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Mesure lectriquede la temprature

Avec des thermocouples

et des sondes rsistance

Dipl.-Phys. Matthias Nau


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Depuis des dcennies dj, la temprature est une des grandeurs de mesure les plus importantesde lautomatisme, de la fabrication et de la technique grand public. Mme si la mesure lectriquede la temprature avec des sondes rsistances et des thermocouples est dj vieille de cent ans,le dveloppement de couples de mesure et de sondes pour diffrentes tches de mesure nest pasprt dtre termin. cause de loptimisation continuelle des process, on demande de plus de plus

des sondes qui permettent deffectuer des mesures de temprature rapides, prcises et reproduc-tibles long terme.

Malheureusement comme il ny a pas de sonde qui sacquitte de toutes les tches de mesure avecune prcision suffisante, il est dautant plus important pour lutilisateur de connatre les principesde la mesure lectrique de la temprature, et de comprendre les caractristiques relatives lamtrologie et les sources derreur. Une sonde prcise ne garantit pas une acquisition correcte de latemprature. La temprature affiche nest que la temprature de llment de mesure. Lutilisateurdoit prendre des mesures pour que la temprature du milieu soit galement la temprature dellment de mesure.

Ce livre est depuis plusieurs annes dj un guide estim par les utilisateurs intresss. Cette ver-

sion a t remanie et actualise cause de la modification des normes et des nouveaux dvelop-pements. Le nouveau chapitre Incertitude de mesure en particulier prsente les ides fonda-mentales du guide ISO reconnu internationalement Guide to the expression of uncertainty inmeasurement (en abrg : GUM) et dcrit la procdure de dtermination de lincertitude demesure dune chane de mesure de la temprature avec ses facteurs dinfluence. De plus, le cha-pitre sur la protection antidflagrante a t complt cause de lentre en vigueur le 1.7.2003 dela directive europenne 94/9/CE.

En ce qui concerne la responsabilit largie du fabricant, les donnes et les caractristiques desmatriaux de ce guide ne sont que des valeurs indicatives. Dans tous les cas, il faut les vrifier etles corriger le cas chant, en particulier lorsquil sagit de scurit.

Matthias Nau

JUMO GmbH & Co. KG, Fulda

Reproduction autorise avec indication des sources !

Fulda, fvrier 2003

Numro darticle : 00431166

Numro du guide : FAS 146Date dimpression : 02.03


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Sommaire

1 Mesure lectrique de la temprature ...................................... 7

1.1 Mesure de temprature par contact ........................................................ 7

1.2 Mesure de temprature sans contact ...................................................... 8

1.2.1 Pyromtre radiation totale .................................................................................. 91.2.2 Pyromtre spectral ................................................................................................ 91.2.3 Pyromtre faisceau ............................................................................................. 91.2.4 Pyromtre luminance nergtique ...................................................................... 91.2.5 Pyromtre rpartition .......................................................................................... 91.2.6 Pyromtre rapport .............................................................................................. 9

2 Notion de temprature ............................................................ 11

2.1 chelle de temprature historique ......................................................... 11

2.2 Points fixes de temprature .................................................................... 152.3 chelle de temprature suivant ITS-90 .................................................. 15

3 Thermocouples ........................................................................ 19

3.1 Effet thermolectrique ............................................................................. 19

3.2 Thermocouples ........................................................................................ 23

3.3 Polarit de la tension thermolectrique ................................................ 23

3.4 Comportement en cas de rupture ou de court-circuit ......................... 24

3.5 Thermocouples normaliss .................................................................... 253.5.1 Forces lectromotrices ........................................................................................ 273.5.2 Tolrances ........................................................................................................... 283.5.3 Linarit ............................................................................................................... 303.5.4 Comportement long terme ............................................................................... 30

3.6 Critres de slection ................................................................................ 323.6.1 Type " T " (Cu-CuNi) ............................................................................................ 333.6.2 Type " J " (Fe-CuNi) ............................................................................................. 333.6.3 Type " E " (NiCr-CuNi) .......................................................................................... 33

3.6.4 Type " K " (Ni-CrNi) .............................................................................................. 333.6.5 Type " N " (NiCrSi-NiSi) ....................................................................................... 343.6.6 Types " R ", " S " et " B " ..................................................................................... 34

3.7 Cbles de compensation normaliss ..................................................... 353.7.1 Code de couleur des cbles de compensation ................................................... 36

3.8 Raccordement des thermocouples ........................................................ 37

3.9 Modles de thermocouples .................................................................... 40

3.10 Thermocouples chemiss ....................................................................... 40

Sommaire


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Sommaire

3.11 Recherche des dfauts ........................................................................... 423.11.1 Erreurs de raccordement possibles et leurs effets .............................................. 43

4 Sondes rsistance ................................................................ 45

4.1 Rsistance variable avec la temprature .............................................. 45

4.2 Rsistances en platine ............................................................................ 454.2.1 Calcul de la temprature partir de la rsistance ............................................... 474.2.2 Tolrances ........................................................................................................... 494.2.3 Classes de tolrance tendues ........................................................................... 50

4.3 Rsistances en nickel .............................................................................. 514.3.1 Tolrances ........................................................................................................... 51

4.4 Raccordement des sondes rsistance ............................................... 52

4.4.1 Technique deux fils .............................................................................................. 524.4.2 Technique trois fils ............................................................................................... 534.4.3 Technique quatre fils ............................................................................................ 534.4.4 Convertisseur de mesure en technique deux fils ................................................ 54

4.5 Modles .................................................................................................... 554.5.1 Rsistances en cramique .................................................................................. 554.5.2 Rsistances en verre ........................................................................................... 554.5.3 Sondes sous film souple ..................................................................................... 574.5.4 Sondes couche mince ...................................................................................... 57

4.6 Comportement long terme des sondes rsistance ........................ 59

4.7 Erreurs avec les sondes rsistance .................................................... 604.7.1 Influence de la ligne de mesure ........................................................................... 604.7.2 Rsistance disolement dfectueuse ................................................................... 604.7.3 Auto-chauffement .............................................................................................. 614.7.4 Tensions thermolectriques parasites ................................................................. 62

5 Fonction de transfert ............................................................... 63

6 Erreur due la dissipation de chaleur ................................... 67

6.1 Mesures pour rduire lerreur due la dissipation de chaleur ............ 69

7 Calibrage et talonnage .......................................................... 71

7.1 Calibrage ................................................................................................... 71

7.2 Deutsche Kalibrierdienst (DKD) .............................................................. 72

7.3 talonnage ................................................................................................ 73


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Sommaire

8 Armatures et gaines de protection ........................................ 75

8.1 Structure dune sonde lectrique ........................................................... 758.1.1 Ttes de raccordement conformes la norme DIN 43 729 ................................ 76

8.2 Sondes normalises et gaines de protection ........................................ 778.3 Sondes orientes vers une application .................................................. 808.3.1 Sonde rsistance pour fortes vibrations ........................................................... 808.3.2 Sondes rsistance pour lindustrie alimentaire ................................................. 818.3.3 Sondes rsistance pour compteur de calories ................................................. 82

8.4 Exigences pour la gaine de protection .................................................. 838.4.1 Gaines de protection mtalliques ........................................................................ 848.4.2 Gaines de protection pour la fonte ...................................................................... 858.4.3 Revtements organiques ..................................................................................... 868.4.4 Gaines de protection en cramique .................................................................... 87

8.4.5 Matriaux isolants cramiques ............................................................................ 888.4.6 Matriaux spciaux ............................................................................................. 88

8.5 Conditions dutilisation des gaines de protection ................................ 898.5.1 Matriaux de gaine de protection pour les fontes ............................................... 908.5.2 Rsistances aux gaz ............................................................................................ 91

9 Matriel avec protection antidflagrante .............................. 93

9.1 Modes de protection ............................................................................... 959.1.1 Mode de protection scurit intrinsque " i " suivant EN 50 020 ........................ 959.1.2 Sonde de temprature et protection antidflagrante .......................................... 959.2 Circuit lectrique scurit intrinsque ............................................... 96

9.3 Interconnexion de matriels lectriques ............................................... 96

10 Incertitude de mesure ........................................................... 101

10.1 Processus de mesure ............................................................................ 102

10.2 Point de vue naf : intervalle dincertitude ........................................... 102

10.3 Point de vue du GUM : incertitude de mesure standard .................... 10310.3.1 Distribution rectangulaire ................................................................................... 10510.3.2 Distribution triangulaire ...................................................................................... 10510.3.3 Distribution de Gauss ........................................................................................ 106

10.4 Dtermination de lincertitude de mesure suivant le GUM ................ 106

10.5 Point de vue conomico-industriel :incertitude de mesure largie ............................................................... 106

10.6 Quote-parts dincertitude de mesure dune chanede mesure de temprature .................................................................... 107


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Sommaire

11 Annexe .................................................................................... 115

11.1 Vue densemble des types dacier et de leurs dsignations .............. 115

11.2 Formules de calcul de la temprature ................................................. 116

11.3 Forces lectromotrices des thermocouples ....................................... 11811.3.1 Fer/Cuivre-Nickel (Fe-CuNi) " J " ....................................................................... 11911.3.2 Cuivre/Cuivre-Nickel (Cu-CuNi) " U " ................................................................ 12211.3.3 Cuivre/Cuivre-Nickel (Cu-CuNi) " T " ................................................................. 12311.3.4 Fer/Cuivre-Nickel (Fe-CuNi) " L " ...................................................................... 12411.3.5 Nickel-Chrome/Nickel (NiCr-Ni) " K " ................................................................ 12511.3.6 Nickel-Chrome/Cuivre-Nickel (NiCr-CuNi) " E " ................................................ 13011.3.7 Nicrosil/Nisil (NiCrSi-NiSi) " N " ........................................................................ 13211.3.8 Platine-Rhodium/Platine (Pt10Rh-Pt) " S " ........................................................ 13611.3.9 Platine-Rhodium/Platine (Pt13Rh-Pt) " R " ........................................................ 141

11.3.10 Platine-Rhodium/Platine (Pt30Rh-Pt6Rh) " B " ................................................. 14611.4 Valeurs fondamentales pour Pt 100 ..................................................... 151

11.5 Valeurs fondamentales pour Ni 100 ..................................................... 154

12 Normes et bibliographie ....................................................... 155

12.1 Normes ................................................................................................... 155

12.2 Bibliographie .......................................................................................... 156


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1 Mesure lectrique de la temprature

Dans nombre de process, lacquisition de la temprature est dune importance primordiale.Env. 45% de lensemble des points de mesure concernent la temprature : masses fondues, rac-tions chimiques, traitement des denres alimentaires, mesure dnergie et climatisation. Lesdomaines cits sont trs diffrents, les tches des capteurs de temprature, leurs modes dactionet leur ralisation technique le sont tout autant.

