invention propose une méthode de thermographie active, combinant l’application d’une modulation temporelle d’une puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu propre à solliciter la paroi et la détection d’un rayonnement thermique dégagé par la paroi lors de la modulation de la puissance de chauffe, ce qui permet de détecter des irrégularités thermiques de la paroi quels que soient l’état initial de la paroi et les conditions climatiques. Le chauffage de l’air dans le premier milieu permet de solliciter la paroi de manière globale, de sorte qu’on peut réaliser un diagnostic global de la paroi. Grâce à l’invention, il est possible de détecter des variations spatiales de l'isolation de la paroi, et en particulier des ponts thermiques, qui peuvent être structuraux, liés à une interruption ou une dégradation de l’isolation au sein de la paroi (PTI, ou ponts thermiques intégrés) ou bien liés à une interruption de l’isolation à une intersection d’éléments de parois (PTL, ou ponts thermiques de liaison), répétitifs ou non répétitifs.
L’invention peut avantageusement mettre en jeu une sollicitation thermique globale de l’enveloppe d’un local, c’est-à-dire une sollicitation de toutes les parois du local, via le chauffage de l’air à l’intérieur du local. Dans le cas d’un bâtiment de grande taille, tel qu’un immeuble à plusieurs étages, la sollicitation thermique peut être appliquée aux parois de l’enveloppe extérieure du bâtiment et/ou à des parois internes telles que des murs mitoyens.
Le principe à la base de l’invention est d’utiliser les variations temporelles de l’intensité du rayonnement thermique dégagé par la paroi, lorsque la paroi est soumise dans sa globalité à une sollicitation thermique contrôlée résultant d’un chauffage de l’air dans le premier milieu. On note que, dans le cadre de l’invention, il n’est pas nécessaire d’avoir une chauffe uniforme de la paroi, via le chauffage de l’air du premier milieu, même si cela est préférable. L’invention permet de générer un résultat d’analyse de la paroi sur une période courte, avec des tests de durée qui peuvent notamment s’étendre de quelques dizaines de minutes à quelques heures, en limitant l’influence des paramètres susceptibles de modifier le comportement dynamique de la paroi. En particulier, dans le cas du contrôle d’une paroi appartenant à l’enveloppe d’un local, la brièveté des mesures permet de s’affranchir de l’influence des conditions d’utilisation du local et des variations des conditions climatiques extérieures.
Selon un aspect de l’invention, l’évolution temporelle de l’intensité du rayonnement thermique dégagé par la paroi est détectée du côté du premier milieu, c’est-à-dire du côté du milieu où a été appliquée la modulation de la puissance de chauffe de l’air.
A titre d’exemple, dans le cas d’une paroi d’enveloppe d’un local ayant un système d’isolation par l’intérieur (ITI), il est avantageux de procéder à une modulation temporelle d’une puissance de chauffe de l’air à l’intérieur du local, et de détecter l’évolution temporelle de l’intensité du rayonnement thermique dégagé par la paroi également à l’intérieur du local.
Selon un mode de réalisation, la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu est produite à partir d’un signal déterministe, tel qu’un signal créneau, rampe, triangulaire, sinusoïdal, ou impulsion de Dirac, ou plus généralement un signal mettant en jeu une fonction monotone croissante puis décroissante ou inversement.
Selon un autre mode de réalisation, la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu est produite à partir d’un signal aléatoire, tel qu’un signal aléatoire Gaussien, PRBS (séquence binaire pseudo aléatoire), ou SWEEP (sinusoïde de fréquence variable). L’utilisation d’un signal aléatoire a l’avantage de solliciter la paroi selon une pluralité de modes d’excitation, ce qui peut permettre de détecter une plus grande variété d’irrégularités thermiques de la paroi.
Selon une caractéristique avantageuse, la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu comprend l’application d’au moins deux puissances de chauffe distinctes sur deux périodes de temps successives.
Dans un exemple particulier de réalisation, la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu comprend l’application d’une première puissance de chauffe strictement positive, de manière à atteindre une température de l’air dans le premier milieu strictement supérieure à la température de l’air dans le deuxième milieu, suivie de l’application d’une deuxième puissance de chauffe sensiblement nulle, de manière à obtenir un refroidissement libre du premier milieu.
Selon une caractéristique, la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu est appliquée au moyen d’au moins un appareil de chauffage ayant une source de puissance contrôlée. De préférence, le ou les appareils de chauffage sont peu inertes de manière à assurer un chauffage rapide de l’air dans le premier milieu.
