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The Cone Calorimeter has been used widely for various purposes as a bench - scale apparatus. Originally the retainer frame (edge frame) was designed to reduce unrepresentative edge burning of specimens. In general, the frame has been used in most Cone tests without enough understanding of its effect. It is very important to have one - dimensional (1D) conditions in order to estimate thermal properties of materials. It has been implicitly assumed that the heat conduction in the Cone Calorimeter is 1D using the current specimen preparation. However, the assumption has not been corroborated explicitly to date. The first objective of this study was to evaluate the heat transfer behavior of a Cone specimen by examining its three - dimensional (3D) heat conduction. It is essential to understand the role of wall lining materials when they are exposed to a fire from an ignition source. Full - scale test methods permit an assessment of the performance of a wall lining material. Fire growth models have been developed due to the costly expense associated with full - scale testing. The models require heat flux maps from the ignition burner flame as input data. Work to date was impeded by a lack of detailed spatial characterization of the heat flux maps due to the use of limited instrumentation. To increase the power of fire modeling, accurate and detailed heat flux maps from the ignition burner are essential. High level spatial resolution for surface temperature can be provided from an infrared camera. The second objective of this study was to develop a heat flux mapping procedure for a room test burner flame to a wall configuration with surface temperature information taken from an infrared camera. A prototype experiment is performed using the ISO 9705 test burner to demonstrate the developed heat flux mapping procedure. The results of the experiment allow the heat flux and spatial resolutions of the method to be determined and compared to the methods currently available.

La mesure simultanée des champs cinématiques et thermiques est très importante pour les procédures thermomécaniques. Les caméras à base de silicium sont largement utilisées pour l'observation en temps réel des champs cinématiques, principalement grâce à la corrélation d'images numériques. De plus, ils sont aussi connus pour sa sensibilité dans le spectre du proche infrarouge, ce qui permet d’acquérir des champs thermiques à l’aide d’une caméra à base de silicium. Cependant, pour la caméra à base de silicium, il y a deux problèmes principaux d’obtenir simultanément des champs cinématiques et thermiques. D’abord, dans le spectre du proche infrarouge, une petite variation de température entraînera une modification importante du niveau de gris de l'image, ce qui entraînera facilement une mauvaise qualité des images. Deuxième, la corrélation d’images numériques nécessite une surface hétérogène et contrastée, tandis que la thermographie dans le proche infrarouge nécessite une surface homogène et constante. Dans cette thèse, une technique innovante a été proposée pour ajuster automatiquement le temps d'exposition de la caméra afin d'obtenir des images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique, quel que soit l'évolution de température à la surface de l'objet observé. Cette technique a été validée par expériences différentes, notamment des expériences de chauffage d’un corps noir et des expériences de chauffage d’un échantillon réel. Les modèles radiométriques du corps noir et de la surface des échantillons calibrent respectivement. Basé sur les modèles radiométriques, des champs thermiques ont été reconstruits sur les images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique. L'expérience à haute température est réalisée pour le ballonnement des tubes où les champs cinématiques et thermiques sont observés. La corrélation d'images numériques a été effectuée globalement afin d'obtenir des champs cinématiques. Pour effectuer la thermographie du proche infrarouge sur la surface de l’échantillon, le modèle radiométrique est étalonné selon une partie des pixels les plus brillants. Dans ce cas, 20% des pixels les plus brillants sont utilisés pour effectuer l'étalonnage des modèles radiométriques. Basée sur le modèle en utilisant 20% des pixels plus brillants, les champs thermiques sont reconstruits. Combiné avec les coordonnées connues du champ cinématique par corrélation d'images numériques, le champ thermique et le champ cinématique dans les mêmes coordonnées peut être obtenu. / Simultaneous measurement of kinematic and thermal full fields are very important for thermomechanical procedures. Silicon-based cameras are widely used to perform real-time observation of the kinematic fields, mainly thanks to digital image correlation. Moreover, they are known to be as well sensitive in the near-infrared spectral range, thus the acquirement of thermal fields using silicon-based cameras is possible. However, there are two main problems for the silicon-based camera to obtain simultaneously kinematic and thermal fields. One is that in the near-infrared spectral range, a small temperature variation will lead to a large modification in the image gray level, which easily leads to poor quality images. Another is that digital image correlation needs a heterogeneous and contrasting surface, while the near-infrared thermography needs a homogeneous and constant surface. In this thesis, an innovative technique was proposed to automatically adjust the exposure time of the camera to obtain kinematically and thermally exploitable images whatever the temperature evolution occurs on the surface of the observed object. This technique was validated by different experiments, including blackbody heating experiments and realistic specimen heating experiments. Radiometric models of blackbody and specimen surfaces ware calibrated respectively. Based on the radiometric models, thermal fields have been reconstructed on the kinematically and thermally exploitable images. High temperature tube ballooning experiment is conducted to perform both kinematic and thermal fields. Global digital image correlation was performed to obtain kinematic fields. To perform near-infrared thermography on the specimen surface, radiometric model is calibrated based on portions of the brightest pixels. In this case 20% of the brightest pixels are used to perform radiometric model calibration. Based on the radiometric model using 20% of the brightest pixels, the thermal fields are reconstructed. Combined with the known coordinates of kinematic fields by digital image correlation, the thermal fields at the same coordinates as kinematic fields can be obtained.

