Caractérisation de fours métrologiques

Transcription

Stage du 10 avril au 10 juillet 2006
Caractérisation de
fours métrologiques
DELGADO Carmen
d’Abadie Pierre
Professeur réfèrent
TRON Frederic
CIMAV
IUT du limousin
IUT du limousin
Maître de stage
Remerciements
Afin de mener à bien ce stage différentes personnes m’ont apporté de l’aide,
je vais donc les remercier.
Merci à :
- Mme NARDOU pour m’avoir facilité le coté administratif,
- Mme BARRIERE pour avoir pris contact avec l’entreprise,
- Mme DELGADO pour l’aide qu’elle m’a apporté durant le stage,
- Mr STOCKTON et La CIMAV pour l’accueil qu’ils m’ont offert,
- Mr TRON pour la soutenance.
2
Sommaire
Introduction ....................................................................................................... 4
I.
PRESENTATION DE LA CIMAV ........................................................................ 5
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
II.
SITUATION GEOGRAPHIQUE :................................................................................
ORIGINE : ..........................................................................................................
INFORMATIONS GENERALES :...............................................................................
MISSION : ..........................................................................................................
OBJECTIFS :.......................................................................................................
ORGANISATION : ................................................................................................
PRESENTATION DU LABORATOIRE DE METROLOGIE : ..............................................
6
6
6
7
7
7
8
CARACTERISATION DE FOURS METROLOGIQUES : ................................. 10
1. PRESENTATION DES FOURS METROLOGIQUES......................................................... 10
2. MODE OPERATOIRE :............................................................................................ 11
3. TRAITEMENT DES DONNEES SOUS EXCEL :............................................................. 20
III. CONCLUSION SUR LA CARACTERISATION ................................................ 25
1. LE VENUS 2140B : ............................................................................................ 25
2. LE JUPITER 650B: ............................................................................................ 31
3. SYNTHESE .......................................................................................................... 35
Conclusion....................................................................................................... 37
Bibliographie ................................................................................................... 38
3
Introduction
Pour mon stage de fin d’étude, j’ai choisi de m’expatrier au Mexique afin de
découvrir le monde professionnel tout en apprenant l’espagnol et découvrant la
culture mexicaine.
J’ai effectué mon stage dans la CIMAV qui est un centre de recherche en
matériaux et en milieu ambiant subventionné par l’état. Ce centre forme également
des étudiants au master et au doctorat, il propose aussi différentes prestations aux
entreprises par l’intermédiaire des laboratoires de services. Parmi les différents
domaines proposés, j’ai choisi la métrologie en électricité et température.
On m’a donc confié un projet en autonomie:
La caractérisation de fours métrologiques.
Un four métrologique est un instrument permettant l’étalonnage de capteurs
de température. Cette caractérisation a pour but de déterminer les erreurs des fours
afin d’optimiser les étalonnages effectués par la suite avec ceux-ci. Pour cela, il va
donc être nécessaire d’établir un mode opératoire suivant lequel nous allons
effectuer les mesurages. Les données en résultant vont devoir être traitées afin de
déterminer les caractéristiques des fours, c'est-à-dire la stabilité, l’erreur, suivie de
son incertitude. Les caractéristiques seront déterminées pour différentes
températures représentant le domaine de travail des fours. Avec ces
caractéristiques, nous allons pouvoir présenter le comportement des fours en
fonction de la température de contrôle, à travers différents graphiques.
Je vais donc vous exposer mon travail comme suit.
Tout d’abord, je vais vous présenter la CIMAV, à travers quelques photos,
ses objectifs et son organisation ainsi que le laboratoire de métrologie.
Ensuite, j’aborderai le déroulement de mon projet. Après une présentation des
fours métrologiques, vous pourrez voir le mode opératoire que j’ai suivi et rédigé
pour cette caractérisation. Je vous exposerai ensuite le traitement des données sous
Excel, à partir des mesurages effectués.
Pour finir, je conclurai sur cette caractérisation par l’exploitation des résultats
pour chaque modèle.
4
I. Présentation de la CIMAV
CIMAV: Centro de Investigación en Materiales AVanzados.
5
1. situation géographique :
La CIMAV est implantée dans le complexe industriel de Chihuahua, au nord
du Mexique.
Chihuahua
2. Origine :
Elle a été créée en octobre 1994 en réponse à la demande du secteur
industriel mais aussi afin de décentraliser les activités de recherche du centre du
pays, cela avec l’appui de l’état de Chihuahua, du gouvernement fédéral et du
secteur privé.
3. Informations générales :
Directeur Général:
Superficie:
Nombre d’employés:
Appuis Économiques:
Dr. Jesús González Hernández
25 000 m²
147
Gouvernement Fédéral, Gouvernement de l’état de
Chihuahua et Initiatives privées.
6
4. Mission :
Réaliser de la recherche scientifique, du développement technologique et de
la formation de ressources humaines dans les domaines science des matériaux et
milieu ambiant ; avec comme critère l’excellence pour stimuler le développement
régional et national des secteurs productif et social.
5. Objectifs :
Générer des connaissances à travers la recherche scientifique et le
développement technologique avec comme critères l’excellence et la pertinence.
Servir les secteurs productif, académique et social.
Former des ressources humaines dans le secteur scientifique (sciences des
matériaux, milieu ambiant).
6. Organisation :
Le centre se divise en trois parties :
Premièrement, la recherche scientifique qui est la principale activité, 45
docteurs participent à différents projets et à la rédaction d’articles scientifiques.
Ensuite la partie formation: 2 maîtrises et 1 doctorat, une maîtrise en
sciences des matériaux, une en milieu ambiant et le doctorat en sciences des
matériaux. Chaque élève de maîtrise est suivi par un docteur de la CIMAV.
Et enfin les laboratoires de services qui servent d’appui à la recherche,
aux formations, et qui permettent d’assurer une partie du financement du centre. Le
laboratoire de métrologie se trouve dans cette partie.