Au moins un appareil de chauffage à source de puissance contrôlée pour le chauffage du premier milieu peut être un équipement fixe du premier milieu, c’est-à-dire un appareil de chauffage installé dans le premier milieu indépendamment de la mise en oeuvre du procédé. Il peut notamment s’agir d’une pompe à chaleur.
En variante, au moins un appareil de chauffage à source de puissance contrôlée pour le chauffage du premier milieu peut être un appareil rapporté dans le premier milieu spécifiquement pour la mise en oeuvre du procédé.
Selon une autre variante, le chauffage du premier milieu peut être mis en oeuvre à l’aide d’une combinaison d’au moins un appareil de chauffage qui équipe le premier milieu de manière fixe, indépendamment de la mise en oeuvre du procédé, et d’au moins un appareil de chauffage rapporté dans le premier milieu spécifiquement pour la mise en oeuvre du procédé.
Les appareils de chauffage du premier milieu peuvent être de type convectif, radiatif ou par conduction, ou combiner plusieurs de ces technologies. Il peut s’agir, notamment, d’appareils électriques tels que des convecteurs électriques ; des tapis ou des films chauffants ; des parasols radiants.
Selon une caractéristique, lors de l’application de la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu, le rayonnement solaire est faible, de préférence nul. Ainsi, on s’affranchit de l’influence de variations non contrôlées du rayonnement solaire sur la chauffe de la paroi.
Selon une caractéristique, l’évolution temporelle de l’intensité de rayonnement thermique dégagé par la paroi est détectée au moyen d’au moins un détecteur de rayonnement thermique disposé en regard de la paroi. Selon un aspect de l’invention, le détecteur de rayonnement thermique est disposé en regard de la paroi du côté du premier milieu, c’est-à-dire du côté du milieu où a été appliquée la modulation de la puissance de chauffe de l’air.
Des exemples de détecteurs de rayonnement thermique susceptibles d’être utilisés dans le cadre de l’invention comprennent, de manière non limitative : des capteurs de mesure ponctuelle, tels qu’un pyromètre ou une thermopile ; des imageurs, tels qu’une caméra thermique. Il peut s’agir de détecteurs de type monochromatique ou multi-spectral, ou encore de détecteurs à balayage. En termes de rayonnement détecté, il peut s’agir, de manière non limitative, de détecteurs de rayonnement infrarouge, de lumière visible, de rayonnement ultraviolet, d’ondes térahertz.
Selon un aspect de l’invention, un résultat d'analyse de la paroi est généré à partir de l’observation d’une séquence thermographique temporelle ou fréquentielle de la paroi, correspondant à l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée.
En particulier, la séquence thermographique observée peut être la séquence brute de l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée, ou une séquence obtenue après application d’un ou de plusieurs post-traitements à l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée.
Le principe des post-traitements est de soumettre un thermogramme à une série de traitements et d’opérations mathématiques afin d’améliorer la détection d’un certain type d’information, par exemple la signature thermique d’une irrégularité de la paroi. Des post-traitements susceptibles d’être appliqués à l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée sont listés ci-dessous, à titre d’exemples non limitatifs. Bien entendu, ces post traitements peuvent être appliqués isolément ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables.
Il peut s’agir de post-traitements de filtrage, visant à filtrer le bruit parasite. Par exemple, un filtre simple à mettre en oeuvre consiste à intégrer entre deux limites temporelles le thermosignal pour chaque pixel, de manière à augmenter le rapport signal sur bruit. De manière alternative ou complémentaire, on peut par exemple utiliser un filtre de convolution spatial de manière à augmenter le rapport signal sur bruit dans les images.
Il peut s’agir de post-traitements exploitant des méthodes de transformation. De manière classique, des exemples de transformations intégrales comprennent la transformée de Fourier, la transformée de Laplace, la convolution. Dans le cadre de l’invention, on peut utiliser en particulier des post-traitements de FFT (fast Fourier transform, ou transformée de Fourier rapide), PPT (puise phase thermography, ou thermographie de phase pulsée), PCT (principal component thermography, ou analyse en composantes principales), SVD (singular value décomposition, ou décomposition en valeurs singulières).
Il peut s’agir de post-traitements exploitant des méthodes statistiques, tels que des post-traitements de TSR (thermographie signal reconstruction, ou reconstruction de signal thermographique), FIOS (higher order statistics, ou statistiques d'ordre supérieur), PLS (partial least squares, ou moindres carrés partiels).
