Introduction
Deux sondes thermocouples peuvent présenter un aspect extérieur très similaire tout en utilisant des architectures de jonction de mesure différentes. Selon la relation entre la jonction du thermocouple et la gaine métallique, on distingue généralement les jonctions mises à la masse, isolées et exposées.
Un thermocouple à jonction mise à la masse ne signifie pas simplement que le capteur est raccordé au conducteur de protection d’une installation électrique. Cette appellation indique que la jonction de mesure du thermocouple est directement reliée électriquement et thermiquement à la gaine métallique.
Cette construction réduit le trajet thermique entre le milieu mesuré et la jonction. Elle permet donc généralement une réponse plus rapide aux variations de température. Les thermocouples à jonction mise à la masse sont couramment utilisés sur les équipements industriels, les tuyauteries, les machines, les systèmes de chauffage et de nombreux procédés thermiques.
Points essentiels
● La jonction de mesure est directement reliée à la gaine métallique ;
● Grâce à un trajet thermique plus court, le temps de réponse est généralement inférieur à celui d’un thermocouple à jonction isolée de construction comparable ;
● La gaine métallique protège mécaniquement les fils thermocouples tout en participant directement au transfert thermique ;
● La connexion électrique entre la jonction et la gaine doit être prise en compte en présence de différences de potentiel, de perturbations électriques ou de boucles de masse ;
● Les jonctions mises à la masse, isolées et exposées répondent à des besoins différents. Le choix dépend du temps de réponse recherché, de l’isolation électrique, de l’environnement et du niveau de protection mécanique nécessaire.
Qu’est-ce qu’un thermocouple à jonction mise à la masse ?
Cette construction est généralement appelée thermocouple à jonction mise à la masse ou thermocouple à jonction reliée à la masse. Dans la documentation internationale, les termes anglais Grounded Thermocouple et Grounded Junction Thermocouple sont également courants.
Un thermocouple est constitué de deux conducteurs de matériaux différents réunis à l’extrémité de mesure pour former une jonction. Lorsqu’une différence de température existe entre cette jonction et la jonction de référence, une tension thermoélectrique dépendante de la température est générée. Un thermomètre à thermocouple, un transmetteur de température ou un système d’acquisition convertit ensuite ce signal en température selon le type de thermocouple utilisé.
Dans une construction mise à la masse, la jonction de mesure est directement reliée à la gaine métallique.
Le transfert thermique peut être résumé ainsi :
● Le milieu mesuré transmet sa chaleur à la gaine métallique ;
● La gaine est directement reliée à la jonction de mesure ;
● La chaleur atteint rapidement la jonction ;
● La jonction génère une tension thermoélectrique ;
● Le thermomètre, le transmetteur ou le système d’acquisition mesure le signal et calcule la température.
Cette architecture permet d’associer une réponse relativement rapide à la protection mécanique d’une sonde gainée.
« Mise à la masse » signifie-t-il raccordement à la terre de protection ?
Non.
Il s’agit d’une confusion fréquente.
Dans ce contexte, « mise à la masse » décrit essentiellement la relation structurelle et électrique entre la jonction de mesure et la gaine métallique. Cela ne signifie pas que le thermocouple doit être raccordé au conducteur de protection PE d’une installation électrique.
Toutefois, puisque la jonction est électriquement reliée à la gaine, le circuit de mesure peut lui-même être relié électriquement à l’équipement lorsque la gaine est en contact conducteur avec un châssis, une canalisation, une cuve ou une autre partie métallique de l’installation.
Selon le montage, un thermocouple de ce type peut donc être indirectement référencé au potentiel de masse de l’installation. Il s’agit alors d’une conséquence de l’installation électrique et non de la définition même d’une jonction mise à la masse.
Comment est construit un thermocouple à jonction mise à la masse ?
Un thermocouple gainé typique comprend des conducteurs thermocouples, un matériau isolant et une gaine métallique extérieure.
Les conducteurs produisent la tension thermoélectrique. L’isolant maintient et sépare les conducteurs lorsque l’isolation électrique est nécessaire. La gaine métallique protège la structure interne contre les chocs mécaniques, l’abrasion, la pression et certains environnements de procédé.
Dans une version mise à la masse, les deux conducteurs forment une jonction de mesure à l’extrémité de la sonde, et cette jonction est directement reliée à la gaine métallique.
