Chapitre IV: Les Thermocouples

2 Un thermocouple est constitué de deux conducteurs A et B de nature différente, dont les jonctions sont à des températures T 1 et T 2 délivrent une f.é.m V 0 qui dépend d’une part de la nature de A et B, et d’autre part des températures des deux jonctions. (T 1 =T ref ),. La jonction à la température T 1 est appelée soudure froide et celle à la température T 2 soudure chaude. 1. Principe d’un thermocouple: T1T1 T2T2 V0V0 Conducteur A Conducteur B Jonction froide Jonction chaude

3 Remarque 2: On peut voir dans les Hand books, les tableaux donnant la f.é.m en fonction de la température e =f (T), usuellement avec une jonction de référence à 0°C. Remarque 1: On utilise le thermocouple pour mesurer la température d’un corps en mettant l’une de ses jonctions en contact avec ce corps et l’autre à une température de référence (en général 0°C). Puis, on mesure la f.é.m. Remarques:

4 Table du thermocouple Fer/ constantan (Iron/Constantan) (Type J) Emf= 3,275 mVT=63°C T=47°CEmf=2,427 mV

5 Le principe de fonctionnement d’un couple thermoélectrique (thermocouple) est basé sur les trois effets suivants: 2. Les effets thermoélectriques: A. Effet PELTIER (découvert en 1834) B. Effet THOMSON (découvert en 1856) C. Effet SEEBECK (découvert en 1821)

6 A la jonction de deux conducteurs A et B différents mais à la même température T, s’établit une différence de potentiel qui ne dépend que de la nature des conducteur et de leur température, c’est la f.e.m de Peltier: A. Effet PELTIER (découvert en 1834) TT A BMN

7 Entre deux points M et N d’un même conducteur homogène, placés à des température différentes T M et T N, s’établit une f.é.m, qui ne dépend que de la nature du conducteur est des températures T M et T N. C’est la f.é.m de Thomson. B. Effet THOMSON (découvert en 1856) TMTM TNTN A Avec h A le coefficient de Thomson du conducteur. Remarque: Cet effet est généralement négligeable dans les applications et sera ignoré.

8 Un circuit fermé constitué de deux conducteurs A et B dont les jonctions sont à deux températures différentes T 1 et T 2 est le siège d’une f.e.m: e qui dépend d’une part de la nature des conducteurs A et B et d’autre part des températures T 1 et T 2. C. Effet SEEBECK Si T 1 =T 2 f.é.m = 0 Si T 1 #T 2 f.é.m # 0

9 Une relation entre la f.é.m et la température peut être dérivée à partir des lois thermodynamiques. Elle peut être représentée par l’équation empirique: 3. Lois fondamentales: a. Relation f.é.m-température:  C 1, C 2,…sont des constantes thermoélectriques qui dépendent des matériaux utilisés pour former la jonction.  C 1 est exprimé en mV/°C et C 2 exprimé en mV/°C 2.  T 1, T 2 sont les températures des jonctions.  L’étalonnage peut être présenté par des tables donnant la f.é.m résultant de différences de température, généralement avec une jonction de référence à 0°C.

10 Il existe seulement deux métaux dans le circuit 1 mais il y a trois métaux dans le circuit 2. b. Loi des métaux intermédiaires: Les f.é.m développées dans les deux circuits seront les mêmes si et seulement si T’ 3 =T’’ 3 : Un troisième métal peut être introduit dans un circuit sans détruire la f.é.m tant que les deux jonctions crées par l’introduction du troisième métal sont à la même température. T1T1 Métal A T2T2 f.e.m BB Circuit 1 T1T1 A T2T2 f.e.m BB Circuit 2 A Métal C T’ 3 T’’ 3

11  Ainsi, l’introduction d’un appareil pour mesurer la f.é.m ne va pas changer la f.é.m tant que les deux extrémités de mesure sont à la même température.  L’utilisation d’un métal de soudure pour former les jonctions ne change pas la f.é.m.  Dans le cas d’utilisation de métaux chers dans les thermocouples, des fils d’extension peuvent être utilisés sans changement de la f.é.m si les deux jonctions crées par l’insertion de l’extension sont à la même température. T1T1 Métal A T2T2 BB Appareil de mesure

