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Conformité et audits

Étalonnage des thermomètres : sondes de température, sondes Pt100 et thermocouples

13 min de lecture Publié Mis à jour

L'étalonnage d'un thermomètre le compare à un thermomètre de référence étalonné à deux températures ou plus, les deux capteurs étant à la même température dans un bain liquide agité ou un four à bloc sec, et consigne l'erreur en chaque point par rapport à la classe de tolérance du capteur ou à la spécification du fabricant. Entre deux étalonnages, un relevé au point de glace, 0 °C, est un contrôle rapide qui montre si le capteur s'est décalé.

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Ce que vérifie l'étalonnage d'un thermomètre

Un thermomètre à contact ne peut indiquer que la température de son propre capteur. L'étalonnage établit la relation entre la température du capteur et ce qu'affiche le thermomètre. L'essentiel de la méthode consiste donc à s'assurer que le capteur est vraiment à la température que vous croyez (DKD-R 5-1, chapitre 2). Un thermomètre infrarouge sans contact lit quant à lui le rayonnement thermique et s'étalonne sur une source à corps noir.

Il existe deux méthodes. Dans la méthode par comparaison, le thermomètre et un thermomètre de référence étalonné sont placés côte à côte dans un bain, un four à bloc sec ou un four, et leurs indications sont comparées. Dans la méthode des points fixes, le thermomètre est placé dans une cellule qui réalise une température de définition de l'Échelle internationale de température de 1990 (EIT-90). Pour les thermomètres de travail, la comparaison est la méthode pratique, car elle couvre toute température que le bain ou le bloc peut atteindre.

Le DKD-R 5-1 étalonne à deux températures au moins (chapitre 5), et les points doivent couvrir l'étendue dans laquelle le thermomètre est utilisé. Un résultat d'étalonnage ne vaut qu'entre la plus basse et la plus haute température étalonnées.

Capteur, indicateur ou système complet

Beaucoup de thermomètres ont deux parties : une sonde, comme une sonde à résistance de platine Pt100 ou un thermocouple, et un indicateur ou un transmetteur qui convertit son signal en température. Vous pouvez les étalonner ensemble comme un seul système, ou chaque partie séparément.

Étalonner le système dans un bain donne l'erreur de l'indication que vous utilisez réellement, mais le résultat appartient à cette sonde sur cet indicateur. Remplacez l'une des deux parties et l'étalonnage ne s'applique plus. Étalonner la sonde seule donne sa résistance ou sa tension à chaque température, et l'indicateur est ensuite étalonné électriquement sur son étendue. Le guide EURAMET sur les thermocouples demande que le certificat identifie chaque élément qui fait partie du système mesuré, y compris les câbles d'extension et les indicateurs numériques (cg-8, 14.2).

Avec un thermocouple, l'indicateur assure aussi la compensation de soudure froide, qui ajoute sa propre erreur. Les tables de référence des thermocouples supposent la jonction de référence à 0 °C. Quand elle est à une autre température, on ajoute à la tension mesurée la tension qui correspond à cette température, et non la température elle-même (cg-8, 4.1 et 4.6).

Classes de tolérance : IEC 60751, IEC 60584 et ASTM E2877

L'IEC 60751:2022 est la norme des thermomètres à résistance de platine industriels et des capteurs thermométriques de platine. Elle définit la courbe de résistance, avec un coefficient de température de 0,003851 par °C, et des classes de tolérance qui croissent avec la température t. Une Pt100 a une résistance de 100 Ω à 0 °C. Chaque classe ne s'applique que sur un domaine de validité, plus étroit pour les capteurs à couche mince que pour les capteurs bobinés.

