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Thermocouple

Qu'est-ce qu'une sonde thermocouple?

Un thermocouple est un capteur servant à mesurer la température. Il se compose de deux métaux de natures différentes reliés à une extrémité. Quand la jonction des métaux est chauffée ou réfrigérée, une tension variable est produite, qui peut être ensuite transcrite en température. Les alliages thermocouple sont généralement disponibles en fils.

Les thermocouples sont des capteurs de température polyvalents et sont, par conséquent, communément utilisés pour de nombreuses applications, du thermocouple à usage industriel au thermocouple standard équipant les appareils et les équipements domestiques. En raison de la diversité des modèles et des spécifications techniques, il est extrêmement important de comprendre leur structure de base, le mode de fonctionnement du thermocouple ainsi que ses plages de températures pour déterminer le type et la matière du thermocouple adaptés à votre application.
Assemblage avec deux fils thermocouples

Apprendre plus sur les thermocouple

L'effet Seebeck

En 1821, Thomas Seebeck a découvert le passage du courant continu dans le circuit thermoélectrique lorsque deux fils de métaux différents sont reliés aux extrémités et l'une des extrémités est chauffée.

Quels sont les différents types de thermocouple ?


Les sondes thermocouples sont disponibles dans différentes combinaisons de métaux ou de calibrages pour accommoder diverses utilisations. Les trois calibrages les plus communs sont les sondes thermocouples types K, T et J; le thermocouple type K étant le plus populaire grâce à sa large palette de températures et son prix peu élevé. Il est composé d'un conducteur positif Nickel-Chrome et d'un conducteur négatif Nickel-Aluminium. Il existe aussi des calibrages à hautes températures, R, S, B, G, C, et D qui offrent une performance jusqu'à 2320°C. Ceux-ci sont fabriqués à partir de métaux précieux tels que le platine/rhodium et le tungstène/rhénium qui sont par conséquent relativement chers.

Table - Types de thermocouples avec  leurs erreurs and plage de température
Chaque type a une palette de températures différente et un environnement d'application propre. Bien que le calibrage du capteur thermocouple dicte cette palette, elle est limitée par le diamètre du fil de thermocouple. Ainsi, un thermocouple très fin peut ne pas couvrir la palette de températures complète. Notre Guide de température maximale des thermocouples montre les températures maximales pour chaque modèle de thermocouple et chaque diamètre de fil. Ce guide fournit également les températures maximales des sondes thermocouples à gaine de diamètre courant isolées par minerai.

Comment choisir un Thermocouple?


Comme les thermocouples peuvent être utilisés dans de larges palettes de températures et peuvent être relativement solides, ils sont employés très souvent dans l'industrie. Les critères suivants sont pris en compte dans leur sélection:
  • Palette de températures
  • Résistance chimique du thermocouple ou de la gaine
  • Résistance aux abrasions et vibrations
  • Conditions requises d'installation (compatibilité avec les équipements existants: par exemple les trous existants peuvent déterminer le diamètre des sondes...)

Quel type de jonction choisir?


Les sondes de thermocouple gainées sont disponibles avec un choix de trois types de jonctions: fondée, isolée ou exposée (voir schéma ci-dessous : « Modèles d'extrémité de thermocouple »). A l'extrémité d'une sonde de jonction fondée, les fils de thermocouple sont physiquement attachés à l'intérieur de la paroi de la sonde. Ceci favorise le transfert de chaleur de l'extérieur de la paroi de la sonde à la jonction du thermocouple. Dans une sonde isolée, la jonction de thermocouple est détachée et isolée de la paroi de la sonde. Le temps de réponse est donc plus lent que celui de la sonde fondée, mais l'isolation est aussi une isolation électrique (voir tableau ci-dessous).

Le thermocouple à jonction exposée dépasse l'extrémité de la gaine et est exposé à l'environnement de mesure. Ce type de thermocouple offre le temps de réponse le plus rapide, mais son utilisation se limite aux applications non corrosives et non pressurisées. Se référer aux illustrations à droite pour une description détaillée des types de jonction.

jonction fondéeLa jonction fondée est recommandée pour mesurer la température dans les milieux liquides ou gazeux corrosifs statiques ou en écoulement et pour les applications à haute pression. La jonction d'un thermocouple fondé est soudée à la gaine de protection offrant ainsi une réponse plus rapide que la jonction isolée.

 jonction isoléeUne jonction isolée est recommandée pour les mesures effectuées dans les environnements corrosifs où le thermocouple doit être isolé électroniquement de la gaine et protégé par celle-ci. Le thermocouple à fil soudé est isolé physiquement de la gaine du thermocouple à l'aide d'oxyde de magnésium en poudre (douce).

jonction exposéeUne jonction exposée est recommandée pour la mesure des températures en milieu gazeux non corrosif statique ou en écoulement où un temps de réponse rapide est requis. La jonction se prolonge au-delà de la gaine de protection métallique pour offrir une réponse rapide et précise. L'isolation de la gaine est scellée à l'endroit où la jonction se prolonge pour éviter la pénétration d'humidité ou de gaz qui pourrait engendrer des erreurs.