Il peut s’agir de post-traitements par ajustement paramétrique avec un modèle d’identification paramétrique s’appuyant sur différentes méthodes, telles que par exemple : les méthodes modales ; la décomposition orthogonale propre (proper orthogonal décomposition, ou POD) ; la décomposition générale propre (proper general décomposition, ou PGD) ; des modèles de type "boîte grise" (modèles ARX, ARMAX, ARMA par exemple).
Il peut également s’agir de post-traitements de segmentation, visant à rassembler des pixels entre eux suivant des critères prédéfinis. Les pixels sont ainsi regroupés en régions, qui constituent un pavage ou une partition de l'image. Cela peut permettre, par exemple, de séparer des éléments d’un fond. Des exemples de méthodes de segmentation comprennent, de manière non limitative : la segmentation fondée sur les régions, telle que la croissance de région (region-growing), décomposition/fusion (split and merge) ; la segmentation fondée sur les contours (edge-based segmentation) ; la segmentation fondée sur la classification ou le seuillage des pixels en fonction de leur intensité (classification ou thresholding) ; la segmentation basée sur des techniques de transformation (transformée de Hough par exemple).
L’utilisation d’un post-traitement de SVD (décomposition en valeurs singulières) est particulièrement avantageuse dans le cadre de l’invention. La SVD permet d’éliminer le poids des contributions parasites telles que le bruit, en projetant le signal dans une base orthogonale adaptée maximisant le contraste thermique.
Le principe de la SVD est de passer d’un volume de données (film) à une matrice A à deux dimensions de taille M x N, où le nombre de lignes M correspond au nombre de pixels (X,Y) et le nombre de colonnes N correspond au nombre d’images. L’information spatiale est alors obtenue en parcourant la matrice suivant ses lignes, tandis que l’information temporelle est obtenue en parcourant la matrice suivant ses colonnes.
En algèbre linéaire, le théorème spectral enseigne qu’une matrice A de taille M x N (avec M > L/) peut s’écrire comme le produit de trois matrices :
A = USVT,
avec U une matrice orthogonale de taille M x N, S une matrice diagonale de taille N x N des valeurs singulières de A (i.e. les valeurs singulières de A sont sur la diagonale, et de manière conventionnelle les valeurs singulières sont classées par ordre croissant : S11 > S22 > ...> SNN) et VT la transposée d’une matrice orthogonale de taille A/x /V.
Les colonnes de U contiennent les modes statistiques orthogonaux (EOF, ou "Empirical Orthogonal Functions") qui représentent les variations spatiales des données. Les lignes de VT contiennent les composantes principales (PC, ou "Principal Components") qui représentent les variations temporelles des données.
La décomposition en valeurs singulières permet ainsi de présenter la matrice A, qui dépend de coordonnées spatio-temporelles, en un produit de matrices dissociant le temps et l’espace.
La première EOF représente les variations spatiales de signal les plus significatives. Il est possible, en sélectionnant certaines EOF, d’éliminer les contributions préjudiciables à la détection telles que les problèmes d’uniformité de chauffage ou les problèmes de réflexion. Les EOF lointaines, correspondant aux valeurs singulières les plus petites, représentent le bruit et peuvent elles aussi être éliminées.
Ainsi, l’application d’un post-traitement de SVD a le double avantage de filtrer le bruit parasite, ce qui évite d’avoir à appliquer un post-traitement additionnel dédié au filtrage, et d’améliorer les images thermiques en matière de détection. Ce dernier avantage est particulièrement important dans le cadre de l’invention, qui vise à diagnostiquer des parois dans des contextes réels, et non en laboratoire. De manière très avantageuse, un post-traitement de SVD permet de localiser des irrégularités thermiques dans une grande variété de configurations expérimentales, y compris dans des configurations imparfaites, avec par exemple des inhomogénéités de chauffage de la paroi ou des problèmes de réflexion.
Selon un aspect avantageux de l’invention, un résultat d'analyse de la paroi peut être généré directement à partir des niveaux numériques enregistrés par le détecteur de rayonnement thermique, sans détermination des niveaux de températures corrigées (ou températures "vraies") de la paroi tenant compte notamment de l’émissivité. En d’autres termes, un résultat d'analyse de la paroi peut être généré directement à partir de l’observation d’une séquence thermographique en niveaux numériques, qu’il s’agisse de la séquence brute en niveaux numériques fournie par le détecteur de rayonnement thermique, ou d’une séquence obtenue après application d’un ou de plusieurs post traitements à la séquence brute en niveaux numériques. En effet, il a été constaté expérimentalement que la détection d’irrégularités thermiques, qui se fait en niveaux relatifs, s’effectue aussi bien à partir de la séquence thermographique en niveaux numériques qu’à partir de la séquence thermographique en niveaux de températures corrigées (ou températures "vraies"). On s’affranchit ainsi d’une étape d’estimation des températures corrigées, qui est relativement complexe et nécessite du matériel supplémentaire (capteurs, logiciel, etc.). En variante, il est possible de déterminer les niveaux de températures corrigées (ou températures "vraies") de la paroi à partir des niveaux numériques enregistrés par le détecteur de rayonnement thermique, et de générer un résultat d'analyse de la paroi à partir de ces niveaux de températures corrigées. Cette variante nécessite toutefois, pour accéder aux températures corrigées, de connaître la température de l’environnement, la température de l’air ambiant, l’humidité relative, la distance à la paroi observée, l’émissivité de la paroi et potentiellement, en cas de zones de la paroi ayant différentes émissivités, l’émissivité de chaque zone.
