Thermocouples

Effet Seebeck

Un phénomène intéressant appliqué dans le domaine de l'instrumentation est l'effet Seebeck, qui est la production d'une petite tension sur la longueur d'un fil en raison d'une différence de température le long de ce fil. Cet effet est le plus facilement observé et appliqué avec une jonction de deux métaux différents en contact, chaque métal produisant une tension Seebeck différente le long de sa longueur, ce qui se traduit par une tension entre les deux extrémités de fil (non jointes). La plupart des paires de métaux différents produiront une tension mesurable lorsque leur jonction est chauffée, certaines combinaisons de métaux produisant plus de tension par degré de température que d'autres :

L'effet Seebeck est assez linéaire; c'est-à-dire que la tension produite par une jonction chauffée de deux fils est directement proportionnelle à la température. Cela signifie que la température de la jonction du fil métallique peut être déterminée en mesurant la tension produite. Ainsi, l'effet Seebeck nous fournit une méthode électrique de mesure de la température.

Thermocouples

Lorsqu'une paire de métaux différents est réunie dans le but de mesurer la température, le dispositif formé est appelé un thermocouple . Les thermocouples conçus pour l'instrumentation utilisent des métaux de haute pureté pour une relation température/tension précise (aussi linéaire et prévisible que possible).

Les tensions Seebeck sont assez faibles, de l'ordre de quelques dizaines de millivolts pour la plupart des plages de températures. Cela les rend quelque peu difficiles à mesurer avec précision. Aussi, le fait que tout la jonction entre des métaux différents produira une tension dépendante de la température crée un problème lorsque nous essayons de connecter le thermocouple à un voltmètre, complétant un circuit :

Interface de mesure

La deuxième jonction fer/cuivre formée par la connexion entre le thermocouple et le compteur sur le fil supérieur produira une tension dépendante de la température opposée en polarité à la tension produite à la jonction de mesure. Cela signifie que la tension entre les fils de cuivre du voltmètre sera fonction de la différence en température entre les deux jonctions, et non la température à la jonction de mesure seule. Même pour les types de thermocouple où le cuivre n'est pas l'un des métaux dissemblables, la combinaison des deux métaux joignant les fils de cuivre de l'instrument de mesure forme une jonction équivalente à la jonction de mesure :

jonction de référence

Cette seconde jonction est appelée la référence ou froid jonction, pour la distinguer de la jonction à l'extrémité de mesure, et il n'y a aucun moyen d'éviter d'en avoir une dans un circuit de thermocouple. Dans certaines applications, une mesure de température différentielle entre deux points est requise, et cette propriété inhérente aux thermocouples peut être exploitée pour créer un système de mesure très simple.

Cependant, dans la plupart des applications, l'intention est de mesurer la température en un seul point, et dans ces cas, la deuxième jonction devient un obstacle au fonctionnement.

La compensation de la tension générée par la jonction de référence est généralement effectuée par un circuit spécial conçu pour y mesurer la température et produire une tension correspondante pour contrer les effets de la jonction de référence. À ce stade, vous pouvez vous demander :« Si nous devons recourir à une autre forme de mesure de la température juste pour surmonter une idiosyncrasie avec les thermocouples, alors pourquoi s'embêter à utiliser des thermocouples pour mesurer la température ? Pourquoi ne pas simplement utiliser cette autre forme de mesure de la température, quelle qu'elle soit, pour faire le travail ? » La réponse est la suivante :parce que les autres formes de mesure de température utilisées pour la compensation de jonction de référence ne sont pas aussi robustes ou polyvalentes qu'une jonction de thermocouple, mais elles permettent de mesurer assez bien la température ambiante sur le site de jonction de référence. Par exemple, la jonction de mesure du thermocouple peut être insérée dans le conduit de fumée de 1800 degrés (F) d'un four de maintien de la fonderie, tandis que la jonction de référence se trouve à une centaine de pieds dans une armoire métallique à température ambiante, sa température étant mesurée par un appareil qui pourrait ne survivent jamais à la chaleur ou à l'atmosphère corrosive du four.

La tension produite par les jonctions de thermocouple dépend strictement de la température. Tout courant dans un circuit thermocouple est fonction de la résistance du circuit en opposition à cette tension (I=E/R). En d'autres termes, la relation entre la température et la tension Seebeck est fixe, tandis que la relation entre la température et le courant est variable, en fonction de la résistance totale du circuit. Avec des conducteurs de thermocouple suffisamment lourds, des courants allant jusqu'à des centaines d'ampères peuvent être générés à partir d'une seule paire de jonctions de thermocouple ! (En fait, j'ai vu cela dans une expérience en laboratoire, en utilisant de lourdes barres de cuivre et d'alliage cuivre/nickel pour former les jonctions et les conducteurs du circuit.)

À des fins de mesure, le voltmètre utilisé dans un circuit de thermocouple est conçu pour avoir une résistance très élevée afin d'éviter toute chute de tension induisant une erreur le long du fil du thermocouple. Le problème de la chute de tension le long de la longueur du conducteur est encore plus grave ici qu'avec les signaux de tension continue discutés précédemment car nous n'avons ici que quelques millivolts de la tension produite par la jonction. Nous ne pouvons tout simplement pas nous permettre d'avoir même un seul millivolt de chute le long des longueurs de conducteur sans encourir de graves erreurs de mesure de température.

