Ch04 – Rayonnement thermique | Terminale ICCER | ⏱ 35 min
Dernière mise à jour : 3 juin 2026
Pourquoi mesure-t-on la température d'une coulée d'acier en fusion avec un pyromètre IR, et pas avec un thermocouple plongé dedans ?
L'acier en fusion est à 1 500-1 600 °C. Trois problèmes pour le thermocouple :
D'où le standard : pyromètre IR pour les hautes températures industrielles (fonderie, verrerie, fours).
Camille, technicienne CQ dans une aciérie à Dunkerque, contrôle la coulée continue de brames d'acier. Le pyromètre IR fixe doit mesurer la température en sortie de four à 1 580 °C avec précision pour valider la trempabilité. Elle reçoit un message d'erreur capteur et doit diagnostiquer.
À T = 1 580 °C = 1 853 K, calculer λ_max d'émission de l'acier (loi de Wien).
λ_max = 2 898 / 1 853 = 1,56 µm.
Bien dans l'IR proche. Le pyromètre Optris (2,2-3,1 µm) ne capte pas le pic, mais une portion stable de la courbe (volontairement choisie pour cibler la bande où la vapeur d'eau de l'air ambiant n'absorbe pas).
Comparer λ_max pour 3 objets : un humain (37 °C), une coulée d'acier (1 580 °C), le filament d'une ampoule incandescence (2 500 °C).
| Source | T (K) | λ_max | Domaine |
|---|---|---|---|
| Humain 37 °C | 310 | 9,35 µm | IR lointain |
| Acier en fusion | 1 853 | 1,56 µm | IR proche |
| Filament ampoule | 2 773 | 1,04 µm | IR proche / visible |
| Soleil (surface) | 5 800 | 0,50 µm | Vert/jaune (visible) |
L'œil humain voit dans le visible (0,4 - 0,7 µm). C'est pourquoi on voit l'ampoule briller (un peu visible) mais pas le rayonnement humain (trop IR lointain).
Diamètre du spot mesuré à D = 4 m de la coulée d'acier, optique 75:1.
D:S = 75:1 signifie : à 75 cm de distance, spot 1 cm. Donc à 4 m = 400 cm :
Spot = 400 / 75 = 5,33 cm.
Plus on s'éloigne, plus le spot est large = moyennage sur une surface plus grande. Important : viser un endroit homogène, pas un bord avec gradient thermique.
Le pyromètre est paramétré sur ε = 0,80 (acier oxydé). En réalité, ce jour-là la coulée a une couche de calamine légère et son émissivité réelle est de 0,90. Quelle erreur ?
Si ε est mal calibrée, le pyromètre interprète mal le flux rayonné. Plus précisément : si ε réel > ε programmé, le pyromètre « croit » mesurer un corps moins émetteur que la réalité → il surestime la température.
Approximation : erreur relative ΔT/T ≈ (Δε/ε) × (T_mesurée / 4) sur bande étroite.
Δε/ε = 0,10/0,80 = 12,5 %. Sur T = 1 853 K (1 580 °C) :
ΔT ≈ 0,125 × 1 853 / 4 = +58 K = +58 °C d'erreur.
Conséquence : Camille lit 1 638 °C alors que la vraie T est 1 580 °C. La pièce risque d'être validée alors qu'elle est en réalité juste à la bonne T. Pas catastrophique ici, mais dans l'autre sens (sous-estimation), on pourrait rejeter une coulée conforme.
Solution pour s'affranchir du problème d'émissivité : le pyromètre bichromatique. Comment fonctionne-t-il ?
Un pyromètre bichromatique (ou « ratio ») mesure le rayonnement à deux longueurs d'onde très proches (par ex. 0,95 µm et 1,05 µm). Il calcule le rapport des deux mesures.
L'astuce : si l'émissivité est la même aux deux longueurs d'onde (« corps gris »), elle se simplifie dans le rapport. Le rapport ne dépend que de T (loi de Planck).
Avantages :
Coût : ~ 4 000 € vs 1 500 € mono. Utilisé en process critiques.
La coulée à 1 580 °C rayonne énormément (loi de Stefan-Boltzmann : Φ = σ·ε·T⁴). Densité de flux ?
σ (constante de Stefan-Boltzmann) = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴).
Φ = 5,67·10⁻⁸ × 0,90 × (1 853)⁴ = 5,67·10⁻⁸ × 0,90 × 1,179·10¹³
= 602 kW/m².
Soit 600× le flux solaire au sol (1 kW/m²). C'est pourquoi les opérateurs portent des combinaisons aluminisées : seul l'alu (ε = 0,05) réfléchit ce rayonnement intense. Une combinaison absorbante prendrait feu.
Pourquoi voit-on les brames d'acier rouge-orange dans les vidéos d'aciérie alors qu'à 1 580 °C le pic est dans l'IR proche (invisible) ?
La courbe d'émission (loi de Planck) est large. Le pic est à 1,56 µm (IR proche), mais une partie significative du rayonnement déborde dans le visible.
À 1 580 °C, le rouge-orange (0,6-0,7 µm) est largement émis (~ 5 % du total). C'est cette « queue » du spectre qui est perçue par notre œil.
Couleur perçue selon T :
Le forgeron expérimenté lit la température à l'œil ! Précision ±50 °C.
Rapport de calibration (Camille).
Diagnostic pyromètre — Camille (CQ aciérie Dunkerque)
• Pyromètre Optris CTlaser 3M paramétré ε = 0,80 (acier oxydé).
• Mesure réelle : 1 638 °C, attendue 1 580 °C → écart +58 °C.
• Cause : calamine légère ce jour-là augmente ε réel à 0,90.
• Action : recalibrer ε à 0,90, ou remplacer par pyromètre bichromatique (Optris 2M ratio, 4 000 €).
• Loi de Wien : λ_max = 1,56 µm. Flux émis ~ 600 kW/m² (combi alu obligatoire).
Rien à voir avec la loi de Wien (le soleil émet du blanc), mais avec la diffusion de Rayleigh.
La lumière blanche du soleil, en traversant l'atmosphère, est diffusée par les molécules de l'air. La diffusion est ∝ 1/λ⁴ : les courtes longueurs d'onde (bleu, λ = 0,45 µm) sont diffusées 5× plus que les rouges (λ = 0,7 µm).
Sur Mars : atmosphère ténue, la diffusion est différente, et la poussière rouge en suspension fait apparaître le ciel orange.
📚 §1 (rayonnement thermique) + §2 (spectre) de la leçon Ch04.