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Cah. Tech. I.N.R.A., 2005 56, 45-58 Instruction d’étalonnage d’un thermomètre à

Cah. Tech. I.N.R.A., 2005 56, 45-58 Instruction d’étalonnage d’un thermomètre à résistance Olivier Marloie 1 Cet article décrit la méthode d’étalonnage par comparaison des chaînes de mesure de température (sonde à résistance associée à un transmetteur ou un convertisseur ou un indicateur). Les indications données par l’instrument de mesure sont comparées aux valeurs fournies par un étalon placé dans le même milieu (bain, four ou enceinte thermostatique). Ce document rappelle les recommandations normatives à suivre afin de mettre en place un dispositif d’étalonnage, de réaliser un mode opératoire et d’évaluer l’incertitude d’étalonnage. Un exemple d’étalonnage est donné. Cet article a fait l’objet d’une présentation lors des Journées de la Mesure et de la Métrologie en octobre 2004. Mots clés : métrologie, thermomètres à résistance, étalonnage, incertitude, mode opératoire Références normatives FD X07-029-1 : 2002, Métrologie – Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres – partie 1 : procédure d’étalonnage et de vérification des sondes et thermomètres à résistance FD X07-028 : 2002, Métrologie – Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres – Estimation des incertitudes sur les mesures de température FD X 15-001 : 1997, Atmosphères normales de conditionnement et/ou d’essai – Spécifications 1. Introduction Ce document s’applique pour les chaînes de mesure de température associant une sonde à résistance et un transmetteur ou un convertisseur ou un indicateur. Il reprend les recommandations définies par les normes FD X07-028 et FD X07-029-1. Celles-ci sont complétées ou précisées par des informations transmises par des fournisseurs de métrologie des températures ou par des prestataires d’étalonnage accrédités. Ces recommandations sont valables quelle que soit l’exactitude de mesure recherchée et s’appliquent aux étalonnages réalisés pour n’importe quelles conditions d’environnement. Les objectifs de ces recommandations sont : - d’élaborer une méthode pratique et reproductible d’étalonnage, - d’estimer une correction d’étalonnage et son incertitude associée. 1 INRA, Unité Climat Sol Environnement -Domaine Saint Paul, Site Agroparc - 84914 Avignon Cedex 09 marloie@avignon.inra.fr 45 2. Méthode d’étalonnage L’étalonnage consiste à comparer les indications données par un instrument de mesure aux valeurs fournies par un étalon placé dans le même milieu (bain, four ou enceinte thermostatique). Il permet d’éditer un certificat d’étalonnage dont l’utilisation peut être : - soit d’appliquer des corrections aux résultats de mesure afin de diminuer l’incertitude des mesures réalisées - soit de comparer les résultats aux limites d’Erreurs Maximales Tolérées (EMT) afin d’effectuer une vérification de l’instrument. Le tableau 1 montre un exemple de résultats d’étalonnage délivré par un laboratoire accrédité COFRAC pour l’étalonnage des thermomètres. Les corrections sont déterminées en fonction des points d’étalonnage réalisés et sont accompagnées de leur incertitude. Température de référence (°C) Indication de la chaîne de mesure (°C) Correction à appliquer au thermomètre (°C) Incertitude de l’étalonnage (°C) -30.04 -30.06 0.02 ± 0.065 -0.02 -0.03 0.01 ± 0.055 24.90 24.89 0.01 ± 0.055 49.94 49.94 0.00 ± 0.055 80.16 80.15 -0.01 ± 0.060 Tableau 1 : exemple de résultats d’un étalonnage La température est alors : indication de la chaîne de mesure + correction d’étalonnage. L’incertitude d’étalonnage représente l’incertitude de l’instrument dans les conditions d’étalonnage, à court terme, et en tenant compte de l’instrument. Cette incertitude sur la valeur de la correction sera utilisée lors de l’utilisation de l’instrument en vue de calculer l’incertitude composée associée aux résultats de mesure. Le choix du dispositif d’étalonnage (thermomètre étalon et milieu de comparaison), le mode opératoire et la démarche conduisant à l’évaluation de l’incertitude vont dépendre de l’exactitude de mesure recherchée. Pour une chaîne de mesure de température, deux classes d’exactitude sont définies (tableau 2). Classe d’exactitude Incertitude d’étalonnage Démarche d’évaluation de l’incertitude Exactitude de mesure courante > 0.3 °C Approchée Meilleure exactitude de mesure < 0.3 °C Générale Tableau 2 : classe d’exactitude d’une chaîne de mesure de température 46 3. Recommandations normatives 3.1 Environnement La meilleure méthode consiste à se placer dans une atmosphère normale d’essai pour l’étalonnage des thermomètres. Ces conditions sont définies par la norme FD X 15-001 et adaptées pour ce type d’instrument. Température ambiante : ce paramètre est souvent une grandeur d’influence des chaînes de mesure de température. L’utilisateur doit alors utiliser l’instrument dans les mêmes conditions de température que lors de son étalonnage. Dans la chaîne d’étalonnage nationale, la température ambiante adoptée est de 23 °C à ± 2°C (tolérance courante). Humidité relative : ce paramètre peut altérer les caractéristiques métrologiques d’un instrument de mesure (possibilité de condensation). Rayonnement solaire : des précautions doivent être prises afin de protéger les étalons contre l’effet de ce paramètre (orientation des fenêtres vers le nord, protection par des stores ou films thermiques, positionnement des étalons loin des vitres). Pression : l‘étalonnage doit être effectué à la pression atmosphérique. Lorsque les conditions d’environnement ne sont pas maîtrisées, il est nécessaire d’évaluer : - l’influence des paramètres (température, humidité relative, pression atmosphérique, rayonnement) sur les bilans d’incertitudes ; - les paramètres susceptibles de perturber les mesures (réseau électrique, compatibilité électromagnétique, vibrations, etc.). 