Du point de vue électrique :
Jonction de mesure du thermocouple → connexion électrique avec la gaine métallique.
Cette caractéristique constitue la différence fondamentale avec un thermocouple à jonction isolée.
Pourquoi le temps de réponse est-il généralement plus court ?
Un thermocouple ne mesure pas directement la température de la gaine extérieure. La température mesurée correspond à celle atteinte par la jonction de mesure interne.
Lorsqu’une sonde passe d’un environnement thermique à un autre, la chaleur doit être transférée du milieu mesuré jusqu’à la jonction. Plus ce trajet est long et plus la résistance thermique entre la gaine et la jonction est élevée, plus la stabilisation est lente.
Avec une jonction mise à la masse, la connexion directe avec la gaine réduit cette résistance thermique et permet à la chaleur d’atteindre plus rapidement le point sensible.
Par exemple, lorsqu’une sonde est introduite dans un liquide, un gaz ou une pièce mécanique dont la température varie rapidement, une jonction mise à la masse réagit généralement plus vite qu’une jonction isolée de diamètre, de matériau de gaine et de construction comparables.
Le temps de réponse réel ne dépend cependant pas uniquement du type de jonction. Le diamètre de la sonde, le matériau de la gaine, la taille de la jonction, la profondeur d’immersion, la vitesse du fluide et la méthode d’installation influencent également fortement la réponse thermique.
Quels sont les avantages d’une jonction mise à la masse ?
Son principal avantage réside dans le compromis entre rapidité de réponse et protection mécanique.
● Réponse rapide : la jonction directement reliée à la gaine réduit la résistance thermique ;
● Bonne protection mécanique : contrairement à une jonction exposée, la jonction de mesure reste protégée dans la gaine métallique ;
● Adaptée aux températures variables : les phases de chauffage, de refroidissement et les changements de procédé peuvent être suivis rapidement ;
● Construction compacte : ce type de jonction peut être intégré à des sondes de nombreux diamètres et longueurs ;
● Large éventail d’applications : liquides, gaz, machines, canalisations, moules et procédés industriels peuvent être mesurés lorsque la conception de la sonde est adaptée.
Lorsqu’une isolation électrique élevée n’est pas indispensable et qu’un temps de réponse court est recherché, cette construction constitue souvent une solution appropriée.
Quelles sont les limites d’une jonction mise à la masse ?
La liaison électrique entre la jonction de mesure et la gaine métallique peut entraîner certaines contraintes.
Si l’équipement mesuré se trouve à un potentiel électrique particulier ou si des différences de potentiel existent entre différentes parties de l’installation, le circuit thermocouple peut former un chemin de courant supplémentaire par l’intermédiaire de la gaine. Cela peut augmenter le risque de boucle de masse, de perturbations en mode commun ou de bruit électrique.
Une attention particulière est recommandée dans les environnements comportant :
● Des variateurs de fréquence, entraînements moteurs ou autres équipements générant des perturbations électriques ;
● Des différences de potentiel de masse entre plusieurs équipements ;
● Des instruments dont les entrées ne disposent pas d’une isolation suffisante ;
● Des systèmes d’acquisition de température multivoies ;
● Des applications de laboratoire ou industrielles nécessitant une grande stabilité du signal ou la détection de faibles variations de température.
Cela ne signifie pas que ces thermocouples sont incompatibles avec de tels environnements. Il convient simplement d’évaluer la mise à la masse de l’installation, l’isolation des entrées, le cheminement des câbles, le blindage et l’architecture globale du système de mesure.
Quelle différence entre une jonction mise à la masse et une jonction isolée ?
Un thermocouple à jonction isolée est couramment appelé Ungrounded Thermocouple ou Ungrounded Junction Thermocouple dans la documentation anglaise.
La différence principale concerne la connexion électrique entre la jonction de mesure et la gaine.
● Jonction mise à la masse : la jonction est directement reliée à la gaine métallique ;
● Jonction isolée : la jonction est électriquement isolée de la gaine.
Grâce à cette isolation, un thermocouple à jonction isolée offre généralement une meilleure séparation électrique entre le circuit de mesure et la gaine. Cette configuration peut être préférable lorsqu’il existe un risque de boucle de masse ou de perturbations électriques.
L’isolant introduit toutefois une résistance thermique supplémentaire entre la gaine et la jonction. À dimensions, matériaux et conditions comparables, la réponse d’une jonction isolée est donc généralement plus lente.