Directeur général
Département
physique des
matériaux
Département
chimie des
matériaux
Département
milieu ambiant
et énergie
Télécommunication
et système
Département
des services
techniques
Atelier de
maintenance et
prototypes
Département
formations
Programmes
institutionnels
Laboratoires de
services
Laboratoire de
métrologie
7
7. Présentation du laboratoire de métrologie :
Le laboratoires de métrologie fait partie des laboratoires de services, il se
divise en quatre laboratoires différents, masse, dimensionnel, volume, électrique et
température. Il y a donc quatre personnes, chacun responsable d’un laboratoire. Ils
proposent les services suivants :
Laboratoire « masse »
•
•
•
•
•
Etalonnage de masses de classe d’exactitude F1
o 1 g, 2 g, 5 g, 10 g, 20 g, 50 g, 100 g, 200 g
o 500 g, 1000 g
o 2 kg, 5 kg, 10 kg
o 20 kg
Etalonnage de masses de classe d’exactitude F2
o 1 g, 2 g, 5 g, 10 g, 20 g, 50 g, 100 g, 200 g
o 500 g, 1000 g
o 2 kg, 5 kg, 10 kg
o 20 kg
Etalonnage de masses de classe d’exactitude M1, M2 et M3
o 1 g, 2 g, 5 g, 10 g, 20 g, 50 g, 100 g, 200 g
o 500 g, 1000 g
o 2 kg, 5 kg, 10 kg, 20 kg
Etalonnage de balances électronique classe I y II - Jusqu’à 50 kg
Etalonnage de balances électronique classe III y IV - Jusqu’à 50 kg
Laboratoire « dimensionnel » :
•
•
•
•
•
Etalonnage de pieds a coulisse
o Jusqu’à 150 mm
o Jusqu’à 300 mm
o Jusqu’à 600 mm
o Jusqu’à 1000 mm
Etalonnage de micromètres extérieurs
o De 0 - 25 mm
o Jusqu’à 100 mm
o Jusqu’à 200 mm
Etalonnage de indicateur de comparateur - Jusqu’à 10 mm
Etalonnage de trusquins - Jusqu’à 300 mm
Etalonnage de mètres rubans
o Jusqu’à 500 mm
Laboratoire « volume »
•
•
•
•
Eprouvettes de 5 mL a 2 000 mL
Pipettes de 1 mL a 100 mL
Burettes 10 mL a 100 mL
Récipients volumétriques métalliques de verres de 1 L à 20 L.
8
Laboratoire « électrique et température »
Electrique
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Etalonnage de multimètres jusqu’à 5 digits
o Tension de courant continue - Jusqu’à 1000 V
o Tension de courant alternatif - Jusqu’à 1000 V
o Intensité de courant alternatif - Jusqu’à 10 A
o Intensité de courant continue - Jusqu’à 10 A
o Résistance virtuelle - Jusqu’à 1GΩ
o Capacité virtuelle
o Fréquence
Etalonnage de multimètres jusqu’à 6½ digits
o Résistance virtuelle - Jusqu’à 1GΩ
o Fréquence
Etalonnage de mesureur d’intensité de courant ou pinces ampérométrique
o Intensité de courant alternatif- Jusqu’à 550 A
Etalonnage de voltmètres
o Tension en courant continue - Jusqu’à 1000 V
o Tension en courant alternatif - Jusqu’à 1000 V
Etalonnage de mesureurs y simulateurs de thermocouples y RTD
o Simulation ou mesures de thermocouples
o Simulation de RTD
Etalonnage de générateurs hautes tensions
o Tension en courant continue - Jusqu’à 20 kV
o Tension en courant alternatif - Jusqu’à 20 kV
Etalonnage de oscilloscopes
o Amplitude en signal DC
o Amplitude en signal AC
o Temps - Jusqu’à 600 MHz
Etalonnage de calibreurs de moyenne et basse exactitude
o Résistance Jusqu’à 1GΩ
Etalonnage de thermocouples - Maximum 660°C
Température
•
•
•
•
RTD -30 °C à 600 °C avec une résolution de 0,1 °C
Thermocouples de -30 °C à 600°C (dépend du type) avec une résolution de
0,3 °C
Caractérisation de milieu de température de 0°C à 900°C avec une résolution
de 2°C
Thermomètres de -30 °C a 150 °C avec une résolution de 1 °C
9
II. Caractérisation de fours métrologiques :
La caractérisation va consister à déterminer la température que délivrent en
réalité les fours pour pouvoir optimiser les résultats des étalonnages effectués par la
suite avec ceux-ci.
1. Présentation des fours métrologiques
La caractérisation doit être effectuée pour deux modèles différents :
VENUS 2140B
JUPITER 650B
Un four métrologique est un équipement permettant l’étalonnage de différents
capteurs de température. Il permet d’étalonner en milieu liquide mais également en
milieu solide par l’intermédiaire de deux inserts cylindriques. Un insert métallique est
composé de six orifices de tailles différentes permettant la caractérisation de RTD’s
de diamètres différents mais aussi de thermocouples et thermomètres de verre. Pour
simuler un milieu liquide, l’insert est creux, permettant ainsi d’y introduire différents
liquides. Il peut être accompagné d’un agitateur si le four le permet.
Il est donc nécessaire de caractériser les fours pour chaque insert et pour
différentes températures représentant les capacités de travail des fours.
Caractéristiques des fours métrologiques :
VENUS 2140B
Température max : 140°C
Température min : -55°C
Stabilité (après 30min) :
Insert métallique : ±0,03°C
Insert liquide avec agitateur : ± 0,025°C
JUPITER 650B
Température max : 140°C
Température min : -55°C
Stabilité (après 30min) :
50°C : ± 0,02°C
250°C : ± 0,02°C
650°C : ± 0,03°C
10
2. Mode opératoire :
Le mode opératoire suivant est théorique, il respecte les conditions d’utilisation
des fours se trouvant dans EA Guidelines on the Calibration of Temperature Block
Calibrators, ref: EA-10/13. Nous verrons donc après l’avoir mis en pratique, s’il y a des
changements à apporter.
