Thermocouple - Définition

Introduction

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 imprécision : il est relativement difficile 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

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 thermos, dont l'ouverture est isolée. La seule 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 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.