Le thermocouple est un capteur de température aux nombreuses applications utilisé pour la mesure de température de contact. C’est un des éléments constitutifs de la sonde de température thermocouple, un appareil de mesure dont les éléments principaux sont le capteur et un dispositif de lecture des données. Disposant généralement d’un écran à cristaux liquides. Souvent désigné sous le nom de thermostat, le thermocouple est l’un des capteurs les plus utilisés. Aux côtés du capteur infrarouge et de la thermistance, dont la résistance dépend de la température. Les atouts du thermocouple sont sa robustesse, son prix abordable, sa vitesse de réaction. Mais aussi sa capacité à mesurer sur de larges gammes de température.
Comment fonctionne un capteur thermocouple ?
Le fonctionnement du thermocouple se base sur un phénomène appelé effet thermoélectrique Seebeck. Ce phénomène se manifeste par l’apparition d’une tension électrique au sein d’un circuit ouvert. Il est souvent composé de deux matériaux conducteurs de natures différentes lors d’une variation de température. Laconvertion de la tension en températurese fait grâce au coefficient Seebeck en fonction du type de thermocouple. Les précautions à prendre pour un fonctionnement optimal des thermocouples sont le choix du type adéquat selon l'application et le type de jonction. La prise en compte des perturbations électromagnétiques est également importante.
La mesure de température grâce au thermocouple
Le capteur thermocouple contient de deux fils de métaux conducteurs différents reliés ensemble par une jonction appelée point chaud. Le point froid, reliée à l'appareil est l'autre extrémité. Lorsque le point chaud est exposé à la chaleur ou au froid, la densité électronique de chaque fil métallique est modifiée. Le courant électrique qui parcourt le capteur apparaît grâce à la différence de température qu’il existe entre le point chaud et le point froid. Pour mesurer la température avec un thermocouple de manière précise, il faut soit maintenir le point froid à 0°C. Soit mettre en place ce que l’on appelle la compensation de la soudure froide.
Le thermocouple se décline en différents types
Il existe plusieurs sortes de thermocouples qui offrent différentes plages de mesure de température et s’adaptent à plusieurs types d’applications. La sélection du type de sonde thermocouple appropriée dépend de l’environnement et du budget alloué à l’achat. Les 8 types de capteurs thermocouples principalement utilisés sont couverts par la norme européenne CEI 60584.1. Certains types contiennent des métaux communs et sont donc peu coûteux. Les types B, R et S sont conçus à partir de métaux précieux tel que le platine, ce qui rend leur prix plus élevé.
Qu’est-ce qui influe sur le temps de réponse du thermocouple ?
Le temps de réponse des thermocouples varie selon leur conception plutôt que leur type. Les caractéristiques qui influent sur la vitesse de réaction de ces capteurs sont multiples. Il y a la protection de la sonde, la méthode de jonction ou encore le câble de raccordement. Plus le contact avec le milieu dont on souhaite mesurer la température est direct, plus la réponse apportée par les sondes de mesure est rapide. Un thermocouple sans boitier métallique ou gaine de protection donne donc une réponse rapide. Les fils à nu peuvent être sujets à la corrosion selon leur matière et l’environnement, il faut donc choisir chaque caractéristique avec attention.
Les tables de conversion
Un tableau ou table de conversion de thermocouple est un outil pour convertir une force électro-motrice (fem) en une température en degrés Celsius ou Fahrenheit. Il permet également l'étalonnage de la sonde thermique en comparant la tension obtenue avec la température attendue. Pour lire des tables de conversion de thermocouple, il faut connaître le type de thermocouple utilisé, chaque type ayant son propre coefficient Seebeck. Pour lire la table, on fait correspondre la différence de potentiel relevée avec la température en degrés Celsius ou Fahrenheit.
Les courbes de thermocouples
Une alternative à la présentation du rapport tension/température sous forme de table est le graphique. La température se trouve en abscisse et la tension en ordonnée. Le lien entre les deux n’étant pas linéaire, il forme une courbe. Chaque type de thermocouple a une courbe distincte qui permet d’apprécier visuellement les variations entre les deux données. Les courbes de thermocouples, comme les tables, se basent sur la tension relevée sur le capteur lorsque le point froid est à 0 °C. Il faut donc maintenir cette soudure à dans un bain d’eau glacée agitée ou effectuer une compensation. Cette technique consiste à laisser le point froid à température ambiante. Ensuite, on mesure cette température et on la convertie en tension afin d’ajouter un coefficient correctif au calcul final.
Les plages de mesures
Si le thermocouple est le type de capteur le plus répandu dans l’industrie, c’est en grande partie parce qu’il permet de mesurer une grande amplitude de températures. Selon les types, il peut mesurer des températures de -200 °C à 1 800 °C. Les thermocouples capables de mesurer de très basses températures sont les types K, J, T et N. Pour les hautes températures, on utilise les types N, S, R et B. Pour choisir un thermocouple adapté à une application précise, il faut que la plage de température à mesurer et la plage de mesure du type de thermocouple coïncident.
L’étalonnage du thermocouple
Ce que l’on appelle étalonnage ou calibrage du thermocouple est une procédure consistant à vérifier que la tension indiquée sur le voltmètre de la sonde thermique correspond à la bonne température dans la table de conversion. Pour cela, le point de mesure doit être à une température connue avec certitude. Les tests réalisés permettent de vérifier l’exactitude de la sonde sur différents points de sa plage de mesure. Si les résultats indiquent un décalage entre la tension et la température correspondante dans la table de conversion, un coefficient correctif doit être ajouté lors des utilisations du capteur. Des valeurs erronées peuvent signifier une détérioration d’un élément de la sonde, comme le capteur lui-même, le connecteur ou l’enregistreur.
Comment réaliser des tests sur un thermocouple ?
Le test est l’une des étapes essentielles de l’étalonnage. Il est recommandé de tester un thermocouple lorsque la sonde connaît un changement d’affectation, de manière régulière en fonction de l’intensité de son utilisation ou encore en cas de suspicion d’erreur. Les procédures généralement appliquées pour tester un thermocouple suivent les recommandations de L'ASTM (American Society for Testing and Materials) pour le calibrage des thermocouples. Deux options sont possibles, l’étalonnage par comparaison ou en point fixe. En comparaison, on effectue une mesure de la température avec la sonde à tester ainsi qu’avec un capteur de référence, que l’on sait fiable. En points fixes, le capteur est exposé à la température du point triple de l’eau.
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Aller plus loin sur les thermocouples
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- Quels sont les différents types de thermocouples
- Étalonnage d'un thermocouple
- Comment mesure-t-on la température par thermocouple ?
- Temps de réponse des thermocouples par type
- Les courbes des thermocouples par type
- Comment tester un thermocouple ?
- Plage de mesure des thermocouples
- Table de conversion des thermocouples
- Comment fonctionne un thermocouple ?
