Thermocouple

En physique, les thermocouples sont utilisés pour la mesure de température. Ils sont bon marché et permettent la mesure dans une grande gamme de températures. Leur principal défaut est leur précision : il est assez complexe d'obtenir des mesures avec une erreur inférieure à 0, 1 °C - 0, 2 °C. La mesure de température par des thermocouples est basée sur l'effet Seebeck.

Principes de la mesure

Le schéma ci-contre présente le principe de la mesure de température par thermocouples. Les deux métaux a et b, de natures différentes, sont reliés par deux jonctions (formant ainsi un thermocouple) aux températures T₁ et T₂. Par effet Seebeck, le thermocouple génère une différence de potentiel qui dépend de la différence de température entre les jonctions, T₁-T₂. Les thermocouples ne mesurent pas une température, mais une différence de température. Pour mesurer une température inconnue, l'une des deux jonctions doit être maintenue à une température connue, par exemple celle de la glace fondante (0 °C). Il est aussi envisageable que cette température de référence soit mesurée par un capteur (température ambiante, par exemple). La mesure de température est par conséquent une mesure indirecte, puisque les thermocouples mesurent en fait une différence de potentiel électrique. Il est par conséquent indispensable de connaître la réponse du thermocouple utilisé selon la température pour pouvoir relier la différence de potentiel électrique à la différence de température. La mesure passant par la détermination d'une différence de potentiel, sa précision dépend fortement du voltmètre utilisé.

Prenons par exemple un thermocouple cuivre / constantan avec respectivement, selon le schéma «a» : du constantan et «b» : du cuivre. En instrumentation industrielle, on nomme la jonction des deux métaux «soudure chaude» (cuivre et constantan)  ; c'est celle qui sera exposée à la T° à mesurer. L'autre, nommée «soudure froide», n'est autre que la connexion de la sonde thermocouple avec le module de traitement ou un bornier d'armoire intermédiaire (liaison du conducteur en constantan de la sonde et du fil de raccordement avec le module de calcul ; le plus souvent du cuivre en électricité). C'est en fait un thermocouple «parasite» dont la différence de potentiel se soustrait à celle de la soudure chaude. Par construction, on placera cette soudure froide dans un milieu calorifugé et en particulier équipé d'une régulation de température. La T° étant connue, on corrigera le signal de sortie du module de traitement des signaux.

Exemple :

• T1 la soudure chaude mesure 100 °C
• T2 la soudure froide est exposée à 20 °C :
  • Le signal non corrigé (non prise en compte de la soudure froide) sera de 80 °C
  • Le signal corrigé est de 100 °C (on ajoute la température de la soudure froide au 80 °C calculé auparavant).

Pour finir, il existe plusieurs types de thermocouples différents. Tous sont utilisés pour une gamme précise de température de quelques degrés à quelques milliers de degrés. Les signaux électriques de ces sondes sont de l'ordre du microvolt au millivolt et non linéaires. Les signaux sont traités par des modules électroniques intégrant une fonction adaptée au thermocouple qui linéarise le signal et le corrige avec la soudure froide. L'avantage du thermocouple est la fiabilité, faible encombrement et sa mise en œuvre.

Mais de fait dans un usage réel il y a trois métaux, les deux servants à la mesure et le câble de connexion, typiquement du cuivre. Le montage réel part par conséquent avec un «alliage» cuivre, connecté au premier métal, de là à la soudure froide, de cette soudure part le second métal vers la soudure chaude. Et le premier métal part de cette soudure vers le cuivre. Et ces 2 thermocouples parasites existent toujours.

Apparaissent par conséquent 4 jonctions. Si on prend un thermocouple fer-constantan, existent par conséquent un couple cuivre-fer, fer-constantan, constantan-fer et fer-cuivre. Le problème de mesure est alors de diminuer les effets parasites et par conséquent de diminuer l'effet des deux couples parasites avec les liaisons cuivre, qui doivent être à même températuredans la mesure du possible. Un bon moyen est que ces «soudures» soient sur un bon conducteur de chaleur.

Par la suite la soudure froide. Il faut que sa température soit connue. Un thermocouple a une FEM variant selon la température, de l'ordre de 35 µV/deg vers 0°C à 41 µV/deg vers 800°C pour le chromel/alumel. Reste à connaître la température de la soudure froide. Une bonne technique est le point de fusion de la glace, 0 °C à pression atmosphérique normale. Ceci est de l'eau pure avec de la glace d'eau pure aussi, dans une bouteille thermos, dont l'ouverture est isolée. L'unique variation est alors la pression. On peut mesurer cette température avec une sonde résistante CTN.

Reste à savoir qu'un thermocouple est un individu, dont les caractéristiques changent vite juste après sa fabrication, et restent particulièrement stables ensuite. Il est ainsi utile de «vieillir» un nouveau thermocouple en le portant pendant longtemps aux températures où il devra servir. Il faut ensuite l'étalonner. La fonction qui représente la FEM selon la t° est un polynôme. De degré élevé, >9 pour un chromel/alumel.

