Les thermocouples

Les thermocouples

1) Principe

Le principe de fonctionnement d’un thermocouple thermoélectrique est basé sur la transformation du différentiel de température des jonctions (soudure froide et soudure chaude) de 2 conducteurs de nature différente en force électromotrice (f.e.m). Dans un circuit ouvert composé de deux conducteurs différents, le branchement d’un instrument de mesure à l’une des extrémités (soudure froide) permet de mesurer un milli-voltage lorsque l’on réchauffe la jonction des fils à l’autre extrémité (soudure chaude). Ce milli-voltage augmente proportionnellement lorsque la différence de température entre la soudure chaude et la soudure froide s’accroît.

2) Les lois thermométriques

Un circuit comprenant plusieurs matériaux conducteurs avec des différences de température génère des forces électromotrices thermoélectriques qui ne dépendent que des matériaux présents et de la répartition des températures. Les phénomènes sont décrits par trois effets :

• Effet Peltier : une jonction de 2 conducteurs différents à la température T est le siège d’une différence de potentiel qui dépend de T.
• Effet Thomson : il existe une différence de potentiel entre deux points d’un même conducteur porté à des températures différentes. Cette différence de potentiel dépend du conducteur et des températures des 2 points.
• Effet Seebeck : dans un circuit composé de 2 conducteurs différents dont la jonction est la température T1, différente de la température T2 des extrémités, une force électromotrice apparaît qui dépend de la nature des conducteurs et des deux températures T1 et T2.

Les lois suivantes sont déduites à partir de la thermodynamique :

• Loi des métaux homogènes : une force électromotrice est créée dans un circuit à partir des températures des 2 jonctions, seulement si les métaux sont homogènes.
• Loi des métaux intermédiaires : l’introduction d’un 3ème métal dans un circuit n’affecte pas la force électromotrice si les 2 nouvelles jonctions sont à la même température.
• Loi des métaux successifs : la somme des forces électromotrices de 2 couples (A,C) et (B,C) dont l’un des conducteurs C est identique, est égale à la force électromotrice entre les mêmes températures par le couple (A,B).
• Loi des températures intermédiaires : la force électromotrice d’un couple (A,B) aux températures T1 et T2 est la somme des forces électromotrices du même couple entre T1 et T3, et T3 et T2.

En utilisant ces lois, on peut générer différentes forces électromotrices (pour une même température) qui dépendent de l’alliage du thermocouple utilisé. La relation entre la force électromotrice (millivolts) et la température (°C) s’appelle le coefficient de Seebeck (sensibilité) et s’exprime en Mv/100°C (ou en μV/°C). La variation de la force électromotrice en fonction de la température a permis la création de graphiques et de tableaux de corrélation.

3) Types de thermocouples

Le fonctionnement d’un thermocouple nécessite l’emploi de deux conducteurs en matériaux différents dont les propriétés diffèrent et sont essentielles : bonne sensibilité, domaine de température suffisante, bonne stabilité dans le temps, etc… Les couples thermoélectriques ont été normalisés et les plus utilisés couvrent un domaine de -250°C à +2000°C. Pour chaque alliage du thermocouple une lettre a été attribué (R, S, B, J, T, E, K et N étant les plus utilisés) et un graphique et un tableau de corrélation de la force électromotrice en fonction de la température a été créé. Deux familles de thermocouples apparaissent :

• « Thermocouples basiques » ou en métaux communs : types J, T, E, K et N. Ils sont plus sensibles mais moins stables et moins chers. Ce sont les plus utilisés et sont faits de combinaisons pour s’adapter à chaque gamme de température.
• « Thermocouples nobles » ou en métal précieux : types R, S, et B. Ils sont moins sensibles mais plus stables et plus chers. Ils sont fabriqués avec du platine et du rhodium (éléments de haute pureté et homogénéité), ce qui leur permet de servir de modèle pour les autres thermocouples comme mesure de plus grande précision. Ils ne sont pas recommandés en dessous de 100°C et nécessitent des instruments de haute sensibilité.

Thermocouple type S (platine – 10% rhodium / platine)
Sensibilité moyenne : 11,4 μV/°C. Domaine d’utilisation : -50°C / +1600°C.
Haute précision, grande résistance à la corrosion et à l’oxydation. Utilisé comme référence de température en laboratoire et en contrôle industriel, c’est le thermocouple le plus important au niveau scientifique, grâce à ses caractéristiques de mesure en hautes températures.
Applications : industrie sidérurgique, fonderies, verre, ciment …

Thermocouple type R (platine – 13% rhodium / platine)
Sensibilité moyenne : 12,9 μV/°C. Domaine d’utilisation : -50°C / +1600°C.
Le thermocouple type R possède des applications identiques au thermocouple type S (atmosphère oxydante ou neutre), mais est moins utilisé.

