Les thermocouples (TC) fonctionnent par la liaison de deux métaux ou alliages différents. Du fait des différences de conductivité thermique et du mouvement des électrons, une petite tension est produite en fonction de la différence de température entre la jonction de mesure et la jonction de référence, ce qu'on appelle l'effet thermoélectrique ou Seebeck. La jonction de mesure ou jonction chaude est le point où les métaux sont soudés ensemble, et la jonction de référence ou jonction froide est le point où la tension est mesurée. La mesure étant différentielle, la température de la jonction froide doit être connue pour déterminer la température réelle.
La tension produite par les thermocouples est très faible, et une électronique précise est nécessaire dans le transmetteur de température. Les paires de thermocouples standardisés comprennent le type K (Chrome et Alumel), qui est courant et produit un signal de 45 mV à une différence de 1000 °C (1832 °F). Pour les températures plus élevées, les thermocouples nobles comme le type S (platine et platine-rhodium) sont utilisés, produisant un signal de 15 mV à 1500 °C (2732 °F).
Les études montrent que les thermocouples peuvent dériver de 3 à 6 % par an. Cette dérive se produit du fait que la tension Seebeck, produite par la différence entre deux alliages, diminue au fil du temps à mesure que les matériaux se mélangent. Cela peut se produire en phase gazeuse ou du fait de la diffusion et affecter la précision de la mesure. La seule solution pour maintenir la précision de la mesure de température est de remplacer régulièrement les capteurs TC dans les applications critiques.
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Pour les mesures haute température, nous recommandons les thermocouples ! Haute température signifie supérieure à 600 degrés Celsius. C'est assez simple. Vous voyez ici cet instrument de mesure antique, il n'y a pas de batterie, il n'y a rien. Uniquement le thermocouple. Deux métaux soudés, comme nous allons le voir. Et si je le chauffe, l'instrument analogique monte jusqu'à des températures élevées. Si je faisais cela assez longtemps, nous pourrions voir les thermocouples rougir. Ne faites pas cela à la maison ni au bureau ! Je peux le faire, mais s'il vous plait, ne le faites pas. Donc, les thermocouples. Comment fonctionnent-ils ? Il suffit de relier ensemble deux métaux différents. C'est plus ou moins le point délicat. Deux métaux ou deux alliages. Du fait des changements de conductivité thermique, les électrons peuvent traverser la structure interne d'un métal.
Une petite tension est produite en fonction de la température. Il s'agit d'un effet thermoélectrique, aussi connu sous le nom d'effet Seebeck, du nom de son inventeur. Il est vraiment facile à réaliser. Il suffit de souder deux métaux ensemble, c'est une jonction chaude. De l'autre côté, à la jonction froide, vous mesurez les millivolts ou les microvolts produits. Un design très robuste, mais comme vous le voyez, il ne s'agit pas d'une mesure directe de la température. C'est une mesure de température différentielle : vous avez la jonction chaude et la jonction froide, et vous mesurez la différence entre les deux. Pour mesurer la température réelle, nous devons connaître la température de la jonction froide. Nous devons connaître la courbe caractéristique du matériau, puis nous pouvons calculer la température à la jonction chaude. C'est le principe global de la mesure par thermocouple. La tension du thermocouple est assez faible, de l'ordre du microvolt ou millivolt, ce qui nécessite une électronique très précise dans le transmetteur de température.
Il existe plusieurs paires de thermocouples déjà standardisées, avec deux alliages ou métaux différents. Concentrons-nous sur quelques-uns ! Le plus populaire est appelé type K, soit nickel chrome nickel. Vous voyez ici qu'à une différence de température de 1000 degrés, nous avons un signal de 45 millivolts. La courbe est assez linéaire. Pour les températures plus élevées, le chrome n'est plus adapté ; vous devez opter pour des thermocouples nobles, généralement en platine. Platine avec rhodium. Le plus populaire ici est le type S. Le type S est en platine d'un côté et en platine-rhodium de l'autre, et par exemple à une différence de 1500 degrés Celsius, nous obtenons un signal de seulement 15 millivolts. Vous pouvez voir ici une courbe claire. Elle n'est pas linéaire, et le comportement donc assez complexe. Notamment lorsqu'on atteint des températures négatives, vous voyez clairement le comportement curviligne de ces thermocouples.
Évidemment, le platine est assez cher. Vous le choisissez uniquement lorsque le type K n'est plus adapté, notamment à des températures élevées. Une dérive est à prévoir : les études parlent de trois à six pour cent de la valeur lue en un an. Vous devez faire avec ! Comment est-ce possible ? Comment faire avec en situation réelle ? La théorie est la suivante : un thermocouple fonctionne par la différence entre deux nouveaux fils, deux nouveaux alliages. Dans cet exemple, dans un nouveau thermocouple, un fil est rouge, l'autre est bleu, parce que leurs alliages sont différents. Cette différence produit la tension Seebeck, l'effet thermoélectrique. Après un an d'exposition à des températures très élevées, des choses étranges peuvent survenir. Car ces deux alliages échangent des matériaux. Après six mois, un an, ce n'est plus rouge et bleu. C'est plutôt 50 nuances de violet, car par exemple le chrome se déplace d'un côté à l'autre.
A la fin, les alliages se rapprochent et produisent ainsi moins de tension thermique. Il en résulte une tension produite trop petite, et nous faisons face à une dérive négative du capteur. Cela peut se produire en phase gazeuse ou du fait de la diffusion entre ces deux alliages, à travers les câbles à isolation minérale. Les effets peuvent être vraiment étranges, je l'ai constaté lors des visites chez mes clients dans des usines de production de verre. Que faire pour éviter cela ? Rien... Cette diffusion est déclenchée par la température et la seule manière de vous assurer que votre mesure de température est exacte, comme vous l'avez vu dans l'épisode précédent : la valeur standard est valide uniquement pour des fils neufs. Vous devez donc remplacer les thermocouples assez régulièrement si vous les utilisez dans une application critique en termes de sécurité. C'est la seule chose que vous pouvez faire, remplacer !
