Qu'est-ce qu'un thermocouple ? Principe de fonctionnement, types de base et types de thermocouple

Le thermocouple est un dispositif permettant de mesurer les températures dans tous les domaines de la science et de la technologie. Cet article fournit une vue d'ensemble des thermocouples avec une description de leur conception et de leur principe de fonctionnement. Les variétés de thermocouples avec leurs brèves caractéristiques sont décrites, et une évaluation du thermocouple en tant que dispositif de mesure est donnée.

Conception d'un thermocouple

Le principe de fonctionnement d'un thermocouple. Effet Seebeck

Le thermocouple est basé sur l'effet thermoélectrique découvert par le physicien allemand Tomas Seebeck en 1821.

Le phénomène est basé sur l'apparition d'électricité dans un circuit électrique fermé lorsqu'il est exposé à une certaine température ambiante. Le courant électrique est généré lorsqu'il existe une différence de température entre deux conducteurs (thermocouples) de composition différente (métaux ou alliages dissemblables) et est maintenu par le maintien de leurs points de contact (jonctions). L'appareil affiche la température à mesurer sur l'écran du dispositif secondaire connecté.

La tension de sortie et la température sont en relation linéaire. Cela signifie qu'une augmentation de la température mesurée entraîne une valeur de millivolt plus élevée aux extrémités libres du thermocouple.

La jonction au point de mesure de la température est appelée "jonction chaude" et la connexion des fils au transmetteur est appelée "jonction froide".

Compensation de la température de soudure froide (CJC)

La compensation de soudure froide (CJC) est une correction apportée sous la forme d'une correction de la lecture finale lors de la mesure de la température au point de connexion des extrémités libres du thermocouple. Ceci est dû à l'écart entre la température réelle de la soudure froide et les lectures calculées à partir du tableau d'étalonnage pour la température de la soudure froide à 0°C.

Le CHS est une méthode différentielle dans laquelle la lecture de la température absolue est dérivée de la valeur connue de la température de la jonction froide (également appelée jonction de référence).

Conception du thermocouple

La conception d'un thermocouple tient compte de l'influence de facteurs tels que l'agressivité de l'environnement extérieur, l'état d'agrégation de la substance, la gamme de températures à mesurer, etc.

Caractéristiques de la conception du thermocouple :

1) Les paires de conducteurs sont reliées les unes aux autres par torsion ou toronnage, puis par soudage à l'arc électrique (rarement par soudage).

IMPORTANT : La méthode de torsion n'est pas recommandée en raison de la perte rapide des propriétés de la jonction.

2) Les électrodes du thermocouple doivent être isolées électriquement sur toute leur longueur, sauf au point de contact.

3) La méthode d'isolation est choisie en fonction de la limite supérieure de température.

• Jusqu'à 100-120°C - toute isolation ;
• Jusqu'à 1300°C - tubes ou billes en porcelaine ;
• Jusqu'à 1950°C - Al₂O₃;
• Au-dessus de 2000°C - MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Housse de protection.

Le matériau doit être résistant thermiquement et chimiquement, avec une bonne conductivité thermique (métal, céramique). L'utilisation de la gaine empêche la corrosion dans certains milieux.

Câbles d'extension (de compensation)

Ce type de fil est nécessaire pour prolonger les extrémités du thermocouple vers un dispositif secondaire ou une barrière. Les fils ne sont pas utilisés si le thermocouple possède un transmetteur intégré avec un signal de sortie unifié. L'application la plus courante est celle d'un transmetteur standard logé dans une tête de raccordement de capteur à signal unifié 4-20mA, ce qu'on appelle la "tablette".

Le matériau du fil peut être le même que celui du thermocouple, mais il est le plus souvent remplacé par un matériau moins cher, en tenant compte des conditions empêchant la formation de thermoélectricité parasite (induite). L'utilisation de fils d'extension peut également contribuer à optimiser la production.

Vos conseils ! Pour déterminer correctement la polarité des fils de compensation et leur connexion au thermocouple, rappelez-vous la règle mnémotechnique MM - le moins est magnétique. Autrement dit, prenez n'importe quel aimant et le moins de la compensation sera magnétique, contrairement au plus.