Idéalement, alors, le courant dans un circuit de thermocouple est nul. Les premiers instruments d'indication de thermocouple utilisaient un circuit de mesure de tension potentiométrique à équilibre nul pour mesurer la tension de jonction. La première gamme d'indicateurs/enregistreurs de température « Speedomax » de Leeds &Northrup était un bon exemple de cette technologie. Des instruments plus modernes utilisent des circuits amplificateurs à semi-conducteurs pour permettre au signal de tension du thermocouple de piloter un dispositif d'indication avec peu ou pas de courant tiré dans le circuit.

Thermopile

Les thermocouples, cependant, peuvent être construits à partir de fils de gros calibre pour une faible résistance et connectés de manière à générer des courants très élevés à des fins autres que la mesure de la température. L'un de ces objectifs est la production d'électricité. En connectant de nombreux thermocouples en série, en alternant températures chaudes/froides à chaque jonction, un appareil appelé thermopile peut être construit pour produire des quantités substantielles de tension et de courant :

Effet Peltier

Avec les ensembles de jonctions gauche et droite à la même température, la tension à chaque jonction sera égale et les polarités opposées s'annuleraient jusqu'à une tension finale de zéro. Cependant, si l'ensemble gauche de jonctions était chauffé et l'ensemble droit refroidi, la tension à chaque jonction gauche serait supérieure à celle de chaque jonction droite, ce qui entraînerait une tension de sortie totale égale à la somme de tous les différentiels de paires de jonctions. Dans une thermopile, c'est exactement ainsi que les choses sont mises en place. Une source de chaleur (combustion, substance radioactive forte, chaleur solaire, etc.) est appliquée à un ensemble de jonctions, tandis que l'autre ensemble est lié à un dissipateur thermique quelconque (refroidi à l'air ou à l'eau). Il est intéressant de noter que lorsque le courant circule dans un circuit de charge externe connecté à la thermopile, l'énergie thermique est transférée des jonctions chaudes aux jonctions froides, démontrant un autre phénomène thermoélectrique :le soi-disant effet Peltier (courant électrique transférant de l'énergie thermique).

Une autre application des thermocouples est la mesure de moyenne température entre plusieurs emplacements. La façon la plus simple de le faire est de connecter plusieurs thermocouples en parallèle les uns avec les autres. Le signal millivolt produit par chaque thermocouple sera moyenné au point de jonction parallèle. Les différences de tension entre les jonctions chutent avec la résistance des fils du thermocouple :

Malheureusement, cependant, la moyenne précise de ces potentiels de tension Seebeck repose sur l'égalité des résistances de fil de chaque thermocouple. Si les thermocouples sont situés à différents endroits et que leurs fils se rejoignent en parallèle à un seul endroit, une longueur de fil égale sera peu probable. Le thermocouple ayant la plus grande longueur de fil du point de mesure au point de connexion parallèle aura tendance à avoir la plus grande résistance et aura donc le moins d'effet sur la tension moyenne produite.

Joints de thermocouples multiples

Pour aider à compenser cela, une résistance supplémentaire peut être ajoutée à chacune des branches du circuit de thermocouple parallèle pour rendre leurs résistances respectives plus égales. Sans résistances de dimensionnement personnalisées pour chaque branche (pour rendre les résistances exactement égales entre tous les thermocouples), il est acceptable d'installer simplement des résistances avec des valeurs égales, nettement supérieures aux résistances des fils du thermocouple afin que ces résistances de fil aient un impact beaucoup plus faible sur la résistance totale de branche. Ces résistances sont appelées swamping résistances parce que leurs valeurs relativement élevées éclipsent ou « inondent » la résistance des fils du thermocouple eux-mêmes :

Étant donné que les jonctions de thermocouple produisent de telles basses tensions, il est impératif que les connexions des fils soient très propres et serrées pour un fonctionnement précis et fiable. En outre, l'emplacement de la jonction de référence (l'endroit où les fils du thermocouple de métaux différents se joignent au cuivre standard) doit être maintenu à proximité de l'instrument de mesure, pour garantir que l'instrument peut compenser avec précision la température de la jonction de référence. Malgré ces exigences apparemment restrictives, les thermocouples restent l'une des méthodes les plus robustes et les plus populaires de mesure de la température industrielle dans l'utilisation moderne.

AVIS :

• L'effet Seebeck est la production d'une tension entre deux métaux dissemblables et joints qui est proportionnelle à la température de cette jonction.
• Dans tout circuit de thermocouple, il existe deux jonctions équivalentes formées entre des métaux différents. La jonction placée sur le site de mesure prévue est appelée la mesure jonction, tandis que l'autre jonction (unique ou équivalente) est appelée la référence jonction.
• Deux jonctions de thermocouple peuvent être connectées en opposition l'une à l'autre pour générer un signal de tension proportionnel à la température différentielle entre les deux jonctions. Un ensemble de jonctions ainsi connectées dans le but de produire de l'électricité s'appelle une thermopile .
• Lorsque le courant traverse les jonctions d'une thermopile, l'énergie thermique est transférée d'un ensemble de jonctions à l'autre. C'est ce qu'on appelle l'Effet Peltier .
• Plusieurs jonctions de thermocouple peuvent être connectées en parallèle les unes aux autres pour générer un signal de tension représentant la température moyenne entre les jonctions. Des résistances « de submersion » peuvent être connectées en série avec chaque thermocouple pour aider à maintenir l'égalité entre les jonctions, de sorte que la tension résultante sera plus représentative d'une vraie température moyenne.
• Il est impératif que le courant dans un circuit de thermocouple soit maintenu aussi bas que possible pour une bonne précision de mesure. De plus, toutes les connexions de fils connexes doivent être propres et étanches. De simples millivolts de chute à n'importe quel endroit du circuit provoqueront des erreurs de mesure substantielles.