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Capteurs thermocouple - Information de référence



Qu'est-ce qu'un thermocouple?

Un thermocouple est un type de capteur de température utilisé pour une grande variété d'applications de mesure de température. Il existe de nombreux types de thermocouple disponibles dans une large gamme de conceptions et de constructions, ce qui en fait un choix pratique pour presque toutes les plages de température dans les applications de mesure dans l'industrie, les applications scientifique et de recherche.

Free Guide à Thermocouple and Resistance Thermometry

Thermométrie par Thermocouple

Lorsqu’un conducteur électrique seul est soumis à un gradient de température, la conversion d'énergie crée un mouvement d’électrons et génère à l'intérieur de ce conducteur une force électromotrice ; c'est la f.é.m. de Thomson dont l’importance et la direction sont fonction du matériau du conducteur et dépendent de l'amplitude et de la direction du gradient de température.

La tension existant théoriquement aux bornes du conducteur est la somme algébrique des f.é.m. générées le long de ce conducteur. A une différence de température globale donnée T1-T2, les distributions représentées par les figures 2.1a, 2.1b et 2.1c donnent la même tension théorique totale E, à condition que le conducteur ait des caractéristiques thermoélectriques homogènes sur toute sa longueur.

Mais dans la pratique la tension de sortie d’un conducteur unique n’est pas mesurable. En revanche, en joignant à une extrémité deux conducteurs A et B préalablement choisis dans deux métaux de caractéristiques thermoélectriques différentes, on obtient en présence d'un gradient de température une tension de sortie mesurable ; c'est la f.é.m. de Seebeck. On nomme thermocouple ce circuit thermoélectrique.

Tout conducteur peut d'ailleurs être caractérisé au point de vue thermoélectrique par sa f.é.m. par rapport à un métal de référence comme le platine. Pour deux conducteurs quelconques A et B ainsi caractérisés, on peut par le calcul déduire la f.é.m. du thermocouple qu'ils sont susceptibles de former.


Figures 2.1 a,b,c: Conducteur homogène. Trois distributions différentes génèrent la même f.é.m. théorique E.


Figures 2.2 a,b,c: A et B sont homogènes. Trois distributions différentes a, b et c génèrent la même f.é.m.



Un thermocouple produit une f.é.m. en rapport avec les températures de ses deux jonctions. Il est courant de désigner la liaison entre les deux conducteurs dissemblables comme étant la jonction de mesure (ou soudure chaude, M). La jonction qui, à l’autre extrémité, relie aux bornes du circuit de l'appareil de lecture les deux conducteurs dissemblables est appelée jonction de référence (ou soudure froide, R1 et R2).

La thermométrie par thermocouple obéit à quelques principes généraux. On peut résumer brièvement trois règles de base :

- Si la soudure froide est maintenue à une température fixe et connue, la température de la soudure chaude peut être aisément déduite de la f.é.m. du thermocouple. La loi des températures intermédiaires permet de calculer la température à laquelle est portée la soudure chaude en ajoutant à la f.é.m. mesurée la valeur de f.é.m. trouvée dans la table de référence pour la température de la soudure froide. Cette règle a une conséquence pratique : une erreur d'appréciation de la température de soudure froide entraîne automatiquement une erreur du même ordre sur la température de la soudure chaude.

- En vertu de la loi des métaux homogènes, les fils peuvent traverser, entre les jonctions du thermocouple, des zones de température différentes sans que ces températures aient un effet sur la mesure, à condition que les métaux soient homogènes sur cette section...et le demeurent. Ainsi, figure 2.2, bien que les distributions de température auxquelles sont soumis les thermocouples soient différentes en a, b et c, la f.é.m. est inchangée.

- La somme algébrique des f.é.m. développées dans un circuit d'un nombre quelconque de métaux différents est nulle si les jonctions sont à la même température. Ainsi quand on introduit dans le circuit d'un thermocouple un nombre quelconque de conducteurs de nature différente, la f.é.m. n'est pas modifiée à condition que les extrémités de ces conducteurs soient deux à deux à la même température. C'est la loi des conducteurs intermédiaires. Cette loi importante rend en particulier possible l'insertion dans le circuit d'un appareil de mesure.

