Les thermomètres sans contact sont devenus populaires ces dernières années, notamment en raison de la pandémie de COVID-19.

Ils offrent un moyen rapide, précis et hygiénique de mesurer la température corporelle. Mais comment fonctionnent-ils exactement ?

Quels sont les principes scientifiques et technologiques derrière cette innovation ?

Approfondissons ensemble en détail le fonctionnement des thermomètres sans contact, en nous appuyant sur les connaissances en physique, en électronique et en informatique.

Comprendre les mécanismes à l’œuvre vous permettra d’utiliser ces instruments de manière optimale et d’apprécier pleinement leur apport dans la lutte contre les maladies infectieuses.

Principe de base : la thermopile et l’infrarouge

Le cœur du thermomètre sans contact est un élément appelé thermopile. Il s’agit d’un capteur qui transforme le rayonnement infrarouge émis par un objet en un signal électrique. Pour comprendre son fonctionnement, il faut d’abord se pencher sur le phénomène de l’émission de rayonnement infrarouge.

Tous les objets dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15 °C) émettent un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est principalement constitué de rayons infrarouges, qui sont invisibles à l’œil humain. Plus un objet est chaud, plus il émet de rayonnement infrarouge. C’est ce principe qui est utilisé par les thermomètres sans contact pour mesurer la température d’un objet sans le toucher.

La thermopile est composée de plusieurs thermocouples connectés en série. Un thermocouple est un dispositif qui génère une tension électrique lorsqu’il est soumis à un gradient de température. Il est constitué de deux fils conducteurs de métaux différents soudés à une extrémité. Lorsque cette extrémité est chauffée ou refroidie, une tension est générée aux bornes du thermocouple. Cette tension est proportionnelle à la différence de température entre les deux extrémités du thermocouple.

En connectant plusieurs thermocouples en série, on obtient une thermopile qui est capable de mesurer de très faibles variations de température. Lorsqu’elle est exposée au rayonnement infrarouge émis par un objet, la thermopile génère un signal électrique proportionnel à l’intensité du rayonnement reçu. Ce signal est ensuite traité par le circuit électronique du thermomètre pour déterminer la température de l’objet.

L’optique et le champ de vision

Un autre élément essentiel du thermomètre sans contact est son système optique. Celui-ci a pour rôle de collecter et de focaliser le rayonnement infrarouge émis par l’objet à mesurer sur la thermopile. Le système optique est généralement composé de lentilles ou de miroirs qui sont spécialement conçus pour transmettre et réfléchir les rayons infrarouges avec une grande efficacité.

1. Les lentilles utilisées dans les thermomètres sans contact sont fabriquées à partir de matériaux spécifiques, tels que le germanium, le silicium ou le sélénium, qui sont transparents aux rayons infrarouges. Ces matériaux présentent une faible dispersion et une faible absorption de l’énergie infrarouge, ce qui permet une transmission optimale du rayonnement vers la thermopile.
2. Les miroirs sont souvent utilisés pour réfléchir le rayonnement infrarouge sur la thermopile. Ils sont généralement fabriqués à partir de matériaux métalliques qui présentent une bonne réflectivité dans la gamme des longueurs d’onde infrarouges, comme l’or ou l’aluminium.

Le système optique définit le champ de vision du thermomètre sans contact. Il s’agit de la zone spatiale à partir de laquelle le rayonnement infrarouge est collecté et focalisé sur la thermopile. Le champ de vision est généralement exprimé en termes d’angle solide ou de rapport distance/diamètre de la zone mesurée. Par exemple, un thermomètre avec un champ de vision de 10:1 peut mesurer la température d’une zone de 1 cm de diamètre à une distance de 10 cm.

Il est important de prendre en compte le champ de vision lors de l’utilisation du thermomètre sans contact, car il détermine la précision et la fiabilité de la mesure. Si l’objet à mesurer est trop petit ou trop éloigné, le rayonnement infrarouge collecté par le système optique risque d’être insuffisant ou contaminé par le rayonnement émis par d’autres objets situés dans le champ de vision.

