Les thermocouples
Dans un circuit fermé constitué de deux conducteurs de nature différente, il circule un courant lorsqu'on maintient entre les deux jonctions une différence de température.
Ce phénomène est en relation avec les trois effets thermoélectriques dans les métaux :
Thomas Johann Seebeck (1770-1831) est le premier à avoir mis en évidence les effets thermoélectriques de production de courants qui se manifestent dans un circuit constitué de deux métaux dont les deux soudures se trouvent à des températures différentes. Il ne manqua pas de noter le phénomène provoqué par une différence de température le long d'un conducteur homogène ; phénomène qui sera redécouvert trente ans plus tard par William Thomson et qu'on appellera Effet Thomson.
Jean Charles Athanase Peltier, physicien français (1785-1845), abandonne la profession d'horloger à l'âge de trente ans pour se consacrer à la recherche en physique ; il est connu pour sa découverte en 1834 de l'effet Peltier : lorsqu'un courant électrique passe dans une jonction de deux conducteurs de métaux différents, on observe une augmentation ou une baisse de température selon le sens du courant ; la quantité de chaleur dégagée ou absorbée étant proportionnelle à l'intensité du courant. C'est, en quelque sorte, l'inverse de l'effet Seebeck. Le passage d'un courant peut donc absorber de la chaleur ; on utilise cet effet dans certains petits réfrigérateurs ou pour le refroidissement de circuits électriques.
Découvert par lord Kelvin (alors sir William Thomson) - mais déjà noté par Seebeck -, qui en a reconnu l'existence par expérience après l'avoir démontré théoriquement. C'est une sorte d'effet Peltier, mais entre des portions contiguës d'un même barreau de métal. L'effet Thomson se rapporte à la production - ou à l'absorption - de chaleur provoquée par le passage d'un courant dans une portion de conducteur, en présence d'une différence de température entre les extrémités du tronçon.
Il est utilisé pour la réalisation de sondes thermométriques très précises. La force électromotrice qui apparaît dans le circuit dépend de la nature des deux conducteurs et des températures des deux jonctions: celles-ci sont appelées respectivement :
Jonction de l'ensemble thermocouple soumis à la température à mesurer : c'est la jonction Capteur.
Jonction de l'ensemble thermocouple maintenu à une température connue ou à 0 °C : c'est la jonction Référence.
Le thermocouple le plus précis est constitué de platine et d'un alliage platine + 10% de rhodium (couple Le Chatelier); la sensibilité est de l'ordre de 10 microvolts par degré. D'autres couples métalliques fournissent jusqu'à 70 microvolts par degré, mais les jonctions entre des corps tels que tellure ou bismuth, ainsi que les couples formés de cristaux de germanium dopés n et p, délivrent des forces électromotrices beaucoup plus considérables; ils sont toutefois difficilement manipulables. Le thermocouple le plus réfractaire (utilisable jusqu'à 2 800 °C) est formé de tungstène et d'un alliage de tungstène et de 26% de rhénium. Dans le domaine cryogénique, on peut atteindre 1 K (environ) avec certains couples, formés, par exemple, d'alliages or-cobalt
Historique
En 1822-1823, Thomas Seebeck décrit, dans un mémoire à l'Académie des sciences de Prusse, un phénomène qui correspond bien à la découverte du courant thermoélectrique se produisant dans un circuit fermé, formé de conducteurs différents et dont les jonctions sont à des températures différentes. L'explication par Seebeck de ce phénomène est erronée, mais les classements de matériaux qu'il a établis en fonction de ce que, actuellement, on nomme le pouvoir thermoélectrique sont tout à fait corrects. Seebeck ne manque pas de noter le phénomène provoqué par une différence de température le long d'un conducteur homogène; ce phénomène sera redécouvert trente ans plus tard par William Thomson. Vers 1834, Jean Charles Athanase Peltier publie dans les Annales de physique et chimie un article sur les anomalies de température observées aux jonctions de conducteurs de nature différente. Les expériences de Peltier sont confirmées, en 1838, par Antoine-César Becquerel et surtout Heinrich Lenz, mais les explications de Peltier concernant le phénomène découvert sont incorrectes. Il faut attendre 1857 pour avoir, avec Thomson, une vue d'ensemble convenable des trois effets thermoélectriques (effet Peltier, effet Seebeck et effet Thomson) et une formulation encore admise aujourd'hui. Le calcul des propriétés des circuits thermoélectriques a été, pour la première fois, effectué d'une manière satisfaisante par E. Altenkirch en 1909.