Selon un aspect de l’invention, un résultat d'analyse de la paroi peut être généré en appliquant, à l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée, un post-traitement différencié pour différentes régions d’intérêt de la paroi. En particulier, l’analyse de régions d’intérêt différentes permet d’étudier, par exemple, des parois ayant des compositions différentes, qui peuvent avoir des typologies d’irrégularités et/ou de défauts différentes. L’analyse par région d’intérêt permet également d’enlever des zones susceptibles de gêner l’analyse, résultant par exemple de problèmes expérimentaux lors du test de la paroi, tels qu’une lumière laissée allumée par mégarde, la présence de fils électriques, etc. Il est également avantageux d’appliquer un post-traitement de manière indépendante pour une première région et pour une deuxième région de la paroi qui sont soumises à des conditions environnementales différentes, car l’image thermique "moyenne" (ou "ligne de base") n’est pas la même pour ces deux régions. Par exemple, il est avantageux d’appliquer un post traitement différencié pour deux régions d’une paroi d’enveloppe d’un bâtiment qui sont l’une exposée au vent et l’autre protégée du vent, et qui ont des comportements thermiques différents lorsqu’elles sont soumises à la modulation temporelle d’une puissance de chauffe de l’air dans le bâtiment.
Dans un mode de réalisation, au moins une partie des étapes du procédé de contrôle sont déterminées par des instructions de programmes d’ordinateurs.
En conséquence, l’invention a également pour objet un programme d’ordinateur sur un support d’enregistrement, ce programme étant susceptible d’être mis en œuvre dans un terminal, ou plus généralement dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à l’exécution de tout ou partie des étapes d’un procédé de contrôle tel que décrit ci-dessus.
Ce programme peut utiliser n’importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée.
L’invention a aussi pour objet un support d’enregistrement lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus.
Le support d’enregistrement peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une mémoire morte, une mémoire non volatile réinscriptible, par exemple une clé USB, une carte SD, une EEPROM, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple un disque dur.
Le support d’enregistrement peut aussi être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé.
Le support d’enregistrement peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau informatique.
Un autre objet de l’invention est un dispositif de contrôle non destructif d’une paroi de séparation entre un premier milieu et un deuxième milieu, ce dispositif de contrôle comprenant :
- au moins un appareil de chauffage ayant une source de puissance contrôlée, configuré pour appliquer une modulation temporelle d’une puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu propre à solliciter thermiquement la paroi ;
- au moins un détecteur de rayonnement thermique, configuré pour détecter l’évolution temporelle de l’intensité d’un rayonnement thermique dégagé par la paroi ; - une unité de gestion informatique de traitement de données comportant un module de calcul configuré pour générer, à partir de données représentatives de l’évolution temporelle de l’intensité de rayonnement thermique détectée par le détecteur de rayonnement thermique, des données représentatives d'un résultat d’analyse de la paroi.
Dans un mode particulier de réalisation, l’unité de gestion comporte un module de pilotage de la source de puissance du ou de chaque appareil de chauffage en fonction de données représentatives de la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air à appliquer dans le premier milieu.
