Principes de base du thermocouple - Utilisation de l'effet Seebeck pour la mesure de la température

Les thermocouples sont un type de capteur de température populaire en raison de leur robustesse, de leur prix relativement bas, de leur large plage de températures et de leur stabilité à long terme. L'effet Seebeck discuté dans l'article précédent est le principe sous-jacent qui régit le fonctionnement du thermocouple. L'effet Seebeck décrit comment une différence de température (ΔT) entre les deux extrémités d'un fil métallique peut produire une différence de tension (ΔV) sur toute la longueur du fil. Cet effet est caractérisé par l'équation suivante :

$$S = \frac{\Delta V}{\Delta T} = \frac{V_{froid}-V_{chaud}}{T_{chaud}-T_{froid}}$$

Où S désigne l'effet Seebeck du matériau. Cette équation peut aussi s'exprimer par :

$$S(T)=\frac{dV}{dT}$$

Ici, S(T) souligne que l'effet Seebeck est fonction de la température. Notez que l'effet Seebeck est également observé dans les alliages métalliques et les semi-conducteurs. Voyons comment cet effet peut être utilisé pour mesurer la température.

L'équation 1 suggère qu'en ayant le coefficient Seebeck d'un matériau, la différence de tension aux bornes d'un conducteur peut être utilisée pour déterminer la différence de température entre les deux extrémités. Bien que cela soit théoriquement correct, la mesure directe de la tension Seebeck d'un matériau individuel est impossible. À titre d'exemple, considérons la configuration illustrée à la figure 1.

Les extrémités du fil de cuivre sont à T1 = 25 °C et T2 = 100 °C. Supposons que, sur cette plage de température, le coefficient Seebeck absolu du cuivre soit constant et égal à +1,5 μV/°C. En utilisant l'équation 1, nous pouvons trouver la différence de tension à travers le fil comme suit :

$$V_{1}-V_{2}=1.5\times(100-25)=112.5\,\mu V$$

La tension mesurée par le multimètre sera différente car le chemin constitué des fils du multimètre et du circuit d'entrée du multimètre subit également une différence de température de 75 °C. Une tension Seebeck indésirable entre les cordons de test et le circuit d'entrée du multimètre introduit des erreurs.

Pour éviter de créer une tension Seebeck dans les cordons de test et le multimètre, nous devons maintenir ces pièces à une température constante. Par exemple, nous pouvons maintenir le système de mesure à 25 °C comme le montre la figure 2.

Dans cet exemple, un autre conducteur est nécessaire pour établir la connexion électrique entre le fil de test noir et l'extrémité chaude du fil de cuivre. Cette connexion est représentée par "Métal 2" sur la figure. Il est important de noter que le fil de cuivre ne peut pas être utilisé pour cette connexion. En effet, il subira également le même gradient de température que le fil de cuivre d'origine, entraînant une différence de tension (à travers le métal 2) de :

$$V_{3}-V_{2}=1,5 \times (100-25) = 112,5\,\mu V$$

Par conséquent, le multimètre mesurera zéro volt quelle que soit la différence de température sur le fil de cuivre d'origine. La discussion ci-dessus montre pourquoi le coefficient Seebeck absolu d'un matériau ne peut pas être directement mesuré par un multimètre. Une méthode courante pour déterminer le coefficient Seebeck absolu consiste à appliquer la relation Kelvin.

De la discussion ci-dessus, on peut supposer que des matériaux avec des coefficients Seebeck inégaux sont nécessaires pour produire une différence de tension proportionnelle au gradient de température. Par exemple, avec du cuivre qui a un coefficient Seebeck de +1,5 μV/°C à 0 °C, on peut utiliser un fil de constantan avec un coefficient Seebeck absolu de -40 μV/°C à 0 °C. En remplaçant "Metal 2" par un fil constantan, le multimètre doit mesurer une différence de tension de 3112,5 μV, comme calculé ci-dessous :

$$V_{1}-V_{3}= (V_{1}-V_{2})-(V_{3}-V_{2})= 1,5 \times(100-25)-(-40)\ fois(100 - 25) = 3112.5\,\mu V$$

Notez que le calcul ci-dessus suppose que les coefficients Seebeck du cuivre et du constantan sont constants et égaux aux valeurs spécifiées sur la plage de température d'intérêt.

Par conséquent, deux conducteurs dissemblables soudés ou soudés ensemble à une extrémité peuvent être utilisés pour créer un capteur de température. La structure de ce capteur de température, appelé thermocouple, est illustrée à la figure 3.

La jonction au niveau de laquelle les deux métaux dissemblables sont couplés est appelée jonction de mesure (ou jonction chaude). L'extrémité opposée où le capteur se connecte au système de mesure est appelée jonction de référence (ou jonction froide). Un bloc isotherme, constitué d'un matériau thermoconducteur, est couramment nécessaire pour maintenir les conducteurs du thermocouple à la même température.

Notez qu'un thermocouple mesure la différence de température entre les jonctions de mesure et de référence, et non la température absolue à ces jonctions. La tension en circuit ouvert à la jonction de référence est proportionnelle à la différence de température entre les deux extrémités.

Un thermocouple créé en joignant un fil de cuivre à un fil de constantan est appelé thermocouple de type T. Les autres types de thermocouples courants sont :

Les fabricants spécifient généralement le coefficient Seebeck global (ou sensibilité) d'un type de thermocouple sous forme de tableau, de graphique ou d'équation. Par exemple, le coefficient Seebeck d'un thermocouple de type T à 0 °C est généralement spécifié comme étant d'environ 39 µV/°C, ce qui est proche de la valeur que nous avons obtenue ci-dessus à partir des métaux/alliages individuels employés (41,5 µV/°C) . Nous savons que cette valeur de sensibilité change avec la température. La figure 4 montre le coefficient Seebeck des thermocouples de type T, J et K en fonction de la température.

Les courbes ci-dessus sont obtenues avec une jonction de référence à 0 °C. Dans le prochain article, nous discuterons plus en détail de la configuration de ces mesures et verrons comment ces informations peuvent être utilisées dans la pratique.

Bien que la plupart des ingénieurs connaissent les thermocouples, il existe quelques idées fausses courantes. Étant donné que les thermocouples utilisent deux métaux dissemblables joints à une extrémité pour mesurer la température, une idée fausse fréquemment répandue est que la tension Seebeck est produite à la suite de la jonction de métaux dissemblables. On sait maintenant qu'un seul matériau conducteur peut produire une tension Seebeck lorsqu'il y a un gradient de température.

Il est également important de se rappeler que la tension Seebeck n'est pas produite à la jonction de deux métaux différents. La tension Seebeck est développée sur la longueur du fil qui subit une différence de température (Figure 5).

La jonction fournit une connexion électrique entre les métaux dissemblables et est placée là où la température doit être mesurée. Cependant, pratiquement aucune tension ne se développe juste à la jonction.

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