Dans un premier temps, il faut choisir les points à caractériser. Pour chaque four,
il faut environ six points. Ensuite choisir les thermocouples adaptés aux températures,
et les monter comme sur les schémas suivants.
Puis il faut réaliser tous les mesurages suivants:
- JUPITER insert métallique ; insert liquide ; insert métallique avec huile de
silicone,
- VENUS insert métallique ; insert liquide, insert liquide avec huile de
silicone ou alcool.
comme suit :
JUPITER 650B
Insert métallique:
Disposition :
6
5
1
2
3
4
5
6
1
9,5 mm
6,5 mm
6,5 mm
8,0 mm
4,5 mm
4,5 mm
3
2
4
Trou 1: il contient quatre thermocouples de
type K disposés comme suit :
T4 : 43 mm
148mm
T3 : 78 mm
T2 : 113 mm
T1 : 148 mm
11
Trou 2 y 3: Chaque trou contient une RTD de type PT 100, elles sont en contact avec le
fond de l’insert.
• Dans le trou 2 est placé la Pt1.
• Dans le trou 3 est placé la Pt2.

Mesures :
-
Points de contrôle :
35°C, 100°C, 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C
-
Paramètres de temps (suivant les caractéristiques):
o Attendre quinze minutes après que l’indicateur ait affiché la valeur
souhaitée pour relever la mesure.
o Pour chaque point de contrôle, faire dix mesurages pour chaque capteur.
Les dix valeurs seront prises à une minute d’intervalle.
-
Pour chaque point de contrôle, faire une série de mesures dans le sens croissant
et une série dans le sens décroissant sans répéter la dernière valeur.
Ici on a donc :
40°C, 100°C, 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 500°C, 400°C, 300°C, 200°C,
100°C, 40°C.
-
Pour les points de contrôle 300°C, 400°C, 500°C, 600°C ne pas utiliser la Pt2.
Insert liquide :

Disposition
Pt1
Thermocouples
Note: - les thermocouples sont disposés
aux mêmes profondeurs que dans le bloc
métallique.
- la RTD est au fond de l’insert.
160mm
Ø : 34,5mm
12
Liquide:

Liquide à utiliser en fonction de la température :
0°C
Huile de silicone

mesures:
-
points de contrôle :
300°C
35°C, 100°C, 200°C, 300°C.
-
Paramètres de temps (suivant les caractéristiques):
-
Faire une série de mesures dans le sens croissant et une série dans le sens
décroissant sans répéter la dernière valeur.
Ici on a donc :
40°C, 100°C, 200°C, 300°C, 200°C, 100°C, 40°C.
Pour les points de contrôle 300°C ne pas utiliser la Pt2.
Insert métallique :
Disposition :
6
5
1
3
2
7
8
9
10
11
12
9,5 mm
6,5 mm
6,5 mm
8,0 mm
4,5 mm
4,5 mm
4
13
Trou 1: il contient quatre thermocouples de type J disposés comme suit :
T4 : 55 mm
148mm
T3 : 90 mm
T2 : 125 mm
T1 : 160 mm

-
Mesures :
-20°C, 0°C, 40°C, 70°C, 105°C, 135°C
-
Paramètres de temps (suivant le guide EA-10/13):
-
décroissant sans répéter la valeur maximale. Ici il n’est pas nécessaire de répéter
-20°C car dans tous les cas, il sera pris en sens décroissant.
Ici on a donc :
-20°C, 0°C, 40°C, 70°C, 105°C, 135°C, 105°C, 70°C, 40°C, 0°C
-
Pour les points de contrôle -20°C à 0°C l’utilisateur doit couvrir les inserts d’un
morceau de tissu pour maintenir la température.
14
Insert liquide avec agitateur :

Disposition:
Thermocouples
Pt1
Note: - les thermocouples sont
disposés aux mêmes profondeurs que
dans l’insert métallique.
- la RTD est au fond de l’insert.
160 mm
Agitateur
25 mm

Liquide
-20°C
35 mm
Liquide:
à
utiliser
15°C
en
50°C
fonction
de
70°C
la
température :
135°C
Eau + alcool
Eau
Huile de silicone
15

-
Mesures :
-20°C, 0°C, 40°C, 70°C, 105°C, 135°C
-
-
décroissant sans répéter la valeur maximale. Ici il n’est pas nécessaire de répéter
-20°C car dans tous les cas il sera pris en sens décroissant.
Ici on a donc :
-20°C, 0°C, 40°C, 70°C, 105°C, 135°C, 105°C, 70°C, 40°C, 0°C
-
Pour les points de contrôles -20°C à 0°C l’utilisateur doit couvrir les inserts d’un
morceau de tissu pour maintenir la température.
Lorsque tous les mesurages ont été effectués, il est nécessaire de relever une
mesure pour chaque point de contrôle et pour chaque insert afin de déterminer les
erreurs des thermocouples. Car, si nous prenons les erreurs figurantes dans les
spécifications du constructeur, nous allons avoir des résultats très loin de la réalité.
Pour tous les inserts la disposition est ainsi :
Thermocouples
Pt2
Note : les quatre thermocouples
sont à la même profondeur (au
fond de l’insert), ainsi que la
RTD patron.
16

Mesures :
-
points de contrôle : tous les points de contrôle mais sans effectuer les sens
croissant et décroissant.
Ex : VENUS milieu liquide : -20°C, 0°C, 40°C, 70°C, 105°C, 135°C.
-
o Pour chaque point de contrôle, faire cinq mesurages pour chaque capteur.
Les cinq valeurs seront prises les unes après les autres sans intervalle de
temps.