  • |t| est la valeur absolue de la température en °C. Une Pt100 de classe B peut s'écarter de ±0,3 °C à 0 °C et de ±0,8 °C à 100 °C.
  • L'OIML R 84:2003 donne les mêmes formules pour les classes AA, A, B et C, avec les domaines de validité de l'époque, et ajoute une classe D. Elle est gratuite auprès de l'OIML.
  • L'IEC 60584-1:2013 fixe les courbes de référence des types de thermocouples désignés par une lettre (R, S, B, J, T, E, K, N, C et A) et leurs tolérances. Les tolérances s'appliquent aux thermocouples neufs faits de fils de 0,13 mm à 3,2 mm de diamètre en général, tels que livrés, et ne tiennent pas compte de la dérive en service.
  • L'ASTM E2877-12(2019) est un guide pour les thermomètres numériques à contact. Il introduit neuf classes d'exactitude pour le capteur et l'instrument pris ensemble, de −200 °C à 500 °C ou sur la partie de cette étendue que couvre le thermomètre.
Classes de tolérance des thermomètres à résistance de platine, IEC 60751:2022, tableau 2
ClasseTolérance (°C)Domaine de validité, bobinéDomaine de validité, couche minceTolérance à 100 °C
AA±(0,1 + 0,0017 |t|)−50 à +250 °C0 à +150 °C±0,27 °C
A±(0,15 + 0,002 |t|)−100 à +450 °C−30 à +300 °C±0,35 °C
B±(0,3 + 0,005 |t|)−196 à +600 °C−50 à +500 °C±0,8 °C
C±(0,6 + 0,01 |t|)−196 à +600 °C−50 à +600 °C±1,6 °C
Astuce : Une classe de tolérance dit jusqu'où un capteur neuf peut s'écarter de la courbe normalisée. Un étalonnage mesure où se situe réellement ce capteur, avec une incertitude. Dès que vous utilisez les valeurs étalonnées, l'étalonnage et son incertitude comptent plus que la classe.

Bains, fours à bloc sec et thermomètre de référence

Le thermomètre de référence doit avoir un certificat d'étalonnage en cours de validité, traçable aux étalons nationaux, avec une incertitude assez faible pour la tolérance contrôlée. Le DKD-R 5-1 recommande de réétalonner les thermomètres de référence industriels à résistance de platine au plus tous les 1 à 2 ans, selon leur historique (chapitre 9, tableau 1).

Dans un bain liquide agité, les capteurs baignent dans le liquide. Son profil de température dans le volume de travail doit être vérifié avec deux thermomètres ou plus avant de servir à l'étalonnage (EURAMET cg-8, 7.2). Le guide sur les thermocouples espace les capteurs d'environ 1 cm et les tient à l'écart du fond et des parois (7.4).

Un four à bloc sec chauffe un bloc métallique percé de puits pour les sondes. Il est portable et propre, mais la chaleur circule le long des sondes, et EURAMET présente cette conduction thermique comme l'une des plus grandes sources d'incertitude en général (cg-13, 2.2). L'afficheur du bloc montre la température de sa sonde de régulation. Les recommandations d'EURAMET aux utilisateurs rappellent que l'étalonnage du bloc porte sur le bloc, et qu'un thermomètre placé dedans peut s'en écarter (cg-13, annexe C). Une sonde de référence étalonnée dans le puits voisin mesure la température là où elle compte.

Utilisez un puits ou un insert d'au plus 0,5 mm plus large que la sonde entre −100 °C et +660 °C, et d'au plus 1,0 mm plus large au-dessus (cg-13, 2.2).

Profondeur d'immersion

Une immersion insuffisante peut causer de fortes erreurs, car la chaleur circule le long de la tige et le capteur s'établit entre la température du bain et celle de la pièce (DKD-R 5-1, 8.3). Le DKD-R 5-1 donne une première estimation : immergez au moins 10 fois le diamètre de la sonde pour une erreur inférieure à 1 % de l'écart entre la température du bain et celle de la pièce, et chaque tranche de 10 diamètres de plus divise l'erreur par 10. Comptez la profondeur à partir du haut de l'élément sensible, et non de la pointe de la gaine. Une sonde de 6 mm dont l'élément mesure 30 mm demande donc au moins 90 mm dans le bain.