Compensation de Soudure Froide

De ces expressions polynomiales, il a été tiré pour chaque type de thermocouple une table de référence donnant la tension de sortie en fonction de la température de la soudure chaude. Une bonne mesure par thermocouple fait nécessairement appel, de près ou de loin, à ces tables de référence strictement normalisées.

Nous l'avons vu plus haut en évoquant les effets dus à la loi des températures intermédiaires : pour une température donnée de soudure chaude, on obtient, si on laisse la température de soudure froide s’écarter de sa valeur originale, une variation de f.é.m.. Aussi les tables de référence ont été données pour une température de soudure froide précise, égale à 0°C.

On obtient relativement aisément cette condition en insérant les jonctions de référence dans un bac de glace en fusion (les conducteurs étant préalablement placés dans un tube isolant) ou dans une chambre thermostatée ; toutefois aujourd’hui l’électronique se charge de simuler le point 0°C. Les circuits de compensation de soudure froide, habituellement numériques, corrigent également la non-linéarité des courbes f.é.m. / température qui caractérise les tables de référence (chapitre 1, section 5).

On peut rapidement résumer le principe de la compensation électronique de soudure froide : toute variation de température à la soudure froide, de nature à éloigner cette température de la valeur 0°C, est captée par un composant de type thermistance situé au plus près de cette jonction. La f.é.m. correspondant à cet écart est alors injectée dans le circuit de mesure et compense immédiatement la variation.

Jonction de Référence. Méthodes de Compensation



Comme nous l’avons vu, la force électromotrice générée par un thermocouple dépend de la température de sa jonction de mesure et de celle de sa jonction de référence. Pour faire d’un thermocouple un instrument de mesure de température absolue et non différentielle, il faut maintenir la jonction de référence ou soudure froide à une température connue (figure 5.1).

Il existe pour cela une méthode simple et éprouvée, toujours utilisée aujourd’hui dans les laboratoires. Elle consiste à immerger la jonction de référence dans le mélange constitué par de la glace en fusion et l’eau obtenue par fusion. Si l’on a pris la précaution de fabriquer cette glace avec de l’eau pure, un plateau de température s’établit durant la fusion à la température constante de 0°C à 1 mK près. Seul un vase de Dewar est nécessaire. Le montage est très précis.


Figure 5.1: Vase de Dewar


Toutefois certains travers rendent le système difficile à exploiter en milieu industriel. Il nécessite d’une part l’attention d’un opérateur pour le réalimenter en glace. Une erreur très importante (plusieurs degrés) se manifeste en effet dès que les jonctions se trouvent dans l’eau seule, la glace ayant suffisamment fondue flottant au-dessus. Si d’autre part la glace utilisée sort directement d’un congélateur, sa température bien inférieure au 0°C recherché perturbe l’expérience.

Il existe fort heureusement aujourd’hui d’autres solutions pour l’industrie ; on notera qu’il s’agit toujours d’appareils conçus pour fournir une température de référence de 0°C. L’un de ces appareils comporte une chambre à température régulée dans laquelle on insère les jonctions de référence. Le système maintient en continu les jonctions au point de glace par éléments à effet Peltier. Les erreurs relevées sont inférieures à 0,1°C.


Figures 5.2: Chambre à température régulée



Un autre appareil plus répandu appelé circuit de compensation de soudure froide est incorporé dans les circuits thermocouples ou dans les électroniques de mesure près des bornes de connexion. Basé sur un circuit sensible qui détecte la température de la jonction de référence, il développe une tension équivalente à cette température et l'ajoute à la tension lue.

Les circuits de compensation de soudure froide existent également sous la forme de modules externes alimentés par batterie ou sur secteur, mais la plupart des instruments de mesure développés pour les thermocouples (thermomètres électroniques, régulateurs de température, enregistreurs, etc.) sont équipés de circuits de compensation internes.

La température au point de connexion du câble d'extension ou de compensation est lue par une sonde à résistance (description section 6 du même chapitre), une thermistance ou un transistor intégrés qui génèrent une tension de référence. L’emplacement physique de ce capteur a une grande influence sur la justesse et la fidélité de la lecture. La température du capteur diffère toutefois sur certains appareils de la température réelle des connexions, le manque de place au bornier contraignant quelquefois les constructeurs à placer le capteur en retrait.

