Une sonde thermocouple est un capteur pour mesurer la température. Les thermocouples sont des capteurs de température polyvalents et sont communément utilisés pour de nombreuses applications : du thermocouple à usage industriel au thermocouple standard équipant les appareils et les équipements domestiques.
La sonde thermocouple
La sonde thermocouple est un instrument de mesure de température indispensable dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques. Grâce à sa robustesse, sa précision et sa large plage de mesure, elle est largement utilisée dans des domaines aussi variés que la métallurgie, la production d’énergie, l’industrie chimique, et la recherche scientifique.
Ce dispositif fonctionne sur le principe de l’effet Thomas Johann Seebeck du nom du physicien du même nom, où une tension est générée entre deux métaux différents lorsqu’ils sont exposés à une différence de température. Cette tension est ensuite convertie en une mesure de température.
Malgré leur apparente simplicité, les thermocouples nécessitent une compréhension approfondie de leur fonctionnement, des types disponibles, ainsi que des techniques de montage et de câblage pour garantir des mesures fiables et précises.
Explorons en détail les différents types de thermocouples, le principe de fonctionnement, les méthodes d’installation et de câblage, et les meilleures pratiques pour optimiser leur utilisation dans diverses applications.
Principe de fonctionnement de la sonde thermocouple
La sonde thermocouple fonctionne en combinant deux métaux différents, reliés à une extrémité appelée “jonction chaude”. Lorsqu’une différence de température se produit à cette jonction, un courant électrique se crée dans le circuit, générant une force électromotrice (FEM). La valeur de cette FEM dépend des propriétés des métaux utilisés et de la différence de température entre la jonction chaude et une jonction de référence, souvent appelée “soudure froide”.
Les métaux utilisés dans les thermocouples sont de qualité homogène, ce qui permet à l’appareil de supporter différents gradients de température sur toute sa longueur sans altérer la FEM. Cela signifie que le thermocouple peut mesurer des températures de manière précise, même dans des conditions variables.
Les appareils de mesure, tels que les afficheurs numériques, les automates programmables et les régulateurs de température, sont conçus pour accepter directement les thermocouples. Ils gèrent automatiquement la compensation de la soudure froide, essentielle pour des lectures précises.
Les alliages utilisés pour fabriquer les thermocouples sont généralement disponibles sous forme de fils métalliques, ce qui facilite leur fabrication et leur manipulation.
Pour choisir le thermocouple le plus adapté à votre application, il est essentiel de :
Comprendre la structure de base des thermocouples : La connaissance des matériaux et de leur configuration est primordiale.
Connaître leur mode de fonctionnement : Savoir comment la différence de température entre les jonctions génère une tension électrique.
Maîtriser les plages de températures : Assurez-vous que le thermocouple peut fonctionner dans la plage de température requise pour votre application.
Connaître les différents types de sonde thermocouple : Les types K, J, T, E, N, S, R et B, chacun ayant des plages de température spécifiques et des applications adaptées.
Comprendre le montage et câblage de la sonde thermocouple : Suivre les bonnes pratiques d’installation et de connexion pour garantir des mesures précises et fiables.
Tenir compte de la résistance d’isolement d’une sonde thermocouple : Une résistance d’isolement adéquate entre les fils et le protecteur est essentielle pour réduire les interférences et garantir des mesures précises, notamment dans des environnements soumis à des perturbations électriques et électromagnétiques.
Les différents types de Sonde Thermocouple
Sonde ThermocoupleType K (Chromel-Alumel)
Plage de température : -200 à 1260 °C
Avantages : Large plage de mesure, durabilité
Applications : Générales, industrielles
Sonde ThermocoupleType J (Fer-Constantan)
Plage de température : -210 à 760 °C
Avantages : Adapté pour des températures plus basses
Applications : Industries de traitement, dispositifs à basse température
Sonde ThermocoupleType T (Cuivre-Constantan)
Plage de température : -200 à 370 °C
Avantages : Excellente précision à basse température
Avantages : Haute stabilité, résistance à l’oxydation
Applications : Industries de traitement de chaleur, hautes températures
Sonde ThermocoupleType S (Platine-Rhodium 10%)
Plage de température : 0 à 1600 °C
Avantages : Précision et stabilité à haute température
Applications : Métallurgie, fours, référence comme point de fusion de l’or (1064,43 °C).
