Matériel technique et scientifique.

Les appareils de mesure de la valisette :

Guide d'utilisation des appareils
Collège Sainte-Véronique - Patrick de Tiège

Le thermomètre

1. Notions de base

1.1. Le confort Thermique

Dans les conditions habituelles, l'homme assure le maintien de sa température corporelle autour de 36,7°C. Cette température est en permanence supérieure à la température d'ambiance, aussi un équilibre doit-il être trouvé afin d'assurer le bien-être de l'individu.

La figure ci-contre considère le sentiment de confort thermique exprimé par les sujets eux-mêmes. Il s'agit de pourcentages prévisibles d'insatisfaits (PPD), exprimés sur l'axe vertical, pour des personnes au repos en position assise (celle qui font la sieste au bureau, par exemple !), ou pour des personnes effectuant un travail léger (= travail de bureau).

Il est impossible de définir une température qui convienne à tous : il reste au mieux 5 % d'insatisfaits !

Il est intéressant de constater que la courbe des sujets au repos est centrée sur 26°C, et qu'elle est plus resserrée : ces personnes sont plus sensibles à de faibles variations de température.

La courbe représentant le travail léger glisse vers les basses températures : les personnes ayant plus de chaleur à perdre préfèrent des températures plus basses.

La diffusion de chaleur entre l'individu et l'ambiance s'effectue selon divers mécanismes :

Plus de 50 % des pertes de chaleur du corps humain se font par convection avec l'air ambiant (convection et évaporation par la respiration ou à la surface de la peau).
Les échanges par rayonnement à la surface de la peau représentent jusqu'à 35 % du bilan alors que les pertes par contact (conduction) sont négligeables (< 1 %).
Le corps perd également 6 % de sa chaleur à réchauffer la nourriture ingérée.

Cette importance de nos échanges par rayonnement explique que nous sommes très sensibles à la température des parois qui nous environnent, ... et explique l'inconfort dans les anciennes églises, malgré l'allumage de l'aérotherme deux heures avant l'entrée des fidèles !

Le confort thermique dépend de 6 paramètres :

Le métabolisme, qui est la production de chaleur interne au corps humain permettant de maintenir celui-ci autour de 36,7°C. Un métabolisme de travail correspondant à une activité particulière s’ajoute au métabolisme de base du corps au repos.
L'habillement, qui représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la surface de la peau et l'environnement.
La température ambiante de l’air Ta.
La température moyenne des parois Tp.
L'humidité relative de l'air (HR), qui est le rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d'eau contenue dans l'air à la température ta et la quantité maximale d'eau contenue à la même température.
L’humidité a relativement peu d’impact sur la sensation de confort d’un individu dans un bâtiment. Ainsi, un individu peut difficilement ressentir s’il fait 40 % ou 60 % d’humidité relative dans son bureau.
L’inconfort n’apparaît que dans des situations extrêmes :
- soit une humidité relative inférieure à 30 %,
- soit une humidité relative supérieure à 70 %
La vitesse de l'air, qui influence les échanges de chaleur par convection. Dans le bâtiment, les vitesses de l'air ne dépassent généralement pas 0,2 m/s.

La vitesse de l’air (et plus précisément la vitesse relative de l’air par rapport à l’individu) est un paramètre à prendre en considération car elle influence les échanges de chaleur par convection et augmente l’évaporation à la surface de la peau.

A l'intérieur des bâtiments, on considère généralement que l'impact sur le confort des occupants est négligeable tant que la vitesse de l'air ne dépasse pas 0,2 m/s.

A titre de comparaison : se promener à la vitesse de 1 km/h produit sur le corps un déplacement de l'air de 0,3 m/s.

Le mouvement de l'air abaisse la température du corps, facteur recherché en été mais pouvant être gênant en hiver (courants d'air).

Évaluation simplifiée : température de l'air et température des parois définissent "la température opérative"

De façon simplifiée, on définit une température de confort ressentie (appelée aussi "température opérative" ou "température résultante sèche") :

T°opérative = (T°air + T°parois) / 2

Cette relation simple s'applique pour autant que la vitesse de l'air ne dépasse pas 0,2 m/s.