Dans les process industriels, le point de mesure est souvent loign du lieu daffichage : dans lecas des fours fusion et des fours recuire, les conditions dopration limposent, dans dautrescas, lacquisition des mesures est centralise. Souvent il est ncessaire de traiter les mesures dansdes rgulateurs ou des enregistreurs. Dans ce cas, un thermomtre ordinaire affichage direct neconvient pas, il faut un thermomtre qui convertit la temprature en un autre signal, un signal lec-trique. Dailleurs on parle galement pour ces transducteurs lectriques de thermomtres o prisau sens strict le capteur de mesure est compos dun lment sensible log dans une armature deprotection.

Dans la mesure lectrique industrielle de temprature, les pyromtres, les sondes rsistance etles thermocouples sont courants. Outre cela il existe aussi des systmes dacquisition comme les

capteurs cristal oscillateur et les systmes optiques sur fibre qui nont pas encore russi faireleur entre dans lindustrie.

1.1 Mesure de temprature par contact

Outre les autres mthodes de mesure, les thermocouples et les sondes rsistance conviennentparticulirement bien aux objets de mesure qui permettent un contact. Ils sont utiliss en trs gran-des quantits et par exemple pour la mesure dans les gaz, les liquides, les masses en fusion ouencore la surface des solides. La prcision, le mode de rponse, la plage de temprature et lesproprits chimiques caractrisent les capteurs et les gaines de protection utiliss.

Les sondes rsistance utilisent le fait que la rsistance lectrique dun conducteur lectrique

varie avec la temprature. On diffrencie les rsistances coefficient de temprature positif (CTP)et celles coefficient de temprature ngatif (CTN). Dans le cas du CTP, la rsistance augmentelorsque la temprature augmente ; dans le cas du CTN, la rsistance diminue lorsque la tempra-ture augmente.

Les conducteurs mtalliques sont des thermistances CTP. Comme mtaux on utilise surtout duplatine, du nickel, de liridium, du cuivre et du silicium non dop (Spreading Resistance). La sonde rsistance en platine est largement rpandue. Les avantages se trouvent entre autres danslinsensibilit chimique de ce mtal, ce qui vite le risque dimpurets cause de loxydation etdautres ractions chimiques.

Les sondes rsistance en platine sont les capteurs les plus prcis pour les applications industri-elles et prsentent galement la meilleure stabilit long terme. Comme valeur indicative, la prci-

sion de la rsistance en platine est de 0,5% de la temprature de mesure. Au bout dun an, il peuty avoir un dcalage de 0,05 K cause du vieillissement. Les sondes rsistance en platine sontutilises sur des plages de temprature jusqu 800 C environ, ce qui correspond des possibili-ts dutilisation qui stendent de la climatisation au gnie chimique.

Les conducteurs rsistance CTN sont des capteurs composs de certains oxydes mtalliques,dont la rsistance diminue lorsque la temprature augmente. On parle galement de conducteurschauds parce quils ne prsentent une bonne conductibilit lectrique que pour des tempra-tures trs leves. On parle de rsistance CTN (ou galement en anglais NTC, Negative Tempera-ture Coefficient) parce que la caractristique temprature/rsistance descend.

cause de la nature des process sous-jacents, le nombre dlectrons de conduction augmente de

faon exponentielle lorsque la temprature augmente si bien que la courbe caractristique pr-sente une forte pente.


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Cette absence de linarit est un gros dfaut des rsistances CTN et limite les plages de tempra-ture dacquisition environ 50 K. En effet il est possible de linariser grce au montage en sriedune rsistance purement ohmique (de dix fois la valeur de la rsistance), toutefois la prcision etla linarisation ne suffisent pas pour des tendues de mesure plus grandes. La drive cause deschocs thermiques est suprieure par rapport celle des autres procds prsents [7]. cause de

leur caractristique, elles sont sensibles lauto-chauffement d des courants de mesure troplevs. Elles sont utilises pour des applications simples de surveillance et dindication o la tem-prature ne dpasse pas 200 C et o une prcision de quelques Kelvin suffit. Toutefois dans cetype dapplications simples, grce leur petit prix et au circuit lectronique de sortie relativementsimple, elles sont suprieures aux thermocouples et sondes rsistance (mtalliques) chers. Deplus il est possible de raliser des modles trs petits avec des temps de rponse courts et desmasses thermiques faibles. Dans cet ouvrage, nous nirons pas plus loin sur ce sujet.

Les thermocouples reposent sur leffet suivant : un dplacement de charge, dans un fil, le longdun gradient de temprature en fonction de la conductibilit lectrique du matriau. Si deuxconducteurs avec des conductibilits diffrentes sont mis en contact, suivant lamplitude du gradi-ent de temprature les diffrents dplacements de charge permettent de mesurer la tension dite

thermolectrique.Par rapport aux sondes rsistance, les thermocouples prsentent un avantage manifeste : unetemprature haute suprieure, jusqu plusieurs milliers de degrs Celsius. Par contre leur stabilit long terme est moins bonne, la prcision de mesure est un peu plus faible.

Les domaines dutilisation les plus frquents sont : les fours, les mesures dans les masses enfusion, les machines de plasturgie et les autres domaines avec des tempratures suprieures 250 C.

1.2 Mesure de temprature sans contact

Dans cette catgorie, on trouve les objets qui se dplacent ou qui ne sont pas accessibles pourune mesure, comme par exemple des fours rotatifs, des machines papier ou film, des laminoirs,des coules en continu, etc. Il sagit galement des objets avec une faible capacit thermique etune faible conduction thermique. La mesure sur un objet dans un four ou sur un objet trs loignest galement sans contact. Les mesures avec contact sont alors exclues et on utilise commegrandeur de mesure le rayonnement thermique de lobjet de la mesure.

Les instruments de mesure de la temprature sans contact, les pyromtres, fonctionnent selon leprincipe suivant : un thermocouple dtecte via une optique le rayonnement thermique mis par uncorps chaud. Si lon est certain que le champ dimage du pyromtre sur lobjet de la mesure seratoujours le mme (en totalit), on peut faire appel ce principe de mesure de la tempraturesimple.

Certains modles travaillent un peu diffremment : ils extraient une certaine longueur donde durayonnement reu et dterminent la proportion de cet extrait par rapport la totalit du rayonne-ment. Plus la temprature dun corps est leve, plus la part de longueurs donde courtes estgrande ; la lumire diffuse par le corps est toujours plus bleutre. Comme chacun sait, la couleurdun corps incandescent varie du rouge naissant au rouge blanc, ce qui sexplique par une propor-tion de bleu plus grande. En gnral, les pyromtres ne travaillent pas dans la plage visible, ils sontplutt sensibles au rayonnement infrarouge puisque les tempratures de lobjet dont le rayonne-ment est mesur sont trop faibles pour mettre des longueurs donde visibles utilisables pour lamesure.

Aprs avoir travers le filtre spectral, le rayonnement atteint une thermopile ; il sagit de plusieursthermocouples monts en srie sur une puce semi-conducteurs, le rayonnement donne nais-

sance une tension thermolectrique qui est amplifie et dlivre ensuite comme signal de sortie(0 20 mA par exemple pour des tempratures dans la plage de mesure). Le signal est de type


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linaire, il est donc possible de lappliquer directement un instrument de mesure. Les appareilsportatifs possdent un afficheur intgr. Les diffrents modles sont les suivants [16] :

1.2.1 Pyromtre radiation totale

Pyromtre dont la sensibilit spectrale sur le spectre de rayonnement thermique est presque ind-pendante de la longueur donde. Si lobjet de la mesure est un metteur noir, le signal du rcepteursuit peu prs la loi sur les rayonnements de Stefan-Boltzmann.

1.2.2 Pyromtre spectral

Pyromtre qui nest sensible que sur une plage troite du spectre de rayonnement thermique. Silobjet de la mesure est un metteur noir, le signal du rcepteur suit peu prs la loi sur les rayon-nements de Planck.

1.2.3 Pyromtre faisceau

Pyromtre sensible sur une large plage du spectre de rayonnement thermique. Le signal du rcep-teur ne suit ni la loi de Stefan-Boltzmann, ni la loi de Planck dans une approximation acceptable.

1.2.4 Pyromtre luminance nergtique

Pyromtre avec lequel la temprature est dtermine immdiatement partir de la luminance ner-gtique ou par comparaison avec un metteur de rfrence de luminance nergtique connue.

1.2.5 Pyromtre rpartition

Pyromtre avec lequel la temprature est dtermine par identification dune couleur mlange de

deux domaines spectraux du rayonnement thermique de lobjet de la mesure une couleur mlan-ge dun metteur de rfrence de rpartition spectrale connue.

1.2.6 Pyromtre rapport

Pyromtre avec lequel la temprature est dtermine partir du rapport des luminances nerg-tiques dau moins deux domaines diffrents du spectre de rayonnement thermique de lobjet de lamesure.

