Étalonnage des thermocouples et des thermomètres à résistance (RTD Pt100)

Sommaire

1. Étalonnage des thermocouples
2.  Étalonnage des thermomètres à résistance (RTD Pt100)
3. Exemple de dérive en conditions réelles
4. Obtenir une précision accrue
5. Méthodes d’étalonnage
6. Étalonnage in situ
7. Contrôles des thermomètres à résistance (RTD)
8. Précision réalisable
9. Défis de l’étalonnage
10. Résumé

La mesure précise de la température dépend de capteurs bien étalonnés. Avec le temps, les thermocouples comme les thermomètres à résistance (RTD) peuvent dériver par rapport à leurs spécifications d’origine en raison de divers facteurs tels que le vieillissement, la contamination ou les contraintes mécaniques. Cette section explique comment fonctionne l’étalonnage, comment les capteurs peuvent se dégrader et quelles méthodes sont utilisées pour garantir la précision des mesures.

Étalonnage des thermocouples

Les fils de thermocouple sont fabriqués pour respecter des limites de tolérance standard, généralement définies par des normes internationales. Par exemple :

• Type R/S : ±1 °C au point de fusion de l’or
• Type K : ±7,5 °C à 1 000 °C

Des fils à tolérance plus serrée sont disponibles pour des applications haute précision, et il en va de même pour les câbles d’extension et de compensation. Cependant, ces tolérances ne s’appliquent qu’aux capteurs neufs et inutilisés .

Le fil de thermocouple, en particulier  isolés ou sous forme de câbles chemisés métallique (sous gaine métallique à isolation minérale), peuvent présenter des écarts d’étalonnage le long d’une bobine. Une variation de plus de 1 °C d’une extrémité à l’autre n’a rien d’inhabituel (voir fig. 8.1).

Figure 8.1  : Étalonnage de 2 thermocouples isolés fibre de verre issus du debut (top of reel) et de la fin (bottom of reel) de la bobine

Problèmes de dégradation courants

Avec l’usage, les thermocouples peuvent se dégrader en raison de :

• Dégradation de la résistance d'isolement
• Inhomogénéité thermoélectrique (pollution)
• Détérioration de la jonction

Tout ces points peuvent affecter la stabilité de l'étalonnage au fil du temps.

Étalonnage des thermomètres à résistance (RTD Pt100)

Les éléments RTD Pt100 sont fabriqués avec une précision extrême. Les tolérances s'appliquent au  capteur complet, conformément à la norme IEC 60751, qui définit deux classes de tolérance courantes :

• Classe A : ±0,06 Ω (≈ ±0,15 °C) à 0 °C
• Classe B : ±0,12 Ω (≈ ±0,3 °C) à 0 °C

Les RTD Pt100 maintiennent généralement mieux leur étalonnage que les thermocouples en raison de leur stabilité intrinsèque. Toutefois, les tolérances ne s'appliquent qu’aux capteurs neufs . Des vérifications d'étalonnage ne sont généralement nécessaires que si une grande précision est indispensable ou si un mauvais usage est suspecté (p. ex., surchauffe).

Causes de dégradation des RTD

• Oxydation ou contamination chimique
• Contrainte mécanique ou choc
• Perte de résistance d'isolement
• Effets thermoélectriques dus à une mauvaise installation
• Déséquilibre de la résistance des fils de liaison

Exemple de dérive en conditions réelles

Lors d'un essai comparatif :

• 126 RTD Pt100  ont été surveillées pendant deux ans.
  • 63 ont dérivé de plus de 0,1 °C
  • 46 ont dérivé jusqu'à 1 °C
  • 17 ont présenté une dérive extrême ou ont complètement défailli

• 66 thermocouples testés sur six mois
  • Tous ont dérivé d'au moins 1,4 °C
  • L’un a dérivé jusqu’à 9,9 °C

Aucun schéma de dérive prévisible n'a été observé.

Atteindre une précision supérieure

Pour les mesures critiques, il est essentiel d'étalonner les thermocouples ou les RTD par rapport à des références de température connues. L'étalonnage peut porter sur quelques points fixes seulement ou sur plusieurs points sur toute la plage du capteur. On peut ensuite établir une table ou une courbe de correction.