Sonde ThermocoupleType R (Platine-Rhodium 13 %)
Plage de température : 0 à 1600 °C
Avantages : Similaire au type S avec légèrement meilleure performance
Applications : Industries verrières, céramiques
Sonde ThermocoupleType B (Platine-Rhodium 30 % / Platine-Rhodium 6 %)
Plage de température : 0 à 1700 °C
Avantages : Très haute température de fonctionnement
Applications : Mesures extrêmes de haute température, recherche scientifique
Chaque type de sonde thermocouple présente des caractéristiques de sortie spécifiques (tension) et nécessite une calibration ou un étalonnage approprié ainsi qu’un équipement de mesure adapté pour garantir des lectures précises et fiables.
Avantages et inconvénients des thermocouples
Les thermocouples offrent plusieurs avantages qui les rendent indispensables dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques.
Parmi les principaux avantages des thermocouples, on peut citer :
Coût réduit : Les thermocouples sont économiques comparés à d’autres capteurs de température.
Tenue et stabilité à températures élevées : Ils peuvent mesurer des températures très élevées avec une grande stabilité.
Maniabilité : Les thermocouples sont faciles à manipuler et à installer.
Très petites dimensions et nombreux diamètres possibles : Ils sont disponibles en diverses tailles, permettant une grande flexibilité d’utilisation.
Positionnement du point chaud : La conception permet de positionner le point chaud à l’extrémité, assurant une mesure précise de la température.
Temps de réponse très court : Les thermocouples réagissent rapidement aux changements de température.
Bonne tenue aux vibrations : Ils résistent bien aux environnements soumis à des vibrations.
Cependant, les thermocouples présentent également quelques inconvénients :
Précision moindre : Comparés à d’autres capteurs, les thermocouples peuvent être moins précis.
Dérive à long terme : Leur précision peut diminuer avec le temps.
Sensibilité aux interférences : Les thermocouples peuvent être affectés par des parasites électriques et électromagnétiques.
Besoin de compensation de la soudure froide : Une compensation est nécessaire pour des mesures précises.
En pesant ces avantages et inconvénients, il est possible de déterminer si les thermocouples sont adaptés à une application spécifique. Pour des environnements exigeant une mesure de température fiable et rapide à coût réduit, les thermocouples sont souvent la solution idéale.
Montage et câblage de la sonde thermocouple
Le montage et le câblage d’une sonde thermocouple sont des étapes cruciales pour garantir des mesures de température précises et fiables. Voici les étapes et considérations clés :
Positionnement de la Jonction de Mesure : Assurez-vous que la jonction de mesure soit correctement positionnée à l’endroit précis où la température doit être mesurée. Protégez la jonction de mesure des interférences électriques et des conditions environnementales extrêmes.
Sélection et Utilisation des Fils : Utilisez des fils d’extension ou de compensation compatibles avec le type de thermocouple utilisé. Évitez les erreurs de mesure dues à des matériaux incompatibles.
Connexions et Polarité : Connectez les fils aux bornes correspondantes de l’instrument de mesure en respectant la polarité :
Fil positif au terminal positif
Fil négatif au terminal négatif Assurez-vous que les connexions sont bien serrées et exemptes de corrosion.
Minimisation des Interférences Électriques : Utilisez des câbles blindés pour minimiser les interférences électriques. Acheminer les câbles loin des sources de bruit électrique.
Mise à la Terre : Portez une attention particulière à la mise à la terre des systèmes pour prévenir les boucles de masse. Vérifiez que le système de mise à la terre est bien installé et fonctionnel.
En suivant ces recommandations, le montage et le câblage d’une sonde thermocouple peuvent être réalisés de manière efficace, garantissant ainsi des performances optimales de l’instrumentation.
Isolement d’une sonde thermocouple
Les thermocouples sont souvent exposés à des environnements sévères soumis à des parasitages électriques, électromagnétiques et autres. Pour pallier les perturbations de mesure de température causées par ces parasites, les thermocouples à gaine métallique sont dotés d’une résistance d’isolement entre les fils et le protecteur.
Cette résistance d’isolement, rigoureusement contrôlée en usine, se situe entre 1000 et 5000 MW minimum sous 100 à 500 Vcc, selon le diamètre du thermocouple et à température ambiante. Ces spécifications sont valides pour un thermocouple de longueur inférieure à 1 mètre, conformément aux normes en vigueur.