Le principe de la mesure sans contact permet de mesurer facilement et rapidement, avec despyromtres, la temprature dobjets mobiles. Toutefois dterminer le pouvoir missif de lobjet de

la mesure peut prsenter des difficults : la capacit dun corps rayonner de la chaleur dpendde la nature de sa surface, plus prcisment de sa couleur. Lorsque la temprature augmente, lescorps noirs dgagent plus de chaleur (plus dondes lumineuses) que les corps blancs ou de cou-leur. Il faut connatre le facteur dmission de lobjet et le rgler sur le pyromtre. Des valeurs stan-dard sont donnes pour diffrents matriaux comme la tle noire, le papier, etc.

Malheureusement, en gnral il nest pas possible de vrifier la temprature indique par lepyromtre avec une autre mthode de mesure si bien quil est difficile dobtenir des valeurs abso-lues. Toutefois, si les conditions restent les mmes, en particulier en ce qui concerne la surface delobjet de la mesure, il est possible deffectuer des mesures comparatives dans la plage de prci-sion indique pour linstrument.

En cas dinstallation dappareils non dissemblables lextrieur dune lunette, il faut veiller ceque seul lobjet de la mesure se trouve effectivement dans le champ optique de lappareil. Dans le


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cas de surfaces spculaires, les erreurs de mesure dues des rayonnements parasites sont facile-ment possibles. Des poussires sur lobjectif faussent le rsultat de la mesure ; la solution peuttre dinstaller sur les capteurs inaccessibles une buse dair comprim qui permet dter pri-odiquement les particules en suspension. Les rayons infrarouges traversent le brouillard (la vapeurdeau) beaucoup mieux que la lumire visible ; toutefois ils sont sensiblement absorbs par le

brouillard ainsi que par le gaz carbonique. Cest pourquoi lors de la conception, on choisit ledomaine spectral de sensibilit hors des bandes dabsorption si bien que la vapeur deau et le gazcarbonique nont aucun effet sur le rsultat de la mesure. Toutefois de fortes concentrations enpoussires, comme celles que lon rencontre dans les cimenteries, ont des rpercussions dfavor-ables. La plage de temprature pour lutilisation de la mthode pyromtrique stend de 0 3000 C.


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2 Notion de temprature

Du point de vue physique, la chaleur est une mesure de lnergie immanente un corps ; le corpspossde cette nergie cause du dplacement dsordonn de ses molcules ou de ses atomes.Tout comme une balle de tennis dont la vitesse augmente possde de plus en plus dnergie,lnergie interne dun corps ou dun gaz augmente lorsque la temprature crot. La temprature estune variable dtat qui dcrit avec dautres grandeurs comme la masse, la capacit thermique, etc.

le contenu nergtique dun corps. Lunit de temprature est le Kelvin. 0 K(elvin), les molculesdun corps sont au repos, le corps ne possde plus aucune nergie thermique. Cest pourquoi il nepeut y avoir de tempratures ngatives, un tat encore plus pauvre en nergie nest pas possible.Comme la mesure de lnergie cintique interne dun corps nest pas accessible directement, onutilise pour mesurer la temprature leffet de la chaleur sur certaines proprits physiques, commepar exemple la dilatation des mtaux ou des liquides, la rsistance lectrique, la tension ther-molectrique, la frquence doscillation dun quartz, etc. Pour une mesure de temprature objec-tive et prcise, il faut que leffet soit stable et reproductible.

2.1 chelle de temprature historique

Fig. 1 : Galile

Fig. 2 : thermoscope

Comme la sensibilit la chaleur des tres humains nest pas trs fiable pour dterminer la tem-prature, Galile a cherch ds 1596 (Fig. 1) une mthode objective pour mesurer la temprature.Pour cela il a utilis la dilatation de gaz et de liquides lorsque la temprature augmente. Le thermo-scope (Fig. 2) est compos dune ampoule en verre remplie dair (A) raboute un tube en

verre (B). Ce tube est plong (extrmit ouverte) dans un rservoir rempli deau colore (C).


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Si lair dans lampoule de verre est chauff, il se dilate et exerce une pression vers le bas sur lacolonne deau du tube en verre. Le niveau de leau sert indiquer la temprature. Linconvnientde ce systme est que les variations de la pression atmosphrique influencent la hauteur de lacolonne deau. La mesure de temprature nest reproductible quavec correction de la pressionatmosphrique.

Au milieu du 17e sicle, lacadmie de Florence a construit des thermomtres. Ces thermomtrestaient ferms par rapport au thermomtre de Galile si bien que la pression atmosphriqueninfluenait pas la mesure de temprature. Ils ont utiliss de lalcool comme liquide dans le ther-momtre.Lchelle de temprature a t dfinie par la temprature minimale en hiver et la temprature maxi-male en t. Il est vident que si on redfinit ou si on recalibre un thermomtre, on cre une nou-velle chelle puisque les tempratures minimale et maximale ne sont pas les mmes dune anne lautre. Il nexistait pas encore dchelle de temprature valable universellement qui aurait pu servir tout moment pour calibrer des thermomtres.

En 1715, le carreur David Fahrenheit de Gdansk a construit des thermomtres mercure dont les

indications concordaient, ce qui tait un grand progrs cette poque. De plus il a adopt unechelle de temprature qui portera son nom plus tard et qui est encore utilise aux tats-Unis.Comme zro de son chelle, il a choisi la temprature la plus basse de lhiver rigoureux de 1709 ;par la suite il a pu reproduire cette temprature avec un certain mlange de glace, de salmiacsolide et deau. Avec le choix de ce zro, Fahrenheit esprait pouvoir viter les tempratures nga-tives. Comme deuxime point fixe de son chelle, Fahrenheit choisira sa propre tempraturecorporelle laquelle il attribuera arbitrairement la valeur 100.

En 1742, lastronome sudois Anders Celsius propose de remplacer lchelle introduite par Fah-renheit par une chelle plus facile manipuler (chelle qui finalement portera son nom). Il choisitdeux points fixes facilement reproductibles partout dans le monde :

- La temprature de fusion de la glace sera de 0 C.

- La temprature dbullition de leau sera de 100 C.

Sur un thermomtre, lintervalle entre ces deux repres est appel lintervalle fondamental. Il estdivis en 100 tronons gaux, un tronon correspond une diffrence de temprature de 1 C.

Ainsi il tait possible de calibrer tout moment nimporte quel thermomtre et de garantir unemesure de temprature reproductible. Lorsquon change le liquide du thermomtre, il faut r-talonner le thermomtre sur ces deux points fixes puisque les proprits matrielles qui dpen-dent de la temprature diffrent quantitativement et aprs le changement lindication nest pluscorrecte.

Ce nest quau 19e sicle que lon a russi dfinir sans ambigut la temprature du point de vue

physique, grce aux lois fondamentales de la thermodynamique ; pour la premire fois, aucuneproprit matrielle na t utilise pour dfinir la temprature. Par principe, cette tempraturethermodynamique peut tre dtermine avec toutes les mthodes de mesure qui dcoulent de ladeuxime loi fondamentale de la thermodynamique.

Daprs la loi de Boyle-Mariotte, temprature constante, la pression est inversement proporti-onnelle au volume (p ~ 1/V). Daprs la loi de Gay-Lussac, volume constant, la pression aug-mente avec la temprature absolue (p ~ V). Il en rsulte lquation gnrale des gaz pour une molede gaz :

Formule 1 :

p Vm Rm T=


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Formule 4 :

ouFormule 5 :

avec

Formule 6 :

Les mesures avec diffrents gaz idaux et diffrents volumes de remplissage donnent toujours :

Formule 7 :

Formule 8 :

Pour x = 0, t = 273,15 C ou 0 K ; le zro absolu. La notion de temprature absolue remonte Wil-liam Thomson qui la introduite en 1851. Thomson, le futur Lord Kelvin, a prsent en 1852 unechelle de temprature reproductible, lchelle de temprature thermodynamique. Cette chelleest indpendante de lamplitude de la temprature et de la proprit matrielle, elle repose unique-ment sur la deuxime loi fondamentale de la dynamique. Pour dfinir cette chelle de temprature,on a eu besoin dun autre point fixe qui a t fix lors de la 10e confrence gnrale sur les poids etmesures, en 1954 : le point triple de leau. Il correspond une temprature de 273,16 K ou 0,01 C.Pour lunit de temprature thermodynamique, on applique la dfinition :

Dans les instituts de mtrologie, la temprature thermodynamique est gnralement dtermineavec ce type de thermomtres dilatation de gaz. Toutefois comme cette mthode de mesure estextrmement coteuse et laborieuse, on a convenu ds 1927 quil fallait crer une chelle de tem-prature pratique qui reflte aussi bien que possible lchelle de temprature thermodynamique.

Lchelle de temprature pratique repose en gnral sur un certain instrument de mesure ou uneproprit matrielle observable. Lavantage de cette dfinition est une grande reproductibilit pourun cot technique relativement faible.

tx xE

xS xE------------------- 100 C=

t1---

x xE

xE--------------- 100 C =

xS xB

xB 100 C-----------------------------=

1273,15 C--------------------------=

tx xB

xB---------------- 273,15 C=

1 Kelvin correspond 273,16ede la temprature thermodynamique du point triple de leau.


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15



2.2 Points fixes de tempratureLes matires premires prsentent diffrents tats physiques, elles sont liquides, solides ou gazeu-ses. Ltat (galement appel la phase) que prend la substance dpend de la temprature. Pourcertaines tempratures, deux ou trois tats co-existent, par exemple le glaon deau 0 C. Pour

leau il y a galement une temprature laquelle co-existent les phases solide, liquide et gazeuse.Cest la temprature dite du point triple : 0,01 C pour leau. Pour la plupart des autres matirespremires, seules deux phases apparaissent en mme temps.

Les autres points fixes sont les points de solidification des mtaux purs. Si on refroidit un mtalfondu, la masse en fusion commence se solidifier partir dune certaine temprature. Le pas-sage de la phase liquide la phase solide nest pas instantan, et la temprature reste constantejusqu ce que tout le mtal soit devenu solide. Cette temprature est appele temprature de soli-dification. Sa valeur dpend du degr de puret du mtal si bien que cette mthode permet dereproduire des tempratures de manire simple et trs prcise.