Qu'est-ce-que le temps de réponse?


Un temps constant a été défini comme le temps requis pour qu'un capteur atteigne 63.2% de la température de l'étape d'altération dans des conditions spécifiques. Cinq onstantes de temps sont nécessaires pour que la sonde thermocouple approche 100% de la valeur de l'étape d'altération. Un thermocouple à jonction exposée a le temps de réponse le plus rapide. En outre, plus le diamètre de la gaine de la sonde est petit, plus le temps de réponse est rapide, mais la température maximale peut être amoindrie. Cependant, soyez conscient que, parfois, la gaine de la sonde ne peut pas résister à la même gamme de température que celle du thermocouple selon les modèles.



Matière Température Maximale Conditions atmosphériques
Oxydation Hydrogène Vide Inerte
304 SS 00°C (1650°F) Très Bon Bon Très Bon Très Bon
Inconel 600 1148°C (2100°F) Très Bon Bon Très Bon Très Bon

Choisir le bon thermocouple

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Thermocouple à fil perlé Thermocouple à fil perlé
Un thermocouple à fil perlé est la forme la plus simple d'une sonde thermocouple. Il se compose de deux morceaux de fils de thermocouple joints par une perle soudée. La perle étant à découvert, il y a de nombreuses conditions d'utilisation à respecter. Le thermocouple perlé ne doit pas être utilisé avec les liquides qui pourraient corroder ou oxyder l'alliage. Les revêtements métalliques peuvent également être problématiques. Souvent des revêtements métalliques sont utilisés, particulièrement pour les conduits destinés à enterrer les systèmes électriques. Le raccordement indirect à un système électrique peut modifier la mesure des thermocouples. En revanche, les thermocouples à fil perlé sont un bon choix pour mesurer la température de gaz. Leur petite taille assure un temps de réponse rapide.
Sonde Thermocouple Sonde Thermocouple
Une sonde de thermocouple se compose d'un thermocouple logé à l'intérieur d'un tube métallique. La paroi du tube est appelée gaine de la sonde. Les matériaux de gaine les plus courants sont l'acier inoxydable et l'Inconel. l'Inconel tolère des températures plus élevées que l'acier inoxydable. Cependant, l'acier inoxydable est plus souvent utilisé en raison de sa compatibilité chimique plus importante. Pour les températures très élevées, d'autres matériaux exotiques de gaine sont également disponibles. Le thermocouple le plus utilisé et le thermocouple type K.

Cliquez ici pour plus d'information sur les Sondes exotiques de hautes températures.

Les extrémités des sondes de thermocouple sont disponibles dans trois modèles différents : jonction fondée, isolée et exposée. Avec une jonction fondée, le thermocouple est en contact avec la paroi de la gaine. Cette version offre un temps de réponse rapide mais elle est la plus sensible aux champs électriques. Pour les jonctions isolées, le thermocouple est séparé de la paroi de la gaine par une couche d'isolant. Le thermocouple à jonction exposée dépasse hors de la gaine. Ceux sont les plus adaptés pour les mesures concernant l'air.
Sonde de surface Sonde de surface
Mesurer la température d'une surface solide est difficile pour la plupart des capteurs de température. Afin d'assurer une mesure précise, le secteur entier de mesure du capteur doit être en contact avec la surface. Chose difficile à mettre en oeuvre lorsque l'on travaille avec un capteur et une surface rigide. Vu que les thermocouples sont fabriqués de métaux malléables, la jonction peut-être adaptée (plate et mince) afin de fournir un contact maximal avec une surface rigide. Ces thermocouples sont un excellent choix pour des mesures de surface. Ils peuvent même être fabriqués avec un mécanisme qui tourne afin de pouvoir mesurer des surfaces en mouvement.
Enregistreur sans fil Bluetooth pour thermocouple Thermocouples sans fil
Transmetteurs sans fil Bluetooth qui se connectent avec des smartphones ou des tablettes pour surveiller les mesures de température. Ces transmetteurs mesurent les entrées des différents capteurs, y compris la température, le pH, la RTD, l'humidité relative entre autres. La transmission des données est réalisée via la technologie sans fil Bluetooth à un smartphone ou à une tablette avec l'application installée. Celle-ci permettra au smartphone de pairer avec plusieurs transmetteurs.

