Introduction
Les sondes thermocouples peuvent être fabriquées selon différentes configurations de jonction. Selon la relation entre la jonction de mesure et la gaine métallique, on distingue notamment les jonctions mises à la masse, isolées et exposées.
Dans un thermocouple à jonction isolée, la jonction de mesure n’est pas électriquement reliée à la gaine métallique. Un matériau isolant sépare la jonction de la gaine.
Cette construction entraîne généralement un temps de réponse thermique plus long qu’une jonction mise à la masse, mais elle offre une meilleure isolation électrique. Elle convient donc particulièrement aux installations présentant des perturbations électriques, des différences de potentiel entre équipements ou un risque de boucle de masse.
Points essentiels
● La jonction de mesure d’un thermocouple isolé est électriquement séparée de la gaine métallique ;
● Les conducteurs du thermocouple sont généralement entourés d’un matériau isolant tel que l’oxyde de magnésium ;
● Une jonction isolée offre une meilleure isolation électrique qu’une jonction mise à la masse ;
● Elle peut réduire les effets des boucles de masse, des tensions de mode commun et de certaines perturbations électriques ;
● La chaleur devant traverser la gaine et l’isolant avant d’atteindre la jonction, le temps de réponse est généralement plus long ;
● Cette construction est couramment utilisée sur les moteurs, équipements électriques, machines industrielles, systèmes de chauffage et installations automatisées.
Qu’est-ce qu’un thermocouple à jonction isolée ?
Un thermocouple à jonction isolée est également appelé thermocouple isolé.
Dans cette configuration, les deux conducteurs métalliques différents qui constituent le thermocouple sont assemblés à l’extrémité de la sonde afin de former la jonction de mesure. Cette jonction n’est toutefois ni soudée ni raccordée électriquement à la gaine métallique.
Elle est généralement entourée d’oxyde de magnésium ou d’un autre matériau offrant simultanément une bonne conductivité thermique et une forte isolation électrique.
D’un point de vue électrique :
● La jonction du thermocouple n’est pas reliée électriquement à la gaine métallique ;
● La chaleur peut néanmoins être transmise à travers la gaine et le matériau isolant ;
● Le thermocouple génère son propre signal thermoélectrique, ensuite transmis à l’instrument de mesure.
Le terme « isolée » ne signifie donc pas que l’ensemble du système de mesure est dépourvu de liaison à la terre. Il signifie précisément que la jonction de mesure est électriquement isolée de la gaine métallique de la sonde.
Comment est construit un thermocouple à jonction isolée ?
Une sonde thermocouple métallique à jonction isolée comprend généralement des conducteurs thermocouples, une jonction de mesure, un isolant et une gaine de protection.
● Conducteurs thermocouples : Deux métaux ou alliages différents constituent le circuit thermoélectrique. Un thermocouple de type K utilise par exemple des alliages à base de nickel-chrome et de nickel-aluminium ;
● Jonction de mesure : Les deux conducteurs sont réunis à l’extrémité de la sonde ;
● Matériau isolant : L’oxyde de magnésium compacté est couramment utilisé pour assurer simultanément isolation électrique et transfert thermique ;
● Gaine métallique : Elle protège les conducteurs contre les dommages mécaniques, l’oxydation, la contamination et certains environnements corrosifs.
Dans une conception isolée, la jonction reste à l’intérieur de la gaine et est entourée par le matériau isolant.
La sonde bénéficie ainsi de la protection mécanique de la gaine tout en maintenant une séparation électrique entre le circuit de mesure et l’équipement surveillé.
Comment un thermocouple à jonction isolée mesure-t-il la température ?
Le principe de mesure reste identique à celui des autres thermocouples et repose sur l’effet Seebeck.
Lorsqu’un circuit constitué de deux métaux différents est soumis à une différence de température, une tension thermoélectrique apparaît. Le thermomètre, le régulateur ou le système d’acquisition mesure cette faible tension et la convertit en température en fonction du type de thermocouple et de la compensation de soudure froide.
La jonction isolée ne modifie donc pas le principe thermoélectrique. Elle modifie principalement le trajet de transmission thermique et la relation électrique entre la jonction et la gaine extérieure.
Pendant la mesure :
● La chaleur de l’objet ou du milieu atteint la gaine métallique ;
● Elle traverse la gaine et le matériau isolant ;
● La température de la jonction évolue ;
● Le thermocouple génère une tension thermoélectrique correspondante ;
● L’instrument convertit cette tension en valeur de température.
