Comment fonctionnent les thermocouples : effet Seebeck, jonctions et sélection dans le monde réel

A le thermocouple fonctionne parce que deux métaux différents joints en un point génèrent une petite tension lorsque ce point est chauffé ou refroidi. La tension n’est pas une source d’énergie avec laquelle vous pouvez faire fonctionner un moteur ; il s'agit d'un signal, souvent de quelques millivolts seulement, qu'un émetteur ou un contrôleur convertit en une lecture de température. Cela fait des thermocouples le choix par défaut pour la température des gaz d'échappement, la surveillance des fours, le traitement thermique et de nombreux processus industriels où une réponse rapide et des limites de température élevées comptent plus que la précision absolue.

Les conséquences pratiques découlent de ce seul principe : la jonction doit être isolée de la terre, la deuxième jonction, appelée soudure froide, doit être connue et les fils doivent correspondre au type du thermocouple. Ci-dessous, nous passons en revue la physique, le matériel, les types courants, la compensation de soudure froide et les erreurs de sélection qui provoquent la plupart des pannes sur le terrain.

Comment l'effet Seebeck produit un signal utilisable

Lorsque deux métaux différents, tels que les alliages nickel-chrome et nickel-silicium dans un thermocouple de type K, sont joints à une extrémité, une différence de température entre cette extrémité de mesure et l'autre extrémité produit une force électromotrice. C'est l'effet Seebeck. Pour une paire de type K, le résultat est à peu près 41 microvolts par degré Celsius de différence de température. Ce chiffre semble minime, et il l’est. L'émetteur a donc besoin d'une impédance d'entrée élevée et d'une bonne réjection du bruit, car le signal est facilement submergé par les interférences électriques.

La tension n’est pas non plus parfaitement linéaire avec la température. Sur une plage étroite, une approximation linéaire peut suffire. Sur une large plage, le contrôleur doit utiliser une table de référence standard ou un ajustement polynomial. L'extrémité froide du circuit, généralement aux bornes du transmetteur, fait partie de la mesure, que vous le vouliez ou non. Si la température du terminal change, la lecture change avec elle.

Jonction chaude et soudure froide

La soudure chaude est le point qui touche le processus. Il est souvent soudé en un petit cordon et placé à l'intérieur d'une gaine de protection. La soudure froide est le point où les fils du thermocouple rencontrent le circuit en cuivre de l'instrument. Un thermocouple ne mesure pas uniquement la température absolue au niveau de la soudure chaude ; il mesure la différence entre les deux jonctions. C'est pourquoi un thermocouple connecté à un compteur sans compensation de soudure froide aura une lecture incorrecte chaque fois que la température de la pièce ou de l'armoire change.

Ce que mesure réellement le compteur

L'instrument mesure une différence de tension. Il ne connaît pas la température de soudure froide à moins de connaître également la température de soudure froide. Les transmetteurs modernes mesurent la température aux bornes avec une thermistance ou un capteur intégré, convertissent cette température en une valeur équivalente en millivolts, l'ajoutent à la tension mesurée, puis linéarisent le résultat. Si vous faites passer un fil de cuivre ordinaire du thermocouple à l'instrument, vous créez une nouvelle jonction au point de connexion et perdez la compensation pour laquelle le système a été conçu.

Anatomie d'un véritable assemblage de thermocouple

Un thermocouple fonctionnel est constitué de plus de deux fils torsadés ensemble. Chaque partie de l'assemblage affecte le temps de réponse, la limite de température et la durée de vie. Les principaux composants sont les thermoéléments, la jonction de mesure, l'isolation, la gaine de protection et le connecteur ou transmetteur.

• Thermoéléments : deux alliages différents adaptés à un type standard, tel que le type K, J, T, E, N, R, S ou B.
• Jonction de mesure : exposée, mise à la terre ou non. Une jonction mise à la terre répond plus rapidement mais peut créer des boucles de masse. Une jonction non mise à la terre est isolée mais plus lente.
• Isolation : oxyde de magnésium, billes de céramique ou autres matériaux haute température qui empêchent les fils de se court-circuiter entre eux ou avec la gaine.
• Gaine de protection : acier inoxydable, Inconel ou céramique. La gaine doit résister à l’atmosphère, à la pression et aux vibrations mécaniques du processus.
• Connecteur ou émetteur : maintient la polarité, fournit une compensation de soudure froide et convertit le signal millivolt en une sortie 4-20 mA ou numérique.