Types et sortes de thermocouples

La diversité des thermocouples est due aux différentes combinaisons d'alliages métalliques utilisés. Le choix du thermocouple est basé sur l'industrie et la gamme de température requise.

Thermocouple en chrome-aluminium (TXA)

Electrode positive : alliage de chrome (90% Ni, 10% Cr).
Electrode négative : alliage d'Alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Matériau isolant : porcelaine, quartz, oxydes métalliques, etc.

Plage de température de -200°C à 1300°C à court terme et 1100°C à long terme.

Environnement de travail : inerte, oxydant (O₂=2-3% ou totalement éliminé), hydrogène sec, vide à court terme. Dans une atmosphère réductrice ou rédox en présence d'une gaine protectrice.

Inconvénients : facile à déformer, instabilité réversible de la CEM thermique.

Cas possibles de corrosion et de fragilisation de l'alumel en présence de traces de soufre dans l'atmosphère et du chromel dans une atmosphère faiblement oxydante ("argile verte").

Thermocouple en chrome-cuivre (CTC)

Electrode positive : alliage de chromel (90% Ni, 10% Cr).
Electrode négative : alliage Copel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Plage de température de -253°C à 800°C à long terme et 1100°C à court terme.

Milieu d'utilisation : Inerte et oxydant, vide de courte durée.

Inconvénients : déformation du thermocouple.

Il est possible que le chrome s'évapore pendant un vide prolongé ; il peut réagir avec l'atmosphère contenant du soufre, du chrome, du fluor.

Thermocouple à fer constant (PCT)

Electrode positive : fer pur (acier doux).
Electrode négative : alliage de constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Utilisé pour les mesures dans les environnements de réduction, d'inertage et de vide. Plage de températures allant de -203°C à 750°C à long terme et 1100°C à court terme.

L'application est basée sur la mesure combinée des températures positives et négatives. Ne convient pas aux températures négatives uniquement.

Inconvénients : déformation du thermocouple, faible résistance à la corrosion.

Modification des propriétés physico-chimiques du fer autour de 700°C et 900°C. Interagit avec les vapeurs de soufre et d'eau pour former de la corrosion.

Thermocouple tungstène-rhénium (TVR)

Electrode positive : alliages BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 avec additif silice et aluminium)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Electrode négative : alliages BP20 (80% W, 20% Rh).

Isolation : Céramique d'oxydes métalliques chimiquement purs.

Les caractéristiques comprennent la résistance mécanique, la résistance à la température, la faible sensibilité à la contamination et la facilité de fabrication.

Mesure des températures de 1800°C à 3000°C, la limite inférieure étant de 1300°C. Mesuré sous gaz inerte, hydrogène sec ou sous vide. Ne convient que pour les mesures dans des environnements oxydants pour des processus rapides.

Inconvénients : mauvaise reproductibilité de l'EMF thermique, son instabilité pendant l'irradiation, sensibilité instable dans la gamme de température.

Thermocouple en tungstène-molybdène (TM)

Electrode positive : Tungstène (techniquement pur).
Electrode négative : molybdène (techniquement pur).

Isolation : céramique d'alumine, protection avec des pointes de quartz.

Environnement inerte, hydrogène ou vide. Mesures à court terme dans des environnements oxydants possibles en présence d'une isolation. La plage de températures mesurables est comprise entre 1400 et 1800°C, avec une température maximale de travail d'environ 2400°C.

Inconvénients : mauvaise reproductibilité et sensibilité de la thermo-EDC, inversion de polarité, fragilisation à haute température.

Thermocouples en platine-rhodium-platine (PPT)

Electrode positive : Platine-Rh (Pt avec 10% ou 13% Rh)
Electrode négative : Platine.

Isolation : Quartz, porcelaine (normale et réfractaire). Jusqu'à 1400°C - céramiques à teneur accrue en Al₂O₃O, au-dessus de 1400°C - Al chimiquement pur₂O₃.

Température de fonctionnement maximale de 1400°C à long terme, 1600°C à court terme. La mesure à basse température n'est normalement pas effectuée.