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront dans la description qui va suivre d’un mode de réalisation d’un procédé et d’un dispositif de contrôle selon l’invention, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective schématique d’un bungalow dont on souhaite contrôler l’enveloppe pour localiser d’éventuels ponts thermiques et singularités thermiques ;
- la figure 2 est une vue de dessus schématique de l’intérieur du bungalow où est installé un dispositif de contrôle selon l’invention, comprenant notamment une caméra thermique infrarouge, pour mettre en oeuvre un contrôle de deux murs du bungalow dont l’un est muni d’un vitrage ;
- la figure 3 est une coupe transversale schématique montrant la structure des murs du bungalow, où chaque mur est une paroi multicouche à haute résistance thermique ;
- la figure 4 est une image des murs du bungalow obtenue avec la caméra thermique infrarouge de la figure 2 en effectuant un test de thermographie infrarouge selon la norme NF EN 13187 ;
- les figures 5 à 7 sont les trois premiers modes statistiques orthogonaux (EOF, ou "Empirical Orthogonal Functions") obtenus par application d’un post traitement de SVD (décomposition en valeurs singulières) à une séquence thermographique obtenue avec la caméra thermique infrarouge de la figure 2, en effectuant un test de thermographie infrarouge active selon le procédé de l’invention ; - la figure 8 est un graphe montrant les composantes principales (PC, ou "Principal Components") issues de la décomposition en valeurs singulières de la séquence thermographique correspondant aux trois premiers modes statistiques orthogonaux des figures 5 à 7.
Description du bungalow
(Figures 1 , 2, 3)
Le procédé selon l’invention est mis en oeuvre pour le contrôle non destructif de deux murs 1 1 , 13 appartenant à l’enveloppe d’un bungalow 10, qui sont orientés respectivement à l’ouest et au nord. Le mur 1 1 orienté à l’ouest est muni d’un vitrage 12 qui est un triple vitrage.
Les murs du bungalow 10 sont formés à partir de panneaux sandwich isolants 6 comportant une couche de polyuréthane d’épaisseur 35 mm insérée entre deux plaques de métal. Chaque mur du bungalow est muni également d’un système multicouche d’isolation par l’intérieur (ITI), positionné à l’aide de tasseaux de bois 2, qui comporte successivement à partir du panneau sandwich 6 :
- une couche 5 d’épaisseur 20 mm comprenant un pavage de panneaux isolants sous vide (VIP, ou "Vacuum Insulation Panels") de dimension standard, et de panneaux en polystyrène expansé (EPS, ou "Expanded Polystyrène") pour combler les espaces restant entre les panneaux VIP ;
- une membrane 4 d’étanchéité à l’air ;
- une couche 3 de panneaux en polystyrène expansé (EPS) d’épaisseur 28 mm ; et
- une couche 1 de plaques de plâtre 1 d’épaisseur 12,5 mm.
La résistance thermique globale des murs du bungalow est de 5,3 m2.K.W 1.
Du fait de leur structure multicouche, les murs 1 1 , 13 du bungalow présentent un certain nombre d’irrégularités thermiques, notamment dues au calepinage partiel des panneaux VIP, aux jonctions entre les différents matériaux isolants (EPS et VIP), à la présence des tasseaux de bois. L’exemple comparatif et l’exemple selon l’invention décrits ci-dessous illustrent l’apport de l’invention pour identifier et localiser ces singularités thermiques des murs du bungalow.
Exemple comparatif
Thermographie infrarouge selon la norme NF EN 13187
(Figure 4)
La détection des irrégularités thermiques des parois du bungalow 10 a été réalisée le 26/1 1/2016 à 1 1 h conformément à la norme NF EN 13187:1999.
La caméra thermique infrarouge utilisée est une caméra grande longueur d’onde refroidie munie d’un détecteur MCT (Mercury Cadmium Telluride) pour une résolution spatiale matricielle de 320 x 256 pixels et une sensibilité (NETD, ou Noise Equivalent Température Différence) inférieure à 25 mK à température ambiante (modèle FLIR SC7300L).
La figure 4 montre une cartographie des niveaux numériques de la caméra thermique infrarouge des parois du bungalow 10. Sur cette figure, l’échelle de niveaux de gris représente l’échelle des niveaux numériques.
On peut observer des ponts thermiques de différentes natures, correspondant à des irrégularités d’ordre structurel, telles que les jonctions sol- plancher, mur-vitrage, mur-mur, etc.
Toutefois, cette image conjoncturelle (ou ponctuelle) ne permet pas de discriminer les irrégularités thermiques dues au système multicouche d’isolation par l’intérieur mis en place sur les murs du bungalow.
Exemple selon l’invention
Thermographie infrarouge active et post-traitement par SVP
(Figures 2 et 5 à 8)
Le procédé de contrôle selon l’invention est mis en oeuvre à l’aide du dispositif montré sur la figure 2, qui comprend :
- une caméra thermique infrarouge 14, identique à celle décrite précédemment dans l’exemple comparatif, positionnée à l’intérieur (I) du bungalow 10 en regard des deux murs 11 et 13 ; - une pluralité de convecteurs électriques 18 de puissance nominale 250 W, positionnés au voisinage du centre du bungalow 10 pour le chauffage de l’air à l’intérieur (I) du bungalow ;
- une unité 19 de gestion informatique de traitement de données, qui est par exemple un ordinateur de type PC portable et qui intègre un module de calcul configuré pour générer, à partir de données représentatives de l’évolution temporelle de l’intensité de rayonnement thermique infrarouge détectée par la caméra thermique infrarouge 14, des données représentatives d'un résultat d’analyse de chaque paroi 1 1 , 13.