Le traitement du signal et l’interprétation des données

Une fois que le rayonnement infrarouge a été collecté et converti en un signal électrique par la thermopile, il doit être traité et interprété pour déterminer la température de l’objet. Cette étape est réalisée par le circuit électronique et le microprocesseur intégrés dans le thermomètre sans contact.

Le traitement du signal consiste à amplifier, filtrer et numériser le signal électrique généré par la thermopile. L’amplification permet d’augmenter la résolution et la sensibilité du thermomètre, tandis que le filtrage élimine les interférences et le bruit électrique qui peuvent affecter la précision de la mesure.

• Le microprocesseur joue un rôle central dans le traitement du signal et l’interprétation des données. Il est programmé pour effectuer les calculs nécessaires à la détermination de la température à partir du signal électrique de la thermopile. Ces calculs sont basés sur des modèles mathématiques et des algorithmes spécifiques qui prennent en compte les caractéristiques du rayonnement infrarouge, de la thermopile et du système optique.
• La calibration est une étape cruciale pour assurer la précision et la fiabilité du thermomètre sans contact. Elle consiste à comparer les mesures du thermomètre avec celles d’un instrument de référence, tel qu’un thermocouple ou un thermomètre à résistance, dans des conditions de température et d’environnement contrôlées. La calibration permet d’ajuster les paramètres du microprocesseur et du circuit électronique pour minimiser les erreurs de mesure et les incertitudes.

Une fois la température calculée, elle est généralement affichée sur un écran numérique intégré au thermomètre. Certaines fonctionnalités supplémentaires, comme l’enregistrement des données, la prise de mesures en continu ou l’émission d’alertes en cas de dépassement de seuils prédéfinis, peuvent être disponibles sur certains modèles de thermomètres sans contact.

Facteurs d’influence et précautions d’utilisation

Plusieurs facteurs peuvent influencer la précision et la fiabilité des mesures effectuées avec un thermomètre sans contact. Il est important de les connaître et de prendre certaines précautions lors de l’utilisation de cet instrument pour obtenir des résultats fiables et précis.

Les caractéristiques de l’objet à mesurer jouent un rôle déterminant dans la qualité du signal infrarouge collecté par le thermomètre. Sa taille, sa distance par rapport à l’instrument, sa forme, sa couleur et son émissivité sont autant de paramètres qui peuvent affecter la mesure.

1. La taille et la distance de l’objet doivent être conformes au champ de vision du thermomètre pour assurer une collecte optimale du rayonnement infrarouge. Il est recommandé de se rapprocher le plus possible de l’objet sans dépasser la distance minimale spécifiée par le fabricant.
2. L’émissivité est la capacité d’un objet à émettre un rayonnement infrarouge. Elle varie en fonction de la nature du matériau, de sa surface et de sa température. Un objet avec une faible émissivité peut donner des mesures erronées, car il émet moins de rayonnement que prévu. Certains thermomètres sans contact permettent de régler l’émissivité pour tenir compte de ces variations.

Les conditions environnementales peuvent affecter la performance du thermomètre sans contact. La température ambiante, l’humidité, la présence de poussière, de fumée ou de vapeur et les variations de température rapide sont autant de facteurs qui peuvent perturber la mesure.

• Il est recommandé d’utiliser le thermomètre dans un environnement stable et exempt de sources de perturbations, comme les courants d’air, les sources de chaleur ou de froid et les rayonnements électromagnétiques.
• Il est important de laisser le thermomètre s’adapter à la température ambiante avant de l’utiliser, car un changement brusque de température peut affecter la précision de la mesure.

Enfin, il est essentiel de respecter les instructions du fabricant et de procéder à des vérifications et des calibrations régulières pour maintenir la précision et la fiabilité du thermomètre sans contact.

Les thermomètres sans contact sont des instruments précieux pour la mesure rapide, précise et hygiénique de la température corporelle ou d’autres objets. Ils reposent sur des principes scientifiques et technologiques complexes, tels que le rayonnement infrarouge, la thermopile, l’optique et le traitement du signal. Comprendre leur fonctionnement et les facteurs d’influence permet de les utiliser de manière optimale et d’apprécier pleinement leur apport dans la lutte contre les maladies infectieuses et autres applications industrielles ou domestiques. Ils sont un véritable atout pour notre quotidien, à condition de les utiliser avec précaution et discernement.