Les thermocouples sont des thermomètres largement utilisés dans la mesure de la température industrielle. Ils sont particulièrement adaptés à la mesure de températures élevées. Mais comment fonctionnent les thermocouples ? Comment mesurer les températures avec deux fils simples ? La clé de la compréhension réside dans l’effet Seebeck.
Contenu
arrière-plan
L’effet Seebeck, décrit pour la première fois par Thomas Johann Seebeck en 1821, est le phénomène selon lequel un faible courant électrique circule dans un circuit composé de deux conducteurs différents lorsque les points de contact des conducteurs ont des températures différentes. Cette connexion de conducteurs est appelée thermocouple ou thermocouple.
L’effet Seebeck
Pour comprendre l’effet Seebeck, nous pouvons examiner un seul conducteur électrique. À l’intérieur du conducteur se trouvent des atomes entre lesquels se déplacent des électrons libres. En état d’équilibre thermique, les électrons libres sont répartis uniformément dans tout le conducteur.
Cependant, lorsque la chaleur est appliquée sur un côté du conducteur, la vitesse des électrons libres à ce stade augmente. La vitesse accrue des électrons les pousse vers l’extrémité la plus froide du conducteur. Ce point froid crée un centre de gravité.
Cependant, cet effet à lui seul ne permet pas une mesure reproductible de la température car il dépend fortement de la température et ne fournit pas une relation constante entre la température et la tension.
Application de l’effet Seebeck
Pour obtenir une mesure de température reproductible, deux métaux différents avec un comportement différent des électrons par rapport à la température peuvent être utilisés. Lorsque ces métaux sont connectés et qu’il existe une différence de température entre les points de connexion , différents centres de charge et une tension thermique mesurable sont créés.
Un exemple de thermocouple est le thermocouple de type N, composé de NiCrSi et NiSi. S’il y a une différence de température entre les points de contact des deux conducteurs, une tension thermique mesurable apparaît et peut être enregistrée avec un voltmètre.
Deux conditions sont importantes :
- Les deux conducteurs doivent être connectés l’un à l’autre.
- Il doit y avoir une différence de température entre les points de connexion T1 et T2.
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Calibrage des thermocouples
Klasmeier propose des étalonnages accrédités selon DIN EN ISO/IEC (DAkkS) pour les thermocouples. L’étalonnage est effectué soit aux points fixes de température ITS-90, soit à l’aide de la méthode de comparaison dans la plage de -196 °C à 1 200 °C. Les thermocouples en métaux précieux et non précieux sont calibrés, y compris des analyses d’inhomogénéité pour des résultats de mesure précis.
Types de thermocouples courants
Il existe différents types de thermocouples, chacun caractérisé par la combinaison de matériaux de leurs fils. Chaque type a ses propres avantages et inconvénients ainsi que des domaines d’application spécifiques. Voici quelques-uns des types de thermocouples les plus courants :
- Type B (Platine-Rhodium/Platine) :
- Plage de température : 0°C à 1 800°C
- Précision à haute température
- Type E (Nickel-Chrome/Constantan) :
- Plage de température : -270°C à 1 000°C
- Haute tension thermique et bonne précision
- Type J (Fer/Constantan) :
- Plage de température : -210°C à 1 200°C
- Ne convient pas aux atmosphères oxydantes supérieures à 550°C
- Type K (Nickel-Chrome/Nickel-Alumel) :
- Plage de température : -200°C à 1 260°C
- Large plage de température et économique
- Type N (Nicrosil/Nisil) :
- Plage de température : -270°C à 1 300°C
- Meilleure stabilité thermique et résistance à l’oxydation que le type K
- Type R (Platine-Rhodium/Platine) :
- Plage de température : -50°C à 1 760°C
- Précision à haute température
- Type S (Platine-Rhodium/Platine) :
- Plage de température : -50°C à 1 760°C
- Semblable au type R, souvent utilisé dans les industries du verre et de la céramique
- Type T (Cuivre/Constantan) :
- Plage de température : -270°C à 400°C
- Bon pour les basses températures, stable dans les atmosphères oxydantes
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Thermocouple de précision Pt/Pd (0 °C à 1 500 °C)
La société Klasmeier propose des thermocouples de précision Pt/Pd avec une plage de température de 0 °C à 1 500 °C. Ceux-ci se caractérisent par une conception compensant les contraintes, une faible inhomogénéité et de faibles incertitudes de mesure. La pureté des fils thermiques est de 99,99 %, ce qui permet des mesures précises et stables. Particulièrement adapté aux applications nécessitant une grande précision.
Identification à l’aide des couleurs des mini-prises
Les thermocouples sont désormais des composants indispensables dans de nombreuses applications industrielles et recherches scientifiques. Leur capacité à mesurer les températures avec précision et fiabilité en fait un instrument important. L’identification correcte des thermocouples est cruciale pour une mesure correcte de la température.
Une solution consiste à vérifier la couleur des connecteurs et de l’isolation (codes couleurs). Au fil des années, différents types ont été développés, composés de différentes combinaisons de matériaux. Afin de permettre une distinction claire, les différents types étaient dotés de couleurs d’identification. Ces combinaisons de couleurs sont présentées dans des tables de couleurs. Il convient cependant de noter qu’il existe différents codes de couleurs selon les pays, par exemple ceux classés selon « IEC » (International Electrotechnical Commission), « BS » (British Standard) ou « ANSI » (American National Standards Institute).
Un exemple des différences de codage couleur est le type R. Selon la norme CEI, il a une isolation orange, tandis que selon la norme BS, il est marqué en vert. Ces différences peuvent prêter à confusion, notamment lors de l’utilisation de thermocouples provenant de pays différents. Il est donc important de connaître et de prendre en compte les normes pertinentes.