En particulier, l’ordinateur 19 comprend une application logicielle comportant des instructions, destinées à être exécutées par l’ordinateur 19, pour la mise en oeuvre de tout ou partie des étapes de calcul du procédé, notamment des étapes de post-traitement.
De manière avantageuse, l’ordinateur 19 comprend également un module de pilotage des convecteurs électriques 18 de chauffage en fonction de données représentatives de la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air à appliquer à l’intérieur (I) du bungalow 10.
Conformément à l’invention, on procède à une modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air à l’intérieur (I) du bungalow 10 à l’aide des convecteurs électriques 18, permettant de solliciter thermiquement les murs 1 1 , 13.
En particulier, pour ce test qui a été réalisé le 24/11/2016, la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air à l’intérieur (I) du bungalow 10 comprend :
- une période de chauffe d’une durée de deux heures (entre 4h50 et 6h50 du matin), correspondant à l’application d’une puissance totale nominale de chauffe de l’air dans le bungalow de 1170 W, de manière à atteindre une température de l’air à l’intérieur (I) du bungalow strictement supérieure à la température de l’air à l’extérieur (E) du bungalow, puis
- une période de refroidissement libre, d’une durée de deux heures également (entre 6h50 et 8h50 du matin), correspondant à l’application d’une puissance de chauffe de l’air dans le bungalow sensiblement nulle (aux puissances résiduelles près, provenant notamment du matériel de mesure et de calcul présent dans le bungalow).
Lors de cette modulation de la puissance de chauffe à l’intérieur (I) du bungalow 10, on mesure l’évolution temporelle de l’intensité du rayonnement thermique infrarouge dégagé par les parois du bungalow, à l’aide de la caméra thermique infrarouge 14.
On génère ensuite un résultat d’analyse des parois du bungalow 10 à partir de l’évolution de l’intensité de rayonnement infrarouge détectée par la caméra thermique infrarouge 14, en appliquant un post-traitement de SVD (décomposition en valeurs singulières) directement à la séquence thermographique en niveaux numériques enregistrée par la caméra thermique infrarouge 14, de manière globale pour toute la zone de l’enveloppe du bungalow située dans le champ de vision de la caméra 14.
Les figures 5 à 8 montrent les trois premiers modes statistiques orthogonaux (EOF) et les composantes principales (PC) issus de la décomposition en valeurs singulières de la séquence thermique obtenue avec la caméra thermique infrarouge 14.
Les trois premiers modes statistiques orthogonaux contiennent l’essentiel de l’information contenue dans la séquence thermographique. En particulier, le poids relatif des trois premières valeurs singulières est ((S11 +S22+S33)/trace(S)) = 99,67%. Les autres modes statistiques orthogonaux correspondent à du bruit.
L’EOFI , visible sur la figure 5, correspond à une image "moyenne" (ou "ligne de base"). On y observe les différentes irrégularités thermiques d’ordre structurel déjà identifiées lors de l’observation ponctuelle réalisée selon la norme NF EN 13187. Le contraste est toutefois meilleur et permet de visualiser le pavage de panneaux VI P de la couche 5.
L’observation des deux modes orthogonaux suivants (EOF2 et EOF3) permet de distinguer les tasseaux de bois, qui correspondent aux lignes verticales noires bien visibles en particulier sur l’EOF2 (figure 6) pour le mur sans fenêtre orienté au nord. L’observation des composantes principales (PC), montrées sur la figure 8, peut permettre d’avoir des informations supplémentaires sur les parois du bungalow. En particulier, cela peut permettre de différencier différents types d’irrégularités thermiques, ou bien leur position en profondeur dans les parois.
Comme illustré par l’exemple précédent, le procédé de l’invention propose de réaliser une sollicitation thermique globale d’au moins une paroi d’un local, résultant d’un chauffage de l’air dans le local, et de générer un résultat d’analyse global de la paroi à partir de l’évolution temporelle de l’intensité de rayonnement thermique dégagé par la paroi en réponse à cette sollicitation thermique.
