Sélection d'un calibrateur
de température industriel
Note d'application
Des dizaines de fabricants de bains
secs produisent dans le monde entier
des centaines de modèles différents.
Comment savoir lequel fonctionnera
le mieux et est le plus adapté à
votre application ? Voici dix choses
importantes à garder à l'esprit.
Précisez vos besoins
Les calibrateurs à bain sec présentent
de nombreuses caractéristiques
difficiles à comprendre. Pour savoir
quelles caractéristiques sont les plus
importantes pour vous, vous devez
comprendre la manière selon laquelle
vous allez utiliser votre bain sec.
Est-il destiné à une utilisation en
laboratoire ou sur site ? De quelle
gamme de température aurez-vous
besoin ? Quel rendement recherchezvous ? Souhaitez-vous optimiser
le rendement en privilégiant la
vitesse ou la capacité ? Quelle est
la précision des thermomètres
que vous testerez dans votre bain
sec ? Autrement dit, quelle doit
être la précision de votre bain
sec ? Utiliserez-vous l'afficheur de
votre bain sec ou un thermomètre
externe comme température de
référence ? Quelle est la longueur
des thermomètres que vous placerez
dans le bain sec ? Étalonnerezvous des capteurs courts ou de
forme singulière pour lesquels les
bains liquides sont plus adaptés ?
Souhaiterez-vous automatiser la
procédure d'étalonnage en bain sec ?
Etc.
L'offre en calibrateurs à bain sec est vaste, choisir le plus adapté à vos applications et à vos utilisations peut donc
s'avérer déroutant. Cet article vous permettra d'identifier les points importants à prendre en compte
pour votre prochain achat de calibrateur.
Gamme de température
Fiabilité
Idéalement, vos bains secs doivent
couvrir toutes les températures
auxquelles vos thermomètres
doivent être étalonnés, avec un
peu de marge. Si la marge est trop
importante, vous dépensez sans
doute trop. Veillez à bien évaluer les
limites inférieures des spécifications,
par exemple : « -40 °C » est différent
de « -40 °C en dessous de la
température ambiante ».
Plus vous utilisez votre bain sec d'un
extrême à l'autre de sa gamme de
température, plus sa durée de vie
est courte. Ceci est particulièrement
vrai pour les bains secs « froids » à
refroidissement thermoélectrique.
La durée de vie de ces appareils est
raccourcie par des cycles extrêmes
et par une utilisation excessive à la
température maximale de la gamme
du bain sec. Si votre application
B i b l i o t h è q u e e n l i g n e F l u k e C a l i b r a t i o n w w w. f l u k e c a l . c o m / l i b r a r y
Vous devez comprendre quatre
choses à propos de la précision des
bains secs. Premièrement, le capteur
de régulation interne de votre bain
sec (qui envoie les informations à
l'afficheur du bain sec) est plutôt
abordable et ne présente pas les
caractéristiques de fonctionnement
robuste d'une thermistance ou
d'un thermomètre à résistance de
platine de bonne référence (ou le
cas échéant, d'un thermocouple à
base de métaux nobles). S'il s'agit
d'un dispositif thermorésistif (cas le
plus courant), il subit des variations
dues à des chocs mécaniques et
peut présenter une faible hystérisis.
D'un autre côté, il est possible qu'il
convienne parfaitement à votre
application.
Deuxièmement, le capteur de
régulation et le système d'affichage
ont probablement été étalonnés
par rapport à un thermomètre à
résistance de platine de haute
qualité. Cependant, ce thermomètre
de référence a été inséré dans un
bain particulier, à une profondeur
particulière, et la fabrication de son
capteur est également particulière.
Les caractéristiques thermiques
et mécaniques spécifiques du
thermomètre à résistance de
platine de référence (longueur et
emplacement du capteur, conductivité
du cordon, etc.) ont en fait été
« étalonnées dans votre bain sec ».
À moins que vous n'étalonniez
un capteur de même fabrication,
positionné au même endroit que le
thermomètre à résistance de platine
de référence utilisé pour étalonner
votre bain sec, la précision de
l'affichage peut ne pas être ce qu'elle
est prétendue être.