Thermocouple type B (platine – 30% rhodium / platine – 6% rhodium)
Sensibilité moyenne : 10,6 μV/°C. Domaine d’utilisation : 0°C / +1700°C.
Utilisé pour la mesure de températures au-dessus de 1400°C, avec une très basse émission de force électromotrice.
Applications en atmosphères oxydantes et neutres, comme la sidérurgie, l’industrie céramique, le ciment et le verre …

Thermocouple type J (fer / nickel-cuivre (constantan))
Sensibilité moyenne : 55 μV/°C. Domaine d’utilisation : -40°C / +800°C.
Haute sensibilité, non conseillé pour les températures négatives, utilisé en atmosphères oxydantes ou réductrices (mais oxydation rapide au-dessus de 550°C).
Applications en industries chimiques, du thermoplastique…

Thermocouple type T (cuivre / nickel-cuivre (constantan))
Sensibilité moyenne : 51 μV/°C. Domaine d’utilisation : -200°C / +370°C.
Utilisation pour les mesures de températures négatives, en atmosphères humides, oxydantes, inertes ou dans le vide. Rapide oxydation au-dessus de 350°C.
Applications dans les industries de réfrigération, climatisation, chimiques …

Thermocouple type K (nickel-chrome (chromel) / nickel-aluminium (aluminium))
Sensibilité moyenne : 41 μV/°C. Domaine d’utilisation : -270°C / +1270°C.
Utilisation en atmosphères oxydantes ou inertes, haute résistance à l’oxydation (de 550°C à 1200°C). Eviter les atmosphères pauvres en oxygène.
Domaine d’utilisation large et faible coût de production en font un des thermocouples le plus utilisé dans l’industrie.
Application dans les fonderies, usines de ciment, verre …

Thermocouple type N (nickel-chrome-silicium (nicrosil) / nickel-silicium-magnésium (nisil))
Sensibilité moyenne : 38 μV/°C. Domaine d’utilisation : -270°C / +1300°C
Thermocouple crée pour améliorer les caractéristiques du type K : plus grande stabilité, bonne résistance à la corrosion mais ne pas utiliser dans le vide.
Applications identiques au type K.

Thermocouple type E (nickel-chrome (chromel) / nickel-cuivre (constantan))
Sensibilité moyenne : 78,5 μV/°C. Domaine d’utilisation : -270°C / +870°C
Possède une grande sensibilité thermoélectrique pour des mesures dans des domaines restreints, très bonne stabilité de la force électromotrice.
Utilisation en atmosphères oxydantes et inertes, et en températures négatives (sans éléments corrosifs et humides).
Applications dans l’industrie chimique et pétrochimique …

4) Tableau des caractéristiques des thermocouples

5) Montage des fils

La performance finale du thermocouple dépend du type de jonction des fils ainsi que de son placement par rapport au tube de protection. Les jonctions sont obtenues par jonction mécanique, fusion ou soudage :

• Les jonctions de sommet possèdent une résistance mécanique plus petite mais un plus grand temps de réponse. Le point de mesure est plus exact et défini.
• Les jonctions en tresse sont plus résistantes mécaniquement mais le temps de réponse est plus lent. Le point de mesure est indéfini.

Suivant l’utilisation, le point chaud (jonction de mesure) peut être apparent, isolé ou à la masse par rapport au tube de protection du thermocouple :

• Soudure chaude isolée : pas de liaison métallique entre la jonction et la protection. Temps de réponse plus lent, le thermocouple est moins sensible aux interférences ou bruits électriques externes.
• Soudure chaude apparente : protection retirée de la partie frontale du joint en coupant le tube protecteur. Temps de réponse amélioré.
• Soudure chaude à la masse (non isolée) : union du joint et du protecteur métallique. Temps de réponse plus rapide mais fait apparaitre des interférences de signaux.

6) Montage des thermocouples

Il existe 2 types de montage des thermocouples :

• Les thermocouples conventionnels : les fils du TC sont montés avec le support mécanique et l’isolation électrique entre les éléments. Les fils sont fixés à une base isolante, ou avec isolateurs céramiques (rondelles ou tubes). La protection extérieure se fait grâce à des tubes métalliques ou céramiques.
• Les thermocouples chemisés (à isolation minérale) : un isolant électrique et conducteur (poudre d’oxyde de magnésium) est compacté entre les fils et le tube de protection. Les fils sont protégés contre des attaques par des conditions ambiantes, le temps de réponse diminue, on obtient une isolation à hautes températures. Le thermocouple final peut être plié et sa durée de vie augmente.

7) Gaines de protection des thermocouples

8) Câbles d’extension et de compensation

Les câbles sont utilisés pour relier le thermocouple à l’instrument (éloigné) qui lit le résultat :

• Les câbles d’extension sont fabriqués avec les mêmes matériaux des éléments thermocouples (principalement utilisés pour les types K, J, N, T, E).
• Les câbles de compensation sont fabriqués avec des métaux et alliages différents de façon à maintenir la courbe caractéristique (force électromotrice X température) de l’élément thermocouple (utilisés pour les types R et S, le type B ne nécessite pas de câble de compensation).

Le choix des câbles se fait en fonction de l’utilisation et de l’application :

• Fils simples, doubles, multiples, tressés, rigides…
• L’isolant dépend du domaine de température, de l’agressivité du milieu …
• La durabilité conditionne les isolants internes et externes du câble.

Les normes, au-delà d’indiquer le matériel des câbles, établissent des limites d’erreurs pour les mêmes et codifient la polarité à travers des couleurs. Les connecteurs éventuels combinés à des couples thermoélectriques et à des câbles de compensation ou d’extension, doivent être de la couleur donnée dans ce tableau.

9) Tableau comparatif des câbles d’extension et de compensation

10) Tableau des principaux isolants des câbles