12 Supposons un thermocouple avec une jonction à T 1 et une autre jonction à T 2 produit une f.é.m 12. c. Loi des températures intermédiaires: Supposons que le même thermocouple avec des jonctions à T 2 et T 3 produit une f.é.m 23. Selon la Loi des températures intermédiaires, lorsque les jonctions sont à T 1 et T 3, le thermocouple va produire une f.é.m 13 : f.é.m 13 =f.é.m 12 +f.é.m 23 T1T1 Métal A T2T2 f.é.m 12 BB T2T2 Métal A T3T3 f.é.m 23 BB T1T1 Métal A T3T3 f.é.m 13 = f.é.m 12 +f.é.m 23 BB

13 1. Si la jonction de référence est à température ambiante noté T 2 et on mesure une f.é.m 23 pour une température inconnue T 3 : Remarque: On peut utiliser la Loi des températures intermédiaires pour calculer la température inconnue T 3 à partir des tables, même si elles sont pour un thermocouple avec une jonction de référence à 0°C:  On détermine f.é.m 12 à partir des tables pour T 1 =0°C et T 2 à température ambiante.  On ajoute fém 12 et fém 23 pour déterminer fém 13.  Ensuite on regarde dans la table pour déterminer T 3.

14 On désire mesurer la température T d’un four, la température ambiante T 0 est mesurée avec un thermomètre à mercure. Exemple d’utilisation de la Loi des températures intermédiaires: La température T est calculée comme suit: 0°C T0T0 E1E1 T0T0 T ? E2E2 BB 0°C T ? E E 1 est lise dans les tables. E 2 est mesurée. E= E 1 +E 2 E est trouvée dans les tables.

15 Les matériaux utilisés pour la fabrication des thermocouples sont choisis en fonction de la plage de température à mesurer, de leurs stabilités, des conditions ambiantes de la mesure, de la sensibilité des appareils de mesure et du cout de la mesure. 2. Matériaux thermoélectrique d’un thermocouple Il existe une nomenclature internationale dans laquelle sont désignés par les lettres J, K, T et E les thermocouples à base de métaux communs et R, S et B pour ceux à base de métaux précieux. Chaque type a des caractéristiques et un champ d’application déterminés donnés dans le tableau suivant:

16 TypeMatériaux AMatériau BGamme de mesure KNickel-Chrome (Chromel) Nickel- Aluminium (Alumel) -100/1100°C TCuivreCuivre-Nickel (Constantan) -200/350°C JFerCuivre-Nickel (Constantan) 0/700°C ENickel-Chrome (Chromel) Cuivre-Nickel (Constantan) -100/700°C RPlatine-13% Rhodium Platine0/1550°C SPlatine-10% Rhodium Platine0/1500°C BPlatine-30% Rhodium Platine-6% Rhodium 0/1650°C

17 Pour éviter les problèmes de corrosion, ces thermocouples sont gainés (céramique et acier). La figure suivante montre la tension en fonction de la température pour les thermocouples précédents. La jonction de référence est à 0°C. La sensibilité thermique S (en µV/°C) d’un thermocouple, appelée aussi pouvoir thermoélectrique, est définie à la température T (pour T ref =0°C par : La sensibilité thermique varie usuellement de 6 à 80 µV/°C. L’ordre de grandeur des sensibilités des thermocouples est très inférieur à celui des capteurs de température utilisant des résistances.

18 3. Comparaison thermocouple/thermomètres électriques Le tableau suivant récapitule les principaux avantages et inconvénients des thermocouples, des capteurs de température à résistance et des thermistances. ThermocoupleRTD (PT100)Thermistance - Simple - Robuste - Peu couteux - Mesures ponctuelles Rapide - Gamme de températures large - Très stable - Très précis - Meilleure linéarité que le thermocouple - Très sensible - Non linéaire - Sensibilité faible - Nécessite une température de référence - Couteux - Lent - Sensibilité faible - Erreurs par auto- échauffement (effet Joule) - Non linéaire -Gamme réduite de températures - Fragile - Auto- échauffement Avantages Inconvénients