Vérifiez-le. Le DKD-R 5-1 réduit la profondeur de 10 % et accepte le résultat si l'indication varie d'au plus 10 % de l'incertitude visée. EURAMET soulève une sonde de 20 mm dans un bloc sec (cg-13, annexe C) et retire un thermocouple de 5 cm au plus (cg-8, 8.2). Une indication qui change trahit une conduction thermique.

Quand c'est possible, EURAMET étalonne un thermocouple à l'immersion qu'il a en service, à condition qu'elle soit assez profonde pour que les pertes ou apports de chaleur ne faussent pas l'indication (cg-8, 8.1). Pour un thermomètre à résistance, le DKD-R 5-1 vise la plus grande immersion que permettent le bain ou le bloc (8.3). Dans les deux cas, notez la profondeur sur le certificat (DKD-R 5-1, 8.3 ; cg-8, 14.2).

Stabilité et homogénéité

Deux propriétés du bain ou du bloc passent directement dans l'incertitude. L'homogénéité indique combien la température varie d'un endroit à l'autre de la zone de travail : le long d'un puits, entre les puits et avec le bloc chargé. La stabilité indique combien elle fluctue dans le temps une fois établie. L'EURAMET cg-13 fait caractériser le bloc pour les deux, la stabilité étant observée sur au moins 30 minutes (3.5). Il traite le plus grand écart trouvé comme la demi-étendue d'une loi rectangulaire, de sorte que l'incertitude-type vaut cet écart divisé par √3 (4.2.2).

Laissez tout se stabiliser avant de lire. Lisez ensuite la référence et le thermomètre étalonné en même temps, ou alternez-les dans un ordre symétrique pour que la dérive se compense. L'EURAMET cg-8 donne des ordres comme S1, X1 ... Xn, S2, S2, Xn ... X1, S1, où S désigne les thermomètres de référence et X les thermomètres étalonnés (10.3).

Sondes Pt100 à résistance : câblage, auto-échauffement et hystérésis

  • Câblage. Une sonde en montage 2 fils ajoute la résistance de ses fils à l'indication. Dans l'exemple du DKD-R 5-1, une Pt100 avec 2,5 m de câble en cuivre de 410 mΩ à la température ambiante a 492 mΩ quand le câble est à 70 °C, ce qui donne une indication plus haute de 0,2 K (8.5.1). Un montage 3 fils compense les fils s'ils sont identiques. Le montage 4 fils évite le problème et c'est le raccordement à privilégier (8.5.2 et 8.5.3).
  • Auto-échauffement. Le courant de mesure chauffe le capteur. Le DKD-R 5-1 mesure avec deux courants et extrapole à un courant nul. Quand l'auto-échauffement n'est pas mesuré, il compte 30 mK comme contribution rectangulaire dans le bilan d'incertitude (8.8).
  • Hystérésis. Un thermomètre industriel à résistance de platine peut indiquer une valeur un peu différente à la même température selon qu'il a été chauffé ou refroidi. Le DKD-R 5-1 demande donc de l'étudier ou de l'estimer (3.1.2).
  • Stabilité. Un choc ou une vibration peut décaler un capteur à platine. Mesurer sa résistance au point de glace avant et après le transport montre s'il a bougé (DKD-R 5-1, chapitres 5 et 6).

Thermocouples : pourquoi ils se comportent autrement

Un thermocouple ne mesure pas à sa pointe. Sa tension naît du gradient de température le long des fils, si bien qu'une portion de fil modifiée en service ne compte que là où elle se trouve dans un gradient. Si le gradient du bain d'étalonnage tombe sur une autre partie du fil que dans l'installation, l'étalonnage ne représente pas l'utilisation (EURAMET cg-8, 1.3 et 9.1).

C'est pourquoi EURAMET recommande de remplacer les thermocouples en métaux communs utilisés à haute température plutôt que de les réétalonner, ou de les contrôler sur place (cg-8, 1.5 et 13.4).

