1/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

EtatEtat des lieux sur les nouvelles des lieux sur les nouvelles perspectives dperspectives d’é’étalonnage des talonnage des

thermocouples aux tempthermocouples aux tempéératures ratures éélevlevééeses

Jacques-Olivier Favreau, Ronan Morice

2/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Les nouvelles perspectives d’étalonnage

GGéénnééralitralitééss

DifficultDifficultéés ds d’’utilisationutilisation

AperAperççu des u des éétudes en cours au LNEtudes en cours au LNE

ConclusionConclusion

3/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Généralités

Thermocouples NormalisThermocouples Normaliséés (Norme CEI 584)s (Norme CEI 584)

Type S: Type S: Platine Rhodium 10% / Platine.Platine Rhodium 10% / Platine.Type B: Type B: Platine Rhodium 30% / Platine Rhodium 6%.Platine Rhodium 30% / Platine Rhodium 6%.Type R: Type R: Platine Rhodium 13% / Platine.Platine Rhodium 13% / Platine.

Type K: Type K: Nickel Chrome / Nickel Aluminium.Nickel Chrome / Nickel Aluminium.Type N: Type N: Nickel Chrome Silicium / Nickel Silicium.Nickel Chrome Silicium / Nickel Silicium.

Thermocouples Non NormalisThermocouples Non Normalisééss

Type G: W / W 26% RhType G: W / W 26% Rhéénium.nium.Type C: Type C: W 5% RhW 5% Rhéénium / W 26% Rhnium / W 26% RhééniumniumType D: Type D: W 3% RhW 3% Rhéénium/ W 26% Rhnium/ W 26% Rhéénium.nium.

Type Pt/Type Pt/PdPd: : Platine 99.998 % / Palladium 99.97 %.Platine 99.998 % / Palladium 99.97 %.

4/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Quelques thermocouples hautes températures …

Type Sensibilité moyenne Températures d'utilisation

Mise en garde

K 40 µV/°C -180 à 1350°C ☺ atmosphères oxydante N 40 µV/°C -270 à 1300°C ☺ plus stable que le K S 10 µV/°C 0 à 1600°C ☺ atmosphère oxydante B 9 µV/°C 50 à 1750°C ☺ atmosphère oxydante R 12 µV/°C 0 à 1700°C ☺ atmosphère oxydante

Pt/Pd 6 µV/°C 100 à 1500°C ☺ atmosphère oxydante G (W) 21 µV/°C 400 à 2300°C atmosphère oxydante C (W5) 18 µV/°C 400 à 2300°C atmosphère oxydante D (W3) 20 µV/°C 400 à 2300°C atmosphère oxydante

Généralités

5/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

.

... . .

..

... ..

T2

T1

σσ coefficient de Seebeckcoefficient de Seebeck

∫T2

T1).( = dTTE σ

Généralités

6/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Hypothèse de fonctionnement du thermocouple :

La fem générée est proportionnelle à la température

Les matériaux restent stables dans le temps quelque soit T

La mesure est ponctuelle

Généralités

7/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Difficultés d’utilisation

La f.é.m est-elle proportionnelle à T ?

Le coefficient de Seebeck dépend en fait :

Des métaux en présence ;

De l'homogénéité métallurgique des thermo-électrodes;

De la température T

8/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

∫→→L=x

0=x dx(T).gradx).(T, = σE

Zone hétérogène du couple

1050 °C

40 °C

T (°C)

Four d ’étalonnage 3 zones homogèneFour industriel d ’utilisation

(peu homogène)

Fém =

E1 + δ E

Zone du couple qui est physiquement le siège de l’effet Seebeck

Difficultés d’utilisation

9/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Les matériaux restent stables dans le temps ? Cas du thermocouple de type S...

Origines des dérives et des hétérogénéités :

•• Fluage• Diffusion (oxydes volatils, diffusion à la soudure

chaude)• Oxydation des métaux et réduction de la céramique• Influence de la céramique (diffusion du fer par exemple)• Influence du traitement thermique (hétérogénéité de la

structure cristalline)

Difficultés d’utilisation

10/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Les matériaux restent stables dans le temps ? Cas du thermocouple de type W-Re...

Réactions chimiques des matériaux activées par la température.

Cas du Ta à 1800 °C

Carburation d’une tige en molybdène

Difficultés d’utilisation

11/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

« Mesure ponctuelle » : La mesure est-elle faite au niveau de la soudure chaude ou en amont ?

Résistance d’isolement d’un W-Re type C isoléHfO2

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1000 1200 1400 1600 1800 2000

temperature / °C

log

(resis

tanc

e) /

Ohm

s

Difficultés d’utilisation

12/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Aperçu des études en cours au LNE

•• EtudeEtude de lde l’’influence de la rinfluence de la réésistance sistance dd’’isolement sur la mesureisolement sur la mesure

•• StabilitStabilitéé des matdes matéériaux HT (T>1500riaux HT (T>1500°°C)C)

•• AmAméélioration des incertitudes dlioration des incertitudes d’é’étalonnagetalonnage

13/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Etude de l’influence de la résistance d’isolement

Soudure chaude du thermocouple insérée dans une référence (température de fusion d’un alliage métallique) à 1953 °C :

fusion visualisée

force électromotrice compatible avec la table de référence existante /ASTM (écart équivalent à 5°C)

Mesure peu altérée malgré la chute d’isolement

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1000 1200 1400 1600 1800 2000

temperature / °C

log

(resis

tanc

e) /

Ohm

sRésistance d’isolement d’un W-Re type C isoléHfO2

14/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Stabilité des matériaux

Thermocouple W-Re: problème de carburation

Résultats après 50 h à 1950 °C

Association : Molybdène Tantale Graphite pur

SiC - - ++

ZrO2-8%Y203 + + +

Graphite pur - + /

Ta et CTa et CSi

15/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Thermocouples W-Re / gaine MoPerles de ZrO2 - 1750 °C

Thermocouples W-Re / gaine Ta Surgaine de C – 1950 °C

Utilisation deUtilisation de surgainessurgaines pour la protection des thermocouplespour la protection des thermocouples

Stabilité des matériaux

16/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Constat actuel :

Incertitudes d’étalonnage élevées

• U ≥ ± 1,2 °C à 1554 °C, U ≥ ± 5 °C à 2000°C

Pas de référence « point fixe » au-delà de 1084°C

Besoin d’une méthode de très haut niveau pour les comparaisons entre Laboratoires Nationaux.

Besoin d’une méthode d’étalonnage moins contraignante pour le raccordement des laboratoires industriels

Amélioration des incertitudes d’étalonnage

17/ 17Date: 17/10/2006 Mesurexpo, salle Phoenix

Conclusions

Vers de nouvelles références …

Nouveaux étalons, « points fixes » haute température basés sur la fusion d’alliages métal-carbone (t>1100°C)

Objectifs :

• Réduire les incertitudes d’un facteur 2 à 5

• Mettre en place des moyens d’étalonnage plus pratiques, et pouvant être comparés aux autres laboratoires nationaux

• Etablir les caractéristiques métrologiques des thermocouples réfractaires