La mise à la terre est une source fréquente de problèmes. Une jonction mise à la terre offre un excellent contact thermique, mais si la gaine touche une surface électriquement sous tension, le circuit de mesure peut capter du bruit ou même endommager l'entrée. Une jonction sans mise à la terre coûte un peu en termes de vitesse de réponse, mais permet souvent d'économiser des heures de dépannage.

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Tapezs de thermocouples courants et où ils s'adaptent

La sélection du type dépend de la plage de température, de l'atmosphère, de la précision et du coût. Le tableau ci-dessous donne un point de départ pratique pour les thermocouples en métaux communs et en métaux nobles les plus courants.

Les valeurs de sensibilité sont approximatives à température ambiante et varient en fonction de la température de jonction de référence.

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Compensation des soudures froides en quatre étapes pratiques

La compensation de soudure froide semble mathématique, mais la mise en œuvre sur le terrain est simple. L'objectif est de faire croire à l'instrument que la soudure froide est toujours à 0°C, même si les terminaux se trouvent en réalité dans une armoire chaude ou une enceinte extérieure froide.

1. Mesurez la température du terminal. Le transmetteur utilise une thermistance, un RTD ou un capteur de température intégré monté à proximité des bornes où les fils du thermocouple se connectent.
2. Convertissez cette température en une tension équivalente. À l’aide du tableau standard du thermocouple, l’instrument calcule combien de millivolts la soudure froide générerait s’il s’agissait de la soudure chaude.
3. Ajoutez la tension de compensation. La tension mesurée par le thermocouple est ajoutée à la tension de soudure froide équivalente pour obtenir la tension totale qui correspond à la température réelle de soudure chaude.
4. Linéariser et sortir. L'instrument applique une recherche polynomiale ou tabulaire pour convertir la tension totale en température, puis envoie 4-20 mA, HART ou une valeur numérique au système de contrôle.

Un bain de glace est la référence classique en laboratoire pour 0°C, mais il est peu pratique pour la plupart des plantes. La compensation électronique est désormais la norme. La seule règle qui ne change jamais est que les rallonges et les borniers doivent correspondre au type de thermocouple. Le fil de cuivre ne peut pas transporter un signal de thermocouple sans créer une nouvelle jonction non compensée.

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Erreurs courantes qui font que les bons thermocouples sont mal lus

La plupart des problèmes de thermocouple ne sont pas causés par le capteur lui-même. Ils proviennent d’un mauvais câblage, d’une mauvaise installation ou d’une compensation manquante. Le tableau ci-dessous associe les plaintes sur le terrain les plus fréquentes à des solutions pratiques.

Une vérification rapide avec une source de température connue révèle souvent si l'erreur provient du capteur, du câblage ou de la configuration du transmetteur.

Notes de sélection et de sécurité avant l'installation

Commencez par la température du processus, pas par le type de thermocouple. Ajoutez ensuite l'atmosphère, la précision requise, le temps de réponse et la protection mécanique. Un capteur de type K dans une gaine en acier inoxydable peut être parfait pour un conduit de fumées, mais il peut rapidement tomber en panne en atmosphère réductrice ou au contact de certains métaux en fusion.

• Confirmez le type de thermocouple, le calibre du fil, le style de jonction et le matériau de la gaine par rapport à l'environnement réel.
• Éloignez le câblage du thermocouple des câbles d’alimentation. Le signal millivolt est facile à corrompre.
• Utilisez la rallonge et les borniers appropriés. Un bornier en cuivre crée une jonction indésirable.
• Dans les zones dangereuses, utilisez un transmetteur ou une barrière intrinsèquement sûr et suivez la classification de la zone.
• N'oubliez pas qu'une gaine chaude peut brûler. Prévoyez un temps de refroidissement avant la maintenance et ne supposez jamais qu'un thermocouple est hors tension simplement parce qu'il génère son propre signal.

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Un thermocouple est un appareil simple avec une chaîne de mesure exigeante. Deux métaux différents créent une tension, mais cette tension ne devient une lecture de température fiable que lorsque la soudure froide est compensée, que les fils correspondent au type et que la gaine s'adapte au processus. Si vous gardez ces trois conditions à l'esprit, la plupart des installations de thermocouples seront précises, reproductibles et durables.