Qu’est-ce qu’un thermomètre de haute précision ?
Les thermomètres de haute précision sont des instruments de mesure de la température. Ils peuvent la mesurer avec une grande précision.
Ils sont utilisés en conjonction avec un capteur de température afin de pouvoir mesurer la température avec précision. Ils sont donc utilisés pour le réglage de la température et l’étalonnage des thermomètres.
On se sert des capteurs thermoélectriques et des capteurs à résistance comme capteurs de température. Chacun d’entre eux dispose des caractéristiques différentes, il est donc important de choisir le bon capteur de température en fonction de l’utilisation prévue.
Utilisations des thermomètres de haute précision
Les thermomètres de haute précision sont utilisés pour étalonner les thermomètres. En utilisant une combinaison de capteurs de température, cette dernière peut être est ajustée. Celle d’étalonnage du thermomètre utilisé quotidiennement est vérifiée pour s’assurer qu’elle est correcte. Les thermomètres de haute précision présentent toutefois l’inconvénient d’être plus chers que les plus ordinaires. Ils sont également moins pratiques à utiliser en raison de leur grande taille.
Les données de température correctes, pré-étalonnées par le capteur de température, sont stockées dans une mémoire, ou dans une mémoire externe pour les types de thermomètres de haute précision qui n’ont pas de mémoire intégrée. En lisant ces données, le thermomètre peut mesurer avec une grande précision. Cela de manière plus précise que l’erreur définie par la tolérance de température, qui inclut également les différences individuelles de l’instrument et de la sonde.
Principe des thermomètres de haute précision
Les capteurs de température les plus couramment utilisés dans l’industrie sont les thermocouples et les thermomètres à résistance.
1. Capteurs de température avec thermocouples
Les capteurs de température avec thermocouples sont des capteurs de température qui combinent deux conducteurs métalliques différents. La température est mesurée avec précision en mesurant la tension à l’aide de l’effet Seebeck. Selon celui-ci, une tension est générée entre les métaux lorsqu’une différence de température se produit aux points de contact des différents métaux, générant une force thermoélectromotrice.
La taille compacte du thermocouple permet de mesurer des températures même élevées et le temps de réponse est très rapide. On croit souvent à tort que seule la pointe du thermocouple (où les différents fils métalliques sont collés ensemble) est la partie à mesurer. Or, comme la force électromotrice générée entre les différents fils métalliques est l’objet de la mesure, la différence de température incluant la partie conductrice est importante. La tolérance de température est donc plus grande que celle des thermomètres à résistance.
2. Capteurs de température avec thermomètre à résistance
Les capteurs de température à résistance utilisent le principe selon lequel la résistance électrique d’un métal augmente avec sa température. Le platine et le nickel très purs sont ainsi utilisés comme matériaux pour les brins.
Par rapport aux thermocouples, ils ne peuvent pas être utilisés à des températures élevées et ont une zone de couverture plus étroite. Cependant, ils peuvent détecter les températures avec une très grande précision dans la plage des températures basses à moyennes. De plus, ils présentent un degré élevé de stabilité.
Les thermomètres de haute précision sont similaires en principe aux thermomètres ordinaires. Ils utilisent néanmoins une classe supérieure de thermomètres et sont étalonnés pour maintenir la précision.
Autres informations sur les thermomètres de haute précision
1. Erreurs de mesure des thermomètres de haute précision
Quelle que soit la rigueur avec laquelle un thermomètre est étalonné conformément aux spécifications. Il ne peut pas mesurer la bonne température si la mesure n’est pas adaptée à l’environnement. Les facteurs d’erreur typiques sont les suivants :
Facteurs d’erreur pour les éléments de mesure de la température par résistance
- Effets de l’auto-échauffement dû à la circulation du courant
- Effets des chocs thermiques dus aux changements de température de l’objet à mesurer
- Effets des vibrations et des chocs
D’autres facteurs comprennent les effets de tensions et de courants anormaux (par exemple, la foudre, les décharges à haute tension, etc.) et ceux d’une faible résistance d’isolation.
2. Facteurs d’erreur des thermocouples
Les facteurs d’erreur pour les thermocouples de type K les plus couramment utilisés sont les suivants :
- Oxydation en atmosphère réductrice
Lorsque des thermocouples de type K sont utilisés dans une atmosphère réductrice à haute température, entre 800 et 1 000 °C, la valeur mesurée peut s’écarter de plusieurs centaines de °C. Ce phénomène est dû à la formation d’un film d’oxyde superficiel sur la surface du thermocouple. Le film d’oxyde superficiel du fil de chromel utilisé du côté + du thermocouple de type K est réduit par l’atmosphère réductrice et s’oxyde ensuite pour former du NiCr2O4. L’hydrogène gazeux, en particulier, pénètre dans certaines gaines de protection métalliques à haute température. Il est donc important d’utiliser des matériaux de gaine ayant une faible perméabilité à l’hydrogène. - Effet de la température intermédiaire de la gaine (erreur de shunt)
Si la gaine est en contact avec une partie plus chaude que la température à mesurer, la température sera plus élevée que celle de la partie à mesurer. Ceci est dû au fait que la résistance d’isolation des charges inorganiques à l’intérieur de la gaine diminue à des températures supérieures à 800°C. Il est efficace de prêter attention à la méthode d’installation et de choisir une gaine avec un diamètre extérieur plus grand. Ce choix permettra ainsi d’augmenter la distance d’isolation entre les brins. - Erreurs inévitables dans les thermocouples de type K (commande à courte portée)
Lorsque les thermocouples de type K sont utilisés à des températures comprises entre 300 et 550 °C, les caractéristiques de la force électromotrice peuvent changer et des erreurs peuvent se produire. Cela est dû à la structure métallurgique de l’alliage de chromel, qui augmente la force électromotrice à des températures comprises entre 300 et 550 °C. Un chauffage à plus de 650 °C rétablit les caractéristiques d’origine. - Influences électriques externes
Le bruit généré par les générateurs, les moteurs ou autre, peut provoquer des erreurs. Afin de minimiser l’effet du bruit, préférez des conducteurs de compensation blindés. Si l’on n’utilise pas ces derniers, ou si l’on utilise une mise à la terre en deux points, l’effet de blindage peut être réduit et des courants induits peuvent être captés à la place. Ainsi, une mise à la terre en un seul point est généralement recommandée. - Effets de la non-utilisation d’un conducteur de compensation
Les thermocouples ne mesurent pas la température à la pointe, mais la “différence de température” entre la pointe et le conducteur qui lui est connecté, qui est la force électromotrice. Par conséquent, la partie du thermocouple qui est connectée au conducteur est celle qui génère la force électromotrice. Cependant, l’utilisation de fils de thermocouple pour tout est coûteuse et la valeur de la résistance est trop élevée. C’est pourquoi des conducteurs de compensation sont utilisés.
Un conducteur de compensation est un conducteur qui possède une force électromotrice relativement similaire à celle du thermocouple avec lequel il est combiné. Il arrive que le principe du thermocouple soit mal compris et qu’un conducteur normal soit utilisé à la place d’un conducteur de compensation, ou que le mauvais conducteur soit utilisé.
De plus, les thermomètres à résistance et les thermocouples servent à mesurer la température par contact : il faut donc être vigilant quant à la méthode de contact et à la température ambiante externe.