Qu'est-ce que le thermocouple au rhodium de platine?

Un thermocouple platine-rhodium est un capteur de température dont les deux branches sont des alliages de platine-rhodium, et il est acheté pour une raison qui le distingue de tous les couples à base de métaux : c'est l'instrument par rapport auquel les autres instruments sont vérifiés. La mesure est précise, la sortie est stable sur de longues périodes à haute température, et le prix qui accompagne ces deux propriétés est un signal très faible, un choix limité d'alliages, et un matériau qui perd son étalonnage lorsque sa surface est attaquée.

La page ci-dessous couvre les trois types de métaux nobles et ce que sont leurs branches, la précision autorisée par les normes, ce que signifie le faible signal pour l'instrument auquel le couple est câblé, ce qui limite réellement la durée de vie d'un de ces capteurs, et la forme blindée dans laquelle la plupart d'entre eux sont achetés.

La lettre fixe la paire d'alliages et rien d'autre. Trois types de métaux nobles sont couramment utilisés, et la différence entre eux réside dans la teneur en rhodium des branches, ce qui détermine la sortie, la plage et le comportement dans un four contaminé.

Le point du Type B mérite d'être énoncé en entier, car c'est la raison pour laquelle un acheteur le choisit. Avec du platine-rhodium sur les deux branches, il n'y a pas de branche en platine pur qu'un contaminant puisse attaquer et pas de branche en platine pur qu'un oxyde déposé puisse modifier, et la documentation publiée sur la sélection des thermocouples donne cela comme raison pour laquelle le Type B tolère mieux les atmosphères contaminées que les deux autres types de métaux nobles. Le compromis est la sortie : la même paire d'alliages produit une force électromotrice plus faible que le Type S ou le Type R à la même température, et elle n'est normalement pas utilisée en dessous de 600 °C pour cette raison.

La tolérance d'un couple de métaux nobles est publiée sous forme de classe de précision, et la classe est une bande sur la courbe de la force électromotrice et non un alliage différent. Un certificat qui nomme une classe indique l'écart dans lequel le lot est accepté, et une classe plus stricte est une bande d'acceptation plus étroite sur la même courbe.

Deux qualifications s'appliquent au tableau. Les équivalents ASTM de ces classes sont les limites spéciales et standard d'erreur, donc un certificat peut nommer l'un ou l'autre système, et les deux ne sont pas des nombres identiques. Et la classe décrit le couple, pas la mesure : la jonction froide, le câble d'extension et le transmetteur ajoutent chacun à l'écart, donc la précision délivrée au système de contrôle est plus lâche que la classe sur le certificat du fil.

Un couple de métaux nobles produit une fraction de la sortie d'un couple à base de métaux, et tout ce qui concerne son câblage en découle. Deux conséquences méritent d'être notées par écrit avant de commander le capteur.

La première est la jonction froide. Un thermocouple mesure une différence, donc la température aux bornes doit être connue et compensée, et avec un faible signal, l'erreur de compensation représente une part plus importante du total. La seconde est le câble entre le couple et l'instrument, et il y a deux choix avec des significations différentes. Un câble d'extension est fabriqué à partir des mêmes alliages que le couple, donc la paire est simplement prolongée jusqu'à l'instrument. Un câble de compensation utilise des alliages différents choisis pour donner la même sortie sur une plage de température limitée, et c'est l'option la moins chère lorsque le parcours est court et frais. Dans tous les cas, le câble fait partie du circuit et ses propres alliages décident si la lecture survit au trajet.

Le Type B présente un avantage pratique que les deux autres n'ont pas, et la documentation publiée l'indique clairement : comme la sortie de la paire est négligeable sur la plage de 0 °C à 50 °C, la compensation de jonction froide n'est normalement pas requise. Dans une usine où les bornes se trouvent dans une armoire de contrôle ordinaire, cela élimine un maillon entier de la chaîne de mesure.

Un couple platine-rhodium ne tombe pas en panne par fusion. Il tombe en panne soit mécaniquement, soit par perte d'étalonnage, et les deux mécanismes sont publiés et distincts. Tous deux agissent sur le métal, et la gaine et le garnissage autour d'elle peuvent ralentir l'un d'eux et ne peuvent pas toucher l'autre.