La tension de référence obtenue est ajoutée à la f.é.m. du thermocouple. Dans le cas des appareils numériques, cette opération se fait par manipulation des données lors du calcul de la température.

Il existe aussi des systèmes en rack destinés à gérer simultanément la compensation d'un nombre important de thermocouples, une centaine par exemple. 100 jonctions de référence (soudures froides) identiques sont placées dans une enceinte isotherme. La technique utilisée est souvent celle du point de glace (chambre de référence) décrite plus haut mais on peut aussi utiliser un bloc métallique dont le rôle est de maintenir une température simultanément stable et très proche de celle du milieu. Dans ce dernier cas, la température du bloc est continuellement surveillée par un compensateur électrique. La tension équivalente au point de glace que fournit le système s’ajoute là aussi électriquement ou numériquement au signal de sortie de chaque thermocouple.

Il faut enfin citer l’existence d’unités de références dont les chambres sont régulées à température élevée. Ces appareils s’avèrent utiles sur certains sites où la température ambiante est particulièrement haute. La sortie du thermocouple est ajustée en fonction de la valeur équivalente à 0°C. La température de la jonction de référence étant connue, on déduit la température de la jonction de mesure (soudure chaude) en ajoutant un facteur de correction tiré de la table de référence normalisée du thermocouple concerné.

Matériaux Thermoélectriques

La plupart des matériaux conducteurs possède des caractéristiques thermoélectriques. Encore faut-il pour qu’ils soient effectivement utilisables qu’ils satisfassent à certains critères : bonne stabilité, valeur de f.é.m. / °C suffisante et plage de température étendue ; les matériaux qui répondent à ces critères sont peu nombreux. Le travail des constructeurs, des scientifiques et des laboratoires d’étalonnage a permis la sélection progressive de plusieurs combinaisons de conducteurs, disponibles sous forme de fils ou de capteurs semi-ouvrés et pouvant fonctionner de -270°C à 2600°C.

Il faut naturellement plusieurs combinaisons de conducteurs pour couvrir cette échelle. On identifie les thermocouples par un système de lettres (système ISA) reconnu au plan national (norme NF EN 60584-1, anciennement NF C 42-321) et international (norme CEI 60584.1). On range habituellement les thermocouples en deux catégories selon la rareté des métaux qui les composent : métaux précieux (thermocouple platine rhodié-platine) ou métaux communs (Chromel-Alumel, fer-constantan). Les thermocouples à base de métaux précieux sont généralement les plus stables. Leur plage de température utile s’étend de la température ambiante à 2600°C. La plage utile des thermocouples courants, fabriqués à partir de métaux communs, est plus restreinte : de 0 à plus de 1200°C. Enfin, les f.é.m. des thermocouples courants sont plus élevées que celles des thermocouples à base de métaux précieux.

Parmi les thermocouples fabriqués à partir de métaux communs, le plus utilisé, le type K, se caractérise par une certaine instabilité thermoélectrique. Cette dernière se manifeste soit au cours du temps, soit autour de températures connues. Les utilisateurs gênés par cette instabilité préfèrent le thermocouple type N (Nicrosil-Nisil), qui offre au prix des thermocouples courants la stabilité des couples à base de métaux précieux. Pour ne rien gâter, les signaux de sortie du type N sont aussi élevés que ceux des couples courants, et la plage de mesure est légèrement plus étendue.

Types de Thermocouples, Normes, Tables de Référence

Dans le passé, l’essai de nombreuses combinaisons de métaux a souvent donné des thermocouples acceptables, chacun fait exactement pour sa propre plage d’utilisation. Mais les nécessités liées à la fabrication industrielle des thermocouples et à l’interchangeabilité de ces capteurs ont rapidement amené les fabricants à les normaliser, en se limitant à quelques types bien spécifiques qui couvrent largement la majorité des besoins.

La norme européenne CEI 60584.1 rassemble les tables de référence de huit types de thermocouples. Ces tables permettent de connaître la température de soudure chaude en fonction de la f.é.m. lue à la jonction de référence. Les fabricants peuvent ainsi contrôler avant livraison la conformité de chaque thermocouple à une relation f.é.m. / température normalisée.

