Introduction

Lors du choix d’une sonde thermocouple, déterminer le type de thermocouple — K, J, T ou E, par exemple — ne suffit pas. Il faut également choisir la configuration de la jonction : jonction exposée, jonction à la masse ou jonction isolée.

Ces trois configurations ne correspondent pas à des principes de mesure différents. Elles décrivent la manière dont la jonction formée par les deux conducteurs du thermocouple est positionnée et reliée par rapport à la gaine métallique de la sonde.

Cette différence de construction agit directement sur le temps de réponse, l’isolation électrique, la protection mécanique et l’adaptation aux différentes conditions de mesure. Deux thermocouples de même type et de dimensions comparables peuvent donc présenter des performances différentes selon leur configuration de jonction.

Points essentiels

● Jonction exposée : la jonction de mesure est directement au contact du milieu mesuré. Elle offre généralement la réponse la plus rapide, mais une protection mécanique et environnementale plus faible.
● Jonction à la masse : la jonction est directement reliée électriquement à la gaine métallique. Elle offre une réponse relativement rapide et une bonne protection mécanique, mais sans isolation électrique entre la jonction et la gaine.
● Jonction isolée : la jonction de mesure est électriquement séparée de la gaine. Cette construction permet de limiter les problèmes liés aux boucles de masse ou aux différences de potentiel, au prix d’une réponse généralement plus lente.
● Aucune configuration n’est systématiquement supérieure aux autres. Le choix dépend du temps de réponse recherché, de l’environnement électrique, de la protection mécanique, du milieu mesuré et des conditions d’installation.

Qu’est-ce que la jonction de mesure d’un thermocouple ?

Un thermocouple est constitué de deux conducteurs métalliques de nature différente possédant des caractéristiques thermoélectriques distinctes. À l’extrémité de mesure, ces deux conducteurs sont réunis pour former la jonction de mesure, également appelée jonction chaude.

Lorsqu’une différence de température existe entre la jonction de mesure et la jonction de référence, le thermocouple génère une faible tension thermoélectrique. L’instrument mesure ce signal, généralement de l’ordre du millivolt, puis calcule la température à partir du type de thermocouple et de la compensation de jonction froide.

La zone située autour de la jonction de mesure constitue donc la partie réellement sensible à la température.

Pour une sonde thermocouple munie d’une gaine métallique, la relation entre cette jonction et la gaine détermine si la construction est à la masse ou isolée. Lorsque la jonction est directement exposée hors de la protection, il s’agit d’une jonction exposée.

Qu’est-ce qu’un thermocouple à jonction exposée ?

Dans un thermocouple à jonction exposée, les deux fils sont réunis à leur extrémité et la jonction est directement exposée à l’air, au gaz ou au milieu à mesurer, sans être entièrement protégée par une gaine métallique.

La chaleur peut donc atteindre directement la jonction sans devoir traverser au préalable une gaine ou un matériau isolant.

Cette configuration présente généralement le temps de réponse thermique le plus court parmi les trois constructions courantes.

● Avantage : réponse rapide aux variations de température.
● Avantage : faible inertie thermique, particulièrement adaptée aux variations rapides de température de l’air ou des gaz.
● Limitation : protection mécanique plus faible.
● Limitation : sensibilité accrue à la corrosion, à l’oxydation, aux contaminants et aux chocs.
● Limitation : la jonction métallique exposée est conductrice et ne doit pas être appliquée directement sur des parties sous tension ou dans un environnement présentant un risque électrique.

Les thermocouples à jonction exposée sont fréquemment utilisés pour les mesures d’air, de gaz, les essais de laboratoire, les applications CVC et les mesures nécessitant une réponse rapide.

Dans les environnements corrosifs, sous pression, fortement abrasifs ou comportant des liquides conducteurs, une sonde gainée peut être préférable.

Qu’est-ce qu’un thermocouple à jonction à la masse ?

Un thermocouple à jonction à la masse possède généralement une gaine métallique de protection. À l’extrémité de la sonde, les deux conducteurs forment une jonction directement reliée à cette gaine.