Ainsi, le lundi matin, la température des parois est encore basse et le confort thermique risque de ne pas être atteint malgré la température de l'air de 20 ou 21°C...

1.2. Isolation thermique des murs

1.2.1. La conduction thermique

La conduction thermique est le mode de propagation de l'énergie thermique à travers les matières.

Les éléments qui constituent les matières reçoivent et transmettent l'énergie aux éléments voisins par contact.

Toutes les matières ne transmettent pas l'énergie de la même façon. Certains, comme les métaux, sont de bons conducteurs thermiques. D'autres, comme le bois ou les matières synthétiques, sont de médiocres conducteurs.

Parmi ces matières, les matériaux de construction seront, eux aussi, plus ou moins conducteurs de l'énergie thermique.

On caractérisera les matériaux par les coefficients suivants :

La conductivité thermique du matériau (λ)
La conductivité thermique (λ) est une caractéristique propre à chaque matériaux.
Elle indique la quantité de chaleur qui se propage :

en 1 seconde,
à travers 1 m² d'un matériau,
épais d'un 1 m,
lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 K (1 K = 1°C).

Conductivité thermique

La conductivité thermique s'exprime en W/m.K.
Plus la conductivité thermique est élevée, plus le matériau est conducteur de la chaleur. Plus elle est faible, plus le produit est isolant.
Ce coefficient n'est valable que pour les matériaux homogènes. Il n'a pas de sens pour les matériaux hétérogènes au travers desquels la chaleur se propage en même temps par conduction, convection et rayonnement.
Le coefficient de conductivité thermique d'un matériau varie en fonction de la température et de l'humidité de celui-ci.
Remarque : λ est une caractéristique physique du matériau indépendant de sa forme.

La résistivité thermique du matériau (r)
La résistivité thermique (ρ) est l'inverse de la conductivité thermique.
ρ = 1 / λ
Elle s'exprime en m.K/W.
Plus la résistivité thermique est élevée, plus le matériau est isolant.
La perméance thermique d'une couche de matériau (P)
La perméance thermique (P) indique la quantité de chaleur qui se propage :
- en 1 seconde,
- à travers 1 m² d'une couche de matériau,
- d'une épaisseur déterminée,
- lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 K (1 K = 1°C).
La perméance thermique s'exprime en W/m²K.
Plus la perméance thermique est élevée, plus la couche laisse passer la chaleur.
Ce coefficient est valable que pour les matériaux homogènes et pour les matériaux hétérogènes.
- Matériau homogène : P = λ / d où d = épaisseur de la paroi.
- Matériau hétérogène : P est déduite d'essais effectués en laboratoire.
La résistance thermique d'une couche de matériau (R)
La résistance thermique (R) est l'inverse de la perméance thermique.
R = 1 / P
Elle s'exprime en m²K/W.
C'est la mesure de performance de la couche isolante. Plus la résistance thermique est élevée, plus la couche est isolante.
Ce coefficient est valable que pour les matériaux homogènes et pour les matériaux hétérogènes.
- Matériau homogène : R = d / λ où d = épaisseur de la paroi.
- Matériau hétérogène : Ru (utile) est déduite d'essais effectués en laboratoire.
En général, la résistance thermique des couches dont l'épaisseur d < 0.001 m n'est pas prise en compte pour le calcul de la résistance thermique totale des parois.

1.2.2. La propagation de la chaleur à travers une paroi

Une paroi séparant deux ambiances de températures différentes, constitue un obstacle plus ou moins efficace, au flux de chaleur qui va s'établir de la chaude vers la froide.

La chaleur va devoir :

pénétrer dans la paroi,
traverser les différentes couches de matériaux constituant la paroi,
traverser des couches d'air éventuelles,
et sortir de la paroi.