Il est important de noter que ces valeurs de résistance diminuent lorsque le thermocouple est soumis à des températures élevées, jusqu’à devenir quasiment nulles à très haute température. L’isolement efficace des thermocouples est donc crucial pour assurer des mesures précises et fiables, particulièrement dans des conditions de température extrêmes et des environnements perturbés.
C’est pour cela qu’il faut toujours préférer des instruments de mesure à séparation galvanique entrée et sortie ou entrée et sortie et alimentation.
FAQ sur les sondes thermocouples
Qu’est-ce qu’un thermocouple ?
Un thermocouple est un capteur de température constitué de deux fils de métaux différents soudés ensemble à une extrémité, appelée jonction chaude. Lorsque cette jonction est exposée à une température, elle génère une tension électrique proportionnelle à cette température en raison de l’effet Seebeck.
Quels sont les différents types de thermocouples ?
Les principaux types de thermocouples sont :
Capteur Type K (Nickel-Chrome/Nickel-Aluminium) : Echelle de température de -200°C à 1260 degrés celsius.
Capteur Type J (Fer/Constantan) : Echelle de température de -210°C à 760 degrés celsius.
Capteur Type T (Cuivre/Constantan) : Echelle de température de -200°C à 370 degrés celsius.
Capteur Type E (Nickel-Chrome/Constantan) : Echelle de température de -200°C à 900 degrés celsius.
Capteur Type N (Nicrosil/Nisil) : Echelle de température de -200°C à 1300 degrés celsius.
Capteur Type S (Platine-Rhodium 10%) : Echelle de température de 0°C à 1600 degrés celsius
Capteur Type R (Platine-Rhodium 13%) : Echelle de température de 0°C à 1600 degrés celsius
Capteur Type B (Platine-Rhodium 30% / Platine-Rhodium 6%) : Echelle de température de 0°C à 1700 degrés celsius
Comment fonctionne un thermocouple ?
Un thermocouple fonctionne en mesurant la différence de potentiel électrique entre la jonction chaude et une jonction de référence, souvent maintenue à une température connue. La tension produite est convertie en une mesure de température à l’aide de tables d’étalonnage.
Qu’est-ce que la soudure froide et la compensation de soudure froide ?
La soudure froide fait référence à la jonction de référence d’un thermocouple, où les fils sont soudés à des bornes métalliques. La compensation de soudure froide est une technique utilisée pour compenser les variations de température à cette jonction afin de garantir des mesures précises.
Quels sont les avantages et inconvénients des différents types de thermocouples ?
Type K : Large gamme de mesure, bon marché, bonne durabilité.
Type J : Bon marché, adapté aux basses températures.
Type T : Excellente précision à basse température.
Type E : Sensibilité élevée.
Type N : Haute stabilité, résistance à l’oxydation.
Type S, R, B : Précision et stabilité à haute température, mais plus coûteux.
Comment choisir le bon type de thermocouple pour mon application ?
Le choix d’un thermocouple dépend de plusieurs facteurs :
Plage de température : Assurez-vous que le thermocouple peut mesurer dans la plage requise pour votre application.
Durabilité et résistance aux conditions environnementales : Certains thermocouples résistent mieux à la corrosion, aux vibrations, ou aux environnements chimiques.
Temps de réponse : Certains types de thermocouples ont un temps de réponse plus rapide.
Coût : Le coût peut varier en fonction des matériaux et des caractéristiques du thermocouple.
Quels matériaux sont utilisés dans les thermocouples ?
Les thermocouples sont fabriqués à partir de différentes combinaisons de métaux et d’alliages, comme :
Nickel-Chrome et Nickel-Aluminium (Type K)
Fer et Constantan (Type J)
Cuivre et Constantan (Type T)
Nicrosil et Nisil (Type N)
Platine-Rhodié et Platine (Types S, R, B)
Qu’est-ce que l’effet Seebeck ?
L’effet Seebeck est le phénomène par lequel une différence de température entre deux matériaux différents génère une tension électrique. Cet effet est à la base du fonctionnement des thermocouples.
Comment calibrer un thermocouple ?
L’étalonnage d’un thermocouple implique de comparer ses mesures à celles d’une norme connue à différentes températures et d’ajuster les lectures en conséquence pour garantir la précision.
Quelles sont les applications courantes des thermocouples ?
Les thermocouples sont utilisés dans de nombreux secteurs et applications, notamment :
Industrie : Contrôle des process de fabrication, fours, moteurs, chaudières, réacteurs, turbines, incinérateurs, transformateurs, pompes, compresseurs, radiateurs.
