Les thermocouples platine-rhodium sont les éléments de mesure de température en métaux précieux les plus utilisés dans le domaine des hautes températures. Ils se déclinent principalement en trois types standards : type S, type R et type B. Ils fonctionnent tous sur l’effet thermoélectrique, en déterminant la température par la mesure de la force électromotrice. Bien que leur apparence soit similaire, il existe des différences significatives en termes de composition de l’alliage, de plage de mesure, de caractéristiques de précision et de scénarios d’utilisation. Un choix correct influence directement la précision de mesure, la durée de vie et la maîtrise des coûts.
Composition de base des trois types
Pour les trois types de thermocouples, les matériaux des électrodes positive et négative sont tous des alliages platine-rhodium ; la différence réside dans la teneur en rhodium.
- Type S (platine-rhodium 10 – platine) : L’électrode positive est un alliage de platine contenant 10 % de rhodium, l’électrode négative est du platine pur. Communément appelé thermocouple simple platine-rhodium.
- Type R (platine-rhodium 13 – platine) : L’électrode positive est un alliage de platine contenant 13 % de rhodium, l’électrode négative est du platine pur. Appartient également aux thermocouples simples platine-rhodium.
- Type B (platine-rhodium 30 – platine-rhodium 6) : L’électrode positive est un alliage de platine contenant 30 % de rhodium, l’électrode négative est un alliage de platine contenant 6 % de rhodium. Comme les deux électrodes sont en alliage platine-rhodium, on l’appelle communément thermocouple double platine-rhodium.
Plage de mesure et résistance à la température
La principale différence entre les trois types se manifeste dans la température maximale d’utilisation. Les types S et R sont assez proches : la température d’utilisation continue peut atteindre 1300 °C, et la température maximale à court terme peut atteindre 1600 °C. La différence entre les deux est que le coefficient thermoélectrique du type R est environ 15 % plus élevé que celui du type S, fournissant un signal de sortie légèrement plus fort. Le type B a la meilleure résistance à la température : utilisation continue jusqu’à 1600 °C, et maximale à court terme jusqu’à 1800 °C, adapté aux applications à températures extrêmement élevées.
Stanford Advanced Materials (SAM) commercialise des fils pour thermocouples platine-rhodium (Pt-Rh) des types R, S et B, disponibles en plusieurs diamètres.
Lors du choix pratique, si le besoin de mesure se situe entre 1000 °C et 1300 °C, les types S ou R peuvent satisfaire aux exigences. Si la température de travail atteint la plage de haute température de 1200 °C à 1600 °C, il est alors nécessaire de choisir un thermocouple de type B.
Comparaison de la précision et de la stabilité
Parmi les trois types, le thermocouple de type S est reconnu comme le thermocouple normalisé offrant la plus haute précision et la meilleure stabilité. Il a longtemps servi d’instrument d’interpolation pour l’Échelle Internationale de Température. Le type R a des performances comparables à celles du type S, avec une stabilité et une reproductibilité légèrement supérieures. Le type B possède également une haute précision et une bonne stabilité, adapté aux mesures à températures extrêmement élevées au-delà de 1600 °C.
Les avantages communs aux trois sont leur haute résistance à l’oxydation, leurs caractéristiques thermoélectriques stables et leur longue durée de vie. Les inconvénients sont leur faible force électromotrice spécifique, leur sensibilité réduite et leur coût élevé.
Avantage unique du type B : pas besoin de câbles de compensation
Le thermocouple de type B possède une caractéristique très pratique : dans la plage de température de 0 à 50 °C, sa force électromotrice est inférieure à 3 μV, de sorte que son impact sur la précision de mesure est négligeable. Par conséquent, le type B ne nécessite généralement pas de câbles de compensation ; des câbles en cuivre ordinaires peuvent être directement connectés à l’instrument de mesure. Cette caractéristique est particulièrement utile dans les environnements industriels avec un câblage à grande échelle et sur de longues distances, car elle simplifie l’installation et réduit les coûts. Les types S et R, en revanche, nécessitent des câbles de compensation spéciaux, dont l’erreur est relativement plus importante.
Adaptabilité environnementale
Les trois types conviennent aux atmosphères oxydantes et inertes, et peuvent également être utilisés brièvement sous vide. Sous vide, le type B offre la meilleure stabilité.
Restrictions communes : Ils ne conviennent pas aux atmosphères réductrices ni aux environnements contenant des vapeurs métalliques ou non métalliques (comme l’hydrogène, le monoxyde de carbone, les vapeurs métalliques, etc.). De tels environnements corrodent rapidement les électrodes en platine-rhodium, entraînant des erreurs de mesure ou la destruction du thermocouple. Dans ces cas, il est obligatoire d’utiliser un tube de protection non métallique pour l’isolation.
Guide de sélection
Sur la base de l’analyse ci-dessus, la sélection peut être effectuée selon la logique suivante :
- Choisir le type S lorsque : la température est inférieure à 1300 °C, une haute précision de mesure est requise et le budget est relativement limité. Le type S est le plus largement utilisé et offre le meilleur rapport qualité-prix relatif des trois.
- Choisir le type R lorsque : la plage de température est la même que celle du type S, mais qu’une force électromotrice légèrement plus élevée est nécessaire. Attention : Le type R est beaucoup moins répandu que le type S en Chine ; la disponibilité des instruments et des pièces de rechange compatibles peut être moins pratique.
- Choisir le type B lorsque : vous devez mesurer des températures extrêmement élevées autour de 1600 °C ; ou vous souhaitez simplifier le câblage en supprimant les câbles de compensation ; ou l’environnement de travail est sous vide. Le type B est le premier choix pour les mesures à températures extrêmement élevées.
Précautions d’utilisation
Quel que soit le type choisi, les points suivants doivent être pris en compte :
1. Le diamètre des fils du thermocouple affecte sa résistance mécanique et sa capacité à résister à la contamination. Lorsque l’on travaille près de la température maximale d’utilisation, il est recommandé de choisir un diamètre de fil plus grand.
2. Les thermocouples platine-rhodium sont très sensibles à la contamination. Il faut absolument éviter de les utiliser directement dans des atmosphères contaminantes contenant du soufre, du silicium, du carbone, etc.
3. Après une utilisation prolongée, les caractéristiques thermoélectriques peuvent dériver. Il est recommandé de procéder à un étalonnage au moins une fois par an pour garantir la précision de la mesure.