Thermocouple

Les thermocouples ou couples thermoélectriques (CTE) sont, en physique, des couples de matériaux dont l'effet Seebeck est utilisé pour la mesure de température. Ils sont bon marché et permettent la mesure dans une grande gamme de températures. Leur principal défaut est leur imprécision : il est relativement difficile d'obtenir des mesures avec une erreur inférieure à 0,1 °C - 0,2 °C.

Principes de la mesure

Schéma de principe d'un thermocouple

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 également possible que cette température de référence soit mesurée par un capteur (température ambiante, par exemple). La mesure de température est donc une mesure indirecte, puisque les thermocouples mesurent en fait une différence de potentiel électrique. Il est donc nécessaire de connaître la réponse du thermocouple utilisé en fonction de 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 appelle la jonction des deux métaux « soudure chaude » (cuivre et constantan) ; c'est celle qui sera exposée à la T° à mesurer. L'autre, appelée « 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 ; généralement 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 surtout 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 précédemment).

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

Ensuite la soudure froide. Il faut que sa température soit connue. Un thermocouple a une FEM variant en fonction de 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 également, dans une bouteille isotherme, dont l'ouverture est isolée. La seule variation est alors la pression. On peut mesurer cette température avec une sonde résistante CTN. La deuxieme solution est de mettre les jonctions cuivre/thermocouple dans un boitier isotherme, auquel on aura mis une sonde de platine qui pourra nous dire la température exacte de l'ensemble (prise par mesure 4 fils par voltmètre et table de conversion).

Reste à savoir qu'un thermocouple est un individu, dont les caractéristiques changent vite juste après sa fabrication, et restent très 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 en fonction de 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 également dépendre du type d'isolation (gaine) utilisée pour les fils métalliques. La liste suivante donne la définition des thermocouples suivant les normes internationales. Il est possible de reconnaitre le type d'un thermocouple à l'aide de la couleur de la gaine des fils métalliques permettant 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 également 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 bon marché.
• 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) et 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 particulièrement 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), (Mauvaise précision en dessous de 1000degC), utilisé en grande partie en verrerie industrielle.

En règle générale ce thermocouple est composé 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 très élevées (0 à 2 320 °C). Prix élevé, difficile à fabriquer, fragile. Ne doit pas être utilisé en présence d'oxygène au dessus 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 l'on étudie les différentes courbes montrant l'évolution de la différence de potentiel en fonction de 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 très restreinte peut être considérée comme constante).

Par conséquent, et afin d'obtenir une mesure la plus précise possible, il est nécessaire de choisir un thermocouple dont la courbe de différence de potentiel varie de manière importante par rapport à la variation de température. Si l'on prend un exemple :

Un thermocouple de type B a une plage d'utilisation allant de 0 °C à 1 500 °C mais la différence de potentiel ne varie que de 10 microvolt. Un thermocouple de type R a une plage d'utilisation allant de 0 °C à 1 500 °C mais la différence de potentiel varie 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 beaucoup plus précise qu'un thermocouple de type B, de par ses variations plus importantes.

Le milieu de mesure

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

Liens externes

• http://www.neo-tech.fr/images/stories/damodb/TempvsVoltgraph.gif