Parcourez les points dans le bon ordre. EURAMET étalonne de la température la plus haute vers le bas, sauf pour le type K, qui change quand il est cyclé à 500 °C ou plus. Le type K est étalonné en températures croissantes, et le premier point est répété à la fin pour contrôle (cg-8, 10.1).

Thermomètres numériques et thermomètres en verre

Un thermomètre numérique réunit un capteur et un indicateur, il s'étalonne donc comme un système, par comparaison avec une référence. Le DKD-R 5-1 s'applique par analogie aux thermomètres électroniques à lecture directe et aux enregistreurs de données à capteur à résistance. Si le thermomètre est ajusté, le certificat donne les résultats avant et après l'ajustage (chapitre 10).

Un thermomètre à liquide dans le verre est conçu pour une immersion donnée. Un thermomètre à immersion partielle s'immerge jusqu'à son trait d'immersion. Un thermomètre à immersion totale s'immerge avec toute la colonne de liquide, à l'exception d'environ 1 cm en haut. À une mauvaise immersion, il peut se tromper nettement, car le liquide de la tige est à la mauvaise température (NIST SP 1088, section 2).

Pour beaucoup de thermomètres en verre utilisés sous 200 °C, l'évolution à long terme vient surtout du volume du réservoir, et un relevé au point de glace la montre (SP 1088, 7.2). Le NIST recommande de contrôler au point de glace au moins une fois par an même un thermomètre utilisé de temps en temps près de la température ambiante. Il admet un réétalonnage en un seul point, au point de glace, pour les thermomètres à mercure utilisés à 200 °C ou moins (section 4). Ce réétalonnage ne fait que mettre à jour les corrections d'un étalonnage complet antérieur. Le NIST conseille toujours un réétalonnage complet pour les thermomètres à chambre de contraction et à graduations fines. Inspectez le thermomètre régulièrement et avant chaque étalonnage pour repérer une colonne de liquide fractionnée, qui cause de fortes erreurs (sections 5 et 6).

Le contrôle au point de glace

Le point de glace, 0 °C, est la référence la plus simple à réaliser, et l'ASTM E563-22 en est la pratique normalisée. Le NIST décrit la méthode dans la SP 1088 (7.7 et 7.8). Râpez de la glace claire faite d'eau distillée ou déminéralisée en particules de 2 mm à 5 mm, tassez-la dans un vase Dewar avec de l'eau distillée, siphonnez l'eau de fonte en excès et laissez reposer 15 à 30 minutes. Gardez au moins 3 cm de mélange sous le réservoir, et préparez un point de glace neuf chaque jour où vous en avez besoin.

Avec la méthode du NIST, un point de glace peut être reproduit avec une incertitude élargie (k = 2) d'environ 0,002 °C (SP 1088, 7.2). Un bain rapide d'eau du robinet et de glace est moins exact : EURAMET indique que son point de glace peut se situer entre −0,025 °C et 0 °C (cg-8, 4.1).

Un contrôle au point de glace confirme une seule température. Il montre un décalage, mais pas un changement de pente de la courbe, qui demande au moins deux températures (DKD-R 5-1, chapitre 9). Pour les thermomètres et sondes électroniques, traitez-le comme une vérification intermédiaire et non comme un étalonnage : il ne remet pas l'échéance à zéro. L'exception est le thermomètre à mercure en verre utilisé à 200 °C ou moins, pour lequel le NIST SP 1088 admet un relevé au point de glace comme réétalonnage en un seul point (section 4). Ce réétalonnage ne fait que mettre à jour les corrections d'un étalonnage complet antérieur. Le NIST conseille toujours un réétalonnage complet pour les thermomètres à chambre de contraction et à graduations fines.

