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Mesure des températures dans un four à atmosphères oxydantes

température, atmosphères oxydantes Mesurer la température dans un four peut être très contraignant : températures élevées, variation cyclique de températures et atmosphères hostiles dépassant les limites de nombreux appareils de mesure, voire réduisant fortement la durée de vie et la précision de ces appareils. Ce document porte principalement sur deux contraintes spécifiques liées à la mesure de température dans les fours : types d'atmosphères oxydantes et réductrices dans les fours utilisés dans la fabrication des produits microélectroniques.

Présentation des fours

La production de chaleur est requise pour de nombreux procédés de fabrication. Les caoutchoucs et les colles sont durcis, les métaux sont recuits pour modifier leur métallurgie et leurs propriétés, les revêtements sont séchés, les métaux sont fondus et les céramiques sont brûlées ou vitrifiées. Ces procédés sont exécutés dans des fours chauffés à l'électricité ou au gaz. Une étuve chauffée à plus de 1 000 °C (1832°F) est dénommée un fourneau. Un séchoir est un type spécifique de four utilisé pour la céramique. À des températures élevées, les matériaux réagissent à l'atmosphère environnant. En cas de manque d'oxygène, le procédé de chauffage peut en extraire du matériau. Une telle atmosphère est dénommée "réductrice". Le chauffage au gaz crée généralement une atmosphère pauvre en oxygène. Si l'atmosphère est riche en oxygène, le matériau chauffé en prélèvera une proportion, en formant une couche d'oxyde. Une telle atmosphère est dénommée "oxydante". Ce procédé est employé dans les fours de diffusion, dans la fabrication des produits microélectroniques, afin de produire du SiO2. Le chauffage électrique produit plus facilement une atmosphère oxydante. L'atmosphère est contrôlée de plusieurs façons. Le gaz peut être acheminé dans la chambre par des canalisations, en créant une atmosphère inerte. Un four à vide peut aussi être utilisé.

Options de mesure à haute température

XT, XMO XPA XIN Series
Séries XTA, XMO, XPA, XIN
Les thermistors sont limités à environ 100 °C (212°F) et les RTD à environ 750°C (1382°F). Les thermocouples et les pyromètres ou imageurs à infrarouge sont les appareils les plus adaptés pour la mesure de températures supérieures à 1 000°C (1832°F).

Thermocouples

Les thermocouples utilisent l'effet Seebeck (la différence en champs électromagnétiques entre des métaux non similaires) pour produire un signal proportionnel à la température. Le nickel-chrome et le nickel-aluminium sont les paires de métal les plus couramment utilisées dans le thermocouple de "Type K".

Le Type K est économique et peut être utilisé dans une plage de températures compris entre -200 et 1 250°C (-328 à 2 282°F). En revanche, la précision est affectée par les variations métallurgiques à des températures supérieures à 1 000°C (1 832°F) mais aussi par les variations cycliques subies pour parvenir à ces températures qui réduisent les effets d'hystérèse. Les thermocouples de type K sont aussi vulnérables à la corrosion dans une atmosphère oxydante.

Les thermocouples peuvent être endommagés ou tomber en panne. En cas de remplacement, l'arrêt et le refroidissement d'un four fonctionnant en continu peuvent s'avérer délicats et coûteux. Il est ainsi usuel d'inclure des thermocouples redondants dans la chambre de chauffe.

Pyrométrie IR

OS530E-DM E Series
OS530E-DM E Series
Les pyromètres infrarouges (IR) de la sérieOS530E-DM E offrent une méthode sans contact de mesure des températures élevées. Cette technologie se fonde sur la loi de Planks : la longueur d'ondes et l'intensité du rayonnement IR émis par une surface sont proportionnelles à sa température. Un pyromètre ou un imageur thermique détecte ce rayonnement, en convertissant le signal en une température.

La pyrométrie IR est efficace dans les cas où la surface du materiau chaud est exposée, comme un métal fondu dans une poche. La mesure de températures dans un fourneau est plus difficile car l'appareil doit être visible par une fenêtre. Cette fenêtre doit transmettre le rayonnement IR de la longueur d'ondes correspondant à la sensibilité du détecteur et à la température à mesurer.