Différents types de thermocouples

Il existe différents types de thermocouples, correspondant chacun à une gamme de température ou à une plus ou moins grande précision. Leurs propriétés peuvent aussi dépendre du type d'isolation (gaine) utilisée pour les fils métalliques. La liste suivante donne la définition des thermocouples suivant les normes internationales^{[1], [2]}. Il est envisageable de reconnaitre le type d'un thermocouple avec la couleur de la gaine des fils métalliques donnant la possibilité la connexion.

Thermocouples à base de métaux usuels

Type E

• Composition : Chromel (alliage nickel+chrome (10%) ) / Constantan (alliage nickel+cuivre (45%) )
• Ce thermocouple est intéressant pour la mesure de températures basses. Il a aussi l'avantage de ne pas avoir de réponse magnétique.
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Violet / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : Jaune / Orange

Type J

• Composition : Fer / Constantan (alliage nickel+cuivre)
• Fonctionne bien dans le vide et dans une plage de température de 0 à 750 °C, mais n'est pas recommandé pour les basses températures, à cause de problèmes d'oxydation du fer et de l'azote
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Noir / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : Jaune / Noir

Type K

• Composition : Chromel (alliage nickel + chrome) / Alumel (alliage nickel + aluminium (5%) + silicium)
• thermocouple standard. Il permet une mesure dans une gamme de température large : -250 °C à 1 372 °C. Il est aussi bon marché, mais ne permet pas une mesure à 0 °C.
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Vert / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : Jaune / Violet

Type N

• Composition : Nicrosil (alliage nickel + chrome (14%) + silicium (1, 5%) ) / Nisil (alliage nickel + silicium (4.5% + magnésium (0.1%) )
• sa bonne stabilité et sa bonne résistance aux températures élevées (-270 à 1 300 °C) ainsi qu'à l'oxydation rendent ce thermocouple intéressant pour les mesures à hautes températures et dans le vide.
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Rose / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : -

Type T

• Composition : Cuivre / Constantan (alliage cuivre + nickel)
• Ce thermocouple est spécifiquement adapté pour une utilisation à basse température (-200 à 350 °C) comme pour des applications cryogéniques.
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Brun / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : Jaune / Bleu

Thermocouples à base de métaux nobles

Type R

• Composition : Platine-Rhodium (13%) / Platine
• adapté aux températures élevées (0 à 1 650 °C).
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Orange / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : Jaune / Vert

Type S

• Composition : Platine-Rhodium (10%) / Platine
• adapté aux températures élevées (0 à 1 650 °C).
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Orange / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : Jaune / Vert

Type B

• Composition : Platine-Rhodium (30%) / Platine-Rhodium (6%)
• adapté aux températures élevées (0 à 1 700 °C), utilisé en grande partie en verrerie industrielle.

En règle générale ce thermocouple se compose d'un tube bifilaire en alumine au bout duquel sortent les 2 fils qui sont soudés ensemble forment ainsi une petite boule.

• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  : Gris / Blanc
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : Jaune / Gris

Thermocouples à base de métaux réfractaires

Type C

• Composition : Tungstène-Rhénium (5%) / Tungstène-Rhénium (26%)
• adapté aux températures particulièrement élevées (0 à 2 320 °C). Prix élevé, complexe à fabriquer, fragile. Ne doit pas être utilisé en présence d'oxygène en dessous de 260 °C.
• Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -)  :
• Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -)  : -

Comment choisir un thermocouple ?

La plage à mesurer

La première chose importante à prendre en compte est de faire coïncider la plage de température à mesurer avec la plage d'utilisation optimum du thermocouple.

Les variations des courbes de température

Si on étudie les différentes courbes montrant l'évolution de la différence de potentiel selon la température, nous pouvons constater que ces variations ne sont pas linéaires (seule la courbe du thermocouple de type k sur une plage de température particulièrement restreinte peut être reconnue comme constante).

Donc, et afin d'obtenir une mesure la plus précise envisageable, il est indispensable de choisir un thermocouple dont la courbe de température fluctue de manière importante comparé à la variation de température. Si on prend un exemple :

Un thermocouple de type B a une plage d'utilisation allant de 0°C à 1500°C mais la différence de potentiel ne fluctue que de 10 microvolt. Un thermocouple de type R a une plage d'utilisation allant de 0°C à 1500°C mais la différence de potentiel fluctue de 17 microvolt.

Donc la réponse lors de la force électro-motrice induite lors d'une mesure de température avec un thermocouple de type R sera bien plus précise qu'un thermocouple de type B, de par ses variations plus importantes.

Le milieu de mesure

Certaines utilisations, surtout industrielles, des thermocouples conduiront à utiliser ces derniers avec des conditions de pression ou de milieu spécifiques. On retrouvera des mesures dans des milieux extrêmement basiques, acides, avec des pressions pouvant être importantes, cela aura par conséquent pour conséquence de modifier la précision et la vitesse d'usure du thermocouple. Il faudra donc se tourner vers des thermocouples ayant des précisions quelquefois moindres mais ayant des résistances spécifiques comparé aux milieux d'utilisation.

Voir aussi

• L'article détaillé température
• L'effet Seebeck
• L'article voltmètre pour la mesure de différence de potentiel électrique
• Thermomètre à résistance de platine (ou Pt100)

Références

Liens externes

• [1]

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