Autrement dit :

La jonction de mesure est électriquement connectée à la gaine métallique.

La chaleur peut être transmise directement de la gaine à la jonction. Le chemin thermique est donc plus court que dans une construction isolée, ce qui permet généralement une réponse plus rapide à dimensions et construction comparables.

La gaine métallique protège également les conducteurs internes, ce qui rend cette configuration adaptée à de nombreuses applications industrielles.

● Réponse généralement plus rapide qu’avec une sonde isolée comparable.
● Bonne protection mécanique assurée par la gaine métallique.
● Adaptée aux liquides, gaz, surfaces d’équipements et procédés industriels courants.
● Absence d’isolation électrique entre la jonction et la gaine.
● Des boucles de masse ou des perturbations électriques peuvent apparaître si l’équipement, la tuyauterie, la gaine et l’instrument se trouvent à des potentiels différents.

Par exemple, une sonde à la masse installée sur une tuyauterie métallique déjà reliée à la terre peut former un chemin électrique supplémentaire si l’instrument de mesure possède lui aussi une autre liaison à la terre.

Cette configuration convient donc aux applications nécessitant à la fois une réponse relativement rapide et une bonne protection mécanique, lorsque les conditions de mise à la terre sont maîtrisées.

Qu’est-ce qu’un thermocouple à jonction isolée ?

Un thermocouple à jonction isolée possède lui aussi une gaine métallique, mais la jonction de mesure n’est pas en contact électrique direct avec cette gaine.

Elle est généralement séparée de la gaine par un matériau électriquement isolant mais thermiquement conducteur, tel que l’oxyde de magnésium.

Ainsi :

Le circuit de mesure du thermocouple reste électriquement isolé de la gaine métallique.

Cette construction réduit les problèmes pouvant être provoqués par le potentiel électrique de la gaine, la mise à la terre de la machine ou les différentes connexions électriques du système de mesure. Elle est donc fréquemment utilisée en automatisation industrielle, sur les équipements électriques et dans les systèmes multivoies.

● Isolation électrique entre la jonction et la gaine.
● Réduction du risque de perturbations dues aux boucles de masse.
● Adaptée aux installations présentant des potentiels de terre différents.
● Bonne protection mécanique grâce à la gaine.
● Le passage de la chaleur à travers la gaine et le matériau isolant entraîne généralement une réponse plus lente qu’avec une jonction à la masse comparable.

Une jonction isolée ne supprime cependant pas toutes les perturbations électromagnétiques. Le cheminement des câbles, le blindage, la conception des entrées de l’instrument, la mise à la terre et la proximité d’équipements électriques restent également importants.

Principales différences entre les trois configurations

À conditions comparables, les trois configurations peuvent être résumées comme suit :

Ces indications correspondent à des tendances générales de construction et ne constituent pas des valeurs de temps de réponse universelles.

Le temps de réponse réel dépend également du diamètre de la sonde, du matériau de la gaine, des dimensions de la jonction, de la profondeur d’immersion, de la vitesse du fluide et de la méthode d’installation.

Pourquoi une jonction exposée répond-elle plus rapidement ?

Le temps de réponse d’un thermocouple dépend en grande partie de la rapidité avec laquelle la chaleur est transférée du milieu à mesurer vers la jonction.

Avec une jonction exposée, la zone sensible est directement au contact du milieu. Il existe donc très peu de matière entre celui-ci et la jonction.

Dans une sonde à la masse, la chaleur doit traverser la gaine métallique, mais la jonction étant directement reliée à cette gaine, le chemin thermique reste relativement court.

Dans une sonde isolée, la chaleur traverse généralement :

● Le milieu mesuré ;
● La gaine métallique ;
● Le matériau isolant interne ;
● La jonction de mesure.

Ce chemin thermique plus long implique généralement un temps supplémentaire pour atteindre un nouvel équilibre thermique.

Pourquoi une jonction isolée offre-t-elle une meilleure isolation électrique ?

Le signal délivré par un thermocouple est de l’ordre du millivolt. Le système peut donc être sensible à l’organisation des masses et aux perturbations électriques.