La limite de dérive est celle qui piège les utilisateurs de sondes gainées, et la distinction mérite d'être énoncée une fois. Une gaine protège le couple des dommages mécaniques et du contact avec les contaminants. Elle ne protège pas le fil de la perte de rhodium à sa propre surface, car le couple atteint toujours la température du four, et une sonde gainée qui a été dans un four oxydant chaud pendant une longue période dérive donc dans la même direction qu'une sonde nue.

Le thermocouple blindé, également appelé thermocouple à isolation minérale ou thermocouple MI, n'est pas un couple assemblé à partir de pièces détachées à l'intérieur d'un tube de protection. Les fils, l'isolation et la gaine sont construits en un seul câble, étiré à travers des filières jusqu'à ce que la poudre céramique à l'intérieur soit compactée autour des fils et que l'ensemble soit solide et flexible. Cette construction est à l'origine des propriétés du produit, et les trois parties portent chacune une décision.

Quatre choses découlent de cette construction, et les guides publiés sur la construction les énoncent en ces termes. La poudre compactée remplit l'espace autour des fils et les protège de l'humidité, des gaz et de la contamination beaucoup mieux que les isolants céramiques lâches à l'intérieur d'un tube, ce qui est une voie par laquelle la dérive est ralentie. L'ensemble solide résiste mieux aux vibrations, aux chocs et à l'écrasement qu'une sonde assemblée, ce qui est la réponse mécanique à la branche cassante décrite ci-dessus. Le câble peut être plié et acheminé autour des obstacles, ce qu'un tube céramique rigide ne peut pas faire, et il peut être étiré en très petits diamètres, de sorte qu'une sonde MI s'adapte là où une sonde conventionnelle ne le fait pas. Le temps de réponse dépend du diamètre de la gaine, car une gaine mince a une faible masse thermique, et la poudre compactée conduit efficacement la chaleur à la jonction.

La plage de fonctionnement publiée pour la construction dépend de la gaine et de l'isolation ensemble. Les sondes isolées à l'oxyde de magnésium sont publiées pour une utilisation jusqu'à 2 400 °F, soit 1 316 °C, et les thermocouples MI en général sont décrits comme servant des températures cryogéniques jusqu'à la plage de 1 000 à 1 200 °C et plus où des alliages et des conceptions spéciaux sont utilisés. Pour un couple platine-rhodium, le plafond pratique à l'air est fixé par la dérive décrite ci-dessus et non par le câble, et la même distinction s'applique ici que partout ailleurs dans ce matériau.

Quatre limitations appartiennent au même document que les avantages, car toutes quatre sont des décisions qu'un acheteur doit prendre et non des défauts à éviter.

La quatrième ligne est celle qui est généralement oubliée. Une affirmation selon laquelle les fils sont dans un état isolant et étanche aux gaz décrit l'intention de conception de la construction et la condition à la température de fonctionnement doit être vérifiée par rapport à la fiche technique, car la céramique qui isole parfaitement à froid conduit beaucoup mieux à chaud. C'est une propriété de l'isolation et elle s'applique à tous les fabricants de ces sondes.

Un choix supplémentaire appartient à la construction et non au couple. La jonction de mesure est formée à la pointe de l'une des trois manières, et les trois échangent la réponse contre la protection et contre l'isolation électrique.

Les branches. Le Type S est du platine avec 10 % de rhodium contre du platine pur, le Type R est du platine avec 13 % de rhodium contre du platine pur, et le Type B est du platine avec 30 % de rhodium contre du platine avec 6 % de rhodium. Les Types S et R sont utilisés pour la référence et les travaux d'étalonnage, et le Type B est celui choisi lorsque l'atmosphère du four est contaminée, car avec du platine-rhodium sur les deux branches, il n'y a pas de branche en platine pur qu'un contaminant puisse attaquer.

En raison des deux propriétés mentionnées dans le premier paragraphe de cette page, et parce que les normes les énoncent sous forme de chiffres. La tolérance est publiée sous forme de classe de précision sur la courbe de la force électromotrice, avec ±1,0 °C sur la plage de 0 à 1 100 °C pour les Types S et R, s'élargissant au-dessus, et ±0,5 °C pour le Type B sur sa plage. Un type à base de métaux sur la même norme présente une bande plus large, typiquement ±1,5 °C, c'est pourquoi l'un est utilisé pour le contrôle et l'autre pour la référence.

