Thermocouple - Principe de fonctionnement, types et applications
Figure 1 : Thermocouple
Un thermocouple est un capteur de température qui convertit l'énergie thermique en tension électrique, laquelle peut être utilisée pour déduire la température. La mesure précise de la température dans les processus industriels garantit le fonctionnement efficace et la sécurité des équipements. Cet article explore les caractéristiques, le fonctionnement, les types et les applications d'un thermocouple.
Table des matières
- Fonctionnement du thermocouple
- Caractéristiques
- Matériaux et types
- Applications
- Limites
- Utilisation d'un doigt de gant avec un thermocouple
- FAQ
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Fonctionnement du thermocouple
Un thermocouple est un capteur permettant de mesurer la température. Il se compose de deux fils de métaux différents (Figure 2 étiquetée B et C) reliés à une extrémité. Lorsque la jonction des deux fils est chauffée, une tension est générée entre les extrémités libres des fils. La tension générée est proportionnelle à la différence de température entre la jonction des fils et leur extrémité libre.
Figure 2 : Fonctionnement du thermocouple : soudure chaude (A), fil de type 1 (B), fil de type 2 (C), soudure froide (D) et voltmètre (E).
Processus de mesure
Pour mesurer la température à l'aide d'un thermocouple, une extrémité est placée à l'endroit où la température sera mesurée (la jonction chaude, Figure 2 étiquetée A), et l'autre est placée à une température de référence connue (la jonction froide, Figure 2 étiquetée D). La tension générée par le thermocouple est alors mesurée (figure 2 étiquetée E), et la température à la jonction chaude peut être calculée à l'aide d'une table d'étalonnage. La tension générée par un thermocouple est très faible, généralement quelques millivolts seulement, de sorte qu'un amplificateur de thermocouple est souvent utilisé pour amplifier le petit signal de tension provenant du thermocouple à un niveau facilement mesurable.
Figure 3 : Processus d'étalonnage et de documentation des thermocouples
Caractéristiques
Les thermocouples peuvent mesurer une large gamme de températures, de très froides à extrêmement chaudes. Ils peuvent réagir rapidement aux changements de température. Ils conviennent donc parfaitement aux applications nécessitant des mesures rapides de la température.
Matériaux et types
Les thermocouples sont classés en différents types en fonction des matériaux utilisés dans leur construction. Ces matériaux déterminent la plage de température, la précision et le coût du thermocouple.
Tableau 1 : Types de thermocouples en fonction de leurs matériaux
| Type | Élément thermoélectrique | Plage de température (𐩑C) | Plage de température (𐩑F) |
| B | Platine (6% de rhodium)/Platine (30% de rhodium) | 1370 à 1700 | 2498 à 3092 |
| E | Chromel/Constantan | 0 à 870 | 32 à 1598 |
| J | Fer/Constantan | 0 à 760 | 32 à 1400 |
| K | Chromel/Alumel | 0 à 1260 | 0 à 2300 |
| N | Nicrosil/Nisil | 0 à 1260 | 0 à 2300 |
| R | Platine (13 % de rhodium)/platine | 870 à 1450 | 1598 à 2642 |
| S | Platine (10 % de rhodium)/platine | 980 à 1450 | 1796 à 2642 |
| T | Cuivre/Constantan | -200 à 350 | 328 à 662 |
Applications
Les thermocouples sont utilisés pour mesurer la température dans diverses applications en raison de leur large plage de température, de leur durabilité et de leur simplicité.
- Contrôle des processus industriels : Contrôler la température des processus industriels, tels que les réactions chimiques, les fours et les étuves.
- Recherche scientifique : Les mesures à haute température sont utilisées dans la recherche en physique, l'ingénierie aérospatiale, la science des matériaux et la surveillance de l'environnement.
- Applications résidentielles et commerciales : Appareils et équipements courants, tels que thermostats, chauffe-eau, fours et cuisinières, systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation et chaudières industrielles
- Mesure générale de la température : Contrôle de la température des liquides, des gaz et des solides, mesure des gradients de température, enregistrement des données de température dans le temps et contrôle des processus sensibles à la température.
Par exemple, dans une aciérie, les thermocouples contrôlent la température des fours qui chauffent l'acier à haute température avant qu'il ne soit façonné en divers produits. Un contrôle précis de la température est essentiel dans ce processus pour garantir la qualité et les propriétés de l'acier. Des thermocouples sont insérés dans les parois du four ou dans l'acier en fusion pour mesurer la température. La tension générée par les thermocouples est ensuite transmise à un système de contrôle qui ajuste l'alimentation en combustible du four afin de maintenir la température souhaitée.
Figure 4 : Thermocouple dans un appareil de chauffage
Limites
Les thermocouples sont sensibles au bruit électrique, qui peut perturber leur fonctionnement. Ce problème peut être atténué en utilisant des câbles blindés et en mettant le thermocouple à la terre de manière appropriée.
Utilisation d'un doigt de gant avec un thermocouple
Doigt de gant
Un doigt de gant est un dispositif cylindrique conçu pour protéger les dispositifs de mesure de la température, tels que les thermocouples, lorsqu'ils mesurent la température dans des environnements industriels difficiles. Le doigt de gant est une barrière protectrice qui sépare le thermocouple du liquide et isole le liquide de l'environnement extérieur. Cela permet de protéger le capteur de température des conditions difficiles du processus, de prévenir la contamination et de faciliter le remplacement du capteur.
Quand utiliser un doigt de gant ?
La nécessité d'un doigt de gant pour une application donnée dépend de plusieurs facteurs.
- Conditions du processus : Si le fluide de traitement est corrosif, érosif ou sous haute pression, un doigt de gant est nécessaire pour protéger le thermocouple contre les dommages.
- Plage de température : Si la température du processus est élevée ou fluctue rapidement, un doigt de gant peut contribuer à améliorer la précision du thermocouple.
- Considérations relatives à l'entretien : Si le thermocouple doit être remplacé fréquemment, un doigt de gant peut faciliter ce processus et le rendre moins perturbant.
- Coût : Les doigts de gant peuvent être plus coûteux que les thermocouples, il est donc important de peser le coût du doigt de gant par rapport à ses avantages.
Un doigt de gant peut ne pas être nécessaire si l'environnement est bénin et si le capteur ne nécessite pas d'entretien ou de remplacement fréquent. Par exemple, un doigt de gant n'est généralement pas nécessaire dans un chauffe-eau résidentiel car l'environnement est moins rude, avec des températures modérées et de l'eau potable non corrosive, ce qui présente un risque minime pour le thermocouple. Cependant, un doigt de gant est souvent nécessaire dans une usine de traitement chimique en raison des produits chimiques corrosifs, des pressions élevées et des températures qui pourraient endommager un thermocouple.
Figure 5 : Doigt de gant
Lisez notre article sur les thermomètres bimétalliques pour plus de détails sur le fonctionnement et la conception des thermomètres bimétalliques.
FAQ
Quelle est la différence entre un doigt de gant et un thermocouple ?
Dans la comparaison "gaine thermométrique/thermocouple", un thermocouple est un capteur de température, tandis qu'une gaine thermométrique est un manchon de protection conçu pour protéger un capteur de température des écoulements de fluides, des hautes pressions et des environnements corrosifs.
