Thermocouples - Les bases

Sommaire

1. Principe de base du thermocouple
2. Étalonnage et non-linéarité
3. Compensation de la jonction froide
4. Types de matériaux des thermocouples
5. Résumé

Principe de base du thermocouple

Lorsqu’un gradient de température existe le long d’un conducteur, des électrons circulent et génèrent une tension (f.é.m.). Ce phénomène, découvert par Thomas Seebeck en 1822, constitue le principe de fonctionnement des thermocouples. L’amplitude et la direction de la f.é.m. dépendent à la fois du gradient de température et des propriétés du matériau.

Cependant, un seul conducteur homogène ne produit aucune tension mesurable dans un circuit fermé, car les f.é.m. internes s’annulent. Pour générer un signal exploitable, deux conducteurs dissemblables (matériaux A et B) sont raccordés, formant un thermocouple. Lorsqu’ils sont soumis à un gradient de température (figure 2.1), ces matériaux réagissent différemment et créent une f.é.m. nette (figure 2.2).

i Point clé : La f.é.m. n’est pas générée au niveau de la jonction elle-même, mais le long du conducteur là où existe le gradient de température. Par conséquent :

• Les conducteurs doivent être chimiquement et physiquement homogènes aux endroits où des gradients se produisent.
• Les jonctions doivent se trouver dans des zones isothermes (à température constante) afin d’éviter des f.é.m. indésirables.

Tant que les conducteurs sont homogènes, la f.é.m. générée entre les températures T1 et T2 sera la même, quelle que soit la manière dont le gradient est réparti (voir de nouveau la figure 2.2). La sortie du thermocouple est déterminée uniquement par les températures aux points suivants :

• M : la jonction de mesure
• R : la jonction de référence (là où des fils dissemblables se raccordent au cuivre)

La jonction de référence doit être maintenue à une température connue et stable, c’est pourquoi les thermocouples sont des capteurs différentiels, et non absolus, de température.

Étalonnage et non-linéarité

Les thermocouples ne produisent pas une sortie tension-température linéaire. La relation varie selon les plages de température et les matériaux. C’est pourquoi tables d’étalonnage  elles sont essentielles, elles mettent en relation la tension du thermocouple et les températures correspondantes.

La figure 2.3 montre comment les coefficients de Seebeck (sensibilité en tension) varient selon les différents types de thermocouples. Pour des mesures de température précises, les tensions des thermocouples doivent être interprétées à l’aide de ces courbes d’étalonnage ou converties au moyen d’une interpolation et d’une électronique de traitement du signal.

Compensation de soudure froide

Les tables d’étalonnage supposent que la jonction de référence est à 0 °C. Mais dans les conditions réelles, ce n’est pas toujours possible. On utilise donc la compensation de jonction froide .

Traditionnellement, les jonctions de référence pouvaient être placées dans de la glace fondante ou dans des blocs à température contrôlée. Aujourd’hui, la compensation est réalisée électroniquement, généralement avec une thermistance ou un capteur similaire situé près de la jonction de référence. Cet appareil mesure la température réelle et corrige automatiquement la lecture du thermocouple.

i Électronique de linéarisation et de compensation est désormais standard dans la plupart des systèmes industriels, garantissant une précision sur une large plage de températures et corrigeant la non-linéarité.

Types de matériaux des thermocouples

Bien que de nombreux conducteurs présentent des effets thermoélectriques, seuls quelques-uns conviennent à la mesure de température pratique. Les critères clés comprennent :

• Niveau du signal
• Linéarité
• Stabilité dans le temps et en température
• Répétabilité

Au fil des décennies, des combinaisons spécifiques de métaux et d’alliages ont été normalisées en types reconnus internationalement (p. ex., types K, J, T, E, N, R, S et B), définis par des normes telles que  NF EN 60584-1 et IEC 60584 .

Les thermocouples sont généralement regroupés en :

• Types à métaux de base (p. ex., K, J, T) : Moins coûteux, avec des niveaux de signal plus élevés. Plage typique : 0–1 200 °C.
• Types à métaux nobles/rares (p. ex., R, S, B) : Plus stables et précis, mais plus coûteux. Plage typique : de la température ambiante à plus de 2 000 °C.

⚠️ Remarque sur le type K : Bien que très répandu, le type K peut présenter une instabilité à haute température ou sur de longues périodes. Le type N (Nicrosil/Nisil) a été développé comme alternative, offrant une stabilité améliorée et une plage de températures étendue, tout en conservant l’aspect économique des métaux de base.

Résumé

Les thermocouples fonctionnent en générant une force électromotrice (FEM) en réponse à un gradient de température, la tension de sortie dépendant du gradient et des matériaux utilisés. Cet effet, découvert par Seebeck en 1822, constitue le principe des capteurs à thermocouple, qui nécessitent deux matériaux dissemblables pour générer une tension exploitable. La sortie est influencée par la température des jonctions de mesure et de référence, la jonction de référence étant généralement maintenue à une température constante. Des tables d’étalonnage sont nécessaires pour des mesures de température précises en raison du caractère non linéaire des tensions de sortie des thermocouples. La compensation de soudure froide, souvent réalisée par voie électronique ou en plaçant la jonction de référence dans un environnement contrôlé, corrige les variations de température de la jonction de référence. Les matériaux de thermocouples sont choisis en fonction de facteurs tels que la plage de température, le niveau de signal et la répétabilité ; les types à métaux rares offrent une meilleure stabilité mais à un coût plus élevé, tandis que les types à métaux de base sont moins chers mais moins stables.

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