Un verre normal ne laisse pas passer certaines longueurs d'onde IR, en particulier entre six et sept microns. Le verre en chalcogénure est conçu pour les applications de transmission IR mais est limité à des températures inférieures à 370°C (698°F). Le saphir est un matériau alternatif qui transmet des longueurs d'onde jusqu'à quatre microns, mais est relativement doux et facilement endommageable. Une fenêtre IR en saphir peut servir de fenêtre à vue à condition de la concevoir sans projections qui la fragiliserait. Le saphir est aussi limité à une température d'environ 450°C (842°F), ce qui ne convient pas pour les applications dans les fours.

L'émissivité se conjugue mal avec la pyrométrie : différents matériaux rayonnent différentes intensités de rayon IR à la même température et le capteur doit ainsi être étalonné. La fenêtre produit une influence sur le rayonnement transmis.

Thermocouples hautes températures

Deux familles de thermocouples sont disponibles : à jonctions de tungstène-rhénium et à jonctions de platine-rhodium. Les thermocouples en tungstène-rhénium (types G, C et D) fonctionnent à des températures de 2 320°C (4 208°F) mais ne résistent pas dans une atmosphère oxydante.

Dans une atmosphère oxydante, les thermocouples en platinum-rhodium (les "thermocouples à métaux nobles"), doivent être préférés. Ils sont disponibles en Type R, [maximum 1 460°C (2660°F)] S, [maximum 1 450°C (2642°F)] ou B, [maximum 1 700°C (3092°F)]. Ils sont plus onéreux que les thermocouples standards en métal.

Gaines pour thermocouples

Selon l'installation, les fils de thermocouple peuvent être protégés par un tube ou une gaine de protection. L'acier inoxydable est largement répandu car il est peu coûteux et résiste à la corrosion. En revanche, son point de fusion est à environ 1 400°C (2 552°F), ce qui limite la température de service à 1 100°C (2 012°F), et il réagit dans les atmosphères oxydantes.

Les gaines en tantale ou molybdenum doivent être préférées pour les températures les plus élevées. Ces gaines résistent jusqu'à 2 315°C (4 199°F) et 2 200°C (3 992°F) respectivement, leur sensibilité à l'oxydation empêche cependant toute utilisation dans les atmosphères oxydantes. Les alternatives sont les gaines en céramique : elles résistent jusqu'à 1 960°C (3 560°F), les gaines en alliage de platine-rhodium, qui résistent à 1 650°C (3 002°F), ou en Inconel® 600, qui résistent jusqu'à 1 150°C (2 102°F). Ces gaines sont adaptées aux atmosphères oxydantes.

Isolation du thermocouple

XC XC4 and XS Insulation
L'isolation XC, XC4, et XS
L'isolation XC, XC4, et XS est intégrée dans une gaine de thermocouple pour éviter le contact des fils avec les côtés. La résistance à la température de cette isolation doit être adaptée à l'environnement. Les matériaux couramment employés dans les fourneaux sont l'alumine, la magnésie et l'oxyde de hafnium. L'alumine résiste jusqu"à 1 540°C (2 804°F), la magnésie et l'oxyde de hafnium jusqu'à 1 650°C (3 002°F)

Conclusions

Les thermocouples sont adaptés à la mesure des températures dans les fours. Bien que les thermocouples de "Type K", très populaires, soient adaptés aux températures des fours, les types G, C et D et R, S et B offrent les meilleures performances. Aux températures atteintes dans les fourneaux, le type d'atmosphère associé est un facteur important à prendre en compte. Ainsi, une atmosphère oxydante, comme la fabrication des produits microélectroniques, entraîne une réaction avec les Types G, C et D et les gaines en acier inoxydable souvent utilisées.

La pyrométrie IR peut être envisagée pour les mesures de températures élevées mais requiert l'installation d'une fenêtre à vue ou d'un hublot dans un four. Elle est donc plutôt utilisée dans les cas de ligne visuelle continue.