Les capteurs thermocouples entrent dans la composition de sondes de température utilisées dans de nombreux secteurs professionnels. Il s’agit d’une technologie à la fois facile à utiliser et économique. Elle offre aussi un court temps de réponse aux variations thermiques. Les différents types de thermocouples couvrent des plages de températures plus ou moins étendues avec une précision variable. Le choix de leur jonction et de leur système de compensation de soudure froide les rend utilisables dans des environnements différents.
Pour identifier le thermocouple le mieux adapté à votre domaine d’application et à votre budget, il est essentiel d’en comprendre le fonctionnement et de distinguer ses typologies.
Qu’est-ce qu’un thermocouple ?
Le thermocouple est l’un des deux grands types de capteurs de température les plus répandus.
- Le thermocouple permet de mesurer la température en calculant une différence de tension entre deux points. Il s’agit d’un système basé sur un principe thermoélectrique.
- La seconde catégorie, le capteur de température à thermistance, utilise un principe thermorésistif. C’est la variation de résistance des matériaux qui sert à calculer la différence de température. Les matériaux en question sont des oxydes métalliques, pressés et encapsulés.
Le fonctionnement du thermocouple
Un thermocouple, ou couple thermoélectrique, se compose de deux fils en métaux conducteurs différents. Les fils sont reliés par deux types de soudures, le point chaud et le point froid. Également appelé jonction de référence. Une tension électrique se crée, lorsque la jonction chaude a un changement de température. On va alors mesurer la différence de potentiel électrique entre la soudure chaude et la soudure froide pour mesurer la température. C’est ce que l’on appelle l’effet thermoélectrique Seebeck, nommé d’après le physicien allemand Thomas Johann Seebeck qui théorise ce phénomène en 1821.
Un voltmètre permet de mesurer la tension générée dans les fils de métaux conducteurs en fonction de la variation de température. On calcule la différence de potentiel (force électro-motrice) entre la soudure chaude et la soudure froide. Ensuite, un transmetteur de température converti cette donnée en degrés Celsius. La conversion de la tension en température est faite grâce à une table de référence et dépend des types de métaux qui composent le thermocouple. En effet, la sensibilité thermoélectrique de chaque métal est différente. Un coefficient de Seebeck a été attribué à chaque matériau en fonction de cette sensibilité.
Le maintien de la température de la jonction de référence
Pour que la sonde thermocouple fournisse des informations de haute précision, la soudure froide doit être à une température stable ou mesurable. Il faut savoir que cette jonction de référence est en réalité généralement composée de deux soudures différentes. Il existe plusieurs méthodes de compensation de la soudure froide, utilisées notamment lorsque la température ambiante peut varier. Le bain d’eau glacée est une méthode simple qui permet de maintenir la soudure à 0°C. En pratique, elle est largement utile en laboratoire mais peut être complexe à mettre en œuvre dans un environnement industriel. Il est aussi possible d’utiliser un second instrument de mesure qui effectue un contrôle de la température du point de référence. Les tables de mesure étant généralement établies à partir d’une température de soudure froide de 0°C, il faut ensuite effectuer un calcul en tenant compte de la température mesurée.
Lorsque la distance entre le point de mesure et l’appareil de mesure est importante, il peut être nécessaire d’ajouter une extension. Le matériau de ce câble doit être d’un calibrage identique au type de thermocouple afin d’éviter les fausses mesures. Une solution est d’utiliser directement le même matériau, ce qui peut être coûteux, il s’agit alors d’un câble d’extension. Il est aussi possible d’avoir recours à un câble de compensation, fabriqué à partir de métaux différents de ceux du thermocouple.
Les types de thermocouples normalisés
La conception des capteurs thermocouples se fait à partir de toutes sortes de métaux. Mais 8 types de thermocouples sont principalement utilisés. Il s’agit des types de thermocouples couverts par la norme européenne CEI 60584.1. Cette norme répertorie les thermocouples en les désignant par une lettre et un nom dans lequel l’élément positif est en premier.
Les types de thermocouples les plus utilisés
- Le type K (Chromel (alliage Nickel-Chrome) / Alumel (alliage Nickel-Aluminium)) est le thermocouple le plus largement utilisé dans l’industrie. Il couvre en effet une large plage de mesure de température, de -200 à 1200 °C. Son prix est peu cher et sa sensibilité est d'environ 41 uV / ° C.
- Le thermocouple type J (Fer / Constantan (alliage Cuivre-Nickel)) est utile en milieu réducteur. Il mesure la température sur une plage de -40 à 750 °C. Il ne doit pas être utilisé au-delà de 760 °C, au risque de provoquer une transformation magnétique entraînant une décalibration permanente. La présence du fer le rendant sensible à l’oxydation, il est souvent proposé avec une gaine en inox.
- Le type T (Cuivre / Constantan (alliage Cuivre-Nickel)) est principalement utilisé en laboratoire sur une plage -185 à 300°C. Il est très stable sur des mesures de basse température et la cryogénie.
- Le type E (Chromel (alliage Nickel-Chrome) / Constantan (Alliage Cuivre-Nickel)) est adapté pour des mesures de température entre -40 et 800 °C. Il est recommandé pour une utilisation dans un milieu sous vide, gaz inerte, modérément oxydant ou réducteur.
Les types de thermocouples réservés aux hautes températures
- Le type N (Nicrosil (alliage Nickel-Chrome-Silicium) / Nisil (alliage Nickel-Silicium)) bénéficie d’une haute stabilité et d’une résistance à l’oxydation. Il sert à mesurer des températures élevées, jusqu’à plus de 1 280 °C sur de courtes périodes. Il présente l’avantage d’être disponible à un prix moins cher que d’autres types de thermocouples pour les hautes températures, les B, R ou S, qui contiennent du platine.
- Les types S (Platine Rhodié 10 % / Platine) et R (Platine Rhodié 13 % / Platine) ont des caractéristiques proches. Ils s’utilisent pour la mesure de hautes températures, c’est-à-dire au-dessus de 1 000 °C et jusqu’à 1 600 °C. En raison de sa stabilité élevée, le type S est utilisé comme étalon pour le point de fusion de l'or (1 064,43 °C).
- Le thermocouple type B (Platine Rhodié 30 % / Platine Rhodié 6 %) est prévu pour une mesure de la température jusqu’à 1 600 °C en continu et 1 800 °C en pointe.
Le choix d’une sonde de température ne se limite pas au type de thermocouple, les autres éléments qui la constituent doivent également répondre au mieux à vos besoins. Les conseillers Thermometre.fr sont à votre écoute pour vous conseiller sur le type de sonde qu'il vous faut. Ils conçoivent aussi avec vous la sonde sur mesure qui correspond le mieux à votre application.
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