Vous trouverez ci-dessous quelques types courants et leurs codes couleur correspondants :
Type K : CEI – vert ; BS – jaune ; ANSI – jaune
Type J : CEI – noir ; BS – blanc ; ANSI – blanc
Type T : CEI – marron ; BS – bleu ; ANSI – bleu
Type E : CEI – violet ; BS – violet ; ANSI – violet
Type N : CEI – rose rouge ; BS – orange ; ANSI-orange
Téléchargez la table des couleurs des thermocouples au format PDF :
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Limiter les écarts des thermocouples
Les écarts limites font référence à l’erreur ou à l’imprécision maximale pouvant survenir lors de la mesure de la température avec un thermocouple.
L’écart limite est défini dans la norme CEI 60584 pour les thermocouples et indique l’erreur maximale tolérée qui peut survenir lors de la mesure de la température afin d’être toujours considéré comme conforme à la norme. L’écart limite sera donné sous forme de valeur de température absolue (par exemple ±1 °C) et dans les plages de température plus élevées, sous forme de pourcentage de la température mesurée.
Il existe différentes classes de thermocouples, chacune avec des limites de tolérance différentes. Quelques exemples :
- Classe 1 : Ces thermocouples ont les tolérances les plus faibles et sont utilisés pour des mesures précises.
- Classe 2 : Celles-ci sont légèrement moins précises que la classe 1, mais sont toujours utilisées dans de nombreuses applications.
- Classe 3 : Ceux-ci ont les tolérances les plus grandes et sont utilisés dans des applications où la précision est moins critique.
Il est important de noter que les performances réelles d’un thermocouple sont également affectées par d’autres facteurs, tels que la qualité des matériaux utilisés, la construction du thermocouple et les conditions dans lesquelles il est utilisé. Par conséquent, il est essentiel de spécifier et d’utiliser correctement le thermocouple pour garantir que les mesures se situent dans les tolérances attendues.
Déviation limite type K
Déviation limite type N
Déviation limite type R
Déviation limite type S
L’effet K des thermocouples de type K
Les thermocouples de type K, composés de thermocouples NiCr et NiAl, sont largement utilisés dans l’industrie grâce à leur capacité à être utilisés dans une plage de températures extrêmement large (-270°C à 1372°C) et leur haute sensibilité aux températures industrielles. De nombreux avantages . Cependant, ils ne sont pas exempts d’erreurs, notamment dans une plage de température spécifique. C’est ce qu’on appelle « l’effet K ».
Arrière-plan:
Bien que les thermocouples de type K puissent être utilisés dans une plage de températures extrêmement large, ils ne sont fiables que dans une utilisation quotidienne en dessous de 250°C ou au-dessus de 600°C. Cela est dû à un phénomène spécial connu sous le nom d’effet K ou état de type K.
L’effet K :
La branche NiCr d’un thermocouple de type K a une orientation ordonnée dans le réseau cristallin en dessous de 400°C. Lorsque l’élément est chauffé au-dessus de ce point, une transition vers un état désordonné se produit entre 400°C et 600°C. Le réseau ne se réorganise qu’au-dessus de 600°C.
Cependant, un refroidissement trop rapide entraîne des problèmes. À des vitesses de refroidissement supérieures à environ 100°C par heure, le réseau cristallin ne se transforme pas comme souhaité et reste dans un état désordonné. Cela peut entraîner une erreur de tension thermique allant jusqu’à 0,8 mV, ce qui correspond à un écart d’environ 5°C.
Il est intéressant de noter que cet effet K est réversible. Grâce à ce que l’on appelle un recuit à des températures supérieures à 700 °C et un refroidissement ultérieur plus lent, la grille peut en grande partie retrouver son état d’origine.
Pertinence pour l’industrie :
En raison de cet effet K, les thermocouples de type K ne conviennent pas aux mesures entre 250°C et 600°C où la température change rapidement. Dans cette plage, ils peuvent présenter des erreurs très importantes et non reproductibles, souvent de l’ordre de 2°C à 10°C.
Réflexions finales :
Bien que les thermocouples de type K soient largement utilisés dans l’industrie en raison de leurs nombreux avantages, tels qu’une large plage de températures de fonctionnement et leur efficacité économique, leur champ d’application doit être soigneusement étudié. En particulier, le manque de fiabilité dans la plage de 250°C à 600°C dû à l’effet K peut conduire à des erreurs de mesure importantes.
Il est recommandé d’envisager des alternatives telles que le thermocouple de type N (NiCrSi-NiSi), qui est moins sensible à cet effet d’ordre à courte portée en alliant les deux branches avec du silicium.
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Thermocouple de précision de type R (0°C à 1200°C)
Le thermocouple de précision de type R de Klasmeier convient aux mesures et étalonnages de température très précis. Il possède des fils thermiques en métaux précieux de la plus haute pureté et est assemblé avec une jonction de référence en acier inoxydable. Il peut être calibré à des points de température fixes et offre de faibles incertitudes de mesure. La plage de température va de 0°C à 1200°C.
conclusion
Les thermocouples sont des instruments simples mais puissants pour mesurer la température. Ils sont basés sur l’effet Seebeck et génèrent une tension mesurable qui dépend de la température. Cette technologie a trouvé de nombreuses applications dans l’industrie et la recherche et constitue une méthode fiable pour mesurer la température, en particulier à haute température.
Sources :
- Frank Bernhard : Manuel de mesure technique de la température, 2e édition
- Thomas Klasmeier : Livre de table « Température », édition 3