17
Matériel utilisé :
- la RTD patron (Pt2) montée en quatre fils : HART SCIENTIFIC, model 5626 N/S :
0393
Elle est connectée au multimètre AGILENT, de huit digits et demi
Model : 3458A
N/S : 2823A26520
- la RTD Pt1 montée en quatre fils : ASL, model T100-250 N/S : B423812
Elle est connectée au thermomètre de précision OMEGA, model : DP251 N/S :
1 334 036 813
OMEGA :
- les quatre thermocouples de type J : deux sont connectés avec le calibrateur
multifonctions
UNOMAT model: MCX-II
N/S: 815
UNOMAT :
18
Les deux autres sont connectés, par l’intermédiaire de connecteurs, au calibrateur
multifonctions FLUKE
Model : 5520A
N/S : 719505
FLUKE :
- les quatre thermocouples de type K : ils sont tous connectés au calibrateur
multifonctions UNOMAT model : MDX-II N/S : 815
Nous allons maintenant voir les modifications apportées à ce mode opératoire
durant l’étape expérimentale, ainsi que les problèmes rencontrés durant les mesurages.
Tout d’abord, le paramètre de temps qui est en théorie de quinze minutes, il est
changé pour quarante-cinq minutes. Car après quinze minutes, le four affiche bien la
valeur souhaitée mais en réalité n’est pas stable. Nous ajoutons trente minutes, bien
que pour certains points de contrôle, elles ne soient pas nécessaires, mais cela permet
de s’assurer d’avoir une stabilité optimale.
Ensuite, pour le point de contrôle -20°C, il est nécessaire de le changer pour 22°C pour avoir une température proche de -20°C. Car malgré le fait de couvrir l’insert,
le four peine énormément à stabiliser la température, cela est dû à la différence de
température avec le milieu ambiant.
Différents problèmes se sont présentés durant la phase de mesurage. Le premier
problème rencontré a été la difficulté de respecter la minute d’intervalle entre chaque
mesurage car les valeurs des thermocouples ne sont pas mesurées simultanément et il
faut donc les prendre les unes après les autres. La solution à ce problème serait
d’utiliser un système d’acquisition informatique, ce qui gagnerait du temps mais de plus,
on aurait réellement les valeurs de tous les capteurs à un moment donné. Mais il est
clair que cette solution à un prix. Le second problème rencontré, est que les isolants
des thermocouples de type K, à hautes températures (après 400°C) s’effritaient. Il a
donc été nécessaire de les raccourcir et de refaire les mesurages pour les points de
contrôle considérés.
19
3. Traitement des données sous Excel :
Tout d’abord le relevé des données se fait par écrit, ensuite elles sont entrées
dans un tableau Excel de la forme suivante :
-
Pour les relevés à différentes profondeurs:
lectures
point de control /°C
-20
-
capteur profondeur
T1
160
T2
125
1
2
3
4
5
unité
6
7
8
9
10
°C
°C
T3
90
°C
T4
55
°C
Pt1
160
Ω
Pt2
ind.
160
Ω
°C
Pour les relevés à la même profondeur :
point de control/°C
400
capteur
T1
profondeur
160
T2
160
T3
160
T4
160
Pt1
indicador
160
1
lectures
3
2
4
5
Une fois tous les essais réalisés, il faut tout d’abord convertir les valeurs des
RTD’s de ohms en degrés. Pour cela, il est nécessaire de se référer à la norme ITS-90
pour la méthode à suivre ainsi qu’aux spécifications des RTD’s pour les coefficients à
utiliser.
La norme nous indique quatre étapes :
1. Calcul de W(T90) qui est le rapport entre la résistance pour une
température quelconque R(T90) à la résistance au point triple de l’eau
R(273,16K)/Ω .
W(T90) =
R(T90 ) / Ω
R(273,16K)/Ω
.sans unité
2. calcul de ΔWr (T90) :
ΔWr ( T90 ) = a1 × (W(T90 ) - 1) + a2 × (W(T90 ) - 1) + a3 × (W(T90 ) - 1) sans unité
Avec a1 , a2 , a3 coefficient propre à la RTD.
3. calcul de Wr ( T90 ) :
2
3
20
Wr ( T90 ) = W(T90 ) − ΔWr
( T90 )
4. calcul de la valeur en degrés T90/273,16K :
Wr ( T90 ) − 2,64 ⎞
⎛
⎟ /°C
T90/273,16K = D0 + ∑ ⎜⎜ Di ×
⎟
1,64
i =1 ⎝
⎠
i
n =9
Avec Di coefficients donnés par la norme ITS-90.
Pour chaque RTD, il faut effectuer un tableau de conversion pour les valeurs
négatives et les valeurs positives car les coefficients ai varient. Il est sous la forme
suivante :
Pour la Pt2 :
OMEGA + ASL
R(273,16K)/Ω =
99,985
de 0°C a 250°C
1
177,6590
1,7768565
2
177,6600
1,77686653
ΔWr ( T90 )
-0,000455
-0,000455018
Wr ( T90 )
T90/273,16K
1,7773115
1,777321548
1,777361548
1,77731155
1,77729155
1,77724155
1,77732155
1,77731155
1,77732155
1,77723155
200,97307
200,9757363
200,9864061
200,973069
200,967734
200,954397
200,975736
200,973069
200,975736
200,951729
valeur en Ω
W(T90)
3
177,6640
1,776906536
4
177,6590
1,77685653
5
177,6570
1,77683653
6
177,6520
1,77678652
7
177,6600
1,77686653
8
177,6590
1,77685653
9
177,6600
1,77686653
-0,000455012 -0,00045502 -0,00045502 -0,00045503 -0,00045502 -0,00045502 -0,00045502 -0,00045503
Note : Pour tous les calculs suivant la valeur de la Pt2 est considérée comme la valeur vraie.
Une fois ce travail effectué, il faut traiter les relevés effectués à la même
profondeur afin de déduire l’erreur et l’incertitude de chaque thermocouple pour chaque
point de contrôle.
