Ce dossier présente les fondements physiques et spectroscopiques de la mesure de température par thermographie infrarouge dans les fours industriels. Il complète l'article de vulgarisation destiné aux ingénieurs de maintenance.
Ce dossier technique a été rédigé par ITC et relu par Yannick Le Maoult, Professeur à l'IMT Mines Albi, spécialiste en thermographie infrarouge et transferts radiatifs.
1. Les deux fenêtres spectrales IR : BII et BIII
Les caméras thermiques industrielles opèrent dans deux fenêtres de transmission atmosphérique :
| Fenêtre | Plage spectrale | Détecteur typique | Pertinence four industriel |
|---|---|---|---|
| BII (courtes longueurs d'onde) | 3 – 5 µm | InSb refroidi (77 K) | Préféré avec filtre 3,9 µm — transmission gazeuse améliorée |
| BIII (longues longueurs d'onde) | 8 – 12 µm | MCT (HgCdTe) refroidi ou microbolométres | Moins adapté — absorptions H₂O et CO₂ plus étendues dans cette plage |
1.1 Bandes d'absorption BII (3-5 µm)
| Molécule | Type de transition | Position centrale | Plage exacte | Intensité |
|---|---|---|---|---|
| CO₂ | Mode de vibration asymétrique ν₃ | 4,26 µm | 4,16 – 4,42 µm | Très forte — saturation à faible épaisseur de gaz (< 10 cm à T > 900 K) |
| CO₂ | Bande combinée ν₁+ν₃ (vibration + rotation) | 2,77 µm | 2,66 – 2,94 µm | Forte — se superpose à la bande H₂O 2,7 µm |
| H₂O | Bande de vibration d'élongation asymétrique ν₃ | 2,73 µm | 2,55 – 2,90 µm | Forte (se superpose à CO₂ 2,7 µm) |
| H₂O | Bande de combinaison ν₁+ν₂ | 1,87 µm | 1,75 – 2,08 µm | Modérée |
| Fenêtre 3,9 µm | — | 3,9 µm | 3,7 – 4,1 µm | Transparence quasi-totale des gaz propres |
La fenêtre centrée sur 3,9 µm se situe précisément entre la bande combinée CO₂/H₂O à 2,7 µm et la bande majeure CO₂ à 4,26 µm. C'est le creux d'absorption le plus exploitable dans la BII pour les applications four industriel.
1.2 Bandes d'absorption BIII (8-12 µm)
| Molécule | Type de transition | Position | Plage | Intensité |
|---|---|---|---|---|
| H₂O | Bande de déformation ν₂ | 6,3 µm | 5,6 – 8,0 µm | Forte — déborde dans le bas de la BIII |
| CO₂ | Bandes secondaires ν₁+ν₂ | 9,4 et 10,4 µm | 9,0 – 11,0 µm | Faible à modérée (visible à haute pression partielle) |
| H₂O | Rotation pure (spectre de rotation) | > 12 µm | 12 – 25 µm | Très étendue — hors BIII classique |
Pour la mesure sur fours, la BIII sans filtre présente une transmission plus dégradée que la BII avec filtre 3,9 µm. La bande H₂O à 6,3 µm déborde significativement dans la plage 8-12 µm, et la bande de rotation de H₂O contribue à l'absorption au-delà de 12 µm. L'utilisation d'une caméra BIII n'est pas recommandée pour la mesure de température en four sans étude spectroscopique préalable.
2. Émissivité spectrale vs émissivité totale
2.1 La dépendance en longueur d'onde
L'émissivité d'un matériau est, en général, une fonction de la longueur d'onde. L'émissivité totale (ou hémisphérique totale) intègre cette dépendance sur tout le spectre, pondérée par la distribution de Planck à la température considérée. Pour la mesure IR, c'est l'émissivité spectrale directionnelle à la longueur d'onde de mesure qui compte.
| Grandeur | Définition | Pertinence pour la mesure caméra |
|---|---|---|
| Émissivité totale εtot | Intégrale sur tout le spectre (0 → ∞) à la température T | Utilisée en bilan thermique global, pas directement en mesure IR |
| Émissivité spectrale ε(λ) | Rapport flux émis / Planck corps noir à λ et T donnés | C'est ce paramètre qui doit être renseigné dans la caméra |
| Émissivité de bande εΔλ | Moyenne sur la bande spectrale de la caméra (filtre inclus) | Approximation utilisée en pratique pour les métaux oxydés |
2.2 Comportement des alliages de tubes à haute température
Les tubes de fours industriels sont généralement en aciers réfractaires (HP, HK, 9Cr-1Mo, Incoloy 800HT). En service, leur surface se couvre d'une couche d'oxyde stable :
| État de surface | ε(λ=3,9 µm) typique | ε(λ=8-12 µm) typique | ε totale estimée |
|---|---|---|---|
| Acier nu, poli | 0,10 – 0,30 | 0,15 – 0,35 | 0,10 – 0,30 |
| Acier oxydé légèrement | 0,60 – 0,75 | 0,75 – 0,85 | 0,70 – 0,80 |
| Acier fortement oxydé / calaminé | 0,80 – 0,90 | 0,85 – 0,95 | 0,85 – 0,95 |
Note importante : l'émissivité spectrale des oxydes (Fe₂O₃, Cr₂O₃) dépend de la longueur d'onde. À 3,9 µm, elle peut être légèrement inférieure à la valeur dans le BIII. En pratique, pour des tubes fortement oxydés en service depuis plus de quelques semaines, l'approximation ε ≈ 0,85-0,90 est communément utilisée et introduit une erreur sur T de 5 à 15 °C à 850 °C dans la bande BII (3-5 µm). En l'absence de faïençage ou d'écaillage de la couche d'oxyde — ce qui est rare sur un four en fonctionnement continu à température stable — cette émissivité reste homogène. L'émissivité réelle du tube pourrait être vérifiée par mesure sur spectromètre IRTF à partir d'un échantillon de tube vieilli et stabilisé, dans la bande spectrale de la caméra.
