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.
Le schéma ci-contre présente le principe de la mesure de température par thermocouples. Les deux métaux1 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. a et b, de natures différentes, sont reliés par deux jonctions (formant ainsi un thermocouple) aux températures T
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 :
Mais de fait dans un usage réel il y a trois métaux, les deux servant 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.
Si l'on étudie les différentes courbes montrant l'évolution de la différence de potentiel en fonction de la température (Ou FEM), 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 1 700 °Cmais la différence de potentiel ne varie que de 5 millivolt à 1000°C. Un thermocouple de type E a une plage d'utilisation allant de 0 °C à 1 000 °C mais la différence de potentiel varie de 75 millivolt.
Donc la réponse lors de la force électromotrice induite lors d'une mesure de température avec un thermocouple de type E sera beaucoup plus précise qu'un thermocouple de type B, de par ses variations plus importantes.
Principes de la mesure
Schéma de principe d'un thermocouple
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).
Mais de fait dans un usage réel il y a trois métaux, les deux servant 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.
Types
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[1],[2]. 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.À base de métaux usuels
Type E
- Composition : Chromel (alliage nickel+chrome (10 %)) / Constantan (alliage nickel + cuivre (45 %))
- Usage de -40°C à 900°C
- Thermocouple à la FEM la plus élevé.
- N'a aucune de réponse magnétique.
- Utilisation sous atmosphère inerte ou oxydante.
- Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Violet / Blanc
- Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / Orange
Type J
- Composition : Fer / Constantan (alliage nickel+cuivre)
- Usage de -180°C à 750°C. Sa table de référence s'étend au delà de 1000°C.
- Usage en atmosphère inerte ou réducteur. Ce dégrade rapidement en milieu oxydant au delà de 400°C. S'oxyde en milieu humide.
- 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)
- Usage de -180°C à 1200°C. Sa table de référence s'étend à 1370°C.
- Stabilité moins satisfaisante que d'autres thermocouples : Son hystérésis entre 300°C et 550°C provoque plusieurs degrés d'erreurs. Au dessus de 800°C, l'oxydation provoque progressivement sa dérive hors de sa classe de tolérance.
- Bonne tenue aux radiations.
- Utilisation sous atmosphère inerte ou oxydante.
- Thermocouple le plus courant. 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 %))
- Usage de -270°C à 1280°C.
- Stabilité supérieure aux autres thermocouples courants.
- Bonne tenue au cyclage thermique.
- Bonne tenue aux radiations.
- Utilisation sous atmosphère inerte ou oxydante.
- Voué à remplacer le thermocouple K voir d'autres thermocouples courants.
- Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : rose / blanc
- Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : -
Type T
- Composition : Cuivre / Constantan (alliage cuivre + nickel)
- Usage de -250°C à 400°C
- Répétabilité exceptionnelle de +/-0,1°C de -200°C à 200°C.
- Forte conductivité thermique du cuivre.
- Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Brun / Blanc
- Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / bleu
À base de métaux nobles
Type R
- Composition : Platine-Rhodium (13 %) / Platine
- Usage de 0°C à 1700°C
- FEM légèrement plus élevée que pour le S. Stabilité plus élevée que le S.
- Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Orange / Blanc
- Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / Vert
Type S
- Composition : Platine-Rhodium (10 %) / Platine
- Usage de 0°C à 1700°C
- Résistance élevée à la corrosion et à l'oxydation.
- Se pollue facilement.
- 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 %)
- Usage de 0°C à 1800°C
- Mauvaise précision en dessous de 600°C.
- Compensation de soudure froide négligeable de 0 à 50°C.
- Couleurs selon CEI 584-3 (+ / -) : Gris / Blanc
- Couleurs selon NF C 42-323 1985 (+ / -) : Jaune / Gris
À base de métaux réfractaires
Type C (Ou W5)
- Composition : Tungstène-Rhénium (5 %) / Tungstène-Rhénium (26 %)
- Usage de 20°C à 2300°C.
- FEM élevée et linéaire à haute température. Ne convient pas pour des mesure en dessous de 400°C.
- Prix élevé, difficile à fabriquer, fragile.
- Utilisation sous atmosphère inerte. Déconseillé en milieu oxydant.
- Non normalisé.
Type G (Ou W)
- Composition : Tungstène / Tungstène-Rhénium (26 %)
- Usage de 0°C à 2600°C.
- FEM élevée et linéaire à haute température. Ne convient pas pour des mesure en dessous de 400°C.
- Utilisation sous atmosphère inerte. Déconseillé en milieu oxydant.
- Non normalisé.
Type D (Ou W3)
- Composition : Tungstène-Rhénium (3 %) / Tungstène-Rhénium (25 %)
- Usage de 0°C à 2600°C.
- FEM élevée et linéaire à haute température. Ne convient pas pour des mesure en dessous de 400°C.
- Utilisation sous atmosphère inerte. Déconseillé en milieu oxydant.
- Non normalisé.
Sélection
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
Variation de la différence de potentiel en fonction de la température pour différents thermocouples.
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 1 700 °Cmais la différence de potentiel ne varie que de 5 millivolt à 1000°C. Un thermocouple de type E a une plage d'utilisation allant de 0 °C à 1 000 °C mais la différence de potentiel varie de 75 millivolt.
Donc la réponse lors de la force électromotrice induite lors d'une mesure de température avec un thermocouple de type E sera beaucoup plus précise qu'un thermocouple de type B, de par ses variations plus importantes.