Outre la résistance thermique des différents matériaux (R), les coefficients thermiques utilisés sont les suivants :

La résistance thermique d'échange superficiel (Ri et Re)
La transmission de la chaleur de l'air ambiant à une paroi et vice versa se fait à la fois par rayonnement et par convection.

Résistance thermique

hi, le coefficient d'échange thermique superficiel entre une ambiance intérieure et une paroi est la somme des quantités de chaleur transmise entre une ambiance intérieure et la face intérieure d'une paroi, par convection et par rayonnement, par unité de temps, par unité de surface de la paroi, et pour un écart de 1 K entre la température de la résultante sèche de l'ambiance et la température de surface.
hi s'exprime en W/m²K.
Ri, la résistance thermique d'échange d'une surface intérieure est égale à l'inverse du coefficient d'échange thermique de surface intérieure hi.
Ri = 1/hi
Ri s'exprime en m²K/W
he, le coefficient d'échange thermique superficiel entre une paroi et une ambiance extérieure est la somme des quantités de chaleur transmise entre la face extérieure d'une paroi et une ambiance extérieure, par convection et par rayonnement, par unité de temps, par unité de surface de la paroi, et pour un écart de 1 K entre la température de la résultante sèche de l'ambiance et la température de surface.
he s'exprime en W/m²K
Re, la résistance thermique d'échange d'une surface extérieure est égale à l'inverse du coefficient d'échange thermique de surface extérieure he.
Re = 1/he
Re s'exprime en m²K/W.

Valeurs de hi, he, Ri et Re	hi	Ri	he	Re
paroi verticale flux de chaleur horizontal.	8 W/m²K	0,125 m²K/W	23 W/m²K	0,043 m²K/W
paroi horizontale flux de chaleur vers le haut	8 W/m²K	0,125 m²K/W	23 W/m²K	0,043 m²K/W
paroi horizontale flux de chaleur vers le bas	6 W/m²K	0,167 m²K/W	23 W/m²K	0,043 m²K/W

La résistance thermique des couches d'air (Ra)

Ra, la résistance thermique d'une couche d'air plane est l'inverse de la quantité de chaleur qui est transmise en régime permanent de la face chaude de la couche d'air vers la face froide, par conduction, convection et rayonnement, par unité de temps, par unité de surface et pour un écart de 1 K entre les températures des faces chaudes et froides.
Ra s'exprime en m²K/W.

Résistance thermique d'une couche d'air non ventilée.

Épaisseur de la couche d'air	Couche d'air verticale	Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le haut	Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le bas
1 mm	0,035 m²K/W	0,035 m²K/W	0,035 m²K/W
5 mm	0,110 m²K/W	0,110 m²K/W	0,110 m²K/W
10 mm	0,150 m²K/W	0,130 m²K/W	0,150 m²K/W
20 mm	0,170 m²K/W	0,150 m²K/W	0,200 m²K/W
50 mm	0,170 m²K/W	0,150 m²K/W	0,210 m²K/W

Résistance thermique d'une couche d'air peu ventilée.

Épaisseur de la couche d'air	Couche d'air verticale	Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le haut	Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le bas
1 mm	0,017 m²K/W	0,017 m²K/W	0,017 m²K/W
5 mm	0,055 m²K/W	0,055 m²K/W	0,055 m²K/W
10 mm	0,075 m²K/W	0,065 m²K/W	0,075 m²K/W
20 mm	0,085 m²K/W	0,075 m²K/W	0,100 m²K/W
50 mm	0,085 m²K/W	0,075 m²K/W	0,105 m²K/W

Résistance thermique d'une couche d'air très ventilée
Dans le cas d'une couche d'air très ventilée, on considère que :

Ra = 0 m²K/W
Les matériaux situés du côté froid de la couche d'air n'interviennent pas dans le calcul de la résistance thermique globale RT de la paroi.
La température dans la couche d'air est égale à la température extérieure.
La résistance thermique d'échange entre la face chaude de la couche d'air et la couche d'air vaut Ri.