Fig. 4 : courbe de principe de la solidification dun mtal

2.3 chelle de temprature suivant ITS-90Les tempratures qui correspondent aux points fixes sont dtermines avec des thermomtres dilatation de gaz ou dautres instruments de mesure qui permettent de mesurer des tempraturesthermodynamiques. De nombreuses mesures comparatives dans les instituts publics comme lePTB (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt) ont permis denregistrer ces valeurs dans desdocuments lgaux. Comme ces appareillages coteux sont inadapts la mtrologie industrielle,certains points fixes sont dfinis comme valeurs de base par une convention internationale. Pourles valeurs intermdiaires, lchelle de temprature est dfinie avec des instruments de mesure quiinterpolent. Les instruments de mesure sont conus non seulement pour mesurer des tempra-tures comme le point de solidification et le point triple, mais galement toutes les valeurs interm-

diaires. Lexemple le plus simple dinstrument qui interpole est le thermomtre au mercure ou bienencore le thermomtre dilatation de gaz.

Jusqu la fin de lanne 1989, on utilisait lInternationale Praktische Temperaturskala de 1968,IPTS-68. Depuis 1990, une nouvelle chelle est entre en vigueur, lInternationale TemperaturskalaITS 90. Cette nouvelle chelle tait ncessaire puisque nombre de mesures par diffrents labora-toires dans le monde ont confirm des inexactitudes dans la dtermination des tempratures despoints fixes. Le tableau 1 donne les points fixes dfinis par lITS-90 et leur cart par rapport lIPTS-68.

temprature

liquide

solidification

solide

temps

court sur-refroisissementjusquau dbut de lasolidification


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Tab. 1 : points fixes de lITS-90 et leur cart par rapport lIPTS-68

La sonde rsistance en platine est admise comme thermomtre qui interpole, sur la plage 259 961,78 C. Pour que la caractristique de ce thermomtre reproduise les tempratures thermo-dynamiques aussi bien que possible, les exigences dans lITS-90 concernent la puret dumatriau. De plus, il faut calibrer le thermomtre aux points fixes prdfinis. partir des mesuresaux points fixes, on dtermine la fonction derreurs du thermomtre par rapport la fonction derfrence ; cette fonction derreurs permet ensuite de mesurer nimporte quelle temprature. Lestempratures sont donnes par le rapport rsistance R(T90) sur rsistance au point triple de leauR(273,16 K) . Le rapport W(T90) est dfini comme suit :

Formule 9 :

Pour satisfaire les exigences de lITS-90, il faut fabriquer un thermomtre partir dun fil de platinesans tension et spectralement pur, qui remplit au moins les conditions suivantes :

- W(29,7646 C) 1,11807,

- W(38,8344 C) 0,844235.

Si le thermomtre doit tre utilis jusquau point de solidification de largent, il faut galement rem-plir la condition suivante :

- W(961,78 C) 4,2844 C.Pour une plage de temprature dtermine, on applique la fonction Wr(T90) dite de rfrence. Pourla plage de temprature 0 961,78 C, la fonction de rfrence est la suivante :

Formule 10 :

Pour le thermomtre individuel, on calcule les paramtres a, b, c et d de la fonction de dviationW(T

90

) Wr

(T90

) partir des rsultats du calibrage aux points fixes prdfinis. Si le thermomtreest utilis par exemple de 0 C jusquau point de solidification de largent (961,78 C), il faut

Point fixe en C Matire cart par rapport lITPS-68 en K

218,7916 Oxygne 0,0026

189,3442 Argon 0,0078

38,8344 Mercure 0,00160,01 Eau 0,0000

29,7646 Gallium 0,0054

156,5985 Indium 0,0355

231,928 tain 0,0401

419,527 Zinc 0,0530

660,323 Aluminium 0,1370

961,78 Argent 0,1500

W T90( )R T90( )

R 273,16 K( )---------------------------------=

Wr T90( ) C0= + Cii 1=

9

T90 K 754,15

481------------------------------------------

1


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calibrer aux points fixes suivants : point triple de leau (0,01 C) et points de solidification de ltain(231,928 C), du zinc (419,527 C), de laluminium (660,323 C) et de largent (961,78 C). Lafonction de dviation devient :

Formule 11 :

( Supplementary Information for the ITS-90 (BIPM-1990) contient des dtails supplmentairessur la conversion de lITS 90.)

W T90( ) Wr T90( ) a W T90( ) 1[ ] b W T90( ) 1[ ]2 c W T90( ) 1[ ]

3 d W T90( ) W 660,323 C( )[ ]2+ + +=


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3 Thermocouples

3.1 Effet thermolectriqueLe thermocouple est bas sur leffet dcrit par Seebeck en 1821 : un courant de faible intensitcircule lorsque deux conducteurs constitus de mtaux diffrents A et B sont relis et soumis une diffrence de temprature. Les deux conducteurs relis lun lautre sont appels thermo-

couple (Fig. 5).

Fig. 5 : effet thermolectrique

La tension elle-mme dpend aussi bien des deux matriaux que de la diffrence de temprature.Pour pouvoir comprendre leffet Seebeck, il faut sintresser la structure des mtaux, plus prci-sment leur structure atomique. Un conducteur mtallique se distingue par ses lectrons dit deconduction responsables de la conduction du courant. Si la temprature dun conducteur mtalli-que est uniforme, les lectrons se dplacent lintrieur du rseau cristallin grce leur nergiethermique. lextrieur le conducteur nest pas polaris (ni charge positive, ni charge ngative), ilest neutre (Fig. 6).

Fig. 6 : structure dun conducteur mtallique

Si le conducteur est chauff une extrmit, lnergie thermique est ajoute celle des lectrons,leur vitesse moyenne augmente par rapport celle des lectrons de lextrmit froide. Les lec-trons diffusent de lextrmit chaude vers lextrmit froide et cdent leur nergie ; ils deviennentplus lents (Fig. 7).

Fig. 7 : dplacement de charge dans un conducteur mtallique chauff

La conduction thermique dun mtal sexplique galement ainsi. Comme les lectrons se dpla-cent cause du chauffage dun seul ct, une charge ngative se forme sur lextrmit froide.Dautre part un champ lectrique apparat entre la charge positive (extrmit chaude) et la charge

ngative (extrmit froide) ; ce champ force le retour des lectrons vers lextrmit chaude.

V

A

BT T21

atomes

lectrons libres

-+


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3 Thermocouples


Le champ lectrique existe tant quil ny a pas dquilibre dynamique entre les lectrons entransjusqu lextrmit froide par le gradient de temprature et la force de " rtropropulsion " du champlectrique. ltat dquilibre, le nombre dlectrons qui se dplacent dans un sens dans une sec-tion donne est gal au nombre dlectrons dans lautre sens. La vitesse des lectrons de lextr-mit chaude est suprieure la vitesse des lectrons (en sens inverse) de lextrmit froide. Cette

diffrence de vitesses est responsable de la conduction thermique dans le conducteur, sans trans-port de charge, jusqu ltablissement de lquilibre dynamique dcrit ci-dessus.

Si on veut mesurer la diffrence de potentiel entre les extrmits chaude et froide du conducteur, ilfaut relier lextrmit chaude un conducteur lectrique par exemple. Ce conducteur est soumisau mme gradient de temprature, le mme quilibre dynamique stablit. Si on ajoute un deu-xime conducteur constitu du mme matriau, on obtient une structure symtrique avec la mmecharge aux deux extrmits libres. Il nest pas possible de mesurer une diffrence de potentielentre les deux charges. Si le deuxime conducteur est constitu dun autre matriau avec uneconductibilit lectrique diffrente, un autre quilibre dynamique stablit dans le fil.Consquence : les charges aux extrmits des conducteurs sont diffrentes, il est possible demesurer une diffrence de potentiel avec un voltmtre (Fig. 8).

Fig. 8 : effet thermolectrique

Un problme apparat si la mesure de la tension est ralise avec un voltmtre dont les points decouplage sont constitus dun autre matriau. Il en rsulte deux thermocouples supplmentaires.Si les fils de raccordement lappareil de mesure sont en matriau C, une tension thermolec-trique apparat aux points de connexion A - C et B - C (Fig. 9).

Fig. 9 : thermocouple ; le raccordement introduit un matriau supplmentaire

Il y a deux solutions possibles pour compenser cette tension thermolectrique supplmentaire :

- un point de rfrence une temprature connue,

- une correction des thermocouples prsents la connexion de linstrument de mesure.

La figure 10 montre le thermocouple avec le point de compensation une temprature constanteet connue.

Ni

NiCr

V

V

A C

CBT1 T2


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3 Thermocouples


Fig. 10 : thermocouple avec point de compensation

" Tension de la combinaison de matriaux A-C plus tension de la combinaison C-B " est gal latension de la combinaison A-B. Tant que tous les points de connexion sont la mme tempra-ture, le matriau C na aucun effet supplmentaire. Ainsi il est possible deffectuer une correction :on mesure la temprature aux points de connexion A-C et B-C et on soustrait la tension attendue

pour la combinaison A-B la temprature mesure (compensation de soudure froide). Normale-ment le point de compensation est maintenu 0 C (bain glac par exemple) si bien quil est possi-ble dutiliser directement la tension mesure pour dterminer la temprature, en fonction desforces lectromotrices de base.

Tout point de connexion soumis la temprature de mesure est qualifi de point de mesure. Lepoint de compensation est le point de connexion o rgne une temprature connue. Un thermo-couple dsigne toujours la totalit du dispositif ncessaire pour produire une tensionthermolectrique ; un couple thermolectrique est constitu de deux conducteurs diffrents relisensemble ; un conducteur seul est appel une branche thermolectrique (positive ou ngative)[16].