Environnement de travail : environnement oxydant et inerte, réducteur en présence d'un blindage.

Inconvénients : coût élevé, instabilité sous irradiation, grande sensibilité à la contamination (notamment l'électrode en platine), croissance des grains métalliques à haute température.

Thermocouples Platine-Rhodium-Platine-Rhodium (PRT)

Electrode positive : alliage de Pt avec 30% de Rh.
Electrode négative : alliage de Pt avec 6% de Rh.

Milieu : Oxydant, neutre et sous vide. Utilisation dans des environnements métalliques ou non métalliques, réducteurs et contenant des vapeurs, en présence d'un blindage.

Température maximale de travail : 1600°C à long terme, 1800°C à court terme.

Isolation : Céramique en Al₂O₃ Céramique Al O de haute pureté.

Moins sensible à la contamination chimique et à la croissance des grains que le thermocouple en platine-nickel.

Schéma de câblage pour le thermocouple

• Connexion d'un potentiomètre ou d'un galvanomètre directement aux conducteurs.
• Connexion au moyen de fils de compensation ;
• Connexion avec des fils de cuivre classiques à un thermocouple ayant une sortie unifiée.

Normes de couleur des conducteurs de thermocouples

L'isolation colorée des conducteurs permet de distinguer les électrodes de thermocouple les unes des autres pour une connexion correcte aux bornes. Les normes diffèrent d'un pays à l'autre, il n'y a pas de désignation de couleur spécifique pour les conducteurs.

IMPORTANT : Il est nécessaire de connaître la norme utilisée par l'entreprise afin d'éviter les erreurs.

Précision de la mesure

La précision dépend du type de thermocouple, de la plage de température à mesurer, de la pureté du matériau, du bruit électrique, de la corrosion, des propriétés de la jonction et du processus de fabrication.

Les thermocouples se voient attribuer une classe de tolérance (standard ou spéciale) qui détermine l'intervalle de confiance de la mesure.

IMPORTANT : Les caractéristiques au moment de la fabrication changent pendant le fonctionnement.

Vitesse de mesure

La vitesse est déterminée par la capacité du transducteur primaire à réagir rapidement aux sauts de température et au flux de signaux d'entrée qui s'ensuit vers l'instrument de mesure.

Les facteurs qui augmentent la réactivité :

1. Installation correcte et calcul de la longueur du transducteur primaire ;
2. Lorsque vous utilisez un transmetteur avec un puits thermométrique, réduisez la masse de l'unité en choisissant un diamètre de puits thermométrique plus petit ;
3. Réduire au minimum l'espace d'air entre le transducteur primaire et le puits thermométrique ;
4. Utilisation d'un transducteur primaire à ressort et remplissage des cavités du puits thermométrique avec un matériau de remplissage thermoconducteur ;
5. Milieu se déplaçant rapidement ou milieu à densité élevée (liquide).

Test fonctionnel d'un thermocouple

Pour vérifier le fonctionnement, connecter un appareil de mesure spécial (testeur, galvanomètre ou potentiomètre) ou mesurer la tension de sortie avec un millivoltmètre. Si la flèche ou l'affichage numérique fluctue, le thermocouple est valide, sinon l'appareil doit être remplacé.

Causes des défaillances des thermocouples :

1. Non-utilisation d'un dispositif de protection ;
2. Altération de la composition chimique des électrodes ;
3. Processus d'oxydation se produisant à des températures élevées ;
4. Défaillance de l'instrument de mesure, etc.

Avantages et inconvénients de l'utilisation des thermocouples

Les avantages de l'utilisation de cet appareil sont les suivants :

• Large plage de mesure de la température ;
• Haute précision ;
• Simple et fiable.

Les inconvénients sont :

• Surveillance constante de la jonction froide, vérification et étalonnage de l'équipement de contrôle ;
• Les modifications structurelles des métaux pendant la fabrication de l'appareil ;
• Dépendance de la composition atmosphérique, coûts d'étanchéité ;
• Erreurs de mesure dues à l'exposition aux ondes électromagnétiques.

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