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Thermocouple : comment ça fonctionne ?

Les thermocouples sont des sondes utilisés pour mesurer la température. Leur précision, leur temps de réponse rapide et leur capacité à résister à de fortes vibrations, à des pressions élevées et à des températures extrêmes les rendent idéales pour une large gamme d’applications. Mais comment fonctionne un thermocouple?

A quoi servent les thermocouples ?

Si vous voulez mesurer la température de quelque chose d’aussi chaud qu’un volcan, un thermomètre ordinaire ne servirait à rien. Collez l’ampoule d’un thermomètre à mercure dans de la lave à 1000°C et vous aurez une surprise : le mercure à l’intérieur bouillira instantanément et le verre lui-même pourrait même fondre. Essayez de mesurer la température de quelque chose de très froid comme de l’azote liquide avec un thermomètre à mercure et vous aurez le problème inverse. A des températures inférieures à −38 °C, le mercure devient solide. Alors, comment mesurez-vous des températures extrêmes ? Avec un thermocouple !

Mésurer les températures extrêmes
Les termocouples permettent de mesurer des températures extrêmes comme celle d’un volcan.

Ces sondes de température sont largement utilisées dans les applications scientifiques et industrielles car elles sont généralement très précises et peuvent fonctionner sur une vaste gamme de températures très chaudes ou très froides. Puisqu’ils génèrent des courants électriques, les thermocouples sont également utiles pour effectuer des mesures automatisées. Il est beaucoup plus facile d’utiliser un circuit électronique ou un ordinateur pour mesurer la température à intervalles réguliers que de le faire vous-même avec un thermomètre.

Les thermocouples sont peu coûteux et interchangeables. Ils sont fournis avec des connecteurs standard et peuvent mesurer une large gamme de températures. On les trouve dans les réfrigérateurs, les climatiseurs, les chauffe-eau et les poêles électriques. Ils portent parfois le nom de thermostat. La principale limitation des thermocouples est la précision. Des erreurs inférieures à un degré Celsius peuvent être difficiles à obtenir.

Découverte des thermocouples

Thomas Seebeck, un physicien allemand, a découvert que lorsque le métal est chauffé, de l’électricité est également générée : c’est l’effet Seebeck ou effet thermoélectrique. Cependant, il n’est pas possible de créer un circuit électrique à partir de cette électricité. Une fois que le métal est joint en boucle, sa température devient uniforme, ce qui arrête la production d’électricité.

Différents métaux conduisent la chaleur et l’électricité à différentes vitesses et produisent un courant différent les uns des autres lorsqu’ils sont chauffés à la même température. En prenant deux bandes de métaux différents qui sont de la même taille et en les joignant à chaque extrémité, une boucle est créée. En chauffant l’un des joints et en refroidissant l’autre, un courant électrique circule dans la boucle.

Le voltage du courant produit dépend de la différence de température entre les deux extrémités. Par conséquent, une formule peut être créée pour convertir le courant en une lecture de température.

Principe de fonctionnement du thermocouple

La conception de base d’un thermocouple implique deux fils métalliques avec des propriétés thermiques et électriques différentes. Les deux métaux en contact sont torsadés ou soudés à une extrémité. Ils forment le point de mesure. À l’autre extrémité se trouve le point de connexion, ainsi appelé car il se connecte au lecteur de tension. Lorsque la température change au point de mesure, la densité électronique de chaque fil métallique change également. Il se produit une tension, qui est mesurée au point de connexion.

Notez que les thermocouples ne mesurent pas réellement la température absolue. Au lieu de cela, ils mesurent la température différentielle entre le point de mesure et le point de connexion. C’est pourquoi les thermocouples ont également besoin d’une compensation de soudure froide pour que la température ambiante aux bornes de connexion ne modifie pas le résultat de la mesure.