La tension produite par leffet thermolectrique est trs faible, elle ne slve qu quelques micro-

volts par Kelvin. Cest pourquoi en gnral les thermocouples ne sont pas utiliss pour mesurer surla plage 30 +50 C : dans ce cas, la diffrence par rapport la temprature du point decompensation est trop faible pour obtenir un signal de mesure sans parasites. Les applicationspour lesquelles le point de compensation est port une temprature nettement suprieure ouinfrieure par exemple grce une immersion dans lazote liquide sont concevables mais rares.

Dailleurs il nest pas possible de donner une tension thermolectrique " absolue ", il sagit seule-ment de la diffrence entre les tensions thermolectriques affectes deux tempratures. Uneindication du type " tension thermolectrique 200 C " (ou une autre temprature) dans lesforces lectromotrices signifie toujours " ... par rapport la tension thermolectrique 0 C ". Latension thermolectrique 200 C se dcompose de la faon suivante :

Formule 12 :

Les tensions thermolectriques effectives dans les diffrents conducteurs constitus des matri-aux A et B sont considrablement plus leves mais leur mesure directe est impossible.

Chaque fois quon relie deux mtaux diffrents, un thermocouple apparat, donc galement l oles mtaux du thermocouple sont relis au cble en cuivre par exemple (pour indiquer la tensionthermolectrique dans un autre endroit).

V

A

CB

C

point de compensation T = 0 C

U 200 C( ) UthA

200 C( ) UthB

200 C( )=


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3 Thermocouples


Fig. 11 : thermocouple avec point de compensation la temprature T2

Comme ici les signes des tensions thermolectriques rsultantes sont opposs (transitionmatriau A/B - cuivre), seule la diffrence des tensions thermolectriques entre le matriau B et lematriau A est importante. En dautres mots : le matriau du cble de raccordement est sansimportance pour la tension thermolectrique qui rgne dans le circuit. Par contre la tempraturequi rgne au point de connexion avec le cble en cuivre (ou avec un cble de raccordement dansun autre matriau) est importante. On parle galement ce sujet de temprature de connexionpuisque le thermocouple et le cble de raccordement sont connects ensemble.

Si la temprature de connexion est connue, la tension thermolectrique mesure permet deconclure directement sur la temprature de mesure au point de connexion des filsthermolectriques : la tension thermolectrique due la temprature de connexion est ajoute latension mesure, on obtient donc la tension thermolectrique par rapport la rfrence de 0 C.

Exemple : la temprature du point de mesure est de 200 C, la temprature de connexion estde 20 C, la tension thermolectrique mesure est de 9 mV. La diffrence de temprature taitde 180 C. Comme la temprature est en gnral rapporte 0 C, il faut corriger la valeur et laug-menter de 20 C.

En clair : si le point de compensation tait rellement abaiss 0 C dans ce cas les bornes latension totale augmenterait dune valeur qui correspond une diffrence de temprature de 20 C.

La tension thermolectrique ramene 0 C est par consquent :Formule 12 :

V

A

B Cu

Cu

T1 T2

U = U(t) + U(20C)

tension thermolectrique tension tension thermolectriqueramene 0C mesure de la temprature de connexion


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3.4 Comportement en cas de rupture ou de court-circuitUn thermocouple ne dlivre aucune tension si la temprature de mesure est gale la tempraturedu point de compensation. Cela signifie que la position de repos de lindicateur reli ne doit pas setrouver 0 C mais la temprature du point de compensation. Si un thermocouple est

dconnect, lindicateur ne revient pas zro dans la mesure o il ny a pas de message particu-lier pour la rupture de sonde mais la temprature rgle sur lappareil pour le point de compen-sation.

Fig. 13 : thermocouple la mme temprature que le point de compensation

Si le thermocouple ou le cble de compensation est en court-circuit, un nouveau point de mesureapparat l o il y a court-circuit. Si le court-circuit se produit dans la tte de raccordement parexemple, la temprature affiche nest plus celle du point de mesure rel mais celle de la tte deraccordement. Si cette temprature est proche de la temprature de mesure relle, il se peut quelon ne remarque mme pas lerreur.Les conducteurs du cble de raccordement peuvent tre en court-circuit, cest le cas sils nontpas t pris dans la borne de raccordement ou sils forment un pont par rapport la deuximeborne de raccordement.

Si les tempratures sont leves, avec le temps les thermocouples sont de plus en plus fragilesparce qu cause de la recristallisation la taille des grains dans le mtal augmente. Cest pourquoi

la plupart des appareils lectriques raccords des thermocouples disposent de circuits dentrequi dtectent et signalent la rupture de thermocouple. Le court-circuit de sonde nest pas si facile dtecter (voir les explications ci-dessus), cependant il est extrmement rare.

0mV

A

B Cu

Cu

20 C 20 C


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3.5 Thermocouples normalissParmi les nombreuses possibilits de combinaisons de mtaux, certaines ont t slectionnes etnormalises en fonction de leurs proprits, en particulier la force lectromotrice et les tolrancesadmissibles. Les couples suivants sont normaliss (tension thermolectrique et tolrance) au

niveau mondial (CEI), europen et national.DIN CEI 584-1, EN 60584-1Fer/Cuivre-Nickel (Fe-CuNi) Lettre didentification " J "Cuivre/Cuivre-Nickel (Cu-CuNi) Lettre didentification " T "Chrome-Nickel/Nickel (NiCr-Ni) Lettre didentification " K "Chrome-Nickel/Cuivre-Nickel (NiCr-CuNi) Lettre didentification " E "Nicrosil/Nisil (NiCrSi-NiSi) Lettre didentification " N "Platine-Rhodium/Platine (Pt10Rh-Pt) Lettre didentification " S "Platine-Rhodium/Platine (Pt13Rh-Pt) Lettre didentification " R "Platine-Rhodium/Platine (Pt30Rh-Pt6Rh) Lettre didentification " B "

DIN 43710 (nest plus valable)

Fer/Cuivre-Nickel (Fe-CuNi) Lettre didentification " L "Cuivre/Cuivre-Nickel (Cu-CuNi) Lettre didentification " U "

Il sagit de fer techniquement pur et dun alliage CuNi avec 45-60% en poids de cuivre, ainsi quedalliages de platine pur et de rhodium dans les compositions indiques ; les autres alliages nesont pas encore dfinis. Pour le couple chrome-nickel/nickel, on trouve souvent labrviationNiCr-NiAl ainsi que la dsignation " chromel-alumel " puisque de laluminium est ajout la bran-che nickel ; la couche AI2O3 protge le nickel. Outre ce couple, il y a le couple Nicrosil/Nisil(NiCrSi-NiSi), type " N ". Il se diffrencie du couple chrome-nickel/nickel par une proportion dechrome plus leve dans la branche positive (14,2% au lieu de 10%) et une quote-part de siliciumdans les deux branches. Ainsi une couche de dioxyde de silicium (silice) se forme en surface, elleprotge le couple. Sa tension thermolectrique est environ 10% infrieure celle du type " E " etelle est dfinie jusqu 1300 degrs.

Attention : deux thermocouples de type Fe-CuNi (types L et J) et de type Cu-CuNi (types U et T)sont normaliss, ce qui est justifi historiquement. Toutefois les " anciens " couples U et L sontmaintenant passs au second plan par rapport aux couples J et T suivant EN 60584. Tous lescouples ne sont pas compatibles parce que les alliages sont diffrents ; si un couple Fe/CuNi detype L est soumis une linarisation suivant la caractristique de type J, des erreurs de plusieursKelvin apparaissent parce que les caractristiques sont diffrentes. Idem pour les couples de typesU et T.


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3 Thermocouples


Des codes de couleur sont dfinis pour les couples thermolectriques et les cbles de compensa-tion. Attention : malgr un code de couleurs dfini au niveau international, vous pouvez toujoursrencontrer des codes nationaux et les confondre facilement.

Tab. 2 : codes de couleur pour les couples thermolectriques et les cbles de compensation

Si les fils thermolectriques ne sont pas reprs, les signes distinctifs suivants peuvent tre utiles :

Fe-CuNi : la branche positive est magntiqueCu-CuNi : la branche positive est de couleur cuivreNiCr-Ni : la branche ngative est magntiquePtRh-Pt : la branche ngative est plus souple

Les tempratures limites sont galement fixes par la norme. On distingue :- la temprature maximale,- la temprature de dfinition.

La temprature maximale est la valeur jusqu laquelle une tolrance est dfinie (voir lasection 3.5.2). La colonne " Dfinie jusqu " contient la temprature jusqu laquelle la tensionthermolectrique est normalise (voir le tableau 3).

Pays Internat. USA Royaume-Uni

Allemagne Japon France

Type Norme CEI 584 ANSI MC96.1(couplethermo-lectrique)

ANSI MC96.1(cble decompensation)

BS1843 DIN 43714 JIS C1610-1981

NF C42-323

JGaineBranche +Branche

noirnoirblanc

marronblancrouge

noirblancrouge

noirjaunebleu

type Lbleurougebleu

jaunerougeblanc

noirjaunenoir

K GaineBranche +Branche

vertvertblanc

marronjaunerouge

jaunejaunerouge

rougemarronbleu

vertrougemarron

bleurougeblanc

jaunejaunepourpre

E GaineBranche +Branche

violetvioletblanc

marronpourprerouge

pourprepourprerouge

marronmarronbleu

noirrougenoir

pourprerougeblanc

TGaineBranche +Branche

marronmarronblanc

marronbleurouge

vertnoirrouge

bleublancbleu

type Umarronrougemarron

marronrougeblanc

bleujaunebleu

R GaineBranche +Branche

orangeorangeblanc

vertnoirrouge

vertblancbleu

noirrougeblanc

S Gaine

Branche +Branche

orange

orangeblanc

vert

noirrouge

vert

blancbleu

blanc

rougeblanc

noir

rougeblanc

vert

jaunevert

B GaineBranche +Branche

grisgrisblanc

grisgrisrouge

grisrougegris

grisrougeblanc

N GaineBranche +Branche

roseroseblanc

marronorangerouge

orangeorangerouge


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Tab. 3 : thermocouples suivant EN 60 584

3.5.1 Forces lectromotrices

Dune faon gnrale il faut retenir que la tension thermolectrique est dautant plus leve que lesmtaux des deux branches sont diffrents. Entre tous les couples cits, le couple NiCr-CuNi pr-sente la force lectromotrice la plus grande. Par contre les couples au platine dont les branches nese diffrencient que par la quote-part dalliage au rhodium possdent la force lectromotrice laplus petite. Outre un cot suprieur, cest un inconvnient des thermocouples en mtal prcieux.