Basée sur l'EIT 90, la norme CEI 60584.1 couvre les types de thermocouples les plus utilisés. Elle identifie les thermocouples par leur code en lettres et par leur appellation, dans laquelle l’élément positif est cité en premier. Elle fournit pour chaque couple thermoélectrique une table de f.é.m. en fonction de la température par pas de 1°C, une table inverse (température en fonction de la f.é.m. par pas de 10 ou 50 mV), ainsi que les polynômes d'approximation dont les tables sont tirées.

Nous étudierons brièvement ci-dessous les propriétés de ces huit couples thermoélectriques.

La température maximale d’utilisation donnée devra être interprétée avec prudence car elle dépend en particulier du diamètre de conducteurs et d'un nombre important de variables d’environnement.

Les tableaux 3.1 et 3.2 résument les matériaux utilisés pour les thermocouples à base de métaux précieux (platine) et pour les thermocouples courants. Le domaine de température est le domaine réel d'utilisation.


Tableau 3.1: (ci dessus) Thermocouples à base de platine.



Tableau 3.1: Thermocouples à base de métaux courants.


IEC 60584-1 - Type S:
Platine Rhodié 10% / Platine.

On utilise surtout ce thermocouple au-dessus de 1000°C, jusqu'à 1550°C en continu sous atmosphère oxydante (l'air constitue un bon milieu) et jusqu’à 1600 ou 1700°C sur courte période. A haute température, on choisit pour les isolateurs et les gaines de protection une alumine de pureté supérieure à 99,5%. Lorsque l'application ne permet pas une propreté très poussée, l'utilisation d'une gaine de protection étanche est recommandée en raison du risque de contamination du couple thermoélectrique par le milieu ambiant.

Un autre risque existe en usage continu à haute température : le rhodium peut migrer du conducteur positif au conducteur négatif.

Ces deux modes de détérioration se traduisent par une baisse de la force électromotrice.

3.2 IEC 60584-1 - Type R:
Platine Rhodié 13% / Platine

Proche du type S, ce thermocouple offre une f.é.m. légèrement plus élevée, il est aussi plus stable. Le type R est peu répandu en France malgré un domaine d’utilisation presque identique à celui du type S.

3.3 IEC 60584-1 - Type J:
Fer / Constantan

Désignation officielle : fer / cuivre-nickel. Le type J est l’un des rares thermocouples à pouvoir être utilisé sans risque en milieu réducteur. En milieu oxydant il se dégrade rapidement au-delà de 400°C. La température maximale en utilisation continue se situe autour de 700°C, mais la table de référence du thermocouple type J s'étend au-delà de 1000°C. Le thermocouple J est fragilisé à basse température. Il est également recommandé d’éviter la condensation qui entraîne l’oxydation du conducteur fer (positif).

3.4 IEC 60584-1 - Type K:
Chromel / Alumel

Désignation officielle : nickel-chrome / nickel-aluminium. Le type K est toujours le thermocouple le plus utilisé dans l’industrie. Initialement développé pour les milieux oxydants, tous les autres milieux ne lui sont accessibles qu'au prix d'une protection soignée. La température maximale se situe vers 1100°C, mais au-dessus de 800°C l’oxydation provoque une dérive ; le thermocouple sort progressivement de sa classe de tolérance. Il est toutefois possible de l’exposer brièvement à 1200°C et sa table de référence s'étend au-delà de 1300°C. Ce thermocouple s’utilise aussi en mesure du froid jusqu’à -180°C.

Le couple thermoélectrique type K est très répandu en raison de sa large plage de mesure et de son prix, mais sa stabilité est moins satisfaisante que celle d’autres thermocouples courants. Lors de cycles de température, l’hystérésis qui se manifeste entre 250 et 600°C et plus précisément entre 300 et 550°C est à l’origine de plusieurs degrés d’erreur. Progressivement, et même dans le nucléaire où l'on apprécie sa bonne tenue aux radiations, le type K laisse progressivement la place au plus performant type N.