Relevés avant ajustage et thermomètre hors tolérance

Enregistrez les relevés avant que quiconque ajuste le thermomètre ou modifie les réglages de l'indicateur. Si une erreur avant ajustage sort de sa limite, le thermomètre a été hors tolérance pendant une partie inconnue du temps écoulé depuis son dernier étalonnage ou contrôle satisfaisant. Le paragraphe 7.1.5.2 de l'ISO 9001 vous demande de déterminer si les résultats antérieurs ont été compromis et d'agir si nécessaire. Pour un thermomètre, regardez ce que ses indications pilotaient, par exemple le réglage d'un four ou d'un bain, une température de procédé dans un dossier de lot ou une condition d'essai.

À quelle fréquence étalonner un thermomètre

Aucune norme ne fixe l'intervalle. Le NIST ne recommande pas d'intervalle de réétalonnage fixe, et le guide EURAMET sur les thermocouples indique qu'il n'existe pas de fréquence formellement spécifiée, tant les thermocouples et leurs usages varient (cg-8, 13.1). L'ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 énumère les facteurs à peser, dont la tendance à la dérive, la sévérité de l'utilisation et l'effet de la température mesurée elle-même, avec l'exemple des hautes températures sur les thermocouples (5.1).

Quelques points de départ publiés :

  • Thermomètres de référence industriels à résistance de platine dans un laboratoire d'étalonnage : au plus tous les 1 à 2 ans, selon leur historique (DKD-R 5-1, tableau 1).
  • Thermomètres en verre : un contrôle au point de glace jusqu'à une fois par mois quand ils sont neufs ou utilisés au-dessus de 200 °C, porté à une ou deux fois par an quand l'historique montre un réservoir stable (NIST SP 1088, 7.6).
  • Thermocouples en métaux communs utilisés à haute température : prévoyez de les remplacer plutôt que de les réétalonner (EURAMET cg-8, 1.5).
Astuce : Raccourcissez l'intervalle après une chute, une surchauffe ou un contrôle au point de glace raté, et ne l'allongez que sur un historique de résultats avant ajustage dans la limite. Notez la raison de chaque changement.

Ce que doivent montrer le certificat et l'enregistrement

Gardez assez de détails pour que quelqu'un d'autre puisse refaire l'étalonnage. L'EURAMET cg-8 (14.2) et le DKD-R 5-1 (chapitre 10) énumèrent ces éléments, en plus du contenu général du certificat prévu par le paragraphe 7.8 de l'ISO/IEC 17025:2017.

  • Chaque élément étalonné : la sonde, un éventuel câble d'extension et l'indicateur ou le transmetteur qui forme le système.
  • Les températures étalonnées et la méthode, par exemple la comparaison dans un bain ou un bloc.
  • La profondeur d'immersion et les autres conditions de l'étalonnage.
  • Pour une sonde à résistance, le courant de mesure et l'auto-échauffement. Pour un thermocouple, tout traitement thermique avant l'étalonnage.
  • L'indication de la référence et celle du thermomètre en chaque point, l'erreur et l'incertitude de mesure.
  • Les résultats avant et après tout ajustage, la date, la personne qui a fait le travail et la prochaine échéance.

Étalonner un thermomètre, étape par étape

  1. Identifiez le thermomètre, son type de capteur et sa classe, l'étendue dans laquelle il est utilisé et la limite applicable.
  2. Choisissez au moins deux points répartis sur l'étendue d'utilisation.
  3. Vérifiez le certificat et l'échéance du thermomètre de référence, et que son incertitude convient à la limite.
  4. Examinez la sonde, son câble et son connecteur, et contrôlez-la au point de glace si vous le pouvez.
  5. Placez la sonde et la référence côte à côte dans le bain ou le bloc, assez profond pour que le haut de l'élément sensible soit au moins 10 diamètres sous la surface. Notez la profondeur.
  6. Attendez des indications stables en chaque point, puis lisez la référence et le thermomètre en même temps ou dans un ordre symétrique.
  7. Vérifiez l'immersion en retirant un peu la sonde au point le plus éloigné de la température ambiante.
  8. Calculez l'erreur en chaque point et comparez-la à la limite. Enregistrez ces résultats avant ajustage, avant de toucher au moindre réglage.
  9. Si le thermomètre échoue, ajustez-le ou remplacez-le, refaites les points après ajustage et évaluez ce qu'il a mesuré depuis son dernier contrôle satisfaisant. Fixez ensuite la prochaine échéance.