Les forces lectromotrices indiques dans la norme sont calcules laide de polynmes du deu-xime au quatrime degr. Vous trouverez ces polynmes dans lannexe de la normeEN 60 584, Partie 1. Ces forces lectromotrices se rapportent toutes une temprature derfrence de 0 C. Cependant la temprature relle du point de compensation est en gnral dif-frente. Il faut donc corriger de cette tension la tension affecte la temprature de mesure :

Exemple :Couple Fe-CuNi, type " J ", temprature de mesure 300 C,temprature du point de compensation 20 CTension thermolectrique 300 C : 16,325 mVTension thermolectrique 20 C : 1,019 mVTension thermolectrique rsultante : 15,305 mV

cause de la non-linarit de la tension, il serait faux de dterminer en premier lieu la tempraturequi correspond la tension thermolectrique mesure et de retirer ensuite de celle-ci la tempra-ture du point de compensation. Il faut toujours soustraire de la tension thermolectrique la tensionqui correspond la temprature du point de compensation. En gnral la correction due la ten-sion thermolectrique produite au point de compensation est effectue automatiquement par un

circuit lectronique de lappareil raccord.

Norme Couple Temprature maximale Dfinie jusqu

DIN EN 60584

Fe-CuNi J 750 C 1200 C

Cu-CuNi T 350 C 400 C

NiCr-Ni K 1200 C 1370 CNiCr-CuNi E 900 C 1000 C

NiCrSi-NiSi N 1200 C 1300 C

Pt10Rh-Pt S 1600 C 1540 C

Pt13Rh-Pt R 1600 C 1760 C

Pt30Rh-Pt6Rh B 1700 C 1820 C


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3.5.2 Tolrances

Trois classes de tolrances sont dfinies pour les thermocouples conformes la norme EN 60 584.Elles sont valables pour les fils thermolectriques avec un diamtre compris entre 0,25 et 3 mm etconcernent ltat la livraison. Elles ne donnent aucune indication sur un ventuel vieillissement

ultrieur puisque celui-ci dpend trs fortement des conditions dutilisation. Les limites de tem-prature dfinies pour les classes de tolrance ne sont absolument pas les limites recommandespour la temprature dutilisation ; les tensions thermolectriques pour des plages de tempratureconsidrablement plus grandes sont indiques dans les forces lectromotrices. Aucune tolrancenest dfinie hors de ces limites de temprature (voir le tableau 3).

Tab. 4 : tolrances pour les thermocouples conformes la norme EN 60 584

Tab. 5 : tolrances pour les thermocouples conformes la norme DIN 43 710

Tab. 6 : tolrances pour les thermocouples conformes la norme ANSI MC96.1 1982

Fe-CuNi (J) Classe 1Classe 2Classe 3

40 40

+ 750 C+ 750 C

0,004 t0,0075 t

ouou

1,5 C2,5 C

Cu-CuNi (T) Classe 1Classe 2

Classe 3

0 40

200

350 C+ 350 C

+ 40 C

0,004 t0,0075 t

0,015 t

ouou

ou

0,5 C1,0 C

1,0 CNiCr-Ni (K) etNiCrSi-NiSi (N)

Classe 1Classe 2Classe 3

40 40 200

+1000 C+1200 C+ 40 C

0,004 t0,0075 t0,015 t

ououou

1,5 C2,5 C2,5 C

NiCr-CuNi (E) Classe 1Classe 2Classe 3

40 40 200

+ 900 C+ 900 C+ 40 C

0,004 t0,0075 t0,015 t

ououou

1,5 C2,5 C2,5 C

Pt10Rh-Pt (S) etPt13Rh-Pt (R)

Classe 1Classe 2Classe 3

0 0

1600 C1600 C

[1 + 0,003 (t-1100 C)]0,0025 t

ouou

1,0 C1,5 C

Pt30Rh-Pt6Rh (B) Classe 1

Classe 2Classe 3

600

600

1700 C

1700 C

0,0025 t

0,005 t

ou

ou

1,5 C

4,0 C

Cu-CuNi (U) 0 600 C 0,0075 t ou 3,0 C

Fe-CuNi (L) 0 900 C 0,0075 t ou 3,0 C

NiCr-CuNi (E) StandardParticulier 0 0 900 C900 C 0,005 t0,004 t ouou 1,7 C1,0 C

Fe-CuNi (J) StandardParticulier

0 0

750 C750 C

0,0075 t0,004 t

ouou

2,2 C1,1 C

NiCr-Ni (K) StandardParticulier

0 0

1250 C1250 C

0,0075 t0,004 t

ouou

2,2 C1,1 C

Cu-CuNi (T) StandardParticulier

0 0

350 C350 C

0,0075 t0,004 t

ouou

1,0 C0,5 C

Pt10Rh-Pt (S) etPt13Rh-Pt (R)

StandardParticulier

0 0

1450 C1450 C

0,0025 t0,001 t

ouou

1,7 C0,6 C


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On prend toujours la valeur la plus leve.

Exemple :Couple Fe-CuNi " J ", Classe 2, temprature de mesure 200 C,temprature du point de compensation 0 C,Tolrance suivant EN 60 584 : 2,5 C ou 0,0075 t = 2,5 C ou 0,0075 200 C = 2,5 C ou 1,5 C.

Cest pourquoi il faut partir dune incertitude de mesure de 2,5 C. Bien entendu, cest latolrance maximale admissible, dans la plupart des cas lcart rel est infrieur.

Fig. 14 : tolrances pour la classe 2 de la norme EN 60 584

Si un thermocouple de ce type dlivre une tension qui correspond une diffrence de tempraturede 200 C entre le point de mesure et le point de compensation, la diffrence de temprature rellese trouve entre 197,5 et 202,5 C.

tlerance (+/-) en Kelvin

classe 2

temprature en C


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3.5.3 Linarit

La tension dlivre par un thermocouple nest pas linaire par rapport la temprature, cest pour-quoi elle est dabord linarise par des circuits lectroniques spciaux ; pour cela, sur les appareilsnumriques, on programme des tables de linarisation, sur certains appareils lutilisateur doit saisir

des points fixes. Dans le cas des instruments aiguille, on trouve souvent une chelle gradue quinest pas linaire. Les caractristiques des couples thermolectriques conformes une normesont dtermines laide des forces lectromotrices si bien que les couples sont totalement inter-changeables. Cela signifie quun thermocouple Fer/Cuivre-Nickel de type " K " par exemple peuttre remplac par un autre couple de ce type, indpendamment du fabricant, sans quil soit nces-saire de recalibrer lappareil raccord.

Fig. 15 : caractristiques des thermocouples conformes la norme EN 60 584

3.5.4 Comportement long terme

En gnral la temprature maximale dutilisation des matriaux est fixe partir de leur oxydabilitet leur vieillissement des tempratures leves. Outre les couples " non prcieux " bon marchen cuivre, nickel et fer, on dispose pour la plage de temprature au-del de 800 C environ decouples " prcieux " platinifres dont la temprature maximale atteint 1800 C.

La branche positive des thermocouples des types " K " ou " E " et la branche ngative des types" J ", " T " ou " E " prsentent dans la plage de temprature 250 C 650 C une modificationrversible de la structure cristalline qui est lorigine dune erreur daffichage de 5 K environ.

En outre il existe dautres combinaisons de mtaux diffrentes, entre autres avec des carburesmtalliques adapts surtout aux tempratures extrmement leves ou basses. Leurs caractri-stiques ne sont pas normalises.

Toutefois la stabilit des thermocouples par rapport aux atmosphres oxydantes et rductrices estgnralement de moindre importance puisque les thermocouples sont monts presque exclusive-ment dans des gaines de protection tanches aux gaz, fermes hermtiquement.

Les thermocouples nus (les fils thermolectriques pendent librement dans le four) ne peuvent treutiliss en ralit quau-del de 1000 C puisque la rsistance disolement propre des matriauxcramiques est trop faible. Toutefois, pour utiliser des couples nus, qui devraient tre quen platine,

il faut faire attention nombre de facteurs qui peuvent provoquer un vieillissement prmatur par-fois en quelques heures.

tlerance en mV

temprature en C


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Le silicium en particulier est souvent prsent dans les corps de chauffe et leur isolant ; il est libravec intensit la premire mise en service ; il diffuse facilement lintrieur des fils thermolec-triques et les pollue. Lhydrogne fragilise les fils thermolectriques, cest pourquoi ils ne doiventtre utiliss sans gaine de protection que dans des atmosphres oxydantes. (Les couples tungs-tne-rhnium par exemple sont utiliss dans les atmosphres rductrices au-del de 1000 C mais

ils ne peuvent pas supporter loxygne.) Comme on trouve maintenant des cramiques avec unersistance la chaleur jusqu 1800 C, il faut si possible renoncer aux thermocouples nus et tou-jours utiliser une gaine de protection tanche aux gaz.

Un autre thermocouple typique pour les tempratures leves est le couple molybdne-rhnium. Ilest mcaniquement plus stable que le couple tungstne-rhnium et comme ce dernier il nest utili-sable que dans une atmosphre rductrice ou dans un vide trs pouss. La temprature maximaleest environ 2000 C, toutefois elle est gnralement limite par les matriaux isolants utiliss. Il nya pas de cble de compensation pour ce couple. Cest pourquoi la tte de raccordement est refroi-die et sa temprature sert de temprature du point de compensation. Si ce thermocouple nest paslibre et se trouve dans une armature de protection, il faut vacuer loxygne cause de la sensibi-lit ou lasperger de gaz protecteur.