Dans une sonde à la masse, la jonction est électriquement reliée à la gaine métallique. Si celle-ci est montée sur une machine, une tuyauterie, un four ou une structure métallique reliée à la terre, le circuit thermocouple peut lui aussi être relié électriquement à l’installation.

Si l’instrument possède une autre liaison à la terre, des différences de potentiel ou des boucles de masse peuvent apparaître et perturber la mesure.

Dans une construction isolée, une couche d’isolation sépare électriquement la jonction de la gaine. La jonction n’est donc pas directement reliée à l’équipement par la gaine de la sonde.

Dans quelles applications utiliser une jonction exposée ?

Une jonction exposée est particulièrement adaptée lorsque la rapidité de réponse est prioritaire et que l’environnement ne risque pas d’endommager la zone sensible.

Applications courantes :

● Mesure de température de soufflage et dans les gaines CVC ;
● Mesure de l’air et des gaz en laboratoire ;
● Suivi de la température de l’air dans les fours ;
● Mise en service des systèmes de ventilation et d’air chaud ;
● Surveillance de flux d’air dont la température varie rapidement ;
● Recherche, développement et essais de performances.

En présence de corrosion, abrasion, pression, chocs ou risques électriques, une sonde gainée est généralement préférable.

Dans quelles applications utiliser une jonction à la masse ?

La jonction à la masse offre un compromis intéressant lorsque l’application nécessite à la fois une réponse relativement rapide et une protection mécanique.

Applications courantes :

● Mesure de température sur machines industrielles ;
● Tuyauteries et réservoirs ;
● Processus utilisant des liquides ou des gaz ;
● Équipements CVC et échangeurs thermiques ;
● Installations de chauffage et procédés industriels généraux ;
● Maintenance et diagnostic thermique des machines.

Il convient néanmoins de vérifier attentivement la relation électrique entre l’équipement mesuré et l’instrument afin d’éviter les problèmes de mise à la terre.

Dans quelles applications utiliser une jonction isolée ?

Une jonction isolée est souvent préférable lorsque l’isolation électrique est plus importante que la réponse la plus rapide possible.

Applications courantes :

● Moteurs, générateurs et autres équipements électriques ;
● Installations industrielles avec systèmes de terre complexes ;
● Automatisation et acquisition de données ;
● Systèmes multivoies de mesure de température ;
● Machines susceptibles de présenter des différences de potentiel ;
● Installations industrielles exigeant une bonne isolation électrique et une mesure stable.

Dans ces situations, une réponse légèrement plus lente peut constituer un compromis acceptable pour bénéficier d’une meilleure isolation électrique.

Comment choisir le bon type de jonction ?

Aucune configuration ne convient à toutes les applications. Plusieurs questions doivent être prises en compte.

● Une réponse très rapide est-elle nécessaire ? Pour des variations rapides de température de l’air ou d’un gaz, une jonction exposée peut être privilégiée. Si une protection mécanique est également nécessaire, une jonction à la masse peut être plus adaptée.
● L’installation possède-t-elle une mise à la terre complexe ? Sur de grandes structures métalliques, des moteurs ou des équipements comportant plusieurs chemins de masse, une jonction isolée mérite d’être envisagée.
● Le milieu peut-il endommager la jonction ? En présence de corrosion, abrasion, pression, chocs ou contamination, une jonction exposée est généralement moins adaptée.
● Une gaine métallique de protection est-elle nécessaire ? Les installations industrielles permanentes utilisent souvent des sondes gainées à la masse ou isolées.
● Quelle priorité : rapidité ou isolation électrique ? Une jonction à la masse privilégie généralement la rapidité, tandis qu’une jonction isolée privilégie l’isolation électrique.

Le choix final doit également tenir compte du type de thermocouple, de la plage de température, du matériau et du diamètre de la gaine, de la longueur de la sonde, du milieu mesuré et du mode d’installation.

Le type de jonction influence-t-il la précision du thermocouple ?

Les configurations exposée, à la masse et isolée ne correspondent pas à des classes de précision.

