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Théorie des thermocouples

Technologie des thermocouples

Le thermocouple est l´une des sondes les moins sophistiquées, qui se veut à la fois robuste et économique, et à ce titre la mieux adaptée aux applications industrielles.

Elle est constituée de deux fils de métaux différents qui se rejoignent au point de mesure, appelé la soudure chaude. La sonde produit une tension proportionnelle à la différence de température entre la soudure chaude et la soudure froide des fils. La très faible tension générée n´est pas linéaire, ce qui présente des défis de conception pour les fabricants d´instruments à thermocouple. Cependant, si l´instrument est correctement conçu, le thermocouple offre une sonde à très bas coût, facile à remplacer si elle venait à être endommagée.

 

Théorie des thermocouples

Le circuit d´un thermocouple est composé d´au moins deux jonctions : la soudure de mesure (soudure chaude) et une soudure de référence ou soudure froide. La soudure de référence est le point où les deux fils du thermocouple sont raccordés à l´instrument de mesure (un enregistreur de données, par exemple). Il s´agit du point où les métaux se rejoignent - les métaux du thermocouple et le métal de l´instrument de mesure, du cuivre pour la plupart des enregistreurs de données électroniques.

La tension de sortie d´un thermocouple dépend de la différence de température entre la soudure chaude et la soudure de référence. C´est le résultat d´un phénomène observé par Thomas Seebeck en 1821, qui s´est aperçu qu´un circuit composé de deux fils différents modifiait la position de l´aiguille d´une boussole lorsque l´une des jonctions était chauffée.

Chaque type de thermocouple est associé à une courbe de tension de Seebeck caractéristique. La courbe de Seebeck dépend des métaux de chacun des fils du thermocouple et les tensions générées sont mesurées en mV. La quasi-totalité des fils utilisés dans les thermocouples sont des alliages. Par conséquent, l´homogénéité de l´alliage joue un rôle clé dans l´exactitude du système de mesure.

Il est important de garder à l´esprit que la tension n´est pas générée au niveau de la soudure chaude, mais le long du fil dans des segments soumis à un gradient thermique. Pour les applications nécessitant une exactitude optimale, c´est ce point qu´il convient d´étudier au moment de vérifier l´exactitude du thermocouple avant emploi.

 

Type de thermocouples

Les thermocouples se divisent en deux grands groupes : ceux conçus dans des métaux usuels et ceux réalisés dans des métaux nobles. Les métaux usuels, tels que le cuivre, le fer ou les alliages de nickel, sont plus économiques. Les proportions exactes de métaux dans les alliages ne sont pas définies, contrairement à la courbe de réponse tension-température. Par conséquent, au niveau microscopique, les fils de thermocouple en métaux usuels de deux fournisseurs différents peuvent contenir des proportions de métaux différentes. Les métaux nobles utilisés pour le second groupe de thermocouples, tels que le platine ou le rhodium, sont beaucoup plus chers. Ils présentent un niveau de pureté et des proportions définis avec précision, tout comme leur courbe de tension-température.

 

Type de thermocouples

Plage d´utilisation (hors limites liées à l´isolation des fils)

Composition de fil

Type K

-270 à 1370 °C 

Ni-Cr (+ve ) et Ni -Al

Type N

-270 à 1300 °C

Ni-Cr-Si (+ve ) et Ni-Si-Mg

Type T

-270 à 400 °C

Cu (+ve) et Cu-Ni

Type J

-210 à 1200 °C

Fe (+ve) et Cu-Ni

Type E

-270 à 1000 °C

Ni-Cr (+ve) et Cu -Ni

Type R

-50 à 1768 °C

Pt-13% Rh (+ve) et Pt

Type S

-50 à 1768 °C

Pt-10% Rh (+ve) et Pt

Type B

0 à 1768 °C

Pt-30% Rh (+ve) et Pt

 

Conception d´un thermocouple

L´un des principaux avantages du thermocouple est sa simplicité de conception. Il est même possible de les adapter à l´application : par exemple dans le secteur agroalimentaire, ils peuvent être pointus pour pouvoir pénétrer facilement dans le produit, tandis qu´ils peuvent être soudés au produit dans le domaine du traitement thermique des métaux. L´extrémité de la sonde peut être aplatie pour un meilleur contact thermique ou fixée à des aimants pour une installation rapide.

Les fils peuvent être revêtus d´un matériau isolant souple, comme le PTFE, ou tressé en fibre de verre pour une meilleure résistance à la chaleur et, en cas de températures élevées, ils peuvent être enveloppés dans des gaines de protection en métal ou en céramique.

Thermocouple for temperature sensing, measurement and control food probes temperature probes digital probes

 

Instruments à thermocouple

Il est essentiel d´apporter un soin particulier à la conception électronique et mécanique des instruments à thermocouple, tels que les enregistreurs de données, afin de garantir une exactitude optimale. La conception mécanique vise à s´assurer que la soudure froide est isotherme par rapport au point de raccordement des fils du thermocouple avec les fils/pistes de cuivre du circuit imprimé. Si la soudure froide ne permet pas de suivre les variations de températures avec précision, la mesure finale comportera une erreur équivalant à l´écart entre la valeur affichée et la valeur réelle. Il est impératif que cette partie du thermocouple ne soit soumise à aucun gradient thermique.

Comme la tension à la sortie du thermocouple peut être de l´ordre de 4 uV/C seulement, une amplification est indispensable avant la numérisation du signal. Généralement constitués de longs fils parallèles, les thermocouples sont souvent utilisés dans des environnements électriques hostiles, où ils se comportent comme des antennes en captant des signaux interférents. Par conséquent, il est essentiel d´apporter un soin particulier à la conception électronique afin d´éliminer les signaux indésirables.

simplified diagram showing the cold junction in a thermocouple instrument

 

Résumé

Les thermocouples sont des dispositifs économiques et robustes, qui couvrent une vaste plage de température. On estime que les thermocouples permettent de mesurer plus de la moitié de toutes les valeurs de température mesurées dans le secteur industriel aux États-Unis. Les tensions de sortie sont faibles et ne sont pas linéaires, mais si l´instrument de mesure ou l´enregistreur de données est correctement conçu, le système de mesure peut fournir des résultats exacts et répétables.