Pour la constance thermique dun couple, le vieillissement des matriaux est trs important. Lor-squon sapproche progressivement du point de fusion, la vitesse de diffusion des atomes dans lemtal augmente. Cest pourquoi les atomes trangers immigrent trs facilement dans le thermo-couple, par exemple depuis le matriau de la gaine de protection. Comme les deux branches ther-molectriques sont allies avec les mmes atomes trangers, leurs proprits thermolectriquesconvergent et la tension thermolectrique diminue. Cest pourquoi pour les mesures de tempra-ture au-del de 800 C, il ne faut utiliser que des thermocouples en platine, si une stabilit longterme de quelques Kelvin est exige.

Le platine pur montre une grande affinit avec le captage datomes trangers. Cest pourquoi lastabilit long terme des couples platine-rhodium augmente lorsque la proportion de rhodium

augmente. Le couple Pt13Rh-Pt est environ deux plus stable dans le temps que le couple Pt10Rh-Pt [1]. En outre, il dlivre une tension thermolectrique plus leve. Le couple Pt30Rh-R6Rh quiprsente toutefois une force thermolectrique presque deux fois plus petite est encore plus stable long terme.

Il faut absolument tenir compte du phnomne de vieillissement dans la plage de tempraturehaute aussi bien lors du choix des couples que lors de leur maniement. Un exemple issu de la pra-tique montre que dans les fours datelier de trempe, environ 950 C, les thermocouples de type" K " monts dans des tubes mtalliques rfractaires prsentent au bout de deux ans une drivede 25 K. Un contrle rgulier des couples monts est absolument recommand. On peut parexemple garder un couple du mme type que celui install et lutiliser pour le contrle par roule-ment des couples. Pour cela on remplace le thermomtre vrifier (thermocouple avec gaine de

protection et tte de raccordement) par ce thermocouple et on compare la temprature afficheavec la temprature indique par le spcimen remplac pour pouvoir se prononcer sur le vieillisse-ment du spcimen.


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Fig. 16 : vieillissement des thermocouples (suivant [1])

Ensuite on remplace le thermocouple de calibrage par le spcimen dorigine. Des tubes ajoursdans lequel on peut introduire le thermocouple de comparaison (en plus du thermocouple en ser-vice) rendent superflu le dmontage du thermocouple tester, cest un point considrer ds laconception. Les thermomtres avec une gaine de protection en cramique ne doivent tre soumisqu des changements de temprature lents lorsquon les retire ou on les introduit avec prcautiondans la gaine de protection. Sinon des microfissures peuvent apparatre dans la cramique, ce quipermet aux impurets datteindre le couple et de modifier sa caractristique.

3.6 Critres de slection

Le choix du type de thermocouple dpend en premier lieu de la temprature dutilisation. De plus ilfaut choisir un couple avec une tension thermolectrique leve pour obtenir un signal de mesureaussi insensible aux parasites que possible.Dans le tableau 8 ci-dessous, les diffrents couples sont prsents avec leur trait de caractre .Les tempratures maximales recommandes ne peuvent tre considres que comme des valeursde rfrence puisquelles dpendent fortement des conditions dutilisation. Elles reposent sur du filde 3 mm de diamtre pour les couples non prcieux et de 0,5 mm de diamtre pour les couplesprcieux.

1. Suivant DIN 43710 (1977) pour une utilisation lair purTab. 8 : proprits des thermocouples

Cu-CuNi 350 C1)

Peu rpandu.Fe-CuNi 700 C1) Trs rpandu, bon march, risque de corrosion.

NiCr-CuNi 700 C1) Peu rpandu, tension thermolectrique leve.

Ni-CrNi 1000 C Souvent utilis sur la plage 800 - 1000 C,galement adapt la plage de temprature infrieure.

NiCrSi-NiSi 1300 C (Encore) peu rpandu.Peut remplacer en partie les couples prcieux.

Pt10Rh-Pt 1500 C (1300 C1)) Cher, trs bonne stabilit long terme, tolrance troite.

Pt30Rh-Pt6Rh 1700 C Cher, tension thermolectrique la plus faible,temprature maximale leve.

drive en K 1000 h

temprature en C

-1

-

-

-


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3.6.1 Type " T " (Cu-CuNi)

La valeur limite de 400 C indique dans la norme DIN 43 710 pour le couple Cu-CuNi a t rduite 350 C parce que suivant la norme CEI 584 la tolrance de ce couple nest dfinie que jusqucette temprature ; dans lair pur, il y a oxydation ds 200 C. Au-del de 350 C, la branche en

cuivre soxyde trs rapidement, ce qui modifie la force lectromotrice. De plus les erreurs dues ladissipation de chaleur apparaissent facilement parce que la branche en cuivre conduit bien la cha-leur. Ce thermocouple est souvent utilis pour la mesure basse temprature, jusqu 270 C. Cecouple est trs peu rpandu. Si la rsistance la corrosion est un point important, il vaut mieuxrecourir un couple NiCr-Ni puisquil est plus rpandu.

3.6.2 Type " J " (Fe-CuNi)

Le couple Fe-CuNi est le thermocouple le plus rpandu de tous. Outre les raisons traditionnelles,cest galement parce quil est bon march et que sa tension thermolectrique est relativementleve. Il est utilis sur les plages de temprature infrieure moyenne, quand il nest pas rem-plac par le couple NiCr-Ni pour des raisons de rsistance la corrosion. La force lectromotrice

indique dans la norme DIN EN 60 584 est valable jusqu 1200 C. Toutefois comme le tauxdoxydation augmente au-del de 750 C, il ne faut pas utiliser le thermocouple au-del de cettetemprature. La branche en fer passe par un changement dtat magntique 769 C et subit unemodification de la structure cristalline 910 C. Ces deux effets provoquent une modification per-sistante du signal de sortie. Si le thermocouple est utilis dans un environnement humide (attentiongalement au dpassement du point de rose), la branche en fer rouille si elle nest pas protge.Au-del de 500 C, en prsence de gaz sulfureux, le fer se fragilise facilement. Le couple Fe-CuNiest galement trs rpandu sous forme chemise.

3.6.3 Type " E " (NiCr-CuNi)

Le couple NiCr-CuNi se distingue des autres par sa tension thermolectrique relativement leve,cest pourquoi il est utilis avant tout dans la plage de temprature infrieure. Aux tats-Unis, il esttrs rpandu alors quen Europe il lest peine. cause dune grande sensibilit en tension, cethermocouple est galement utilis pour les mesures basse temprature. Comme sa branchethermolectrique conduit peu la chaleur, il est galement utilis dans les pyromtres faisceaumme sil existe des couples plus intressants avec des tensions encore plus leves [2].

3.6.4 Type " K " (Ni-CrNi)

Le couple Ni-CrNi montre une rsistance loxydation suprieure celle des couples " E " et " J " ;cest pourquoi on lutilise pour les mesures de temprature au-del de 500 C. Pour les tempra-tures suprieures 750 C, il faut viter une utilisation non protge sinon le taux doxydation aug-

mente fortement ; idem pour les mesures de temprature dans des atmosphres sulfureuses, oxy-dantes ou rductrices. En cas dutilisation dans le vide et des tempratures leves, il faut faireattention la sensibilit dans le vide parce que le chrome diffuse lentement partir de la branchepositive. En prsence doxygne ou de vapeur deau, des pourritures vertes peuvent apparatre.Entre 800 C et 1050 C, le chrome est oxyd mais pas le nickel. Lerreur de mesure peut atteindreplusieurs centaines de degrs. Sur la plage de temprature 400 C 600 C, la branche positivesubit une modification rversible de sa structure, qui provoque une variation jusqu 5 K du signalde sortie.


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3.6.5 Type " N " (NiCrSi-NiSi)

Pour le couple NiCrSi-NiSi, la temprature est suprieure celle du couple Ni-CrNi : 1300 C. Lesilicium soxyde la surface de la branche thermolectrique et forme une couche de protectioncontre la corrosion. Le silicium attnue l" tat K " rversible du thermocouple de type " K ". Cest

pourquoi il peut remplacer en partie les couples en platine considrablement plus chers. Il est ga-lement disponible sous forme chemise, le matriau de la gaine est trs semblable au matriauthermolectrique, ce qui vite sa pollution.

3.6.6 Types " R ", " S " et " B "

En gnral, la dure de vie dun thermocouple en mtal prcieux est limite par le grossissementdes grains dans les fils thermolectriques. La rsistance mcanique diminue et le matriau se fra-gilise. De plus les impurets se diffusent plus facilement le long des joints des grains, ce qui modi-fie la tension thermolectrique.

Les couples thermolectriques prcieux ne sont utiliss quau-del de 800 C parce quils sont

chers et que leur tension thermolectrique est faible. En plus dune drive long terme nettementplus faible, ils prsentent lavantage suivant : une tolrance plus petite, comme le montre letableau 9 ci-dessous :

Tab. 9 : tolrances des thermocouples en mtal prcieux

Leur prix lev et leur faible tension thermolectrique sont des inconvnients. Le couple Pt13Rh-Pt(type " R ") est surtout rpandu dans les pays anglo-saxons. La question de lutilisation duncouple de type " S " ou " R " dpend beaucoup de la linarisation disponible dans lappareil. cause de leurs faibles tensions thermolectriques, les couples de type " B " ne sont utiliss qudes tempratures suprieures 1300 C. Si on utilise une gaine de protection tanche aux gaz, latemprature maximale peut monter 1800 C.