De nos jours, les matériaux composites sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique et aérospatiale car ils ont de très bonnes tenues mécaniques, mais ces matériaux comportent de fortes hétérogénéités dues aux fibres et aux liants qui les constituent. Ainsi, depuis de nombreuses années, l’équipe TIFC «Thermal Imaging Fields and Characterization » du département TREFLE de l’institut I2M développe des méthodes de mesure des propriétés thermophysiques de matériaux hétérogènes dans le plan ou dans l’épaisseur. Ces méthodes sont très variées du point de vue des méthodes inverses (transformée intégrale, double décomposition en valeurs singulières, …) ou expérimentale (Flash, diode laser, …). Le faible coût des diodes lasers et des systèmes de déplacement de miroirs galvanométriques ont permis de développer un système complet de scanner optique laser, monté sur un banc de mesure. Il permet de revisiter les différents types de sollicitations thermiques et de réaliser une infinité de combinaisons spatiotemporelles d’excitations thermiques par méthode laser. Ceci est une des principales originalités de ce travail. De nouvelles méthodes inverses basées sur la réponse thermique au point source impulsionnel et sur la séparabilité des champs de température ont été proposées. Ces méthodes ont permis d’estimer le tenseur de diffusivité thermique selon les axes principaux d’anisotropie, mais aussi hors des axes du repère de l’image, où il est possible de déterminer l’orientation des axes d’anisotropie, lorsque le transfert de chaleur s’effectue hors des axes du repère de l’image. Ces méthodes ont permis d’obtenir des résultats intéressants comptetenu de leur simplicité. De plus, elles ont permis d’obtenir des cartographies de diffusivités thermiques dans le plan car, comparées aux autres méthodes, elles permettent d’obtenir des estimations du tenseur de diffusivité thermique localement grâce à l’obtention d’une cartographie de flux thermique surfacique via le scanner optique laser. / Nowadays, composite materials are widely used in the aeronautic and aerospace industries because of their high mechanical resistance. However, they have a large heterogeneity due to the fiber and matrix they are made of. In this way, for many years, the TIC team «Thermal Imaging Fields and Characterization » from TREFLE department of I2M laboratory develops methods to measure thermal in-plane properties of heterogeneous materials such as inverses (integral transforms, double singular value decomposition…) or experimental (Flash, laser diode…) methods. The recent progress made in optical control, lasers and infrared (IR) cameras enables the development of a new scanning system (based on galvanometer-mirror) which allows the easy control of a laser hot spot spatial and temporal displacements over a plane surface. The low cost of laser diodes and optical control (galvanometric mirror) systems allows to develop a laser scanning system fixed on a test bench. We can revisit the different types of thermal excitation and realize infinite spatio-temporal combinations of thermal excitations by laser method. This is one of this thesis aims. New inverse methods based on the thermal response to an instantaneous point source heating, and temperature fields separability, have been proposed. These methods allow to estimate the thermal diffusivity tensor along the main axes of anisotropy, but also out of those axes, where it is possible to estimate the anisotropy axes orientation when the heat transfer takes place out of the image axes. These methods have produced interesting results in view of their simplicity. Moreover, they made it possible to obtain in-plane thermal diffusivities maps because, compared to the other methods, they allow to obtain, locally, thermal diffusivity tensor estimations by getting a surface heat flux map using the laser optical scanner.