La résistance thermique totale d'une paroi (RT)
La résistance thermique totale RT d'une parois d'ambiance intérieure chaude à ambiance extérieure froide, est égale à la somme des résistances thermiques de toutes les couches de matériaux ou d'air peu ou non ventilé, qui constituent la paroi, et des résistances d'échange superficiel.
RT = Ri + R1 + (R2) + (R...) + (Ra) + Re
Les valeurs entre parenthèses n'existent pas lorsque la couche (d'air ou de matériau) est absente.

Remarque.
Dans le cas où la paroi sépare deux ambiances intérieures l'une froide et l'autre chaude, la formule devient :
RT =Ri + R1 + (R2) + (R...) + (Ra) + Ri
Les valeurs entre parenthèses n'existent pas lorsque la couche (d'air ou de matériau) est absente.

Autre remarque.
Dans le cas où la paroi contient une couche d'air fortement ventilé, on ne considère que la partie située du côté chaud de la couche d'air, et on considère que cette partie sépare deux ambiances intérieures dont celle située côté froid est à la température extérieure. Dans ce cas, formule devient : RT = Ri + R1 + (R2) + (R...) + Ri Les valeurs entre parenthèses n'existent pas lorsque la couche de matériau est absente.
Le coefficient de transmission thermique d'une paroi "U" (ou anciennement "k")
Le coefficient de transmission thermique du paroi est la quantité de chaleur traversant cette paroi en régime permanent, par unité de temps, par unité de surface et par unité de différence de température entre les ambiances situées de part et d'autre de la paroi.
Le coefficient de transmission thermique est l'inverse de la résistance thermique totale (RT) de la paroi.
U = 1 / RT
U (ou k) s'exprime en W/m²K
Plus sa valeur est faible et plus la construction sera isolée.

1.2.3. Calculer le niveau d'isolation lorsque la nature et l'épaisseur de l'isolant sont connues.

L'isolant thermique est la couche d’une paroi qui influence le plus ses qualités thermiques.

En première approximation, le calcul du niveau d'isolation peut se faire en ne tenant compte que de l'isolant sur base de la formule simplifiée :

U = /e,

Avec :

λ : La conductivité thermique de l'isolant
e : l'épaisseur de l'isolant

1.2.4. Calculer le niveau d'isolation lorsque la nature et l'épaisseur de l'isolant sont inconnues.

Il est aussi possible de mesurer la température de surface intérieure et d'en déduire le coefficient de transmission thermique U (anciennement "k") de la paroi. Il peut être estimé par la formule :

U = (Tint - Tsurf) / (0.125 x (Tint - Text)) EN RÉGIME STATIONNAIRE !

Où :

Tint est la température ambiante dans le local
Tsurf est la température de surface de la paroi (le plafond dans l’exemple ci-dessous
Text est la température extérieure.

Pour que les valeurs obtenues soient valables, il faut que la paroi soit en régime thermique stationnaire (c'est à dire que les températures intérieures et extérieures ne subissent pratiquement pas de variation).

Il faut donc éviter de faire ces mesures sur des parois ensoleillées, tôt le matin ou en début de soirée.

Exemple 1

Température extérieure nuit : - 5°C.

Température stable du local : 20°C.

Température du plafond : 16°C

Température moyenne extérieure : 0°C.
U = (20 - 16) / (0.125 (20 - 0)) = 1.6 W/m²K
la toiture n'est pas isolée !

Exemple 2

Valeurs constatées :

Temps couvert.

Température extérieure jour : + 5°C.

Température extérieure nuit : - 5°C.

Température stable du local : 20°C.

Température du plafond : 19°C

Température moyenne extérieure : 0°C.
U = (20 - 19) / (0.125 (20 - 0)) = 0.4 W/m²K
la toiture est suffisamment isolée !

>e.

1.2.5. Valeurs de référence.

Le tableau ci-joint présente les valeurs à atteindre pour respecter les dernières exigences en matière d’isolation de bâtiments en Région Wallonne et en Région Bruxelloise. Celles-ci dépendent du type de paroi et de leur environnement.