C'est un couple construit comme un câble à isolation minérale et non assemblé à partir de pièces détachées : les deux fils, une isolation céramique compactée qui est le plus souvent de l'oxyde de magnésium, et une gaine métallique sans soudure, étirés ensemble jusqu'à ce que l'ensemble soit solide. Les matériaux de gaine vont de l'acier inoxydable et de l'Inconel aux alliages spéciaux et aux métaux nobles, et la construction offre une protection contre la contamination, une résistance aux vibrations et aux chocs, une flexibilité, de petits diamètres et un temps de réponse défini par le diamètre de la gaine.

Elle ralentit une voie et ne peut pas toucher l'autre. L'isolation compactée limite l'entrée de gaz et d'humidité dans les fils beaucoup mieux que les isolants lâches, ce qui ralentit la contamination. Elle n'arrête pas la perte de rhodium de la surface du fil, car le couple atteint toujours la température du four, et au-dessus d'environ 1 100 °C, le rhodium migre sous forme de vapeur métallique et les oxydes volatils emportent le métal. Les instructions publiées pour une utilisation dans des atmosphères oxydantes limitent les Types R et S à un fonctionnement continu jusqu'à environ 1 300 °C pour cette raison.

La directive publiée est un rayon de courbure minimum d'environ cinq fois le diamètre extérieur de la gaine, et elle est plus conservatrice pour les gaines minces et pour le pliage répété. Plier trop brusquement peut fissurer l'isolation, déformer les fils ou endommager la gaine d'une manière qui n'est pas visible de l'extérieur, et le pliage répété de la même section durcit la gaine par écrouissage. Pliez loin de la pointe de la jonction et de la transition du connecteur, et formez la forme finale avant que la sonde ne soit installée.

Normalement non, et la documentation publiée donne la raison : la sortie de la paire est négligeable sur la plage de 0 °C à 50 °C, donc la température des bornes n'a pas besoin d'être corrigée. Les Types S et R n'ont pas cet avantage, et tous deux sont câblés avec soit un câble d'extension des mêmes alliages, soit un câble de compensation adapté au type sur une plage de température limitée.

Un thermocouple platine-rhodium est un capteur de métaux nobles, et les trois types utilisés sont séparés par la teneur en rhodium de leurs branches : Type S à 10 % de rhodium, Type R à 13 %, et Type B avec 30 % et 6 % de rhodium sur ses deux branches. La précision est publiée sous forme de classe sur la courbe de la force électromotrice, à ±1,0 °C sur la plage de 0 à 1 100 °C pour les Types S et R et ±0,5 °C pour le Type B sur sa plage, et la classe décrit le couple et non la mesure entière, car la jonction froide, le câble et le transmetteur ajoutent chacun à l'écart. Le Type B a l'avantage pratique que sa sortie est négligeable entre 0 °C et 50 °C, donc la compensation de jonction froide n'est normalement pas requise.

Deux mécanismes limitent la durée de vie d'un couple de cette famille, et ce sont la croissance des grains dans les branches et la perte de rhodium de la surface, qui dépose de l'oxyde sur la branche de platine et déplace l'étalonnage. La forme blindée répond au premier et ralentit le second en gardant les contaminants éloignés du fil, et elle n'arrête pas la dérive, c'est pourquoi la limite continue publiée pour les Types R et S dans les atmosphères oxydantes est d'environ 1 300 °C même lorsque le couple lui-même survit à des températures plus élevées. Le pliage est limité à un rayon d'environ cinq fois le diamètre de la gaine, l'extrémité ouverte doit être scellée car l'oxyde de magnésium est hygroscopique, et la résistance d'isolation doit être lue à la température de fonctionnement et non à température ambiante. Les couples et les sondes blindées sont fournis depuis Changzhou, Jiangsu en Type S, Type R et Type B, dans le diamètre de gaine, la longueur et la forme de jonction que l'installation exige.