La place d'Axiospec

Axiospec est un logiciel de gestion des étalonnages. Il conserve chaque thermomètre et chaque sonde avec son historique d'étalonnage, ses certificats et sa prochaine échéance, et chaque étalonnage indique l'étalon de référence utilisé. Un enregistrement d'étalonnage accepte jusqu'à 100 points d'essai, chacun avec sa température nominale, sa propre tolérance et ses relevés avant ajustage et après ajustage. Une classe dont la limite croît avec la température s'y inscrit donc point par point. L'enregistrement garde aussi la température et l'humidité ambiantes.

Pour un étalonnage en interne, une indication finale hors de sa tolérance fait passer le résultat à Non conforme, et enregistrer malgré tout un résultat conforme exige un motif écrit. Un Non conforme met le thermomètre en quarantaine, et l'enregistrement demande ce qu'il a mesuré depuis son dernier résultat conforme. Axiospec ne réalise pas la comparaison et ne choisit ni les points, ni la limite, ni l'intervalle. Ces décisions restent les vôtres ou celles de votre laboratoire.

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Questions fréquentes

Comment étalonne-t-on un thermomètre ?
Placez-le à côté d'un thermomètre de référence étalonné dans un bain agité ou un four à bloc sec, assez profond pour que la chaleur qui circule le long de la tige ne compte pas, et comparez les indications une fois les deux stables. Faites-le à deux températures ou plus sur l'étendue que vous utilisez. Notez l'erreur en chaque point et comparez-la à la tolérance du thermomètre.
Comment contrôler un thermomètre au point de glace ?
Tassez de la glace râpée faite d'eau distillée dans un récipient isolé, ajoutez de l'eau distillée, siphonnez l'excès et laissez reposer 15 à 30 minutes. Plongez le thermomètre à son immersion prévue avec de la glace tassée autour, et lisez-le une fois stable. Il doit indiquer 0 °C à sa tolérance près. Un bain de glace à l'eau du robinet peut se situer jusqu'à 0,025 °C sous 0 °C.
Quelle est la tolérance d'une Pt100 de classe A ?
Selon l'IEC 60751:2022, un thermomètre à résistance de platine de classe A peut s'écarter de ±(0,15 + 0,002 |t|) °C, où |t| est la valeur absolue de la température en °C. Cela fait ±0,15 °C à 0 °C et ±0,35 °C à 100 °C. La classe A s'applique de −100 °C à +450 °C pour les capteurs bobinés et de −30 °C à +300 °C pour les capteurs à couche mince.
À quelle fréquence faut-il étalonner les thermomètres ?
Aucune norme ne fixe un intervalle unique. Fondez-le sur la stabilité du capteur, l'intensité de son usage et l'étroitesse de sa limite, puis ajustez-le selon l'historique de ses relevés avant ajustage. Les contrôles au point de glace entre deux étalonnages repèrent tôt un décalage, et le NIST recommande de contrôler au point de glace au moins une fois par an même les thermomètres en verre peu utilisés.
Faut-il étalonner la sonde et l'indicateur ensemble ?
Étalonnez-les ensemble quand ils sont toujours utilisés ensemble, car le résultat est alors l'erreur de l'indication que vous utilisez. Si les sondes passent d'un indicateur à l'autre, étalonnez chaque sonde séparément et chaque indicateur électriquement, pour que chaque partie porte son propre résultat.
Peut-on réétalonner un thermocouple ?
On le peut, mais le résultat risque de ne pas correspondre à son comportement en service. La tension d'un thermocouple naît du gradient de température le long de ses fils, si bien qu'un fil modifié en service ne se révèle que là où il se trouve dans un gradient. EURAMET recommande de remplacer les thermocouples en métaux communs utilisés à haute température plutôt que de les réétalonner, ou de les contrôler sur place.

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