La présence d’un matériau isolant entre la gaine et la jonction explique pourquoi la réponse est généralement plus lente que celle d’une jonction directement reliée à la gaine.
Pourquoi une jonction isolée améliore-t-elle l’isolation électrique ?
Les carters métalliques, tuyauteries, moteurs, appareils de chauffage et machines industrielles peuvent se trouver à des potentiels électriques différents.
Lorsque la jonction est reliée à la gaine et que celle-ci est en contact avec l’équipement, le circuit de mesure peut être électriquement couplé au système de masse de l’installation.
Cette configuration peut, dans certaines conditions, provoquer une boucle de masse ou exposer l’entrée de mesure à une tension de mode commun et à des parasites électriques.
Dans une sonde à jonction isolée, le matériau isolant réduit cette liaison électrique directe.
Cette solution est particulièrement intéressante lorsque :
● Plusieurs équipements présentent des potentiels de masse différents ;
● Plusieurs thermocouples sont raccordés au même système d’acquisition ;
● Des moteurs, variateurs de fréquence ou équipements de forte puissance génèrent des perturbations électriques ;
● Des tensions parasites peuvent apparaître sur les structures métalliques ;
● Une isolation électrique plus élevée entre voies de mesure est recherchée.
Une jonction isolée permet de réduire certaines perturbations associées à la structure de la sonde. Toutefois, l’immunité globale dépend également de l’entrée de l’instrument, du blindage, du câblage, de la mise à la terre et de l’environnement électromagnétique.
Quels sont les avantages d’un thermocouple à jonction isolée ?
L’avantage principal n’est pas nécessairement une précision de température supérieure, mais une meilleure isolation électrique.
● Bonne isolation électrique : La jonction est séparée de la gaine et moins directement influencée par le potentiel de l’équipement ;
● Réduction du risque de boucle de masse : Particulièrement utile dans les systèmes d’acquisition multivoies et les installations automatisées ;
● Adapté aux environnements électriquement perturbés : Convient notamment à proximité de moteurs, variateurs, machines et équipements électriques ;
● Bonne protection mécanique : La jonction reste protégée à l’intérieur de la gaine ;
● Bonne adaptabilité aux environnements industriels : Selon le matériau de gaine, la sonde peut être utilisée dans des gaz, liquides, machines, systèmes de chauffage et certains milieux corrosifs ;
● Adapté aux installations permanentes : L’isolation électrique est utile dans les systèmes fixes de surveillance de température.
Quelles sont les limites d’un thermocouple à jonction isolée ?
Une meilleure isolation électrique ne signifie pas que cette configuration soit optimale dans toutes les applications.
Sa principale limite est généralement le temps de réponse.
La jonction n’étant pas directement en contact avec la gaine, la chaleur doit traverser la gaine puis le matériau isolant. Le trajet thermique est donc plus long.
À diamètre, matériau de gaine et construction comparables :
● Une jonction exposée présente généralement la réponse la plus rapide ;
● Une jonction mise à la masse est généralement intermédiaire ;
● Une jonction isolée répond généralement plus lentement.
L’état du matériau isolant peut également influencer les performances. Des dommages mécaniques importants, une exposition prolongée à des températures supérieures aux spécifications, l’humidité ou la contamination peuvent réduire la résistance d’isolement.
Le choix doit donc tenir compte du temps de réponse, de l’isolation électrique, de la robustesse mécanique, de la température de service et de l’environnement.
Quelle différence entre une jonction isolée et une jonction mise à la masse ?
La principale différence est la présence ou non d’une liaison électrique entre la jonction de mesure et la gaine métallique.
Dans un thermocouple à jonction mise à la masse, la jonction est généralement soudée directement à la gaine. La chaleur est transmise plus rapidement, ce qui réduit habituellement le temps de réponse.
Dans une conception à jonction isolée, la jonction est séparée électriquement de la gaine. La réponse est plus lente, mais l’isolation électrique est meilleure.
En résumé :
● Jonction mise à la masse : Réponse plus rapide, jonction électriquement reliée à la gaine ;
● Jonction isolée : Réponse plus lente, jonction électriquement séparée de la gaine ;
● Jonction exposée : Réponse très rapide, mais protection mécanique et résistance à l’environnement plus limitées.
Aucune de ces configurations n’est systématiquement supérieure aux autres. Le choix dépend de l’application.
Dans quelles applications utiliser un thermocouple à jonction isolée ?
Cette construction est particulièrement adaptée lorsque l’isolation électrique est plus importante qu’un temps de réponse extrêmement court.