The transmission of electric power over long distances has historically posed challenges. However, the advent of high-voltage engineering has not only addressed distance barriers and power losses in electricity transmission and distribution, but it has also significantly improved the efficiency and transmission capacity of power grids. However, the use of high-voltage techniques has presented new challenges in identifying suitable insulator materials capable of withstanding high electrical stresses associated with elevated voltages. A significant issue arising from these extreme electrical stresses is the occurrence of partial discharges (PDs). Those are electrical sparks or pulses in the magnitude order of pico- or nano-coulombs (pC or nC) emitted from high voltage conductors due to the presence of impurities, contaminants or defects in their insulation system. PDs pose a serious threat to the insulation material due to their aggressive nature in breaking down weak points or links inside the insulation system leading to short-circuit and system failure. Means of offline or conventional testing of power assets against partial discharges has proven to be extremely precise but it is often an unavailable option since it requires a total power shutdown. In this paper, the performance of existing online PD detection techniques is tested and evaluated in terms of performance against conventional PD monitoring methods. Five non-intrusive detectors including an infrared camera (IR-camera), an ultrasonic sensor , a temperature and relative humidity sensor (TRH-sensor), high-frequency current transformer (HFCT sensor) and transient earth voltage antenna (TEV-antenna) were tested in a laboratory experiment for detection of PDs emitted by artificially-created defects inside a medium-voltage cable termination. The results showed varying sensitivity levels among the sensors, with the HFCT sensor demonstrating the highest sensitivity to all types and magnitudes of PDs. The IR-camera and ultrasonic sensor also showed potential, while the TRH-sensor exhibited poor sensitivity. The TEV-antenna had limited reliability. The findings of this study are that the HFCT system proved to be highly reliable for online PD monitoring, followed by the IR-camera and ultrasonic sensor, while the TEV-antenna and TRH-sensor showed lower reliability. In future work, further research on testing the HFCT system on-site can be conducted along with performing longer thermographic detection tests using the IR-camera to further investigate their potential in online PD detection. / Överföring av elektrisk kraft över långa avstånd har historiskt sett varit utmanande. Införandet av högspänningsteknik har inte bara övervunnit avståndsbarriärer och effektförluster vid överföring och distribution av elkraft, utan det har också avsevärt förbättrat kraftnätens effektivitet och överföringskapacitet. Användningen av högspänningsteknik har dock också inneburit nya utmaningar såsom utveckling av lämpliga isoleringsmaterial som tål höga elektriska påfrestningar vid höga spänningar. Ett betydande problem som härrör från dessa extrema elektriska spänningar är förekomsten av partiella urladdningar. Dessa urladdningar identifieras vara elektriska gnistor eller pulser i storleksordningen pico- eller nanocoulombs (pC eller nC) som emitteras från högspänningsledare på grund av närvaron av föroreningar eller defekter i närliggande isoleringssystem. PD:er utgör ett allvarligt hot mot isoleringsmaterialet på grund av deras aggressiva natur för att bryta ner svaga punkter eller länkar i isoleringssystemet, vilket kan leda till kortslutningar och systemfel. Konventionella metoder för att testa nätkomponenter mot partiella urladdningar har visat sig vara extremt noggranna, men detta är ofta inte ett tillgängligt alternativ eftersom det kräver ett totalt strömavbrott för att utföras. I denna studie testades och utvärderades prestandan hos befintliga metoder för online-detektering av partiell urladdning i förhållande till konventionella övervakningsmetoder. Fem icke-invasiva detektorer, inklusive en infraröd kamera, en ultraljudssensor, en temperatur- och relativ fuktighetssensor, en högfrekvent strömtransformator och en transient jordspänningsantenn, testades i ett laboratorieexperiment för att upptäcka partiella urladdningar orsakade av artificiellt skapade defekter i en mellanspänningskabelavslutning. Resultaten visade varierande känslighetsnivåer bland sensorerna, där högfrekventa strömtransformatorn visade den högsta känsligheten för alla typer och storlekar av partiella urladdningar. Den infraröda kameran och ultraljudssensorn visade också potential, medan temperatur- och relativ fuktighetssensorn visade låg känslighet. Den transienta jordspänningsantennen hade begränsad tillförlitlighet. Slutsatsen av denna studie är att den högfrekventa strömtransformatorn visade sig vara mycket tillförlitlig för online-övervakning av partiella urladdningar, följt av den infraröda kameran och ultraljudssensorn, medan den transienta jordspänningsantennen, temperatur- och fuktighetssensorn visade lägre tillförlitlighet. I framtida forskning kan ytterligare undersökningar av det högfrekventa strömtransformatorsystemet utföras på plats, tillsammans med längre termografiska detekteringstester med hjälp av den infraröda kameran för att ytterligare undersöka deras potential för onlinedetektering av partiella urladdningar.