Questions fréquemment posées

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Comment choisir un thermocouple

  1. Déterminez l'application dans laquelle le capteur de thermocouple sera utilisé
  2. Analyser la plage de température à laquelle la sonde thermocouple sera exposée
  3. Examiner toute résistance chimique nécessaire pour le thermocouple ou matériau de la gaine
  4. évaluer la nécessité d'abrasion et de résistance aux vibrations
  5. Liste des exigences d'installation

Quelles sont les plages de précision et de température des différents types de thermocouples ?


Ce tableau des codes couleur des thermocouples fournit plus de détails sur les plages de précision et de température des différents thermocouples. Les plages de précision et de température dépendent des alliages du thermocouple, de la température à mesurer, de la construction du capteur, de la matière de la gaine, du milieu mesuré, de l'état du milieu (liquide, solide ou gazeux) et du diamètre du fil du thermocouple (s'il est exposé) ou du diamètre de la gaine (si le fil du thermocouple n'est pas exposé, mais est recouvert d'une gaine).

Dois-je utiliser une sonde fondée ou isolée?


Cela dépend des instruments utilisés. En cas de risque de référence à la terre (courant dans les contrôleurs avec des entrées non isolées), une sonde isolée est requise. Si l'instrument est un appareil de mesure portable, une sonde de thermocouple fondée peut quasiment toujours être utilisée.

Puis-je utiliser n'importe quel multimètre pour la mesure de température avec des thermocouples ?


L'amplitude de la tension thermoélectrique dépend de l'extrémité fermée (détection) et de l'extrémité ouverte (mesure) de l'alliage spécifique des fils de thermocouple. Les instruments de mesure de la température qui utilisent des thermocouples prennent en compte la température à l'extrémité de mesure pour déterminer la température à l'extrémité de détection. La plupart des millivoltmètres n'ont pas cette capacité, ni celle d'effectuer des mises à l'échelle non linéaires pour convertir une mesure de millitension en une valeur de température. Il est possible d'utiliser des tables de consultation pour corriger une valeur de millitension particulière et calculer la température détectée. Cependant, la valeur de correction doit continuellement être recalculée, car elle n'est généralement pas constante. De légères modifications de la température au niveau de l'instrument de mesure et à l'extrémité de détection entraînent la modification de la valeur de correction.

Sondes thermocouples industrielles

Thermocouples, P100, thermistors, mesure infrarouge... que chosir ?


Vous devez prendre en compte les caractéristiques et les coûts des différents capteurs, ainsi que les instruments disponibles. Par ailleurs, les thermocouples sont des instruments très robustes qui peuvent généralement mesurer les températures sur une large plage de températures à peu de frais, mais ils ne sont pas aussi précis ou stables que les RTD et les thermistors. Les RTD sont stables et leur plage de températures est relativement large ; toutefois, ils ne sont pas aussi robustes et économiques que les thermocouples. Puisqu'ils requièrent l'utilisation d'un courant électrique pour prendre des mesures, l'auto-échauffement des RTD peut générer des imprécisions. Les thermistors sont plus précis que les RTD ou les thermocouples, mais leur plage de températures est beaucoup plus limitée. Ils sont aussi soumis à l'auto-échauffement. Les capteurs infrarouges peuvent être utilisés pour mesurer des températures plus élevées que les autres appareils sans contact direct avec les surfaces mesurées. Ils ne sont cependant pas aussi précis et ils sont sensibles au coefficient de rayonnement de la surface (ou, plus précisément, à l'émissivité de la surface). À l'aide de câbles à fibre optique, ils peuvent mesurer des surfaces qui ne sont pas en ligne visuelle directe.

Combien de mètres de fil de thermocouple sont nécessaires ?


Pour un instrument spécifique, vérifier ses spécifications pour déterminer si des limites sont fixées en matière d'impédance d'entrée. En règle générale, limiter la résistance à 100 ohms en prenant en compte le calibre du fil ; plus le diamètre est grand, moins la valeur de résistance/longueur est élevée, plus la longueur de fil utilisée peut être importante. Toutefois, si l'environnement est électriquement bruyant, un transmetteur transmettant un signal de 4-20 mA sur de plus longues distances et offrant une meilleure résistance aux bruits peut être requis.

Puis-je répartir un signal de thermocouple entre deux instruments distincts ?


Non. Le signal de thermocouple est un signal en millivolt de très faible niveau et ne doit être raccordé qu'à un seul appareil. La répartition entre deux appareils peut générer des relevés de mauvaise qualité ou une perte de signal. Utiliser une sonde de thermocouple "double" ou convertir une sortie de thermocouple en un signal 4-20 mA en utilisant un transmetteur ou un adaptateur de signal ; le nouveau signal peut alors être envoyé à plusieurs instruments.