En pratique :
● Si la rapidité de réponse est prioritaire, une jonction mise à la masse est souvent privilégiée ;
● Si l’isolation électrique est prioritaire, une jonction isolée est généralement plus adaptée.
Le choix final doit également tenir compte des dimensions de la sonde, de la plage de température, du milieu mesuré, de l’instrumentation et de l’environnement électrique.
Quelle différence entre une jonction mise à la masse et une jonction exposée ?
Dans un thermocouple à jonction exposée, la jonction de mesure est directement en contact avec le milieu et n’est pas entièrement protégée par la gaine métallique.
Les trois architectures principales peuvent être résumées ainsi :
● Jonction exposée : la jonction de mesure est directement exposée au milieu ;
● Jonction mise à la masse : la jonction est située dans la gaine et directement reliée à celle-ci ;
● Jonction isolée : la jonction est située dans la gaine mais électriquement isolée de celle-ci.
À conditions comparables, une jonction exposée offre généralement la réponse la plus rapide, car très peu de matière sépare le milieu mesuré du point sensible. Sa protection mécanique et sa résistance aux environnements difficiles sont cependant plus limitées.
La jonction mise à la masse offre un compromis entre rapidité de réponse et protection, ce qui explique son utilisation fréquente dans les applications industrielles.
La jonction isolée peut être plus lente, mais elle apporte une meilleure isolation électrique entre la jonction et la gaine.
Dans quelles applications utiliser une jonction mise à la masse ?
Cette construction convient particulièrement lorsque l’application nécessite à la fois une protection mécanique et une réponse relativement rapide.
Applications courantes :
● Surveillance des variations de température sur les équipements industriels ;
● Mesure des tuyauteries et équipements HVAC ;
● Contrôle de température des équipements de chauffage, fours et procédés thermiques industriels ;
● Mesure des liquides, cuves et conduites de procédé ;
● Mesure des moteurs, roulements, composants mécaniques et carters d’équipements ;
● Surveillance des moules, presses chauffantes et équipements de production ;
● Suivi dynamique des phases de chauffage et de refroidissement en laboratoire ;
● Maintenance, diagnostic et contrôle de température sur site.
Lorsque l’environnement électrique présente des connexions de masse complexes, il est également recommandé d’évaluer l’intérêt d’une jonction isolée.
Quels autres paramètres faut-il examiner lors de la sélection ?
Le type de jonction n’est qu’un des critères de sélection d’une sonde thermocouple.
D’autres paramètres doivent également être pris en compte :
● Type de thermocouple : les types K, J, T, E et autres utilisent des combinaisons de matériaux différentes et présentent des caractéristiques d’utilisation spécifiques ;
● Plage de température de la sonde : la température admissible dépend non seulement des conducteurs, mais également de la gaine, de l’isolant, du câble, du connecteur et de la construction générale ;
● Matériau de la gaine : chaque alliage présente des caractéristiques spécifiques de tenue en température, de résistance à la corrosion et de résistance mécanique ;
● Diamètre de la sonde : les sondes plus fines ont généralement une masse thermique plus faible et répondent plus rapidement, mais peuvent être moins robustes ;
● Longueur de la sonde : elle doit être adaptée à la profondeur d’immersion, à la géométrie de montage et aux effets éventuels de conduction thermique ;
● Temps de réponse : les procédés à variation rapide nécessitent une attention particulière aux caractéristiques dynamiques réelles de la sonde ;
● Milieu mesuré : les gaz, liquides, surfaces solides et milieux corrosifs imposent des exigences différentes ;
● Compatibilité avec l’instrument : le type de thermocouple doit correspondre à l’entrée du thermomètre, de l’enregistreur, du système d’acquisition ou du transmetteur utilisé.
Le terme « mise à la masse » ne décrit donc qu’un élément de la spécification complète de la sonde.
Quelles précautions prendre lors de l’utilisation ?
Il faut tout d’abord vérifier que le type de thermocouple correspond au réglage de l’instrument. Une sonde de type K doit, par exemple, être raccordée à un appareil compatible avec une entrée de thermocouple K.
Une profondeur d’immersion suffisante est également importante. Si la sonde est introduite trop peu profondément, la chaleur peut se propager le long de la gaine vers l’environnement extérieur. La jonction peut alors être influencée par la température ambiante, ce qui peut introduire une erreur.