Référence pour les émissivités de surface à haute température : De Vriendt (1984), Sacadura (2015).
3. Les suies et la limite de l'hypothèse de flamme propre
3.1 Propriétés radiatives des suies
Contrairement aux gaz de combustion (CO₂, H₂O) dont l'émission-absorption est sélective par bandes, les suies (particules de carbone nanométriques) ont un comportement quasi-continu :
- Absorption et émission sur tout le spectre IR (de 1 µm à 20+ µm), sans structure par bandes
- L'émissivité des suies croît vers les courtes longueurs d'onde (comportement « gris » approximatif mais avec dépendance en λ)
- Même une faible fraction volumique de suies (10⁻⁷ à 10⁻⁶) peut réduire significativement la transmission à 3,9 µm
3.2 Conditions de formation des suies en four industriel
Les suies se forment principalement en conditions de flamme riche (défaut d'air) ou lors de la combustion d'hydrocarbures lourds (fuel lourd, résidus de distillation). Dans les fours de raffinage et de cracking :
| Type de four / combustible | Régime typique | Présence de suies | Impact à 3,9 µm |
|---|---|---|---|
| Four de vaporeformage (gaz naturel) | Excès d'air 5-15 % | Négligeable | Très faible |
| Four de cracking à la vapeur (naphta/éthane) | Excès d'air 10-20 % | Négligeable | Très faible |
| Four de distillation sous vide (fuel lourd) | Excès d'air 5-10 % | Possible en régime transitoire | Modéré si présence |
| Démarrage / transitoires de charge | Variable | Possible localement | Modéré à fort localement |
En régime normal de fonctionnement, la transparence à 3,9 µm reste la règle dans les fours industriels de cracking et de raffinage. La présence de suies, si elle est suspectée (fumée visible, teinte noire des gaz), doit être signalée dans le rapport de mesure comme facteur d'incertitude supplémentaire. Note : en régime de fonctionnement normal (excès d'air 5-20 %), les gaz de combustion contiennent typiquement 8-14 % de CO₂ et 10-20 % de H₂O volumique (Saunders, 2007 ; Turns, 2012) — ces valeurs varient selon l'hydrocarbure brûlé et la stœchiométrie.
4. Modèles spectroscopiques : bandes larges vs Raies par Raies
4.1 Le modèle à bandes larges (Wide Band Model)
Le Maoult (1992) a utilisé un modèle à bandes corrélées (CK — Correlated-k distribution ou modèle de bandes larges de type Edwards) pour calculer les propriétés radiatives du mélange CO₂/H₂O en fonction de la température et de la pression partielle des gaz. Ce type de modèle :
- Représente chaque bande d'absorption par un paramètre d'intensité intégrée et une largeur effective
- Est computationnellement efficace pour des calculs de rayonnement thermique en milieu semi-transparent
- S'avère trop imprécis pour des calculs quantitatifs fins : écarts d'un facteur 3 à 4 avec les mesures expérimentales sur certaines bandes
4.2 Le modèle Raie par Raie (Line-by-Line)
Les bases de données spectroscopiques modernes (HITRAN, HITEMP) permettent un calcul Raie par Raie (LBL — Line-By-Line) : chaque raie d'absorption est résolue individuellement avec sa position, intensité, élargissement Doppler et collision. C'est la méthode la plus précise :
- Précision typique : mieux que 1-2 % sur les coefficients d'absorption
- Applicable à des températures jusqu'à 4 000 K (base HITEMP)
- Coût de calcul élevé — adapté à la validation ou aux cas complexes, pas aux mesures terrain
4.3 Conséquences pratiques
Le constat de Le Maoult — que le modèle spectroscopique théorique donne des résultats trop imprécis pour remplacer une calibration expérimentale — reste valide même avec les modèles modernes, dès lors que les conditions réelles du four (distribution de température des gaz, gradients spatiaux, composition exacte) ne sont pas parfaitement connues. La double pesée pyrométrique contourne cette limitation en mesurant directement le biais sans nécessiter de modélisation.