Dans des conditions de laboratoire, la jonction de référence serait maintenue à une température connue, généralement 0 °C. Mais dans la pratique industrielle normale, la jonction est laissée à température ambiante et un capteur externe est utilisé pour compenser cette variation.

Les différents types de thermocouples

Les thermocouples les moins chers sont en fer, en cuivre ou en nickel, tandis que les modèles les plus chers utilisent du platine dans leur composition. On distinguent 8 types de thermocouples à savoir les types J, T, K, E, N R, S et B.

Type K

Le capteur de type K consiste en une combinaison de nickel-chrome et de nickel-aluminium. Étant très bon marché, il est très populaire.

Sa plage de température est comprise entre -200 ° C et 1200 ° C. sa sensibilité est d’environ 41µV/°C et son échelle varie de -6,4 mV à 49 mV. Ce type est largement utilisé dans les industries chimiques et pétrochimiques pour les mesures de température.

Type E

Le thermocouple de type E fonctionne en joignant un alliage nickel-chrome avec un alliage cuivre-nickel appelé constantan. Il a une sensibilité plus élevée (68 µV/°C) et fonctionne très bien pour la mesures de températures plus basses. Sa plage de température va de -270 ° C à 1000 ° C. Sa tension de sa sortie varie de -10 mV à 76 mV.

Type J

Le thermocouple de type J est fabriqué à partir de l’union du fer et du constantan. Il a une plage de température plus limitée. Il est capable de mesurer des températures allant de -40 ° C à 750 °C, ce qui le rend moins populaire que le type K.

Cependant, son prix bas le rend très attrayant dans les applications industrielles. Sa tension de sortie varie de -8 mV à 43 mV. Au-dessus de 480 °C, il est nécessaire d’utiliser un tube de protection autour du composant.

Type N

Il est fabriqué en joignant un alliage de nickel-chrome-silicium à un alliage de nickel-silicium. Il a une grande stabilité et une haute résistance aux températures élevées. Il est également peu sensible à la corrosion.

Sa plage de température va de -200 ° C à 1260 ° C, et sa tension de sortie varie entre 4mV à 46mV. Ce thermocouple est surtout utilisé dans la métallurgie.

Type T

La plage de fonctionnement de ce thermocouple de ce thermocouple va de -270 ° C à 400 ° C. Il est fabriqué à partir d’une union du cuivre-constantan. La tension mesurée à la sortie va de -6mV à 21mV. Ce composant est surtout utilisé pour mesurer des températures inférieures à 0 ° C.

Industrie
Le thermocouple de type T est largement utilisé dans les industries de la réfrigération, de la climatisation, de la chimie et de la pétrochimie.

Type B

La sensibilité de ce type de thermocouple est beaucoup plus faible que les précédentes, environ 10 µV/ °C. Ils sont surtout utilisés pour mesurer des températures supérieures à 300 °C. Sa fabrication se fait par l’union de rhodium-platine, ce qui en fait un thermocouple plus cher.

La plage de température qu’il est capable de mesurer va de 50 °C à 1820 °C. Il génère des tensions de sortie allant de 0 à 14mV. Un autre point important est que le thermocouple de type B permet l’utilisation de câbles en cuivre sans que cela puisse interférer avec la mesure de la température.

Type S

Il est fabriqué à partir de l’union du platine avec un alliage de rhodium et de platine. Il a une excellente précision à haute température, mais avec une faible sensibilité (autour de 10 µV/ °C).

En raison du platine, son coût est élevé. Sa plage de température va de -50 ° C à 1768 ° C, avec une tension de sortie allant de 0 mV à 19 mV. En raison de sa précision, il est largement utilisé pour étalonner d’autres thermocouples.

Type R

Très similaire au type S, il est fait d’un alliage de rhodium-platine+platine. Sa sensibilité est également de 10 µV/° C. Sa plage d’utilisation va de -50 ° C à 1768 ° C. Sa tensions de sortie va de 0 mV à 21 mV, environ. Son coût est élevé.

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