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Thermocouple

En physique, les thermocouples sont utilisés pour la mesure de températures. Ils sont bon marché et permettent la mesure dans une grande gamme de températures. Leur principal défaut est leur précision : il est relativement difficile d'obtenir des mesures avec une erreur inférieure à 0,1-0,2 °C. La mesure de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) 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. Notons que les thermocouples ne mesurent pas à proprement parler 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 (La glace est de l'eau à l'état solide.) fondante (0 °C). Il est également possible que cette température de référence soit mesurée par un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une...) (température ambiante, par exemple). La mesure de température est donc une mesure indirecte, puisque les thermocouples mesurent en fait une différence de potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.). 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 (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) 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 (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela...) 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 (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) de température. La T° étant connue, on corrigera le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) 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 intégrants une fonction adaptée au thermocouple qui linéarise le signal et le corrige avec la soudure froide. L'avantage du thermocouple est la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.), encombrement et sa mise en œuvre.

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 (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) des thermocouples suivant les normes internationales[1][2].

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.

Type J

  • Composition : Fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme...) / Constantan (alliage nickel+cuivre)
  • Fonctionne bien dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et dans une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable fin ; on trouve également...) de température de 0 à 750°C, mais n'est pas recommandé pour les basses températures, à cause de problèmes d'oxydation du fer.

Type K

  • Composition : Chromel (alliage nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) + chrome) / Alumel (alliage nickel + aluminium(5%) + silicium)
  • thermocouple standard. Il permet une mesure dans une gamme de température large : -200 °C à 1250°C. Il est également bon marché.

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 1300°C) et à l'oxydation rendent ce thermocouple intéressant pour les mesures à hautes températures et dans le vide.

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.

Thermocouples à base de métaux nobles

Type R

  • Composition : Platine-Rhodium(13%) / Platine
  • adapté aux températures élevées (0 à 1450°C).

Type S

  • Composition : Platine-Rhodium(10%) / Platine
  • adapté aux températures élevées (0 à 1450°C).

Type B

  • Composition : Platine-Rhodium(30%) / Platine-Rhodium(6%)
  • adapté aux températures élevées (0 à 1700°C), utilisé en grande partie en verrerie industrielle.

Thermocouples à base de métaux réfractaires

Type C

  • Composition : Tungstène-Rhénium(5%) / Tungstène-Rhénium(26%)
  • adapté aux températures très élevées (0 à 2320°C). Prix élevé, difficile à fabriquer, fragile. Ne doit pas être utilisé en présence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) en dessous de 500°F.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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