Par exemple, des thermocouples de type K ayant la même spécification de précision peuvent être fabriqués avec chacune de ces configurations.

La construction de la jonction influence néanmoins le transfert thermique, les connexions électriques et les conditions d’installation. Elle peut donc modifier indirectement le résultat obtenu en pratique.

Une sonde lente peut présenter un retard temporaire lors de variations rapides de température. De même, une boucle de masse dans une installation à jonction à la masse peut provoquer des fluctuations ou des erreurs supplémentaires.

Le choix d’une configuration adaptée fait donc partie intégrante d’une mesure correctement conçue.

Comment identifier une jonction à la masse ou isolée ?

Pour une sonde thermocouple gainée, la méthode la plus fiable consiste à consulter la fiche technique du fabricant.

Lorsque les essais électriques sont autorisés et que la sonde est déconnectée de tout équipement sous tension, une mesure de résistance ou de continuité peut également fournir une indication.

● Une continuité électrique entre le circuit thermocouple et la gaine indique généralement une jonction à la masse.
● Une isolation électrique entre les conducteurs du thermocouple et la gaine indique généralement une jonction isolée.

Une jonction exposée peut le plus souvent être reconnue visuellement, car la jonction est directement visible à l’extrémité de la sonde.

Pour les sondes industrielles dont la construction interne n’est pas identifiable visuellement, il convient de se référer aux caractéristiques du fabricant.

FAQ

Une jonction exposée est-elle toujours plus rapide qu’une jonction à la masse ?
En général, oui, car elle est directement au contact du milieu. Toutefois, le temps de réponse réel dépend également du diamètre du fil, des dimensions de la sonde, de la vitesse du fluide et du mode d’installation. Il est préférable de consulter les caractéristiques du produit.

Une jonction « à la masse » signifie-t-elle que le thermocouple est relié à la terre de l’installation ?
Pas nécessairement. Cela signifie principalement que la jonction de mesure est électriquement reliée à la gaine métallique. Cette dernière n’est pas obligatoirement reliée à la terre de protection.

Un thermocouple à jonction isolée est-il totalement insensible aux perturbations électromagnétiques ?
Non. L’isolation concerne principalement la séparation électrique entre la jonction et la gaine. La longueur et le cheminement des câbles, le blindage, l’instrument et les équipements électriques voisins peuvent toujours influencer le signal.

Quelle configuration choisir pour mesurer la température d’un liquide ?
Le choix dépend du liquide et de l’installation. Les sondes gainées à la masse ou isolées sont couramment utilisées dans les procédés industriels. Pour les liquides corrosifs ou conducteurs, le matériau de la gaine et l’isolation électrique doivent également être pris en compte.

Les thermocouples K, J, T et E peuvent-ils utiliser les trois configurations ?
Oui. Le type de thermocouple détermine les caractéristiques thermoélectriques, tandis que la configuration de la jonction influence principalement le temps de réponse, l’isolation électrique et la protection mécanique.

Conclusion

La différence fondamentale entre les jonctions exposée, à la masse et isolée réside dans la relation mécanique et électrique entre la jonction de mesure, le milieu mesuré et la gaine métallique de protection.

● Une jonction exposée est directement au contact du milieu et offre généralement la réponse la plus rapide, mais avec une protection mécanique réduite.
● Une jonction à la masse est directement reliée à la gaine et constitue un bon compromis entre rapidité et protection mécanique, mais les conditions de mise à la terre doivent être prises en compte.
● Une jonction isolée est séparée électriquement de la gaine et convient aux systèmes où l’isolation électrique et la stabilité de mesure sont prioritaires, avec une réponse généralement plus lente.

Lors du choix d’une sonde thermocouple, il faut donc considérer non seulement le type de thermocouple et la plage de température, mais aussi le temps de réponse, l’environnement électrique, la protection mécanique, le milieu mesuré et les conditions d’installation. Une bonne adéquation entre les matériaux, la construction de la sonde et l’application est essentielle pour obtenir une mesure de température stable et fiable.