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.

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.

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.

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.

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.