Isolation des thermocouples

Sommaire

1. Matériaux d’isolation standard
2. Isolateurs céramiques
3.  Thermocouples à isolation minérale (chemisés)
4. Matériaux de gaine avancés et minimisation de la dérive
5. Résumé

Bien que les thermocouples puissent, dans certains cas, fonctionner sans isolation, la plupart des applications réelles exigent qu’ils soient protégés du milieu et de l’environnement dans lesquels ils sont utilisés. Cette protection implique généralement à la fois une isolation électrique et une protection mécanique. Les gaines de protection n’assurent pas seulement l’isolation électrique du thermocouple, elles le protègent également contre les dommages mécaniques, la corrosion chimique et les contraintes thermiques.

De manière générale, les jonctions de thermocouple exposées doivent être réservées à la mesure de températures de gaz non corrosifs, statiques ou en écoulement - en particulier lorsque le temps de réponse thermique est essentiel. Dans des environnements plus exigeants, par exemple en présence de gaz ou de liquides corrosifs, une jonction isolée est plus appropriée. Bien que cela puisse réduire la vitesse de réponse, cela améliore nettement la durabilité et la sécurité. Pour une résistance et une rapidité de réponse encore meilleures sous pression ou en milieux corrosifs, on privilégie généralement les jonctions mises à la masse (à la terre), où les fils sont soudés à l’extrémité de la gaine.

Matériaux d’isolation standard

Un large éventail de matériaux d’isolation standard est utilisé dans la construction des thermocouples. Ils sont souvent codés par couleur selon le type de thermocouple, conformément aux directives de l’IEC 60584-3. Bien qu’il n’existe pas de norme internationale unifiée pour les matériaux d’isolation, la pratique industrielle a conduit à l’adoption de six matériaux de base :

• PVC : Convient de -30 °C à +105 °C et existe en diverses constructions.
• PFA : Étend la plage de -273 °C jusqu’à +250 °C (ou 300 °C sur de courtes durées), ce qui le rend idéal pour les environnements extrêmes.
• Fibre de verre imprégnée de vernis : Utilisable de -50 °C à +400 °C.
• Fibre de verre non vernie : Étend cette plage à 500 °C, et dans certains cas jusqu’à 800 °C.

Tous les types de thermocouples standard peuvent être utilisés avec ces matériaux, ce qui les rend très polyvalents.

Isolateurs céramiques

Pour les applications industrielles à plus haute température, les isolateurs céramiques sont largement utilisés. Les options varient selon le type de thermocouple et la plage de température.

• Perles céramiques en porcelaine à double canal : souvent utilisées pour les thermocouples à métaux de base avec des fils de 1 mm ou plus.
• Mullite (silicate d’aluminium)  : fréquemment associée aux thermocouples de type K, notamment en environnement de four.
• Alumine de haute pureté  : préférée pour les thermocouples à base de platine afin de minimiser les risques de contamination.

Thermocouples à isolation minérale (Chemisé)

La forme de thermocouple la plus répandue dans l’industrie moderne est la construction à isolation minérale et gaine métallique (chemisé). Ces capteurs se composent de fils de thermocouple noyés dans une poudre minérale compactée, généralement de l’oxyde de magnésium, enfermés dans une gaine métallique sans soudure. Cette structure offre :

• Une excellente résistance mécanique
• Protection hermétiquement scellée
• Haute résistance d’isolement
• Format compact et flexible
• Résistance aux vibrations, aux hautes pressions et aux environnements agressifs

Les thermocouples chemisés fonctionnent sur une large plage de températures de -200°C à +1250°C et sont disponibles avec 2 à 6 conducteurs, en diamètres de 0,25 mm à 10,8 mm.

Ils prennent également en charge une grande variété de types de thermocouples et de matériaux de gaine, notamment l’acier inoxydable, l’acier réfractaire, l’Inconel 600 et les alliages en Nicrotherm. Les jonctions de mesure peuvent être :

• Exposée  : offre la réponse la plus rapide
• Isolée  : électriquement isolée pour éviter les parasitages
• Mise à la masse  : soudée à l’extrémité de la gaine pour une réponse rapide et une durabilité mécanique

Les thermocouples chemisés sont non seulement largement disponibles et économiques, mais ils peuvent être personnalisés pour des environnements spécifiques en utilisant différentes options de gaine et de terminaison. Ils conviennent particulièrement aux conditions industrielles extrêmes.

Matériaux de gaine avancés et minimisation de la dérive

Malgré leurs avantages, les thermocouples chemisé peuvent être confrontés à des défis :

• Différences de coefficients de dilatation thermique  entre les matériaux de gaine (comme l’acier inoxydable) et les conducteurs du thermocouple (tels que les types K et N) peuvent entraîner une rupture des fils internes.
• Diffusion en phase vapeur du matériau de gaine dans les fils du thermocouple peut entraîner une contamination, une dérive d’étalonnage et une dégradation des performances.
• Infiltration d’eau pendant la fabrication ou la réparation peut provoquer une diminution de la résistance d’isolement et une défaillance prématurée.

Pour relever ces défis, des alliages de gaine spécialisés ont été développés :

• Nicrotherm : Un alliage de gaine pour hautes températures à faible dérive, optimisé pour une utilisation avec des thermocouples de type N.
• Nicrobell B : Un alliage Nicrosil modifié, avec ajout de magnésium et de niobium, afin d’améliorer la résistance à l’oxydation, la tenue thermique et la résistance à la corrosion jusqu’à 1250°C.
• Nicrobell C : Améliore le Nicrobell B avec un taux de chrome accru pour une résistance à la corrosion supérieure.
• Nicrotherm D™ : La dernière évolution, conçue avec une teneur réduite en manganèse et en aluminium pour minimiser la diffusion des éléments à travers l’isolant. Il offre une excellente résistance aux environnements carburisants et présente une dérive nettement inférieure à celle de l’Inconel 600 ou de l’acier inoxydable 310 à haute température.

Pour des applications à très haute température ou corrosives, il est généralement recommandé d’éviter les câbles chemisés de très petit diamètre, car la longévité et les performances sont étroitement corrélées à la taille du câble.

Résumé

L’isolation des thermocouples joue un rôle essentiel pour garantir la précision des mesures, la protection mécanique et la résistance aux contraintes environnementales. Des revêtements basiques en PVC et en fibre de verre pour les basses à moyennes températures, aux constructions hautes performances en céramique et à isolation minérale pour les conditions extrêmes, le choix des matériaux d’isolation et de gaine doit être adapté à la plage de températures, au milieu et aux exigences mécaniques de l’application. Des alliages de gaine avancés comme le Nicrotherm D™ offrent désormais une stabilité à long terme et une résistance supérieures dans des environnements à haute température ou corrosifs, garantissant des performances fiables même dans les conditions les plus exigeantes.

Pour aller plus loin

Quels sont les différents types de thermocouples ?
Explorez les caractéristiques et les spécificités des différents types de thermocouples

Tableaux de sortie des thermocouples
Consultez les tableaux f.é.m. en fonction de la température pour tous les types de thermocouples.

Quels sont les codes couleur des thermocouples ?
Explorez les codes couleur des thermocouples pour les câbles et les connecteurs.