1.2. Paramètres mesurés

La température est exprimée en degré. L'échelle de température la plus répandue est le degré Celsius, dans laquelle l'eau gèle à 0°C et bout à environ 100°C dans les conditions standard de pression. Dans les pays utilisant le système impérial (anglo-saxon) d'unités, on emploie le degré Fahrenheit (gel à 32°F et ébullition à 212°F). L'unité du système international d'unités, d'utilisation scientifique et définie à partir du zéro absolu, est le kelvin (Zéro absolu = 0°K = -273,15 °C). L’échelle Kelvin est un décalage de 273,15° de l’échelle Celsius. En conséquence, une unité de °K égale une unité de °C mais n’est pas égale à une unité de °F.

1.2.1. Température ambiante

La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre.

Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de chaleur entre le corps humain et son environnement.

En physique, elle se définit de plusieurs manières :

comme fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules,
par l'équilibre des transferts thermiques entre plusieurs systèmes.

1.2.2. Température de paroi

Les thermomètres infrarouges permettent de mesurer la température d'une surface, sans contact. Ils conviennent particulièrement pour les mauvais conducteurs de chaleur (céramique, caoutchouc, matières synthétiques, ...), pour la mesure de la température de pièces en mouvement, zones inaccessibles au toucher (plafond), des pièces sous tension électrique, ...

Ces appareils ont un temps de réponse quasi instantané. Leur précision (+ ou - 2 °C) est dépendante :

Du facteur d'émission de la surface mesurée. Les appareils restent le plus souvent réglés sur une valeur standard pour la plupart des matériaux de construction. Les légères variations d'émission entre ceux-ci peuvent être source d'erreur. La mesure sur un métal nu est, elle, impossible.
De la présence de particule dans l'ambiance (brouillard de vapeur, poussières...).
De la propreté de la lentille de l'appareil.
De l'angle de mesure. Le résultat de la mesure est en fait une moyenne de la température de la surface vue par l'appareil. Or, celle-ci augmente avec la distance qui sépare l'appareil de l'objet à mesurer. On a donc intérêt à se trouver le plus près possible de celui-ci sous peine d'obtenir une surface de mesure trop grande par rapport à l'objet et une mesure fausse. Un viseur laser permet de mieux viser la surface à mesurer.

Ces imprécisions rendent ces appareils inutilisables dans le cadre d'une expertise précise mais sont d'une grande utilité pour se donner une première idée de la situation. Le mieux est de combiner thermomètre infrarouge et de contact.

1.2.3. Emissivité d’un matériau

L'émissivité d'un matériau (souvent écrite ou epsilon), est le rapport entre l'énergie qu'il rayonne et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température. C'est donc une mesure de la capacité d'un corps à absorber et à réémettre l'énergie rayonnée. Dans le cas du corps noir, qui absorbe et réémet toute l'énergie, . Et pour un corps quelconque, de température uniforme, on aura . Un objet d'émissivité faible, en particulier un objet ayant une surface métallique constitue un bon isolant au rayonnement thermique. En effet, de même qu'ils stoppent les rayonnements radiofréquences, les bons conducteurs stoppent le rayonnement infrarouge.

1.3. Mode d’utilisation du thermomètre

Le thermomètre Testo 810 présente 2 canaux pour mesure de température ambiante et de température superficielle avec visée laser (par infrarouge - IR). Il mesure simultanément la température ambiante et la température de surface sans contact.

1.3.1. Prise en main

Insérer les piles :

Ouvrez le compartiment pile : faites glisser le couvercle vers le bas.
Insérez les piles (2 piles 1,5 V type AAA). Attention à la polarité !
Fermez le compartiment pile : faites glisser le couvercle vers le haut.