Troisièmement, les thermomètres
de référence externes sont
généralement plus précis que les
capteurs de régulation internes.
100,140
100.140
Sigma
= ±°C
0,009 °C
2 Sigma2 =
± 0.009
(32.016 °F)
100,135
100.135
100,130
100.130
100,125
100.125
100,120
100.120
100,115
100.115
100,110
100.110
Peak toCrête-à-crête
peak = 0.026=°C
(32.047 °F)
0,026 °C
Peak
= 0.026
°C/2 = ±=0.013
°C
Crête
= 0,026 °C/2
± 0,013 °C
(32.047 °F/2 = ± 32.020 °F)
100,105
100.105
100,100
100.100
0:00
0:01
0:02
0:03
0:04
0:05
0:07
0:08
0:09
0:10
0:11
0:13
0:14
0:15
0:16
0:17
0:19
0:20
0:21
0:22
0:23
0:24
0:26
0:27
0:28
0:29
0:30
0:32
0:33
0:34
0:35
Précision
Mesure
de la stabilité
la température
Temperature
Stabilityde
Measurement
100,145
100.145
Écart de température,
Temperature
Deviation,°C°C
nécessite l'un ou l'autre de ces modes
d'utilisation, envisagez une unité
supplémentaire pour les températures
élevées.
Méfiez-vous des blocs et des
inserts en matériau dégradable. Le
cuivre, par exemple, présente des
propriétés thermiques intéressantes,
mais il s'oxyde rapidement et s'écaille
après une exposition répétée à des
températures extrêmes.
Durée
Time
Pour faciliter votre choix, n'hésitez pas à demander des informations et de la documentation concernant la stabilité.
Des sondes externes partagent avec
les sondes testées un « point de vue »
plus proche sur la température du
bloc que le capteur de régulation
interne. L'utilisation d'un thermomètre
de référence externe ne signifie
pas pour autant que votre mesure
est plus précise. Vous devez
encore comprendre comment votre
affichage de référence est spécifié.
De nombreux affichages ont une
faible résolution et n'acceptent pas
les constantes d'étalonnage pour
certains types de thermomètres
spécifiques. Veillez également à tenir
compte de la sonde de référence
et de l'électronique qui en assure
la lecture. La précision spécifiée
pour un bain sec avec affichage de
référence intégré est probablement
seulement celle de l'affichage, et non
celle de l'affichage et de la sonde
associés.
Quatrièmement, la précision
dépend de bien plus d'autres facteurs
que le capteur interne étalonné ou la
référence externe étalonnée. De plus,
selon votre utilisation particulière du
bain sec, vous devez également tenir
compte des cinq critères suivants
(stabilité, gradients axiaux, gradients
radiaux, effets de chargement et
hystérésis).
2 Fluke Calibration Sélection d'un calibrateur de température industriel
Stabilité
Dans son document EURAMET/
Cg-13/V.01, l'Association européenne
des instituts nationaux de métrologie
(EURAMET) définit la « stabilité »
comme la variation de la température
« sur une période de 30 minutes ».
Ne vous fiez pas trop à l'afficheur
de votre bain sec pour indiquer la
stabilité. La résolution de l'afficheur
et les techniques de filtrage qu'il
utilise peuvent limiter sa capacité à
montrer l'instabilité.
En outre, la stabilité du capteur de
régulation est peu révélatrice de la
stabilité au fond du puits que vous
utilisez.
N'oubliez pas non plus que la
stabilité à long terme, ou « dérive »,
du capteur de régulation nécessite
que l'afficheur du bain sec soit
périodiquement étalonné. Combien
de temps devez-vous attendre entre
les étalonnages ? Ceci dépend du
bain sec et de la manière dont il est
utilisé. Nous vous recommandons
de commencer avec des intervalles
d'étalonnage courts (3 à 6 mois),
puis de les allonger si le bain sec
« conserve » son étalonnage.