Pour l’erreur, il suffit de soustraire la valeur de la RTD patron à la valeur du
thermocouple considérée à une température donnée.
On a donc :
Erreur/°C= valeur de Ti /°C– Valeur de Pt2/°C
Pour l’incertitude, nous prenons en compte les incertitudes suivantes :
-
résolution UTi,res et répétabilité UTi,r du thermocouple,
résolution Upat,res , répétabilité et étalonnage de la RTD patron.
Ce qui nous donne :
UTi =
10
177,6510
1,77677652
U Ti, r + U Ti, res + U pat,res + U pat,e + U pat,r /°C
2
2
2
2
2
21
Toutes ces données sont calculées dans un tableau Excel de la forme suivante :
erreur des termocouples
point de control/°C
40
JUPITER 650B
thermocouple
1
2
3
4
insert métallique avec alcool
erreur
U
-0,20
0,04017
-0,16
0,04140
-0,24
0,03337
-0,22
0,03023
insert métallique sans alcool
erreur
U
-0,24
0,03323
-0,22
0,04128
-0,24
0,04005
-0,22
0,03470
insert liquide
erreur
U
-0,30
0,03690
-0,32
0,04540
-0,30
0,03690
-0,30
0,03690
Le calcul de ces deux paramètres va nous permettre ensuite de déterminer
l’erreur et l’incertitude de chaque capteur à chaque point de contrôle. Et finalement,
l’erreur et l’incertitude totale des fours à chaque point de contrôle et pour chaque insert.
Pour cela il est nécessaire de corriger les valeurs des thermocouples avec les
erreurs calculées précédemment.
Nous avons donc :
Valeur mesurée – erreur = valeur corrigée /°C
Ces valeurs corrigées sont ensuite entrées dans un tableau Excel afin d’y être
traitées.
Le traitement des données va consister à calculer les paramètres suivants : la
valeur moyenne de chaque capteur, la stabilité de chaque capteur, le gradient de
température axial, les gradients de température pour chaque capteur et l’erreur
accompagnée de son incertitude.
o Pour commencer, la valeur moyenne de chaque capteur va nous
permettre de réduire les dix valeurs que nous avons pour chaque
capteur à une valeur par capteur. Ces valeurs seront les valeurs
mesurées à un point de contrôle donné. La valeur moyenne du relevé de
l’indicateur sera la valeur indiquée.
o Puis, la stabilité est définie par la capacité d’un instrument de mesure, à
maintenir une valeur donnée, dans le temps. Sa formule est donnée par
l’écart type d’une série statistique :
s (l ) =
1
n −1
∑ (l
n
i =1
i
−l
)
2
/°C
Avec n le nombre de mesurage et
li les valeurs mesurée
La stabilité totale est l’écart type de, toutes les valeurs de chaque
capteurs.
o Continuons avec le gradient de température vertical Gvi, qui est la
différence entre la valeur mesurée d’un thermocouple i à différentes
profondeurs et la valeur mesurée de la RTD patron Pt2 située au fond de
l’insert. Ce qui donne :
22
Ti – Pt2/°C = Gvi/°C
Le gradient de température vertical va nous permettre d’évaluer en
fonction de la valeur de contrôle, la différence qu’il peut avoir en
différentes profondeurs de l’insert.
Ensuite, le gradient de température axial Ga, c’est la différence de deux
valeurs prisent, au fond l’insert métallique, par les deux RTD’s.
Pt1/°C – Pt2/°C = Ga/°C
o Pour finir, les erreurs plus ou moins leurs incertitudes :
Premièrement l’erreur est la différence entre la valeur mesurée de
chaque capteur et la valeur indiquée par le four. L’erreur totale à un point de
contrôle donné est la différence entre la valeur de la RTD patron et la valeur
indiquée.
Deuxièmement, les incertitudes types composées sont calculées
différemment, s’il s’agit d’un thermocouple, de la RTD patron ou de la
RTD+OMEGA. En ce qui concerne les thermocouples, il faut prendre en
compte leurs incertitudes calculées précédemment, les incertitudes de
répétabilité de l’indicateur et de la RTD patron et enfin les incertitudes de
résolution de l’indicateur et de la RTD patron.
Ce qui donne :
U Ti ,c = U Ti + U ind,r + U pat,res + U ind,res + U pat,r
2
2
2
2
2
/°C
L’incertitude type composée de la RTD+OMEGA est calculée en fonction de son
incertitude d’étalonnage, des incertitudes de répétabilité de l’indicateur et de la RTD
patron puis des incertitudes de résolution de l’indicateur et de la RTD patron. On a
donc :
U Pt1 ,c = U Pt1 ,e + U ind,r + U pat,res + U ind,res + U pat,r
2
2
2
2
2
/°C
Les incertitudes provenant de l’OMEGA ne figurent pas directement car
l’incertitude d’étalonnage de la Pt1 comprend celles-ci, du fait qu’ils ont été calibrés
comme un seul instrument.
L’incertitude type composée de la RTD patron prend en compte ses incertitudes
d’étalonnage, de résolution et de répétabilitée ainsi que les incertitudes de répétabilitée
et de résolution de l’indicateur, mais également l’incertitude d’étalonnage du multimètre
AGILENT U agl ,e auquel est connectée la RTD.
On a donc :
U Pt2 ,c = U Pt 2 ,e + U ind,r + U pat,res + U ind,res + U pat,r + U agl ,e
2
2
2
2
2
2
/°C
23
L’incertitude totale sera la valeur maximale des incertitudes calculées
précédemment, car il est préférable de la surestimer afin d’avoir un niveau de confiance
plus élevé.
Toutes ces erreurs et incertitudes sont propres à un point de contrôle donné dans
des conditions de température et d’humidité données, celles-ci sont relevées à chaque
série de mesurage.