La liaison électrique éventuelle entre la jonction et l’équipement doit aussi être prise en compte. En présence de variateurs de fréquence, de moteurs de forte puissance, d’équipements haute fréquence ou d’autres sources de perturbations, il convient d’optimiser le cheminement des câbles thermocouples et d’éviter autant que possible les parcours parallèles prolongés avec les câbles de puissance. Selon l’installation, un blindage, une isolation des entrées ou l’utilisation d’une jonction isolée peut être préférable.
Dans les environnements à haute température, corrosifs, sous forte pression ou à grande vitesse d’écoulement, la gaine et la construction mécanique doivent impérativement être adaptées aux conditions réelles.
Une jonction mise à la masse influence-t-elle la précision ?
Une jonction mise à la masse ne doit pas être considérée automatiquement comme « plus précise ».
Les erreurs de mesure peuvent provenir de nombreux facteurs : tolérance des conducteurs thermocouples, compensation de jonction froide, instrument de mesure, câbles de raccordement ou de compensation, température ambiante, installation, conduction thermique, perturbations électriques et vieillissement de la sonde.
Le type de jonction influence principalement le comportement dynamique et la connexion électrique.
Dans un procédé où la température change rapidement, une sonde à jonction mise à la masse peut suivre plus rapidement la température instantanée grâce à son temps de réponse réduit. À l’inverse, dans un environnement fortement perturbé électriquement, la connexion de la jonction à la gaine peut augmenter le risque de couplage du bruit électrique.
La précision, le temps de réponse, l’isolation électrique et les conditions d’installation doivent donc être évalués séparément.
FAQ
Que signifie thermocouple à jonction mise à la masse ?
Il s’agit d’une sonde thermocouple dont la jonction de mesure est directement reliée à la gaine métallique. Cette construction est également connue sous les termes anglais Grounded Thermocouple ou Grounded Junction Thermocouple.
Faut-il raccorder ce thermocouple à la terre de protection ?
Non. Le terme décrit la connexion interne entre la jonction de mesure et la gaine métallique. Il n’impose pas de raccordement au conducteur de protection de l’installation.
Pourquoi ce type de thermocouple répond-il plus rapidement ?
La jonction étant directement reliée à la gaine, la résistance thermique entre la gaine et la jonction est réduite, ce qui permet de suivre plus rapidement les variations de température.
Une jonction mise à la masse est-elle meilleure qu’une jonction isolée ?
Aucune n’est meilleure dans toutes les situations. La jonction mise à la masse offre généralement une réponse plus rapide, tandis que la jonction isolée procure une meilleure isolation électrique.
Convient-elle aux températures qui évoluent rapidement ?
Oui, dans de nombreuses applications. Le temps de réponse réel dépend toutefois également du diamètre de la sonde, du matériau de la gaine, de la construction de la jonction, de la vitesse du fluide, de la profondeur d’immersion et du montage.
Les perturbations électriques peuvent-elles affecter la mesure ?
Oui. La connexion électrique entre la jonction et la gaine peut favoriser les boucles de masse ou le couplage de bruit lorsqu’il existe des différences de potentiel ou des perturbations importantes.
Peut-on mesurer des liquides et des gaz ?
Oui, à condition que le matériau de la gaine, la plage de température, l’étanchéité et la construction mécanique soient adaptés au milieu et aux conditions de fonctionnement.
Conclusion
Un thermocouple à jonction mise à la masse est une sonde dont la jonction de mesure est directement reliée à la gaine métallique. Cette construction assure un transfert thermique efficace entre la gaine et la jonction et permet généralement d’obtenir un temps de réponse court tout en conservant la protection mécanique d’une sonde gainée.
Par rapport à une jonction isolée, la jonction mise à la masse réagit généralement plus rapidement, mais offre une isolation électrique plus faible. Par rapport à une jonction exposée, elle peut être légèrement moins rapide, mais elle apporte une meilleure protection mécanique et une meilleure résistance aux conditions industrielles.
Le type de jonction ne doit donc jamais être évalué isolément. Pour obtenir une mesure de température fiable et stable, il convient également de considérer le type de thermocouple, la plage de température, le temps de réponse, les dimensions de la sonde, le matériau de la gaine, l’environnement électrique, le milieu mesuré et la méthode d’installation.