Méthodes d'étalonnage

L'étalonnage se fait généralement en laboratoire par comparaison avec des thermomètres de référence traçables aux normes ITS‑90 . La méthode dépend de la plage de température :

Plage de température	Méthode préférée	Instrument de référence
-150 °C à +250 °C	Bains de liquide agités (acétone, eau, huile)	RTD au platine
Jusqu’à 550 °C	Bains de sels (NaNO₂, KNO₃)	RTD au platine ou thermocouples en métaux nobles
Jusqu’à 1 000 °C	Bains de sable fluidisé	Thermocouples platine-rhodium
Au-dessus de 600 °C	Fours à tube horizontal	Thermocouples Pt-Rh ou pyromètres à rayonnement
Étalonnage points fixes	Points de fusion des métaux (p. ex., Zn, Ag, Au)	f.é.m. observée pendant la fusion

Important :  Assurez toujours de l’immersion complète du capteur et retirez ses gaines de protection si possible.

Étalonnage in situ

Pour les grands thermocouples et RTD en service, l’étalonnage in situ est souvent plus pratique. Un capteur de référence étalonné est inséré à côté du capteur à tester, et les mesures sont comparées aux températures pertinentes.

Contrôles des RTD Pt100

La résistance de la sonde RTD Pt100 à 0 °C (  R₀ ) est un bon indicateur de la stabilité de l’étalonnage. Un décalage de R₀ peut signifier :

1. Variation de résistance due aux contraintes  — parfois corrigé par recuit
2. Oxydation  — peut être inversée par un traitement thermique (450 °C /550 °C)
3. Contamination — typiquement irréversible ; nécessite un réétalonnage

Méthode standard pour le test de R₀ : mesurer la résistance au point triple de l’eau. Cette méthode permet de suivre l’évolution du rapport Rᵗ/R₀ (rapport de résistances) plutôt que de se baser uniquement sur la valeur absolue de la résistance.

Exactitude réalisable

Thermocouples :

• Type R/S/B : ±0,3 °C jusqu'à 1 100 °C ; ±2 °C jusqu'à 1 550 °C
• Type K/N (métaux de base)  : ±0,1 °C entre -80 °C et +100 °C ; les erreurs sont plus élevées à des températures élevées en raison de l'instabilité

RTD sondes à résistance :

• Étalonnage à quelques centièmes voire millièmes de degré près est réalisable pour des appareils haut de gamme
• Les RTD industriels peuvent atteindre :
• ±0,01 % de précision sur toute la plage
• ±0,005 % de stabilité par an pour les capteurs à fil bobiné

Défis de l'étalonnage

Thermocouples :

La tension thermoélectrique est générée le long des sections où des gradients de température existent. L'étalonnage suppose des propriétés uniformes du conducteur , ce qui peut ne pas être vrai pour des capteurs vieillissants. Une dérive peut se produire même si les températures aux jonctions restent identiques (voir fig. 8.3).

Figure 8.3 : Effets du temps et de l'exposition sur certains thermocouples

RTD :

Les RTD mesurent  sur une certaine longueur, et non à la pointe. L'étalonnage doit assurer une immersion suffisante dans une zone isotherme. Avec le temps, l'exposition à des conditions extrêmes peut provoquer un vieillissement non uniforme sur la longueur du capteur, rendant un réétalonnage en laboratoire potentiellement peu fiable.

Résumé

Les thermocouples et les RTD sont fabriqués avec des tolérances strictes, mais l'utilisation sur le terrain peut entraîner une dérive due à une dégradation de l'isolation, à des dommages mécaniques ou à une exposition à des produits chimiques. Les RTD offrent généralement une meilleure stabilité à long terme que les thermocouples. Un étalonnage régulier, en laboratoire ou in situ, est essentiel pour les applications à haute précision. Les techniques vont de simples comparaisons à une référence à des étalonnages par points fixes ratachés aux normes internationales. Comprendre comment et quand les capteurs se dégradent aide à déterminer le bon calendrier d'étalonnage et à garantir la fiabilité continue des mesures.

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