Tous ces paramètres sont calculés et présentés dans le tableau Excel suivant :
stabilité
0,02
thermocouple
-19,49
capteur
1
2
3
4
1
2
RTD
valeur
indiqué/°C
1
-19,56
-19,30
-19,15
-18,85
-19,40
-19,43
2
-19,64
-19,28
-19,05
-18,75
-19,39
-19,42
3
-19,65
-19,24
-19,15
-18,75
-19,38
-19,41
mesures/°C (chaque minute)
4
5
6
7
-19,65 -19,65 -19,64 -19,67
-19,25 -19,19 -19,21 -19,18
-19,05 -18,85 -18,95 -18,95
-18,65 -18,75 -18,75 -18,75
-19,37 -19,37 -19,35 -19,34
-19,40 -19,39 -19,38 -19,37
8
-19,66
-19,21
-18,95
-18,85
-19,33
-19,36
9
-19,62
-19,20
-18,95
-18,75
-19,32
-19,21
valeur
10
mesuré/°C stabilité/°C
-19,65
-19,64
0,03071373
-19,23
-19,23
0,03900142
-18,95
-19,00
0,09718253
-18,65
-18,75
0,06666667
-19,32
-19,36
0,02868325
-19,35
-19,37
0,06304751
total:
0,2947731
gradient
vertical/°C
0,14
0,37
0,62
gradient
axial/°C Erreur/°C
-0,15
0,26
0,49
0,74
0,13
-0,03
0,12
total:
0,12
±
±
±
±
±
±
±
incertitude/°C
0,16171
0,11556
0,09960
0,09960
0,16068
0,02317
±
0,16171
Nous pouvons voir, surlignées en vert les paramètres principaux pour le point de
contrôle considéré. Ces mêmes paramètres vont nous servir dans la troisième partie
afin d’effectuer différentes courbes qui nous permettront de conclure sur le
comportement des fours aux différents points de contrôle.
24
III. Conclusion sur la caractérisation
Tous les mesurages ainsi que tous les calculs étant effectués, nous avons
différents résultats. Ceux-ci vont nous permettre de conclure sur le comportement des
fours métrologiques pour différentes températures et différentes conditions d’utilisation.
Ce comportement va être caractérisé pour chaque four et pour chaque insert
par :
- l’erreur suivie de son incertitude,
- le gradient de température vertical,
- le gradient de température axial,
- la stabilité.
1. Le VENUS 2140B :
Tous les relevés concernant ce modèle se trouvent en annexe 1, le traitement de
ces relevés se trouve en annexe 2.
La variation de l’erreur en fonction de la température :
Avec les courbes représentant cette variation pour les différents inserts, nous
pourrons déterminer quel est l’insert qui induit le moins d’erreur. La courbe de
tendances des points expérimentaux est du type polynomial d’ordre 3.
Insert métallique sans liquide :
variation de l'erreur en fonction de la valeur indiquée pour
l'insert métallique
erreur/°C
0,40
0,20
-50,00
0,00
-0,200,00
-0,40
-0,60
-0,80
-1,00
50,00
100,00
150,00
-1,20
-1,40
valeur indiquée /°C
On peut observer deux phases différentes, une phase où l’erreur diminue puis
une phase où l’erreur augmente. Il y a un passage par zéro autour de la valeur de
température ambiante. Cela peut s’expliquer très facilement : il est plus facile pour le
four de maintenir une valeur autour de la valeur ambiante car il y a une faible différence
entre la valeur souhaitée et la valeur à l’extérieur du four.
25
Insert métallique avec liquide :
variationde l'erreur en fonction de la valeur indiquée
pour l'insert métallique avec liquide
erreur/°C
0,20
-50,00
0,00
-0,200,00
50,00
100,00
150,00
-0,40
-0,60
-0,80
-1,00
-1,20
-1,40
Nous pouvons observer les deux mêmes phases
Insert liquide :
vaariationde l'erreur en fonction de la valeur indiquée pour
l'insert liquide
1,00
erreur/°C
-50,00
0,00
0,00
-1,00
50,00
100,00
150,00
-2,00
-3,00
-4,00
-5,00
Nous observons également les mêmes phases, mais les résultats sont beaucoup
plus dispersés. Cela est dû au fait que nous utilisons l’insert liquide, et qu’il y a une
variation de l’erreur en fonction du sens (croissant ou décroissant). Nous allons donc
voir quel est le sens avec le moins d’erreur avec les deux courbes suivantes.
26
valeur indiquée en fonction de l'erreur pour l'insert liquide
montée/descente
1,00
erreur/°C
-50,00
0,00
0,00
-1,00
50,00
100,00
150,00
montée
descente
-2,00
Polynomial (descente)
-3,00
Polynomial (montée)
-4,00
-5,00
Nous pouvons voir qu’il y a des erreurs moindres pour le sens décroissant. Il sera
donc préférable de l’utiliser dans cette condition.
L’insert qui induit le moins d’erreur est l’insert métallique avec liquide car l’erreur
maximale qu’il peut avoir est de -1,98. C’est la plus faible erreur maximale des trois
inserts.
Variation du gradient de température vertical en fonction de la température :
Le gradient de température vertical va mettre en évidence l’importance de la
profondeur à laquelle sera placé le capteur à étalonner. En effet, nous allons voir trois
gradients différents, à trois profondeurs différentes le 1 est le plus profond et le 3 est le
moins profond. Pour chaque gradient, nous verrons les différences pour des variations
de température croissante et décroissante.
Nous allons effectuer cela pour chaque insert et donc déduire quel est celui a
utiliser de préférence, afin d’avoir le minimum de gradient.