Thermocouple Tolrance (Classe 2/Classe 1)600 C 800 C 1000 C

Fe-CuNi J Ni-CrNi K Pt10Rh-Pt S

4,5/2,4 C4,5/2,4 C1,5/1,0 C

6,0/3,2 C6,0/3,2 C2,0/1,0 C

-7,5/4,0 C2,5/1,0 C


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3.7 Cbles de compensation normalissLes proprits lectriques et mcaniques des cbles de compensation pour les thermocouplesnormaliss sont dfinies dans la norme CEI 584-3. Ces cbles sont soit dans le mme matriauque le couple lui-mme (cbles thermolectriques, extension cables), soit dans un matriau sp-

cial avec les mmes proprits thermolectriques sur des plages de temprature limites (cblesde compensation, compensating cables). Ces cbles contiennent des brins torsads et sontcaractriss par un code de couleur et des lettres didentification :

1re lettre : Lettre didentification du type de couple suivant la norme2e lettre : X : mme matriau que le couple C : matriau spcial3e lettre : Cette troisime lettre permet de diffrencier les cbles de compensation.

Exemple :KX : cble de compensation pour le couple NiCr-Ni, type " K ", dans le matriau du coupleRCA : cble de compensation pour le couple PtRh-Pt, type " R ",

dans un matriau spcial, type A

On a dfini deux classes de tolrance pour les cbles de compensation : classe A et classe B. Laclasse A est la tolrance la plus svre, seuls les cbles de compensation dans le mme matriauque les couples atteignent cette classe, ils sont donc de types X. Les cbles de compensationstandard sont de classe B.

Le tableau 10 rappelle les tolrances des diffrentes classes de cble de compensation :

Tab. 10 : tolrances des cbles de compensation

La plage de temprature dutilisation indique les tempratures auxquelles on peut soumettrelensemble du cble, y compris le point de raccordement au thermocouple, pour ne pas dpasserles tolrances indiques.

De plus, cette plage peut galement tre limite par le matriau isolant du cble. Comme les tensi-ons thermolectriques ne sont pas linaires, les tolrances indiques en V ou C ne sont valablesque pour la plage de temprature indique dans le tableau. Concrtement cela signifie parexemple que :si un thermocouple de type " J " est raccord un cble de compensation de type JX, classe 2, sila temprature de mesure est constante, 500 C, et si la temprature de connexion et/ou la tem-prature sur le cble de compensation varie entre 25 C et 200 C, la temprature indiquevariera au plus de 2,5 C.

Type de coupleet de cble

Classes de tolrance Plage de tempraturedutilisation [C]

Tempraturede mesure [C]1 2

JXTX

EXKXNXKCAKCBNCRCARCBSCASCB

85V / 1,5 C 30V / 0,5 C

120V / 1,5 C 60V / 1,5 C 60V / 1,5 C-------

140V / 2,5 C 60V / 1,0 C

200V / 2,5 C100V / 2,5 C100V / 2,5 C100V / 2,5 C100V / 2,5 C100V / 2,5 C 30V / 2,5 C 60V / 5,0 C 30V / 2,5 C 60V / 5,0 C

25 + 20025 + 100

25 + 20025 + 20025 + 200

0 1500 1000 1500 1000 2000 1000 200

500300

500900900900900900

1000100010001000


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En principe daprs les normes EN 60 584 et DIN 43 713, il nest pas ncessaire de distinguer lescbles de compensation pour le couple Cu-CuNi de ceux pour le couple Fe-CuNi ; pour cescouples, on peut utiliser les mmes cbles de compensation. Toutefois vous devez veiller ce queces thermocouples partiels soient fabriqus de telle sorte que les brins du cble de compensationsoient relis au point de mesure et ensuite munis dune armature de protection. Bien entendu il faut

bien faire la diffrence entre les couples des deux normes. Il faut galement tenir compte du faitque pour les cbles thermolectriques et les cbles de compensation, les tensions thermolec-triques ne sont identiques aux tensions thermolectriques correspondantes que jusqu une tem-prature de mesure de 200 C. Cest pourquoi les sondes construites ainsi ne peuvent tre utili-ses que jusqu cette temprature. La caractristique du couple platine-rhodium B est si plateau dbut que si les tempratures de connexion ne sont pas trop leves, on peut utiliser du cuivrecomme cble de compensation : une temprature de connexion de 100 C, la mesure seraitdvie de 0,032 mV, cela correspondrait pour une temprature de mesure de 1500 C une erreurde 0,3%, soit 4,5 C.

3.7.1 Code de couleur des cbles de compensation

Pour les couples conformes la norme EN 60 584, on applique :la branche positive est de la mme couleur que la gaine, la branche ngative est blanche.

Pour les " anciens " couples de types " U " et " L " suivant DIN 43 713, le code en vigueur estencore diffrent.

Tab. 11 : couples conformes la norme CEI 584-1

Tab. 12 : couples conformes la norme DIN 43 713 (nouveau)

En plus de ces codes de couleur pour les cbles de compensation, il y a galement encore le codede la norme DIN 43 714 de 1979. Il diverge des codes ci-dessus sur les points suivants :

Tab. 13 : code de couleur de la norme DIN de 1979

Les cbles pour les circuits de mesure scurit intrinsque avec des appareils antidflagrantsconstituent la seule exception. Sils sont de couleur, la gaine de tous les cbles de compensation

est bleu clair alors que les brins conservent les couleurs caractristiques indiques. (En ce quiconcerne le bleu pour le couple Cu-CuNi (norme DIN 43 713), il sagit dun bleu fonc.)

Couple Type Gaine Plus Moins

Cu-CuNiFe-CuNiNiCr-NiNiCrSi-NiSiNiCr-CuNiPt10Rh-PtPt13Rh-Pt

TJKNESR

marronnoirvertrosevioletorangeorange

marronnoirvertrosevioletorangeorange

blancblancblancorangeblancblancblanc

Fe-CuNiCu-CuNi

LU

bleumarron

rougerouge

bleumarron

NiCr-NiPt10Rh-PtPt13Rh-Pt

KSR

vertblancblanc

rougerougerouge

vertblancblanc


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Conformment la norme DIN 43 714, les brins des cbles sont torsads, ce qui constitue un blin-dage lectromagntique. Il peut y avoir en plus un blindage par feuilles ou tresse. La rsistancedisolement des brins entre eux et par rapport au blindage ne doit pas tre infrieure la valeurminimale de 107 m1, la tension de claquage est suprieure 500 V AC.

3.8 Raccordement des thermocouplesPour le couple Fe-CuNi en particulier, il faut faire attention au fait que la branche positive est en ferpur, ce qui peut augmenter la corrosion aux point de raccordement (par serrage ou enfichage). Latransition fer-cuivre notamment, due au raccordement dun cble en cuivre par exemple, constitueun couple galvanique. Sil y a de lhumidit, il y a formation dune pile locale avec une corrosionleve. Les tensions parasites qui y apparaissent peuvent considrablement fausser le rsultat dela mesure. Cest pourquoi il faut absolument des bornes tames et des cbles avec des brins ta-ms au cuivre nu. En effet ltain est dun point de vue lectrochimique plus prcieux que le fer,mais il est moins ractif cause de la passivation de sa surface.

On se demande souvent si les fils thermolectriques doivent tre raccords au cble de compen-

sation avec des bornes normales en laiton ou en cuivre, de mme pour leur prolongation. Si lonfait abstraction du problme de corrosion au point de contact de deux mtaux diffrents, cest tout fait possible. Linsertion dune ou deux bornes dans une ou deux branches dun couplethermolectrique ou dans un cble de compensation est sans inconvnient tant quil rgne lamme temprature des deux cts des bornes.

Fig. 17 : insertion dune borne en cuivre dans un circuit thermolectrique

Si la temprature est la mme, les tensions thermolectriques rsultantes aux jonctions Fe/Cu etCu/Fe sannulent parce quelles sont de polarit diffrentes, indpendamment de lamplitude de latemprature de ce point de connexion et du matriau dont il est constitu. Retenez bien que cecinest valable que si la temprature est la mme aux deux extrmits.

Si on a deux bornes pour chaque brin du cble de compensation, diffrentes tempratures peu-vent y rgner, limportant cest que la temprature soit la mme aux deux extrmits dune mmeborne. Dans le cas des excutions sous botier pour lesquelles les tempratures intrieure etextrieure sont trs diffrentes, les tensions thermolectriques supplmentaires cres ainsi peu-vent poser des problmes, cest--dire fausser la mesure. Cest pourquoi il y a des fiches spcialessans tension thermolectrique qui vitent les phnomnes dcrits.

Si le cble de raccordement (cble de compensation ou cble en cuivre) est long, il faut le blinderet le mettre la terre une extrmit. Pour cela, il existe des cbles de compensation blinds ; lecas chant on utilise un thermostat de compensation de soudure froide et des cbles blinds encuivre usuels. Pour les thermocouples chemiss (voir la section 3.10) lutilisation de la gainecomme blindage peut poser un problme : dans certains modles, le point de mesure est soudavec la gaine pour raccourcir le temps de rponse. Le blindage serait reli directement lentrede sonde de lappareil raccord et donc inefficace. Avec les couples dont le point de mesure est


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soud la gaine, il faut faire trs attention la sensibilit aux parasites puisque dans ce cas lagaine peut agir comme une antenne.

Mme si le point de mesure nest pas soud la gaine, le revtement dun thermocouple chemisne doit pas tre utilis comme blindage : comme il est compos dun matriau nu, dans les fourschauffs lectriquement par exemple, des courants compensateurs peuvent circuler entre lematriau du four et la mise la terre. Ces courants peuvent fausser le rsultat de la mesure oudtruire la gaine si leur intensit est assez forte.

Gnralement on dit que les thermocouples relis la gaine par une liaison conductrice provo-quent facilement des perturbations et donnent naissance des tensions parasites cause du cou-plage de tensions avec lappareil raccord.

Deux entres de ce type crent une boucle de courant par laquelle elles sont relies entre elles.Comme ces boucles de courant ont une grande section efficace, les perturbations sont bouclesde prfrence par l.

Fig. 18 : cration dune boucle conductrice

Dans ces conditions, les thermocouples devraient toujours tre spars galvaniquement, cest--dire que les circuits amplificateurs ne doivent avoir en interne aucune liaison lectrique avec lereste du circuit lectronique

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117276669 Mesure Electrique de La Temperature