Cette approche dynamique, que l’on peut qualifier de méthode de thermographie active, permet :
- de réduire le temps de mesure, qui peut notamment s’étendre de quelques dizaines de minutes à quelques heures,
- d’être plus indépendant vis-à-vis des conditions météorologiques, de l’inertie des structures et des usages du local,
- de localiser des irrégularités thermiques de la paroi non visibles par une approche de thermographie passive et conjoncturelle, telle que celle de la norme NF EN 13187,
- lorsqu’on réalise le test sur une durée plus longue, d’étudier les couches plus profondes de la paroi.
De manière très avantageuse, le procédé de contrôle selon l’invention peut être mis en oeuvre tout au long de l’année, y compris en dehors de la période hivernale, contrairement à la méthode de la norme NF EN 13187.
De plus, dans le cadre de l’invention, la détection des irrégularités thermiques de la paroi est rendue plus efficace par l’application d’un ou de plusieurs post-traitements à la séquence thermographique correspondant à l’évolution mesurée de l’intensité du rayonnement thermique dégagé par la paroi.
Un post-traitement particulièrement favorable dans le cadre de l’invention est le traitement de SVD, qui permet de sélectionner des zones d’intérêt des images de la séquence thermographique détectée, sans disposer d’informations préalables sur la structure de la paroi. La SVD permet à la fois de filtrer le bruit parasite, ce qui augmente le rapport signal sur bruit et évite d’avoir à appliquer un autre post-traitement de filtrage, et d’améliorer la détection des irrégularités thermiques, en compressant les données de mesure, rendant ainsi possible la localisation d’irrégularités thermiques même dans des conditions de test imparfaites, par exemple en présence d’inhomogénéités de chauffage de la paroi ou de phénomènes de réflexion.
Ce dernier aspect est particulièrement important pour le diagnostic in situ d’irrégularités thermiques dans des parois de bâtiments, où le diagnostic est réalisé sur site, avec une configuration imposée (orientation des parois par exemple) et des perturbations potentielles (variations climatiques par exemple), ce qui est différent des diagnostics réalisés dans des environnements contrôlés, tels qu’en laboratoire. De manière avantageuse, la compression des données résultant du traitement de SVD permet de réduire le volume de données à stocker. Comme évoqué précédemment, les composantes principales (PC) issues de la décomposition en valeurs singulières peuvent également être utiles pour accéder à des informations supplémentaires, par exemple pour différencier différents types d’irrégularités thermiques ou avoir accès à leur position en profondeur dans les parois.
L’invention n’est pas limitée aux exemples décrits et représentés.
En particulier, l’exemple ci-dessus illustre le cas d’une sollicitation thermique des parois d’un local résultant d’un chauffage de l’air à l’intérieur du local en deux phases de type créneau, comprenant l’application d’une première puissance de chauffe strictement positive suivie de l’application d’une deuxième puissance de chauffe sensiblement nulle. Toutefois, dans le cadre de l’invention, la sollicitation thermique de la paroi peut résulter de toute modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu, et notamment d’une modulation différente d’un créneau à deux puissances de chauffe distinctes. Par exemple, la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu peut être produite à partir d’un signal aléatoire proche d’un bruit blanc, ce qui a l’avantage de solliciter la paroi selon une pluralité de modes d’excitation et peut permettre de détecter une plus grande variété d’irrégularités thermiques.
Par ailleurs, dans l’exemple précédent, l'analyse de la paroi a été réalisée à partir de l’observation d’une séquence thermographique en niveaux numériques, obtenue par application d’un post-traitement de SVD directement à la séquence en niveaux numériques enregistrée par la caméra thermique infrarouge, sans détermination des niveaux de températures corrigées (ou températures "vraies") des parois du local. En variante, on aurait pu générer un résultat d'analyse de la paroi à partir des niveaux de températures corrigées des parois, déterminés par exemple à l’aide de thermocouples positionnés au cours du test sur les deux murs étudiés et sur une plaque de correction positionnée dans l’angle des deux murs, la plaque de correction comprenant une zone miroir et une zone à haute émissivité permettant d’accéder à la température d’environnement et à la température apparente comme cela est connu dans le domaine de la thermographie.
De plus, dans l’exemple précédent, le post-traitement de SVD a été appliqué globalement pour toute la zone de l’enveloppe du bungalow située dans le champ de vision de la caméra thermique infrarouge. En variante, le post-traitement de SVD aurait pu être appliqué de manière différenciée, par exemple d’une part pour le mur orienté à l’ouest, et d’autre part pour le mur orienté au nord, qui sont deux régions d’intérêt de l’enveloppe du bungalow soumises à des conditions environnementales différentes, ou encore de manière différenciée pour enlever des zones susceptibles de gêner l’analyse, telle que des zones de passage de fils électriques, etc.