27
variation des gradients en montée et descente de la
température pour l'insert métallique avec liquide
1,00
gradients/°C
0,50
-40,00
0,00
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
-0,50
-1,00
gradient 3 montée
gradient 3 descente
gradient 2 montée
gradient 2 descente
gradient 1 montée
gradient 1 descente
-1,50
-2,00
valeur indiquée/°C
D’après ces courbes, nous constatons que le gradient 3 est le plus élevé. Et
également que plus on s’éloigne du fond de l’insert, plus il y a une différence des
valeurs du gradient en fonction du sens de variation de la température. Cela est dû à la
propagation de la chaleur ou du froid dans le métal. Il est normal que pour les valeurs
positives de température, dans le sens croissant, le gradient soit plus élevé que dans le
sens décroissant, car il est plus facile pour le métal de refroidir que de chauffer. Quand
il chauffe, la température ambiante agit sur le dessus de l’insert et le refroidit
légèrement. Cela se note plus pour le gradient 3 puisqu’il est le plus près du haut de
l’insert.
gradients/°C
température pour l'insert métallique
-50,00
1,50
1,00
0,50
0,00
-0,500,00
-1,00
-1,50
-2,00
-2,50
gradient 1 montée
gradient 1 descente
50,00
100,00
150,00
gradient 2 montée
gradient 2 descente
gradient 3 montée
gradient 3 descente
28
Même constatation que pour l’insert métallique avec liquide, le gradient 3 est le
plus élevé.
Insert liquide :
température pour l'insert liquide
4,00
gradients/°C
gradient 1 montée
2,00
-50,00
0,00
0,00
-2,00
gradient 1 descente
gradient 2 montée
50,00
100,00
150,00
gradient 2 descente
gradient 3 montée
gradient 3 descente
-4,00
Pour cet insert, nous pouvons voir que les gradients verticaux sont très
dispersés. Il est très difficile de tirer une conclusion claire. Cela n’influera pas sur la
conclusion car il a un gradient axial maximum très élevé.
En observant les différentes courbes de chaque insert, nous pouvons conclure
que la condition optimale dans laquelle il faut utiliser le VENUS 2140B pour éviter au
maximum le gradient de température, est l’insert métallique avec liquide en variation de
température décroissante. Car c’est dans ces conditions que nous obtenons les
gradients les moins élevés en fonction de la température.
29
Variation du gradient de température axial en fonction de la température :
variation du gradient de température axial en fonction
de la température.
0,50
gradient/°C
0,30
0,10
-50,00
-0,100,00
50,00
100,00
150,00
-0,30
-0,50
Sur ce graphique, nous pouvons remarquer que le gradient axial est très faible et
ne varie que très peu. Nous n’allons donc pas le considérer pour le VENUS 2140B.
30
2. Le JUPITER 650B:
Tous les relevés concernant ce modèle se trouvent en annexe 4, le traitement de
ces relevés se trouve en annexe 5.
La variation de l’erreur en fonction de la température :
Avec les courbes représentant cette variation pour les différents inserts, nous
pourrons déterminer quel est l’insert qui induit le moins d’erreur par l’erreur maximale de
chaque insert. La courbe de tendances des points expérimentaux est du type
polynomial d’ordre 3.
1,00
erreur/°C
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
Nous pouvons observer deux phases caractérisant cette variation. Durant la
première phase, l’erreur augmente en fonction de la température jusqu'à 250°C puis
durant la deuxième phase elle tend à se stabiliser.
Pour pouvoir comparer cet insert avec les autres, il nous faut observer une
courbe avec le même domaine de température (de 0°C à 300°C). Celle-ci contient
seulement la première phase.
erreur/°C
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
31
variation de l'erreur en fonction de la valeur indiquée pour l'insert
métallique avec liquide
1,20
erreur/°C
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
La variation de l’erreur de cet insert en fonction de la température est quasiment
linéaire. Donc, plus la température augmente plus l’erreur augmente.
Insert liquide :
l'insert liquide
1,20
erreur/°C
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
On peut observer pour cet insert le même comportement que pour l’insert
métallique avec liquide.
Nous pouvons conclure sur l’insert induisant le moins d’erreur seulement pour
l’intervalle de température 0°C à 300°C. Nous pouvons donc voir que c’est l’insert
métallique sans liquide avec une erreur maximale de 0,73°C.
32
Variation du gradient de température vertical en fonction de la température :
Le gradient de température vertical va mettre en évidence l’importance de la
profondeur à laquelle sera placé le capteur à étalonner. En effet, nous allons voir trois
gradients différents, à trois profondeurs différentes. Le 1er gradient est la plus petite
différence de profondeur et le 3ème représente la plus grande différence de profondeur.
Pour chaque gradient, nous verrons les différences pour des variations de température
croissante et décroissante.
Nous allons effectuer cela pour chaque insert et donc déduire quel est celui à
utiliser de préférence afin d’avoir le minimum de gradient.
température pour l'insert métallique
gradients/°C
6,00
5,00
gradient 1 montée
4,00
gradient 1 descente
3,00
gradient 2 montée
2,00
gradient 2 descente
1,00
gradient 3 montée
0,00
-1,000,00
gradient 3 descente
100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00
Pour cet insert, nous pouvons voir que les gradients verticaux se comportent de
façon très étrange car le gradient 3 est moins élevé que le 2 et le 1. Cela peut être dû à
un mauvais contact des thermocouples avec le métal ; en particulier le thermocouple
n°4 car il est à l’origine du gradient 3.
33
température pour l'insert métallique avec liquide
gradients/°C
2,00
1,00
0,00
-1,000,00
gradient 1montée
gradient1 descente
100,00
200,00
300,00
400,00
gradient 2 montée
-2,00
gradient 2 descente
-3,00
gradient 3 montée
-4,00
gradient 3 descente
Pour cet insert, nous retrouvons des résultats concordant avec la théorie. Le
gradient 3 est le plus élevé cela est probablement dû au fait qu’il y ait le liquide car il
favorise le contact de thermocouples avec le métal.
Nous pouvons également voir que comme pour le VENUS, il y a une différence
quand la variation de température est dans un sens ou dans un autre.
