Comment fonctionne un thermocouple ?

Le capteur de température thermocouple doit son succès à sa grande polyvalence. Il permet de créer des sondes thermiques adaptées à de nombreux domaines d’application. Le fonctionnement du thermocouple se base sur un phénomène appelé effet thermoélectrique Seebeck, théorisé par le physicien du même nom. On déduit la température à partir du niveau de tension électrique généré par le changement de température au sein du thermocouple. Mais quel est exactement le mécanisme de fonctionnement des thermocouples ? Voici quelques clés pour mieux comprendre les secrets de la sonde de température et vous aider à choisir celle qui correspond à vos besoins.

Le fonctionnement des thermocouples se base sur la tension thermoélectrique

Un thermocouple est un capteur pour divers domaines (l’industrie, la chimie, l’agro-alimentaire…) et dans des milieux variés pour mesurer la température. Il contient de deux fils de métaux ou d’alliages de métaux conducteurs de différentes natures.

Le principe de fonctionnement des thermocouples

Ces fils sont reliés par deux types de soudures, le point chaud et le point froid. Le point chaud est dans la direction de l’environnement dont on veut mesurer la température. La soudure chaude a souvent une protection par une gaine en métal. Afin d’éviter qu’elle se dégrade par le milieu dans lequel elle se trouve. Le point froid doit quant à lui rester à une température connue. Durant la prise de température, la soudure froide peut se maintenir à une température précise via un mécanisme de réfrigération. Il est aussi possible de mesurer sa température puis d’effectuer un calcul différentiel.

Lorsque le point chaud du thermocouple est exposé à la chaleur ou au froid, la densité électronique de chaque fil métallique est modifiée. Les variations de température induisent en effet une dynamisation des électrons, ils vont alors se déplacer vers le côté le plus froid des fils conducteurs. On utilise du matériel de mesure pour évaluer cette force électro-motrice. Il mesure le courant entrant dans le boîtier enregistreur aux extrémités de chacun des deux fils. Certains appareils affichent le voltage, d’autres affichent la température calculée selon les spécificités du thermocouple.

Les précautions à prendre pour un fonctionnement optimal des thermocouples

Si les deux fils métalliques sont soudés, et non entremêlés par exemple, c’est pour garantir le maintien du contact malgré les conditions extérieures telles que les vibrations. Il existe plusieurs techniques de jonction : soudure à l'étain, brasure à l'argent, soudure électrique, etc. La soudure ne doit pas être réalisée à une température trop élevée afin de ne pas altérer les fils d’alliage, ce qui modifierait le fonctionnement du thermocouple.

Étant très faible, il peut arriver que des interférences électriques pertubent le signal du thermocouple. Un moteur bruyant situé à proximité de la sonde de température pourra aussi gêner le fonctionnement du thermocouple et ainsi fausser les résultats. Il peut alors être nécessaire de le calibrer à nouveau.

Il est essentiel d’utiliser le bon type de thermocouple et un gainage adapté au milieu à mesurer. Un phénomène de décalibrage peut se produire lorsque des éléments extérieurs comme une température trop élevée provoquent la diffusion de particules métalliques dans les métaux du thermocouple. Le décalibrage peut aussi provenir d’une usure de la gaine isolante, provoquant un contact entre les deux fils.

Comment choisir son thermocouple ?

Le choix des thermocouples dépend de la plage de mesure de températures en degrés Celsius du milieu à mesurer et du temps de réponse attendu.

La plage de température et le temps de réponse visés

En théorie, toutes sortes d’alliages de métaux peuvent être associés pour former un thermocouple. Cependant, 8 types de thermocouples sont majoritairement utilisés. Ils font l’objet d’une norme européenne et figurent dans un classement selon les combinaisons de métaux qui les composent. Les types J, K, T et E sont les plus courants grâce à leur prix modéré et leurs multiples applications. Ils permettent une mesure de températures élevées. Les thermocouples de types R, S et B sont utilisés pour mesurer des températures très élevées. Ils contiennent des métaux nobles, d’où un prix d’achat supérieur.

Pour éviter les faux résultats, il est essentiel d’utiliser le type de thermocouple adéquat selon son application. En effet, chacun de ces types dispose de caractéristiques propres, comme la plage de mesure de température offrant un fonctionnement du thermocouple optimal. Pour obtenir les données les plus précises possible, ont fait donc concorder la plage de température à mesurer avec la plage optimale du type de thermocouple. Certains métaux offrant une résistance particulière sont à utiliser pour des milieux spécifiques (acides, basiques, à forte pression…).

Le temps de réponse varie en fonction du type de jonction à l’extrémité du thermocouple. Dans le cas de la jonction exposée, la jonction n’est pas dans la gaine de protection. Le contact avec le milieu étant direct, le temps de réponse est donc rapide.

La compatibilité avec le domaine d’application

Lorsque vous choisissez un capteur pour sonde de mesure, vous devez tout d’abord définir les variables que vous voulez mesurer. Vous avez par exemple la possibilité d’opter pour un capteur d'humidité et de température. Vous pouvez choisir un transmetteur programmable afin de configurer les paramètres souhaités.

Pour sélectionner une sonde électronique, il est préférable de choisir un appareil de mesure facile à manipuler par les utilisateurs et adapté à l’environnement. Par exemple, éteindre les écrans LCD des sondes au-delà d’une température extérieure de 70 °C est une recommandation. Pour surveiller la température avec contact et à distance, vous pouvez choisir un appareil combinant thermomètre infrarouge et thermocouple.

Parmi les capteurs les plus utilisés, il existe également les thermistances. Ces capteurs fonctionnent sur un principe proche de celui du thermocouple puisqu’ils réagissent aux variations de température en modifiant leur résistance. Les thermistances sont soit CTN (à coefficient de température négatif), soit CTP (à coefficient de température positif). Ces deux types de thermistances dépendent des matériaux à partir desquels ils sont conçus.