Enfin, l’exemple précédent illustre la mise en oeuvre de l’invention pour le contrôle de murs d’un bungalow mais, de manière plus générale, l’invention est bien entendu applicable à tout type de paroi. En particulier, dans le domaine du bâtiment, l’invention est applicable à des murs, des planchers, des plafonds, des rampants de toiture, etc. Dans le cas d’un bâtiment de grande taille, tel qu’un immeuble à plusieurs étages, l’invention est applicable non seulement aux parois de l’enveloppe extérieure du bâtiment, mais aussi aux parois internes telles que des murs mitoyens.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de contrôle non destructif d’une paroi (1 1 , 13) de séparation entre un premier milieu (I) et un deuxième milieu (E), caractérisé en ce qu’il comprend des étapes dans lesquelles :
- on procède à une modulation temporelle d’une puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu (I) propre à solliciter thermiquement la paroi ;
- on détecte l’évolution temporelle de l’intensité d’un rayonnement thermique dégagé par la paroi lors de la modulation de la puissance de chauffe ;
- on génère un résultat d’analyse de la paroi à partir de l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu (I) comprend l’application d’au moins deux puissances de chauffe distinctes sur deux périodes de temps successives.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu (I) est produite à partir d’un signal déterministe, tel qu’un signal créneau, rampe, triangulaire, sinusoïdal, ou impulsion de Dirac.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu (I) est produite à partir d’un signal aléatoire, tel qu’un signal Gaussien, PRBS (séquence binaire pseudo aléatoire), ou SWEEP (sinusoïde de fréquence variable).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu (I) est appliquée au moyen d’au moins un appareil de chauffage (18) ayant une source de puissance contrôlée.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’évolution temporelle de l’intensité de rayonnement thermique dégagé par la paroi (1 1 , 13) est détectée au moyen d’au moins un détecteur de rayonnement thermique disposé en regard de la paroi.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le ou chaque détecteur de rayonnement thermique est un capteur de mesure ponctuelle, tel qu’un pyromètre ou une thermopile, ou un imageur, tel qu’une caméra thermique, notamment une caméra thermique infrarouge.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un résultat d'analyse de la paroi (1 1 , 13) est généré à partir de l’observation d’une séquence thermographique temporelle ou fréquentielle de la paroi, correspondant à l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un résultat d'analyse de la paroi (1 1 , 13) est généré en appliquant, à l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée, un post-traitement exploitant des méthodes de transformation, tel que FFT (fast Fourier transform), PPT (puise phase thermography), PCT (principal component thermography), SVD (singular value décomposition), et/ou un post traitement exploitant des méthodes statistiques, tel que TSR (thermographie signal reconstruction), FIOS (higher order statistics), PLS (partial least squares), et/ou un post-traitement par ajustement paramétrique avec un modèle d’identification paramétrique.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un résultat d'analyse de la paroi (1 1 , 13) est généré directement à partir de niveaux numériques enregistrés par le détecteur de rayonnement thermique, sans détermination de niveaux de températures corrigées.
1 1 . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un résultat d'analyse de la paroi (1 1 , 13) est généré en appliquant, à l’évolution de l’intensité de rayonnement thermique détectée, un post-traitement différencié pour différentes régions d’intérêt de la paroi.
12. Programme d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution de tout ou partie des étapes d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 1 1 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
13. Support d’enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur comprenant des instructions pour l’exécution de tout ou partie des étapes d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 1 1.
14. Dispositif de contrôle non destructif d’une paroi (1 1 , 13) de séparation entre un premier milieu (I) et un deuxième milieu (E), ce dispositif de contrôle comprenant :
- au moins un appareil de chauffage (18) ayant une source de puissance contrôlée, configuré pour appliquer une modulation temporelle d’une puissance de chauffe de l’air dans le premier milieu propre à solliciter thermiquement la paroi ;
- au moins un détecteur de rayonnement thermique (14), configuré pour détecter l’évolution temporelle de l’intensité d’un rayonnement thermique dégagé par la paroi ;
- une unité (19) de gestion informatique de traitement de données comportant un module de calcul configuré pour générer, à partir de données représentatives de l’évolution temporelle de l’intensité de rayonnement thermique détectée par le ou chaque détecteur de rayonnement thermique (14), des données représentatives d'un résultat d’analyse de la paroi.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l’unité de gestion informatique (19) comporte un module de pilotage de la source de puissance du ou de chaque appareil de chauffage (18) en fonction de données représentatives de la modulation temporelle de la puissance de chauffe de l’air à appliquer dans le premier milieu (I).
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