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10 pages à l'impression
version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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capteurs de température

deuxième partie (2/7)

générateurs thermoélectriques
ou thermocouple
les principaux thermocouples
le tableau
questions pratiques
les difficultés d'emploi
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générateurs thermoélectriques

Les principes de la thermoélectricité sont développés par ailleurs, nous rappelons simplement ci-dessous le montage de base d'un thermocouple constitué fondamentalement de deux conducteurs métalliques A et B de nature différente..L'effet Seebeck étant généralement mal traité voire présenté de manière totalement erronée dans les manuels de physique, nous conseillons vivement au lecteur de lire, dans ce site le chapitre sur la thermoélectricité dans le module physique/couche mince/propriétés électriques.


Fig. couple thermoélectrique

Le générateur thermoélectrique fournit une ddp (entre a et f) directement exploitable à l'entrée d'un amplificateur et fonction de la différence de température entre la jonction dite de mesure (appelée aussi soudure chaude) et celle de référence (appelée aussi soudure froide) supposée connue. Leur principal intérêt résulte de la plage de température exploitable (un couple Pt/Pt-Rh peut être utilisé entre 0 et 1600K ) et leur bonne reproductibilité d'un capteur à l'autre. Par contre, ils possèdent des inconvénients: non linéarité, faible amplitude du signal, sensibilité aux bruits, nécessité d'une compensation de soudure froide.

Notons que l'insertion d'un autre conducteur C dans le circuit thermoélectrique ne modifie en rien la ddp entre a et f dès lors que les jonctions d et c sont à une même température. Il est ainsi possible d'assurer la liaison entre un thermocouple et un instrument de mesure distant via un conducteur ordinaire de coût sensiblement moindre que les éléments constitutifs de A et de B.

La figure ci-dessous montre ainsi une réalisation industrielle associant à l'intérieur de la gaine de protection du thermocouple des circuits de compensation. La zone en pointillé peut avoir une très grande longueur, tandis que la partie gauche constitue la sonde proprement dite dont l'extrémité sera soumise à la température à contrôler.


Fig. corps de sonde thermoélectrique industrielle

les principaux thermocouples

Nous donnons ci-dessous un tableau donnant les principales caractéristiques des thermocouples effectivement utilisés industriellement.Les thermocouples sont généralement désignés par une lettre on parle ainsi d'un couple de type J pour indiquer qu'il s'agit d'un thermocouple dont les deux constituants sont le fer et le constantan, tandis que JP indiquera le conducteur fer repéré par ailleurs par la couleur de sa gaine de protection. Ainsi que le montre la figure une troisième connexion médiane peut-être exploitée c'est celle qui est repérée avec le suffixe X dans le tableau (JX dans le cas du fer-constantan) tandis que J correspond plutôt à la masse.

Questions pratiques:

En milieu industriel on entend souvent dire que les thermocouples ont un inconvénient très génant c'est qu'ils dérivent, ce qui implique un réétalonnage fréquent. Qu'en est-il réellement?

Comme le montre les figures et tableaux ci-dessus en milieu industriel un thermocouple est souvent intéressant en tant que capteur de température parce qu'il fonctionne sur une large gamme de température et le couple platine-platine rhodié sera une solution pratique dès lors qu'on veut gérer des températures supérieures à quelques centaines de degré. Dans ce cas le couple fait partie d'une canne thermométrique permettant une fixation rigide sur la paroi du four (ou du réacteur) dont on veut connaitre la température. Pour des raisons tant pratique qu'économique cette canne est de longueur généralement limitée à quelques dizaines de centimètres tout au plus.

Dès que la température atteint quelques centaines de degré on assiste à un phénomène bien connu de diffusion des atomes d'un métal du couple vers l'autre, diffusion qui sera d'autant plus favorisée que, d'une part, la température est élevée et que, d'autre part, les deux métaux sont susceptibles de former des solutions solides, c'est à dire que l'on a affaire à des atomes qui peuvent aisément se substituer l'un à l'autre dans le réseau cristallin. Ainsi dans le couple platine-platine rhodié il est clair que les atomes de rhodium vont aisément diffuser du côté platine pur. Tant que ce phénomène d'interdiffusion reste localisé à proximité de la soudure chaude dans une zone dont la température reste identique à celle de la soudure chaude ce phénomène n'a pas de conséquence pratique, puisque la zone concernée n'est alors pas le siège d'un effet Seebeck parasite. Mais si la canne thermométrique est relativement courte, il est alors clair qu'elle va être soumise à un important gradient de température puisque la paroi extérieure du four est à température sensiblement différente de l'intérieur et dans ce cas il devient possible et même probable que la zone où l'interdiffusion a pris naissance ne se trouve plus à une température homogène et dans ce cas un effet Seebeck d'amplitude inconnue va s'ajouter (ou se retrancher) à celui du thermocouple parfait provoquant donc une erreur sur la lecture de la température.

Précisons que ces phénomènes d'interdiffusion sont lents mais qu'ils prennent naissance dès des températures relativement basses: ainsi dans un échantillon d'alliage Au/Ni initialement homogène le rédacteur de ce site a pu mettre en évidence un tel phénomène dès 120°C et lors d'une étude de très longue durée (3 ans) il a pu constater le déplacement par gravité de l'ensemble des atomes d'or vers le bas à tel point que le matériau s'est retrouvé constitué de deux couches superposées d'or et de nickel quasiment purs (la densité de l'or est un peu plus de deux fois plus élevée que celle du nickel).

Dans ce cas la seule solution est soit de changer le thermocouple pour un neuf, soit de réétalonner. Mais le réétalonnage (ce qui est un abus de langage dans ce cas) n'est pas une opération aisée. En effet si l'on place la canne thermométrique dans des conditions dites d'étalonnage, c'est à dire dans un environnement à température définie et parfaitement homogène elle ne sera pas le siège d'effet Seebeck parasite et son signal de sortie sera celui d'un couple neuf. Donc ce n'est pas cette procédure d'étalonnage standard qui convient. On doit dans les conditions normales de fonctionnement du four substituer le couple âgé par un couple neuf et corriger l'échelle de lecture de l'enregistreur: pour une température correcte indiquée par le couple neuf on repère la fem générée par le couple âgé et on affecte à cette fem la valeur de température indiquée par le couple neuf. La difficulté pratique de cette substitution est que l'on ne peut avoir simultanément les indications des deux thermocouples puisqu'ils doivent être "substitués" et qu'on ne peut donc jamais être absolument certain d'être dans les deux manips successives rigoureusement dans les mêmes conditions thermiques.

Le conseil que l'on peut donc donner c'est de bien choisir la longueur de la canne thermométrique interne au four, de choisir avec soin son implantation dans le four pour limiter au mieux l'effet des gradients importants à l'intérieur du four. Et de choisir de préférence un thermocouple dont la limite supérieure d'emploi est la plus éloignée possible de la température effective. Ainsi si l'on veut travailler à 800°C on choisira de préférence un thermocouple platine-platine rhodié (limite 1700°C) plutôt qu'un thermocouple chromel-constantan (limite 870°C).