Les thermocouples il y a un siècle et plus
Explications Générales
Lorsque deux fils composés de métaux différents sont raccordés à leurs extrémités et que l'une d'elles est chauffée, il se produit une circulation de courant continu dans le circuit. C'est l'effet Thermoélectrique.
Circuit coupé et en chauffant la jonction des deux métaux différents A et B, une tension eAB apparaît ; elle est fonction de la température de la jonction et de la composition des deux métaux.
Tous les métaux dissemblables présentent cet effet.
| Type | Métal A (+) | Métal B (-) | Limites théoriques | Coef. Seebeck α (µV/°C) à T°C | Erreur standard | Erreur Mini |
|---|---|---|---|---|---|---|
| B | Platine 30% Rhodium | Platine 6% Rhodium | 0 à 1820°C | 5,96 µv à 600°C | 0,5% | 0,25% |
| E | Nickel 10% Chrome | Constantan | -270 à 1000°C | 58,67 µV à 0°C | 1,7% à 0,5% | 1% à 0,4% |
| J | Fer | Constantan | -210 à 1200°C | 50,38 µV à 0°C | 2,2% à 0,75% | 1,1% à 0,4% |
| K | Chromel | Alumel | -270 à 1372°C | 39,45 µV à 0°C | 2,2% à 0,75% | 1,1% à 0,2% |
| N | Nicrosil | Nisil | -270 à 1300°C | 25,93 µV à 0°C | 2,2% à 0,75% | 1,1% à 0,4% |
| R | Platine 13% Rhodium | Platine | -50 à 1768°C | 11,36 µV à 600°C | 1,5% à 0,25% | 0,6% à 0,1% |
| S | Platine 10% Rhodium | Platine | -50 à 1768°C | 10,21 µV à 600°C | 1,5% à 0,25% | 0,6% à 0,1% |
| T | Cuivre | Constantan | -270 à 400°C | 38,75 µV à 0°C | 1% à 0,75% | 0,5% à 0,4% |
Normalisation
Les métaux et les alliages utilisés, aux caractéristiques éprouvées, sont normalisés au niveau international, en ce qui concerne les matériaux, les courbes de transfert, les symboles, les tolérances et les codes de couleur suivant des normes :
- CEI 584-1 (ex NF C 42-321) Tables de référence - e = f(Θ)
- CEI 584-2 (ex NF C 42-322) Tolérances
- CEI 584-3 (ex NF C 42-323) Identification des couples thermoélectriques et des câbles de compensation
- CEI 584-4 (ex NF C 42-324) Câbles d'extension et de compensation pour couples thermoélectriques . Composition , nature des matériaux , essais de fabrication.
- CEI 584-5 (ex NF C 42-325) Câbles et thermocouples dits "chemisés"
Vu les prix demandés par le site AFNOR, (Normes en ligne) pour les tables de référence, ou sur le site IEC pour la norme CEI 60584-1, je ne me suis pas procuré ces normes.
On peut trouver gratuitement les tables de référence ITS-90 (International Temperature Standard) pour les principaux types de thermocouples sur le site NIST ITS-90 Thermocouple databases.