Gradients axiaux
(ou « verticaux »)
Le haut d'un bain sec étant
directement exposé (ou plus exposé)
à l'environnement ambiant, la
température y est plus proche de la
température ambiante et moins stable
qu'au fond du puits. Ce sont les lois
de la physique. Selon les directives
européennes pour l'accréditation (EA),
les bains secs doivent présenter une
« zone d'homogénéité de température
suffisante d'au moins 40 mm de
longueur. »
Le gradient thermique axial d'un
bain sec peut créer des erreurs de
mesure considérables lors de la
comparaison de deux sondes insérées
à des profondeurs différentes (à
éviter !). Des erreurs de mesure
peuvent également survenir lors de la
comparaison de deux sondes insérées
à la même profondeur, mais dont les
capteurs sont de fabrication différente
(par exemple, de longueur différente).
Les erreurs de mesure dues au
gradient thermique axial peuvent
également être importantes si, par
rapport à la sonde de référence
utilisée pour étalonner le bain sec,
la sonde testée est insérée à une
profondeur différente ou si elle est
d'une fabrication différente, surtout
si l'affichage du bain sec est utilisé
comme température de référence.
Des techniques de conception
permettent de minimiser les gradients
axiaux : par exemple, en augmentant
la masse, la profondeur et l'isolation
du bloc, en régulant plusieurs zones
Gradients
Radial or
rwell-to-well
adiaux ou bainà-bain
gradients
et en utilisant un chauffage profilé
ou déséquilibré. Les gradients axiaux
peuvent également être mesurés,
bien qu'il soit difficile de séparer la
mesure de ces gradients axiaux des
effets de tige inhérents à la sonde qui
effectue les mesures.
Gradients radiaux
(ou de bain-à-bain)
Afin de s'assurer que les termes sont
bien compris, rappelons qu'un « bloc »
désigne la masse de métal fixe qui
contient habituellement des éléments
chauffants ou en est entourée. Un
« insert » désigne une masse de métal
amovible qui peut être insérée dans
le bloc fixe. Un « puits » ou « trou »
désigne un alésage réalisé dans
l'insert, dans lequel les thermomètres
sont introduits.
Les gradients radiaux limitent
l'utilité de la comparaison d'une
sonde dans un puits à une autre dans
un autre puits. Alors que le capteur
de régulation du bain sec mesure
la température à un emplacement
précis, les températures peuvent
varier dans les différents puits de
mesure, à cause des variations
de distance entre les puits et les
éléments chauffants, et à cause des
variations de taille et d'agencement
des puits et de la manière selon
laquelle la chaleur circule à l'intérieur
et autour de ces puits. Dans certains
cas, la température dans un puits
spécifique peut même varier en
fonction de la rotation de l'insert
dans le bloc.
Pour compliquer encore les
choses, il est difficile de comparer
une sonde d'un certain diamètre
dans un puits donné à une sonde
d'un autre diamètre dans un autre
puits. Les sondes présentant la
conductivité thermique la plus élevée
introduisent dans le bloc une plus
grande influence de l'environnement
ambiant. Pour cette seule raison,
les sondes de grand diamètre
(10 mm) sont souvent mal adaptées à
l'étalonnage en bain sec.
Gradients
Axial or
avertical
xiaux ou
vgradients
erticaux
Les gradients axiaux et radiaux sont des critères
importants du processus d'étalonnage.
3 Fluke Calibration Sélection d'un calibrateur de température industriel
Effets de chargement
À propos d'influence, plus vous
insérez de sondes dans un bain sec,
plus la température ambiante influera
sur celle du bain sec. L'afficheur d'un
bain sec est généralement étalonné
avec une seule sonde de référence.
L'ajout de sondes supplémentaires
peut créer une différence de température entre le capteur de régulation
et l'une des sondes à l'intérieur du
bloc. Cet effet peut facilement être
mesuré en ajoutant des sondes et en
notant la modification de température
par rapport au relevé de la première sonde. Les caractéristiques de
conception des bains secs (masse du
bloc, profondeur des puits, isolation,
régulation de la température en plusieurs zones), tout comme l'utilisation
de sondes de plus petit diamètre,
peuvent réduire les effets de chargement. Il est préférable d'insérer une
sonde le plus profondément possible
dans un bain sec.