Insert liquide :
température pour l'insert liquide
gradients/°C
2,00
gradient 1 montée
gradient 1 descente
1,00
0,00
-1,000,00
100,00
200,00
300,00
-2,00
-3,00
400,00
gradient 2 montée
gradient 2 descente
gradient 3 montée
gradient 3 descente
-4,00
Pour cet insert, nous observons les mêmes phénomènes que pour l’insert métallique
avec liquide.
En observant les différentes courbes représentants les gradients verticaux, nous
pouvons en déduire que l’insert à utiliser pour minimiser le gradient vertical est l’insert
métallique avec liquide qui présente un gradient maximal de -2,25°C.
34
Variation du gradient axial en fonction de la valeur indiquée
variation du gradient axial en fonction dde la
température pour l'insert met avec liquide
2
gradient axial/°C
1,5
1
0,5
0
-0,50,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
-1
-1,5
-2
valeurs indiquée/°C
Avec ce graphique, nous pouvons voir que le gradient de température axial est
très minime et que donc nous pouvons le négliger.
Le traitement des données nous a permis de constater que suivant l’insert utilisé,
les fours se comportaient différemment.
Il est donc nécessaire de synthétiser ces constatations
3. Synthèse
Ces fours métrologiques permettent d’étalonner différents capteurs de
température dans différents milieux. En effet, pour étalonner un capteur de température
industriel, il est important de reproduire les conditions d’utilisation. Par exemple, s’il
s’agit d’une RTD qui mesure une température dans un liquide, alors il faudra utiliser
l’insert liquide lors de l’étalonnage.
Lors de cette caractérisation, nous avons donc caractérisé, pour chaque milieu,
deux modèles différents.
35
Il ressort donc que :
En ce qui concerne le paramètre de stabilité des fours, en comparaison
avec les spécifications du constructeur, les résultats que nous avons sont très éloignés.
Mais il est difficile de les comparer, car nous avons seulement le paramètre de temps
avec lequel le constructeur arrive à de telles valeurs. Il nous manque en effet le nombre
d’échantillons afin de travailler dans les mêmes conditions.
En milieu liquide, les fours sont moins fidèles qu’en milieu solide. Pour
améliorer la fidélité, nous avons vu qu’il était utile d’ajouter du liquide dans les inserts
métalliques.
Pour le gradient axial, nous avons vu qu’il était très faible. Donc, il ne sera
pas nécessaire de le prendre en compte pour les étalonnages effectués par la suite.
Nous avons vu que les fours ont un gradient de température vertical non
négligeable, ce qui veut dire que lors des étalonnages effectués, il est nécessaire de
disposer le capteur le plus possible au fond de l’insert. Si ce n’est pas le cas, il faut
alors corriger les valeurs obtenues avec la valeur du gradient et de l’erreur d’indication
résultant de cette caractérisation, cela afin d’obtenir des résultats les plus justes
possible.
36
Conclusion
Lors de mon stage, on m’a confié un projet qui était de réaliser la caractérisation
de fours métrologiques. Celui-ci avait pour but de déterminer les erreurs que présentent
ces fours.
A la fin de ce projet, je peux dire que j’ai respecté les objectifs fixés au départ.
Néanmoins, il serait intéressant d’approfondir l’exploitation des données afin de rendre
ce travail plus complet. Je n’ai pu le faire par manque de temps, mais mon stage n’est
pas terminé et je vais donc compléter mon travail.
Le travail que j’ai effectué durant ce stage va permettre à ma responsable d’optimiser
les étalonnages qu’elle va réaliser par la suite.
Durant ce projet, j’ai pu mettre en pratiques mes acquis de DUT, ils m’ont permis
d’avoir une certaine autonomie dans mon travail. Cette autonomie a été amplifiée du fait
que je travaillais seul sur mon projet. J’ai pu tout de même apprendre différentes choses
car j’aidais également ma responsable lors d’étalonnages sur site. Cela m’a permis de
découvrir différentes entreprises et différentes ambiances de travail.
Ce stage m’aura donc permis de découvrir le milieu professionnel, d’apprendre à
travailler en autonomie. Mais également à préciser mon projet professionnel qui est de
travailler dans le domaine de la métrologie.
Le fait d’avoir réalisé mon stage au Mexique m’a permis d’apprendre une langue
et de découvrir une autre culture.
37
Bibliographie
Sites Internet :
-
http://materiales.eia.edu.co/ciencia%20de%20los%20materiales/articulo-termopares.htm
-
www.metas.com.mx
-
www.hartscientific.com
-
http://aviatechno.free.fr
-
www.cimav.edu.mx
-
www.fluke.com
Supports écrit :
-
ISOTHERMAL TECHNOLOGY LIMITED, isocal-6 venus 2140 handbook issue 1,
Mars 2000
-
ISOTHERMAL TECHNOLOGY LIMITED, Jupiter 650 handbook issue 2 11/98
-
TESTEQUILITY, Operation and
temperature/humidity chamber, 2001
-
WATLOW CONTROLS, Series 97 User’s Manual, Février 1999
-
WATLOW CONTROLS, Series F4 User’s Manual, Octobre 2000
-
HART SCIENTIFIC, Report of calibration model 5626 SN:0393 platinum resistance
thermometer, 30 Octobre 2000
-
AUTOMATIC SYSTEMS LABORATORIES INC., Model F250 precision thermometer
Operator’s Handbook, 21 Fevrier 1998.
-
CENAM, Certificado de Calibración CNM-CC-410-404/2005, 21 Novembre /2005
-
CENAM, Certificado de Calibración CNM-CC-420-027/2006, 3 Fevrier 2006
-
CIMAV, Informe de Calibración CMV-ICI-LME-008/2005, 5 Juillet 2005
-
CIMAV, Informe de Calibración CMV-ICI-LME-013/2005, 7 Novembre 2005
-
CIMAV, Informe de Calibración CMV-ICI-LME-002/2006, 19 Janvier 2006
Service
Guide
Manual,
model
1207C
38