| Type | Couleurs CEI 584-3 (+ / -) |
Couleurs NF C 42-323 1985 (+ / -) |
Plages utilisation |
Tolérances NF EN 60-584 Classe 1 |
Tolérances NF EN 60-584 Classe 2 |
|---|---|---|---|---|---|
| B | Gris / Blanc | Jaune / Gris | +600 à +1700°C | - | ±0.0025.Θ de 600 à +1700°C |
| E | Violet / Blanc | Jaune / Orange | -40 à +900°C | ±1.5°C de -40 à +375°C ±0.0004.Θ de 375 à 800°C |
±2.5°C de -40 à +333°C ±0.0075.Θ de 333 à 900°C |
| J | Noir / Blanc | Jaune / Noir | -40 à +750°C | ±1.5°C de -40 à +375°C ±0.004.Θ de 375 à 750°C |
±2.5°C de -40 à +333°C ±0.0075.Θ de 333 à 750°C |
| K | Vert / Blanc | Jaune / Violet | -40 à +1200°C | ±1.5°C de -40 à +375°C ±0.004.Θ de 375 à 1000°C |
±2.5°C de -40 à +333°C ±0.0075.Θ de 333 à 1200°C |
| N | Rose / Blanc | - | -40 à +1200°C | ±1.5°C de -40 à +375°C ±0.004.Θ de 375 à 1000°C |
±2.5°C de -40 à +333°C ±0.0075.Θ de 333 à 1000°C |
| R | Orange / Blanc | Jaune / Vert | 0 à +1600°C | ±1.0°C de 0 à +1100°C ±1+0.003.(Θ-1100) de 1100 à 1600°C |
±1.5°C de 0 à +600°C ±0.0025.Θ de 600 à 1600°C |
| S | Orange / Blanc | Jaune / Vert | 0 à +1600°C | ±1.0°C de 0 à +1100°C ±1+0.003.(Θ-1100) de 1100 à 1600°C |
±1.5°C de 0 à +600°C ±0.0025.Θ de 600 à 1600°C |
| T | Brun / Blanc | Jaune / Bleu | -40 à +350°C | ±0.5°C de -40 à +125°C ±0.004.Θ de 125 à 350°C |
±1.0°C de -40 à +133°C ±0.0075.Θ de 133 à 350°C |
Alliage de cuivre et de nickel caractérisé par une résistance électrique pratiquement indépendante de la température, et convenant donc à la construction de résistances électriques. Le cuivre et le nickel étant deux métaux parfaitement isomorphes, ils sont donc miscibles à l'état liquide en toutes proportions. La courbe des conductivités de l'alliage, en fonction de la proportion de cuivre et de nickel, présente un aspect typique avec un minimum très accentué autour du point 50%, et une croissance très rapide lorsqu'on approche des métaux purs. Dans la pratique, on utilise généralement un alliage à 60% de cuivre et 40% de nickel, d'une résistance spécifique de 0,5 Ω/mm²/m.
Ces deux métaux peuvent également former un alliage par simple diffusion sans passer par la phase liquide. L'expérience a été réalisée par Bruni, qui chauffait un fil de cuivre sur lequel avait été déposée une couche de nickel. La résistance de l'ensemble augmentait très nettement par suite de la formation du constantan.
ATTENTION : Constantan est le nom générique des alliages de cuivre et de nickel et ne donne pas un pourcentage précis des deux métaux. Le Constantan utilisé dans les thermocouples de type T (Cuivre/Constantan) n'est pas le même que celui des thermocouples de type J (Fer/Constantan).
Bien qu'ils soient donnés pour une plage théorique de 0 à 1820°C, les thermocouples de type B présentent une zone de difficulté de calcul et d'incertitude entre 0 °C et 100 °C pour laquelle la tension thermoélectrique fluctue entre -0.003 mV et +0.003 mV (0 à 50 °C) puis croît très doucement jusqu'à 0.033 mV à 100 °C. Pour pouvoir effectuer des calculs avec certitude et obtenir une précision de 1 °C dans cette zone, il serait nécessaire de disposer d'un moyen de mesure d'une résolution d'au moins 0.01 µV pour une précision de 0.1 µV, mais la table ITS-90 pour le type B ne donne qu'une précision de 1 µV.
La plage d'utilisation normalisée est de +600 à +1700°C
Les limites basses seront donc de 100 °C ou 0.033 mV pour les calculs effectués dans les pages suivantes.
Les thermocouples de type B sont communément nommés : Thermocouples 18%
Explication : 30% Rhodium (Positif) + 6% Rhodium (Négatif) égale 36% qui divisé par deux donne 18%. Merci à Laurent Dulac
Voir incertitudes des résultats par table et par calcul.
Il existe d'autres types de thermocouples, comme ceux à base de Tungstène (W) allié avec du Rhénium (Re) pour le rendre un peu plus malléable. Ils sont utilisés pour les très hautes températures dans le vide ou en atmosphère inerte. Ce sont les type C (W-5%Re/W-26%Re), type D (W-3%Re/W-25%Re) et type G (W/W-26%Re).
Pour de petits changements de température, la variation de tension est proportionnelle à la variation de température : ΔeAB = ΔαT - α est appelé: coefficient de Seebeck.
Un des thermocouples le plus utilisé est le Chromel-Alumel ou Thermocouple de Type K. Il possède une plage de mesure étendue (-100 à + 1370 °C), une force électromotrice importante (41310 µV à 1000 °C avec soudure froide à 0°C) et une courbe que l'on sait très bien linéariser pour obtenir sur toute l'étendue de mesure des précisions meilleures que 0,2%.
Alliage composé de 95% de nickel, 2% d'aluminium, 2% de manganèse et 1% de silicium.
Chromel
Alliage composé de 80% de nickel et 20% de Chrome.