5. La résistance thermique de contact : limite de la double pesée
La double pesée suppose que la canne pyrométrique donne la vraie température de peau du tube. En réalité, le contact entre la pointe du thermocouple et le tube introduit une résistance thermique de contact Rc, qui crée une chute de température ΔTc :
ΔTc = φ × Rc
où φ est le flux thermique local (W/m²). Dans une zone radiante à fort flux (100 000 à 300 000 W/m²), une résistance de contact de 10⁻⁴ m²·K/W peut induire une erreur de 10 à 30 °C sur la mesure de la canne.
| Paramètre | Valeur typique | Impact sur la mesure canne |
|---|---|---|
| Flux radiant en zone radiante | 100 000 – 300 000 W/m² | — |
| Résistance de contact type (sans pressage) | 10⁻⁴ – 5×10⁻⁴ m²·K/W | 10 – 150 °C d'erreur |
| Résistance de contact avec pressage fort | 10⁻⁵ – 10⁻⁴ m²·K/W | 1 – 30 °C d'erreur |
En pratique, les cannes pyrométriques industrielles utilisées sur les fours sont conçues pour minimiser ce biais (revêtement de la pointe, pression de contact maîtrisée). L'erreur résiduelle est incluse dans le budget d'incertitude de la double pesée. Pour une analyse rigoureuse, cette source doit être tracée dans le rapport de mesure.
Référence : De Vriendt (1984), chapitre résistances de contact et conduction à interface.
6. Bilan d'incertitude étendu (couverture k=2)
En conditions d'inspection optimales (caméra refroidie InSb, filtre 3,9 µm, double pesée réalisée, tubes oxydés en service), le bilan d'incertitude élargie (facteur d'élargissement k = 2, intervalle de confiance 95 %) sur la mesure de température de peau d'un tube à 850 °C est :
| Source d'incertitude | Type | Contribution (k=1) | Corrigée ? |
|---|---|---|---|
| Caméra (spec constructeur ±2 %) | B — aléatoire | ±17 °C | Non — plancher incompressible |
| Émissivité spectrale du tube (±0,05) | B — systématique | ±8 °C | Partiellement |
| Gaz de combustion (après filtre 3,9 µm + double pesée) | B — systématique résiduelle | ±5 °C | Oui — résidu après correction |
| Défocalisation (premier plan de tubes) | B — systématique | ±3 °C | Partiellement |
| Résistance de contact (canne pyrométrique) | B — systématique | ±5 °C | Non tracée explicitement |
| Incertitude composée (quadratique) | — | ±20 °C | — |
| Incertitude élargie U (k=2) | — | ±40 °C | Intervalle confiance ≈ 95 % |
L'incertitude élargie de ±40 °C (k=2) à 850 °C est à mettre en regard des marges de conception API 530, typiquement de 50 à 100 °C selon le métal et le mode de défaillance surveillé (fluage, oxydation). La mesure reste pertinente pour la surveillance comparative (détection des anomalies relatives entre tubes) et pour les alertes de dépassement de Tdesign.
7. Historique et contexte industriel
La mesure de température des tubes de four par thermographie IR à filtre spectral a été développée industriellement dans les années 1980. L'article publié dans la revue Technica en 1984, issu de travaux réalisés à la raffinerie ELF Feyzin, est l'une des premières publications à décrire le protocole complet (filtre 3,9 µm + double pesée) dans un contexte industriel pétrochimique français. ITC a intégré ces protocoles dès ses premières interventions sur sites de raffinage en 1988.
Références bibliographiques
- Y. Le Maoult, Modélisation de l'acquisition d'un thermogramme sur des gaz de combustion, Thèse de doctorat, Université de Provence (Aix-Marseille I), Laboratoire de Recherche en Combustion, 1992.
- P. Saunders, Radiation Thermometry: Fundamentals and Applications in the Petrochemical Industry, SPIE Press, Tutorial Text TT78, 2007. ISBN 978-0-8194-6717-2.
- S. Turns, An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, McGraw-Hill, 3ᵉ éd., 2012.
- A.B. De Vriendt, La Transmission de la Chaleur, vol. 2 (Rayonnement), Gaëtan Morin Éditeur, 1984.
- J.F. Sacadura, Transferts Thermiques — Initiation et Approfondissement, Tec et Doc-Lavoisier, 2015 (5ᵉ édition).
- Anon., « Thermographie infrarouge à la raffinerie ELF Feyzin — mesure de température de tubes de four avec filtre spectral », Technica, 1984 (référence industrielle pionnière en France).
- L.S. Rothman et al., « The HITRAN 2020 molecular spectroscopic database », Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 277, 107949, 2022.
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Pour la version vulgarisée destinée aux ingénieurs de maintenance, consultez notre article de blog.
Document ITC — Version 1.0 — Avril 2026
Questions fréquentes
Ce dossier technique a bénéficié de la relecture scientifique de Yannick Le Maoult, Professeur à l'IMT Mines Albi, spécialiste en thermographie infrarouge et transferts radiatifs.