Hystérésis
L'hystérésis est la
différence de température
réelle dans un bain sec,
résultant de la direction
depuis laquelle cette
température a été atteinte.
C'est au point milieu de
la gamme du bain sec
qu'elle est la plus grande.
Par exemple, le point
milieu approximatif d'un
bain sec dont la gamme
de température s'étend de
35 °C à 600 °C est environ
300 °C. La température
réelle au point milieu, par
rapport au thermomètre
de référence, varie selon
que la température a été
atteinte à partir d'une
température plus élevée
ou d'une température
plus basse. Cet écart
de température, ou
hystérisis, dépend des
caractéristiques du
capteur de régulation.
L'impact de l'hystérisis est
considérablement réduit
lors de la comparaison
d'une sonde de test à
une sonde de référence
externe. Il est important
de comprendre les effets
de l'hystérisis lorsque l'on
réalise une comparaison
avec l'afficheur étalonné
du bain sec.
Sonde
Probe
testée
under
test
Sonde
du
External
treference
hermomètre
dthermometer
e référence
eprobe
xterne
Pour les sondes courtes, une
précision maximale peut être
obtenue par comparaison avec
une sonde similaire à la même
profondeur.
Souplesse d'utilisation
Certains bains secs offrent une
grande souplesse d'utilisation
et peuvent accueillir des inserts
amovibles percés de plusieurs
puits. Ces inserts peuvent accueillir
plusieurs sondes de tailles variées.
Lors de la détermination du nombre
de sondes à utiliser dans un insert
unique, pensez à prendre en compte
le diamètre des embases de sonde.
Les puits de l'insert doivent être
suffisamment espacés pour éviter que
les embases des sondes n'interfèrent.
La grande variété de blocs et d'inserts disponibles peut augmenter la
souplesse d'utilisation de votre calibrateur et vous donne la possibilité
de réaliser plusieurs étalonnages en même temps.
Profondeur d'immersion
Les erreurs d'immersion de sonde (ou
erreurs de conduction dues à l'effet
de tige) peuvent être énormes. Elles
varient en fonction du bain sec, mais
également en fonction de la sonde
placée dans celui-ci. Différentes
sondes sont issues de conceptions
et de techniques de fabrication
différentes : la taille et l'emplacement
du capteur dans la sonde, ainsi
que le type et la taille des cordons
utilisés varient. Pour cette raison,
les différentes sondes présentent
des caractéristiques d'immersion
différentes. Ces caractéristiques
peuvent être testées en notant la
variation des relevés d'une sonde
à différentes profondeurs et à la
même température. De manière
générale, les puits profonds sont
moins sensibles à « l'effet de tige »
dû à une immersion inadéquate. La
mise en œuvre d'une « régulation
de zone » par un élément chauffant
en partie supérieure d'un bain sec
permet également de minimiser l'effet
de tige. Si vous utilisez des sondes
trop courtes pour atteindre aisément
la zone de mesure homogène d'un
bain sec (généralement au fond du
puits), utilisez plutôt un bain liquide.
Veillez au moins à effectuer une
comparaison avec une autre sonde
insérée à la même profondeur dans
un autre puits (voir l'illustration à la
page précédente).
Conclusion
La taille, le poids, la vitesse, la
capacité et de nombreux autres
critères sont en concurrence et vous
imposent d'importants compromis.
Par exemple, une masse thermique
importante et profonde offrira une
grande capacité, de faibles gradients
et une meilleure stabilité, mais elle
sera probablement encombrante,
lourde et lente. En règle générale,
les bains secs rapides et légers
sont moins performants. Vitesse et
stabilité sont peu compatibles dans
un même bloc. C'est pourquoi il est
essentiel de bien comprendre quelle
sera l'utilisation de votre bain sec, et
quelles sont les caractéristiques des
sondes que vous devez étalonner.
Pour conclure, ce sont les sondes
à étalonner qui doivent vous faire
trancher en faveur d'un bain liquide,
d'un puits de métrologie ou d'un bain
sec de terrain.
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