Applications courantes :
● Moteurs et générateurs : Surveillance des roulements, carters ou composants internes ;
● Machines industrielles : Compresseurs, pompes, réducteurs et équipements tournants ;
● Systèmes de chauffage : Chauffages industriels, fours, dispositifs électriques et zones proches des éléments chauffants ;
● Automatisation : Connexion à des automates, régulateurs de température et systèmes d’acquisition multivoies ;
● Électronique de puissance : Variateurs de fréquence, alimentations et équipements électriquement perturbés ;
● Systèmes CVC : Mesure de température dans les tuyauteries, gaines d’air, échangeurs et systèmes frigorifiques ;
● Laboratoires et bancs d’essai : Mesures multivoies avec réduction des interactions électriques entre points de test ;
● Équipements et tuyauteries métalliques : Lorsque la gaine touche une structure conductrice mais que le circuit de mesure doit rester isolé.
Comment choisir entre une jonction mise à la masse et une jonction isolée ?
Le choix doit principalement tenir compte du temps de réponse, de l’environnement électrique et de l’installation mécanique.
Si la température évolue rapidement, qu’une réponse rapide est essentielle et que le risque de boucle de masse ou de perturbation électrique est faible, une jonction mise à la masse peut être appropriée.
Pour les moteurs, machines métalliques, systèmes électriques ou acquisitions multivoies, une jonction isolée est souvent préférable.
Points à vérifier :
● Présence de moteurs, variateurs de fréquence, équipements de commutation de forte puissance ou autres sources de perturbations ;
● Contact direct de la gaine métallique avec l’équipement ;
● Possibilité de différences de potentiel entre points de mesure ;
● Besoin d’une réponse thermique très rapide ;
● Connexion de plusieurs thermocouples au même enregistreur ou système d’acquisition ;
● Compatibilité du diamètre de sonde, du matériau de gaine, de la plage de température et des performances d’isolement avec l’application.
Le type de thermocouple, le diamètre de la sonde, la profondeur d’insertion, le matériau de gaine et la position de montage doivent également être pris en compte.
FAQ
Un thermocouple à jonction isolée est-il totalement insensible aux perturbations électriques ?
Non. L’isolation entre la jonction et la gaine réduit certaines boucles de masse et certains couplages électriques, mais le câblage, le blindage, la conception de l’entrée de mesure, les champs électromagnétiques et la mise à la terre peuvent toujours influencer la mesure.
Une jonction isolée est-elle toujours plus précise qu’une jonction mise à la masse ?
Non. La configuration de la jonction ne détermine pas à elle seule la précision. Celle-ci dépend également des tolérances des matériaux, de la compensation de soudure froide, de la précision de l’instrument, de l’installation, des gradients thermiques et de l’environnement.
Pourquoi une jonction isolée répond-elle plus lentement ?
Parce que la jonction n’est pas directement reliée à la gaine métallique. La chaleur doit traverser la gaine et le matériau isolant.
Comment reconnaître un thermocouple à jonction isolée ?
Consultez les spécifications de la sonde et recherchez des indications telles que « Junction Type », « Ungrounded » ou « Insulated Junction ». Lorsque cela est possible, un contrôle électrique entre les conducteurs et la gaine peut également confirmer l’isolation.
Peut-il mesurer des températures élevées ?
Oui. La température maximale dépend toutefois du type de thermocouple, des matériaux conducteurs, de la gaine, de l’isolant, du diamètre de la sonde et de sa construction générale.
Les thermocouples de type K, J, T et E peuvent-ils être fabriqués avec une jonction isolée ?
Oui. Le terme « isolée » décrit la construction de la jonction, tandis que K, J, T et E désignent les combinaisons de matériaux et les caractéristiques thermoélectriques. Ce sont deux classifications différentes.
Conclusion
Un thermocouple à jonction isolée est une sonde dans laquelle la jonction de mesure est électriquement séparée de la gaine métallique.
Son principal avantage est une meilleure isolation électrique, qui peut réduire les effets des boucles de masse, des différences de potentiel entre équipements et de certaines perturbations électriques. Cette construction est particulièrement adaptée aux moteurs, machines industrielles, équipements électriques, systèmes automatisés et acquisitions multivoies.
Par rapport à une jonction mise à la masse, son temps de réponse est généralement plus long, car la chaleur doit traverser la gaine et le matériau isolant.
Le choix d’un thermocouple doit donc prendre en compte conjointement le temps de réponse, l’isolation électrique, la plage de température, le diamètre de sonde, le matériau de gaine, le montage et l’environnement électrique.