3.2 Dispositif d’étalonnage 3.2.a. Etalon Tout thermomètre dont l’étalonnage est traçable à des étalons nationaux peut être utilisé comme étalon. Son choix dépend de différents facteurs tels que : - le domaine de température - l’incertitude finale recherchée : compatibilité avec les composantes d’incertitude de l’étalon (incertitude d’étalonnage, dérive, fidélité, conditions d’utilisation, modélisation de la correction, conditions d’environnement, résolution) ; - les conditions spécifiques de l’étalonnage (utilisation dans un bain liquide,…); - la fonctionnalité de l’instrument (mémorisation, liaison PC,…) - etc. Le choix d’un étalon doit être accompagné de l’identification d’un prestataire d’étalonnage pour son raccordement aux étalons nationaux. Celui-ci doit posséder une chaîne d’étalonnage dont : - le domaine de température correspond à celle couverte lors de l’utilisation de l’étalon - l’incertitude d’étalonnage est compatible avec l’incertitude finale recherchée. Si une meilleure exactitude de mesure est recherchée, un contrôle régulier de la stabilité de la sonde de référence entre deux raccordements externes doit être réalisé. La périodicité est fixée en fonction des conditions d’utilisation (fréquence, domaine de température, condition d’environnement,…). 47 Ce contrôle peut être effectué en : - utilisant un point fixe de température (cellule point triple de l’eau par exemple); - comparant directement avec un autre étalon de référence ayant la même résolution et possédant la même incertitude de raccordement aux étalons nationaux. 3.2.b. Milieu de comparaison La qualité de la méthode par comparaison dépend fortement de la capacité à amener et à maintenir le thermomètre à étalonner et le thermomètre étalon à la même température. Le tableau 3 présente les principaux milieux de comparaison pouvant être utilisés pour différents domaines de température. Milieu de comparaison Domaine de température Bain liquide à circulation Iso-pentane Alcool éthylique Eau + éthylen glycol Eau Huile silicone -160 °C à 0 °C - 70 °C à 0 °C - 50 °C à 20 °C 2 °C à 95 °C - 60 °C à 295 °C Enceinte climatique Air - 40 °C à 200 °C Fours à résistance électrique Air 200 °C à 1 000 °C Tableau 3 : Milieux de comparaison par domaine de température Lorsque l’incertitude finale recherchée est fine, le milieu de comparaison doit avoir d’excellentes caractéristiques thermiques (stabilité et homogénéité). Afin de faire un choix d’équipement, les caractéristiques thermiques doivent être analysées au regard des autres sources d’incertitudes du dispositif d’étalonnage, celles de l’étalon notamment. Exemples de la contribution des caractéristiques du milieu de comparaison à l’incertitude finale : Chaîne d’étalonnage : thermomètre étalon ayant 0.15 °C comme incertitude de mesure associé à un bain liquide dont les caractéristiques sont les suivantes : Cas n° 1 : stabilité et homogénéité : 0.005 °C La contribution est de 0.08% à l’incertitude finale égale à 0.1501 °C. Cas n° 2 : stabilité et homogénéité : 0.05 °C La contribution est de 7 % à l’incertitude finale égale à 0.155 °C. A la vue de ces résultats, la différence en terme de contribution des caractéristiques des deux bains ne justifie certainement pas le surcoût lié à l’achat du bain n°1. 48 Au cours du temps ces caractéristiques peuvent évoluer et doivent donc être vérifiées périodiquement. La périodicité dépend de différents facteurs (fréquence d’utilisation, condition d’environnement, dégradation de la viscosité du fluide d’un bain, etc.). Dans tous les cas, cette caractérisation doit être réalisée après chaque intervention qui modifierait les caractéristiques thermiques (réparation ou changement de fluide d’un bain par exemple). Elle est réalisée avec le thermomètre étalon en le déplaçant sur l’ensemble du volume de travail du générateur. La stabilité et l’homogénéité peuvent être améliorées par l’utilisation de blocs d’égalisation thermiques (blocs en métal, percés de puits permettant de positionner le capteur à étalonner et l’étalon). Le bloc ne doit pas provoquer des turbulences du fluide en circulation et être soumis à des perturbations thermiques provenant par exemple d’une résistance chauffante ou d’un bloc de réfrigération. 3.3. Le mode opératoire doit être établi afin de réaliser des étalonnages d’une manière reproductible. Avant l’étalonnage, un examen visuel est réalisé ainsi qu’un nettoyage du capteur. Le temps de préchauffage des instruments électroniques doit être respecté. Dans les conditions d’étalonnage, il est important de prendre en compte la température ambiante, le uploads/Geographie/instruction-detalonnage-dun-thermometre.pdf