1. IEC 60584-1, thermocouples, tables de référence et classes de tolérance, avec ASTM E230 et ses limites d'erreur, et le traitement des matériaux de thermocouple par l'ASM Handbook. Source pour les compositions des branches des trois types de métaux nobles, les bandes de classe de précision citées pour les Types S, R et B et pour les types à base de métaux, l'équivalence entre la classe et les limites spéciales et standard d'erreur, et le comportement comparatif du Type B dans les atmosphères contaminées.
2. Données techniques publiées pour les thermocouples à métaux nobles, y compris les limites de température du Type B et l'affirmation selon laquelle sa sortie est négligeable sur la plage de 0 °C à 50 °C, de sorte que la compensation de jonction froide n'est normalement pas requise, ainsi que la note selon laquelle le type n'est normalement pas utilisé en dessous de 600 °C. Source pour les chiffres de plage et pour la position de la jonction froide.
3. Bureau International des Poids et Mesures, Guide de la thermométrie par thermocouple, Partie 1. Source pour la migration du rhodium sous forme de vapeur métallique au-dessus de 1 100 °C, pour la formation d'oxydes volatils de platine et de rhodium en présence d'oxygène à haute température, et pour l'affirmation selon laquelle les Types R et S peuvent être utilisés en continu dans des atmosphères oxydantes jusqu'à environ 1 300 °C.
4. Pearce et collaborateurs, travaux publiés sur la dérive thermoélectrique des thermocouples platine-rhodium au-dessus de 1 200 °C et sur la perte de masse des fils platine-rhodium à 1 324 °C. Source pour les deux modes de défaillance nommés d'un couple de Type R ou S, qui sont la croissance excessive des grains dans la branche de platine provoquant la rupture du fil et la dérive de température causée par le dépôt d'oxyde de rhodium sur la branche de platine.
5. Guides techniques publiés sur les thermocouples à isolation minérale, ainsi que l'article technique publié sur les capteurs isolés à l'oxyde de magnésium. Source pour la construction du câble à partir des fils, de l'isolation compactée et de la gaine sans soudure, pour l'utilisation de l'oxyde de magnésium et de l'oxyde d'aluminium, pour les matériaux de gaine nommés, pour la protection contre l'humidité, les gaz et la contamination, pour le comportement en vibration et en choc, pour la flexibilité, les petits diamètres et le temps de réponse suivant le diamètre de la gaine, pour la plage de fonctionnement jusqu'à 2 400 °F et la plage de 1 000 à 1 200 °C pour les thermocouples MI en général, pour le rayon de courbure minimum d'environ cinq fois le diamètre extérieur de la gaine et le durcissement par écrouissage causé par le pliage répété, pour le comportement hygroscopique de l'isolation à une extrémité non scellée, pour l'affirmation selon laquelle sa résistance d'isolation chute considérablement lorsque la sonde atteint la température de fonctionnement, et pour les options de jonction mise à la terre, non mise à la terre et exposée.
6. Instructions publiées sur les câbles d'extension et de compensation, et données produit détenues par DLX Alloy. Source pour la distinction entre un câble d'extension, qui utilise les mêmes alliages que le couple, et un câble de compensation, dont les alliages diffèrent et sont adaptés à la sortie sur une plage de température limitée, pour l'état recuit brillant dans lequel ces grades sont fournis, et pour les types, diamètres de gaine, longueurs et formes de jonction fournis depuis Changzhou.

Chaque chiffre ci-dessus est une valeur publiée ou une exigence publiée pour le matériau et la construction nommés, et les classes de précision sont les bandes publiées dans les normes et non les mesures sur un capteur livré. Les classes de tolérance s'appliquent au couple, et la mesure délivrée à l'instrument comprend la jonction froide, le câble et le transmetteur. Les limites de pliage, d'humidité et de résistance d'isolation sont des propriétés de la construction, et le chiffre pour la gaine et le diamètre commandé doit être confirmé par rapport à la fiche technique du fabricant. Les limites de température à l'air sont fixées par la dérive pour cette famille et non par la plage de fusion des alliages, c'est pourquoi les chiffres continus publiés sont inférieurs aux chiffres de survie, et une sonde choisie pour une application de four doit être spécifiée par rapport à la limite de dérive et non par rapport à la température maximale indiquée sur la fiche technique.