3.5 IEC 60584-1 - Type T:
Cuivre - Constantan

Désignation officielle : cuivre - cuivre nickel. Ce thermocouple est très utilisé en laboratoire sur la plage -185 à +300°C. Sa répétabilité est exceptionnelle sur le domaine -200 +200°C (± 0,1°C). On tiendra toutefois compte de la haute conductivité thermique du cuivre, qui peut être à l’origine de fuites thermiques le long de ce conducteur. La limite supérieure du domaine d'utilisation se situe vers 400°C : au-delà de cette température, le conducteur cuivre s’oxyde rapidement.

3.6 IEC 60584-1 - Type E:
Chromel - Constantan

Désignation officielle : nickel chrome - cuivre nickel. Thermocouple apprécié pour sa f.é.m. élevée (la plus élevée parmi les thermocouples usuels), bien que cette caractéristique ait perdu de son attrait en raison des progrès accomplis sur les circuits d'entrée en matière d'amplification. Sa plage d’utilisation permet à court terme des excursions à -40°C et à 900°C sous atmosphère oxydante ou inerte. Mieux adapté aux mesures de précision que le type K car plus stable, il cède néanmoins le pas au type N plus performant en terme de stabilité et d’étendue de mesure.

3.7 IEC 60584-1 - Type B:
Platine Rhodié 30% - Platine Rhodié 6%

Apparu dans les années 50, le thermocouple type B convient pour la mesure en continu à 1600°C et jusqu’à 1800°C environ en pointe. Il est presque identique aux autres thermocouples à base de métaux précieux (types S et R), à ceci près que sa f.é.m. est moins élevée, raison pour laquelle il est déconseillé de l’employer au-dessous de 600°C. Autre particularité : le type B ne nécessite pas de compensation de soudure froide lorsque la température de la jonction de référence est située entre 0 et 50°C : sur cette plage de températures, la f.é.m. du type B est négligeable.

3.8 IEC 60584-1 - Type N:
Nicrosil - Nisil

Désignation officielle : nickel chrome silicium - nickel silicium. Ce thermocouple n'a pas les défauts du Chromel - Alumel. Il montre une bien meilleure résistance à la dérive par oxydation à haute température. Il est aussi plus stable que les thermocouples courants (et que les thermocouples platine, dans une certaine mesure : voir chapitre 1, section 2.4). Il accepte des températures d’utilisation plus élevées que le type K (plus de 1280°C sur courte période).

L'amélioration significative de la résistance à l’oxydation a été obtenue grâce à des taux plus élevés de chrome et de silicium dans le conducteur positif. De même, le silicium et le chrome présents à doses plus importantes dans le conducteur négatif forment une barrière empêchant la diffusion.

L'amélioration de la stabilité magnétique, particulièrement remarquable sur la plage 300 à 500°C où le thermocouple K affecté de certaines particularités magnétiques et d'inhomogénéités structurelles présente une hystérésis importante, a été obtenue grâce aux taux élevés de chrome dans la composition du Nicrosil et de silicium dans celle du Nisil.

La dérive qui se manifeste à terme sur les thermocouples chemisés type K par migration, à travers la magnésie, de manganèse et d'aluminium, éléments vaporisés en provenance du conducteur négatif qui polluent le conducteur positif, n'affecte pas le thermocouple N dont les conducteurs ne contiennent que quelques traces seulement de manganèse et d’aluminium. Enfin, l’absence de ces deux métaux et l’absence de cuivre dans le conducteur négatif favorisent la stabilité du thermocouple en milieu nucléaire.

L’autre qualité fondamentale que lui reconnaissent les fabricants et les distributeurs du type N, c'est qu'il offre l’essentiel des caractéristiques des thermocouples à base de métaux précieux au prix des thermocouples courants. C’est vrai jusqu’à 1280°C : sous certaines conditions d’utilisation, on peut remplacer le thermocouple type S ou type R en utilisation continue à cette température par le couple N, 10 à 20 fois moins onéreux.

Le type N n’a pas été adopté aussi rapidement qu’on l’avait prédit, mais récemment de nouveaux métaux de gainage développés spécialement autour de ce thermocouple ont confirmé ses capacités.

3.9 IEC 60584-1 - Type C Tungsten-5% Rhenium vs Tungsten-26% Rhenium

Formerly known as W5, Type C thermocouples (and all Tungesten/Rhenium alloy combinations in general) offer reasonably high and relatively linear EMF outputs for high temperature measurement. These types of thermocouples should be used in vacuum, inert atmospheres or dry hydrogen applications. Above 1200°C tungsten can become brittle due à recrystallisation.