1.3.2. Paramétrage (mode configuration) :

Fonctions paramétrables

Fonction Auto Off : OFF (désactivée), ON (activée, l'appareil s'éteint automatiquement 10 min après le dernier actionnement de touche)
Unité de mesure : °C (degré Celsius) ou °F (degré Fahrenheit).
Température différentielle ∆t : OFF (désactivée), ON (activée). Cette fonction permet l’affichage automatique de la différence de température entre la température ambiante et la température de paroi.
Facteur d’émission : Le facteur d’émission est paramétré sur 0.95 par défaut. Cette valeur est idéale pour la mesure des non-métaux, des plastiques et des produits alimentaires.

En raison de leur facteur d’émission faible et/ou inégale, les métaux nus et les oxydes métalliques ne se prêtent que sous réserve à la mesure par infrarouge. Il est donc conseillé dans ce cas d’appliquer sur l’objet ou la zone à mesuré un revêtement qui augmente le facteur d’émission (une bande autocollante par exemple).
Lors de l'allumage de l'appareil, maintenez la touche enfoncée jusqu'à ce que ▲ et s'affichent (mode configuration).
La fonction paramétrable est affichée. Le paramètre actuel clignote.
Appuyez plusieurs fois sur ▲ jusqu'à ce que le paramètre désiré clignote.
Appuyez sur () pour confirmer la saisie.
Répétez les étapes 2 et 3 pour toutes les fonctions.

L'appareil passe en mode mesure.

1.3.3. Utilisation :

Allumer l’appareil :
Appuyez brièvement sur .
- Le mode mesure s’ouvre.
Allumer l’éclairage de l’écran:
L’appareil est allumé.
Appuyez sur .
- L’éclairage de l’écran s’éteint automatiquement 10 s après le dernier actionnement de touche.
Mesure de température ambiante :
- la prise de mesure de la température ambiante n’est pas instantanée. Le thermomètre présente une certaine inertie. Il est donc important d’attendre la stabilisation de la mesure (environ 15 minutes).
- Afin de ne pas perturber la mesure, durant la phase de stabilisation, il faut éloigner du capteur les sources de chaleur (par exemple les mains).
- Mesure de la température de paroi :
  - Il faut éliminer de la zone de mesure la poussière, la saleté et l’humidité qui pourrait perturber la mesure.
  - Veillez à ce que la lentille soit toujours propre.
  - L’appareil présente des caractéristiques optiques propres. Cela signifie que, plus l’éloignement est important par rapport au point de mesure, plus la surface de mesure sera grande.
  - La mesure de température de paroi est instantanée.
  Pour la mesure : Maintenez la touche ▲ enfoncée.
  - clignote sur l'écran. Le point laser définit le point central de la surface à mesurer.
  - Une fois la mesure infrarouge terminée (relâchez la touche ▲), l'appareil passe en mode d'affichage Hold et les valeurs sont conservées.
Changer l’affichage de l’écran :
Affichages paramétrables
- Hold : Les valeurs sont conservées
- Max : Valeurs maximales depuis la dernière mise en marche de l’appareil ou depuis la dernière mise à jour.
- Min : Valeurs minimales depuis la dernière mise en marche de l’appareil ou depuis la dernière mise à jour.
Appuyez plusieurs fois sur jusqu'à ce que l'affichage désiré s'affiche.
Mise à jour des valeurs maximales et minimales :
- Appuyez plusieurs fois sur jusqu’à ce que l’affichage désiré apparaisse.
- Maintenez la touche enfoncée jusqu’à ce que ---- s'affiche.
- Répétez les étapes 1 et 2 pour toutes les valeurs que vous désirez mettre à jour.
Éteindre l’appareil :
Maintenez la touche enfoncée jusqu’à ce que l’affichage s’éteigne.

1.3.4. Entretien du produit

Changer les piles :
1. Ouvrez le compartiment pile : faites glisser le couvercle vers le bas.
2. Retirez les piles vides et insérez-en des nouvelles (2 piles 1,5 V type AAA). Attention à la polarité !
3. Fermez le compartiment pile : faites glisser le couvercle vers le haut.
Nettoyer le boîtier :
En cas de salissure, nettoyez le boîtier avec un linge humide (eau savonneuse). N'utilisez pas de solvants ni de produits de nettoyage forts !

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