3.10 IEC 60584-1 - Type A Tungsten-5% Rhenium vs Tungsten-20% Rhenium

Similar à Type C above, Type A thermocouple have a slightly extended temperature range, up à 2500°C.

3.11 Non Standard Thermocouples

Although there have been many, many thermocouple combinations developed over the years, almost all are no longer available or in use (except for very specialised applications, or for historical reasons). There are, however, four main non-standard types which continue à have their place in thermocouple thermometry.

3.12 Thermocouples Tungstène Rhénium

Il existe principalement trois types de couples thermoélectriques en alliages tungstène - rhénium : le type G ou W (tungstène - tungstène 26 % rhénium), le type C ou W5 (tungstène 5 % rhénium - tungstène 26 % rhénium) et le type D ou W3 (tungstène 3 % rhénium - tungstène 25 % rhénium). Le type G est le moins onéreux, mais le conducteur tungstène montre une certaine fragilité.

Le domaine d’utilisation des thermocouples tungstène - rhénium s’étend de 20 à 2300°C (2600°C sur court terme). Ils s'utilisent sous vide, sous hydrogène pur ou en atmosphère neutre.

Au-delà de 1800°C peuvent apparaître des problèmes liés à l’évaporation du rhénium. Les isolants les plus fréquemment employés avec les thermocouples tungstène - rhénium sont l’oxyde d’hafnium et la thorine (ThO2) dont les points de fusion se situent vers 2500°C (HfO2) et 3000°C (ThO2). Il n'est toutefois pas exclu que ces matériaux réagissent à haute température avec les conducteurs.

Ces thermocouples ne sont pas normalisés en Europe. En revanche, la norme américaine ASTM E 988 couvre les combinaisons tungstène 3 % rhénium - tungstène 25 % rhénium et tungstène 5 % rhénium - tungstène 26 % rhénium.

3.11 Thermocouple Iridium 40% Rhodium-Iridium

Ce thermocouple à base de métaux rares est le seul à pouvoir atteindre 2000°C dans l'air (sur courte période). Il s'utilise aussi sous vide et en atmosphère neutre, mais il n’existe pas pour lui de table de référence officielle, et c’est aux utilisateurs de demander au fabricant les relevés d’étalonnage des capteurs livrés. Le thermocouple iridium 40% rhodium - iridium montre une certaine fragilité après utilisation à haute température.

3.12 Thermocouple Pt 40% Rh - Pt 20% Rh

Avec ce couple thermoélectrique, il est possible de faire des mesures situées 50 à 100°C au-dessus du domaine d’emploi du thermocouple type B : 1700°C en continu, 1850°C sur courte période. Contrairement au type B, une compensation de soudure froide est toutefois nécessaire. Comme il n’a pas été établi de table officielle, le constructeur fournit habituellement les tables d’étalonnage.

3.13 Thermocouple Chromel/Or - 0,07 At.% Fer

Développé spécialement pour les basses températures, ce thermocouple capable de mesurer au-dessous du Kelvin est plus à l’aise au-delà de 4 K. L’or utilisé pour sa fabrication doit impérativement être d'une grande pureté. On dispose d'une table de référence ASTM pour l’alliage utilisé aux Etats-Unis, fabriqué à 0,07 At.% Fer (avec 0,0197 % de fer en masse). Il existe un équivalent européen avec négatif fabriqué avec 0,0085 % de fer en masse.

Tolérance de sortie des Thermocouples

Les procédés de fabrication ne permettent pas de produire des thermocouples tous exactement conformes à leur table de référence. Pour cette raison, les fabricants ont recours à des valeurs de tolérances normalisées (normes NF EN 60584-2, CEI 60584.1) ; ils fournissent des capteurs dont la f.é.m. est conforme aux tables de références, à ces valeurs près (tableau 3.3).

La norme exprime en degrés Celsius l'écart maximal toléré sur un domaine de température ; toutefois ce domaine ne correspond pas nécessairement aux températures limites d'emploi du thermocouple.


Tableau 3.3: Valeurs de tolérance pour couples thermoélectriques



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