Précautions d'emploi
Précision de la mesure
Il est indispensable d'utiliser des moyens de mesure de tension sensibles et de grande précision
| Type de Thermocouple | Coefficient de Seebeck à 25 °C (µV/°C) |
Sensibilité pour 0.1°C (µV) |
|---|---|---|
| E | 61 | 6.1 |
| J | 52 | 5.2 |
| K | 40 | 4.0 |
| R | 6 | 0.6 |
| S | 6 | 0.6 |
| T | 41 | 4.1 |
Pour un thermocouple très utilisé, comme le type K, le voltmètre doit avoir une précision de 4 µV pour détecter une variation de 0,1 °C. Ce qui veut dire que le voltmètre doit avoir une résolution d'au moins 0,4 µV (dix fois plus faible que la précision demandée) pour pouvoir garantir, avec justesse et récurrence, la précision nécessaire.
C'est encore plus nécessaire pour les voltmètres utilisés avec les thermocouples de type R ou S qui, pour détecter une variation de 0,1 °C, doivent avoir une résolution d'au moins 0,06 µV.
Réjection du bruit, filtrage et techniques de "garde"
Ces grandes résolutions demandent à ce que les moyens de mesures employés soient équipés de systèmes de réjection de bruits électriques perfectionnés et efficaces. On peut utiliser un système de filtrage analogique qui réduit énormément les interférences et les bruits parasites mais induit un temps de réponse plus important. En principe, les variations de températures étant lentes, ceci n'a que très peu d'inconvénients.
Les convertisseurs analogiques numériques utilisent la technique de l'intégration avec une période plus petite que celle de la tension alternative d'alimentation, ce qui permet d'éliminer pratiquement tous les bruits dus à l'alimentation.
Pour éviter le bruit de mode commun il est recommandé d'utiliser un voltmètre avec des entrées isolées qui, par la haute impédance entre les entrées, permet la réjection du bruit de mode commun.
Un meilleur moyen d'isolement et de réjection du bruit est d'utiliser un voltmètre qui, en plus des entrées isolées, comporte un point de garde (Guard), d'utiliser des câbles de liaison thermocouple blindés et de relier le blindage à la garde du voltmètre. Les interférences et les bruits seront captés par le blindage et évacués par la garde du voltmètre.
Qualité du raccordement des deux métaux
La jonction entre les deux fils d'un thermocouple peut être effectuée de plusieurs façons : soudure à l'étain, brasure à l'argent, soudure, soudure électrique, etc. Ces différents procédés limitent les températures maximum admissibles par la jonction. Une soudure, effectuée avec une température élevée, peut dégrader la qualité des matériaux et permettre la diffusion de gaz dans les métaux ; ce qui change les caractéristiques du thermocouple. Les thermocouples de bonne qualité sont soudés électriquement par décharge capacitive, ce qui, vu le coût de telles machines, n'est pas à la portée de l'amateur.
Décalibration
La « décalibration » est un phénomène critique, la lecture de la température semblant correcte. La décalibration est, entre autres, le résultat de la diffusion de particules atmosphériques ou métalliques dans les métaux des thermocouples, principalement causé par de hautes températures.
Une autre cause de décalibration provient d'un défaut d'isolement des fils du thermocouple entre-eux ou par rapport au milieu dans lequel il est plongé. En fonction de l'endroit où se situe le ou les défauts d'isolement, la température indiquée ne sera pas celle du bain de métal (500 °C) mais soit celle de l'endroit du défaut, soit une « moyenne » entre gradients de température des défauts.
Jonction virtuelles
Les isolements entre fils peuvent être dégradés par usure ou par la température, provoquant des « jonctions virtuelles ». Dans certains cas il est difficile de détecter de tels défauts car la jonction virtuelle est suffisante pour créer une continuité du circuit. Ces jonctions virtuelles provoquent des mesures erronées.
Précautions à prendre
- Utiliser le « bon » calibre de fils pour ne pas « pomper » la chaleur de la zone à mesurer.
- Utiliser des fils fins uniquement dans la zone à mesurer et les prolonger par des fils de plus gros calibre en dehors de la zone à gradient de température.
- Éviter les contraintes et les vibrations.
- Utiliser des liaisons torsadées blindées.
- Éviter les gradients de température.
- Utiliser le bon type de thermocouple en fonction des plages de températures à mesurer.
Quelques considérations sur les thermocouples
Au fil des années, de nombreux types de thermocouples ont été développés pour résoudre des problèmes de mesure.
Métal « noble »
Les thermocouples en métal « noble », types B, R, et S, à base de platine ou les thermocouples platine/platine-rhodium partagent des caractéristiques similaires.
Diffusion
La diffusion de vapeur métallique à températures élevées peut changer le calibrage des fils de platine, par conséquent, ils ne devraient être employés qu'à l'intérieur d'une gaine non métallique telle que la céramique de grande pureté. Une exception à cette règle est une gaine elle-même en platine, mais cette option est prohibitivement coûteuse.
Stabilité
Les couples à base de platine sont, de loin, les plus stables de tous. Le type S est si stable qu'on l'emploie comme « étalon » pour le calibrage de la température entre le point de solidification de l'antimoine (630,74°C) et celui de l'or (1064,43°C).
Type B
Le thermocouple B est le seul thermocouple commun qui montre une ambiguïté de double évaluation. (Voir Type B)
Les thermocouples de métal non « précieux »
À la différence des thermocouples en métal noble, les couples de métal non précieux n'ont aucune composition chimique bien précisée. On peut employer n'importe quelle combinaison des métaux qui fait que les résultats de la courbe de température est dans les limites des erreurs standard. Ceci mène à quelques combinaisons plutôt intéressantes. Le Constantan, par exemple, comme vu précédemment, n'est pas un alliage avec des proportions bien définies, mais un nom générique pour des alliages de cuivre-nickel.
Type E
Le thermocouple du type E est approprié aux mesures de basses températures en raison de son coefficient de Seebeck élevé (58 µV/°C), de sa basse conductivité thermique et de sa résistance à la corrosion. Le coefficient de Seebeck pour le type E est le plus grand de tous les thermocouples standards, qui le rend utile pour détecter de petits changements de température.
Type J
Le fer, l'élément positif dans un thermocouple J est un métal peu coûteux, mais rarement très pur. Les thermocouples J sont sujets à des dispersions de caractéristiques en raison des impuretés dans le fer. Néanmoins, le thermocouple J est populaire en raison de son coefficient de Seebeck élevé et son bas prix. Le thermocouple de J devrait jamais être utilisé au-dessus de 760°C à cause d'une transformation magnétique brusque qui peut causer la decalibration même lors du retour à de plus basses températures.
Type T
Le type T a la particularité d'avoir un fil de cuivre. Avantage important qui permet, dans des cas de surveillance de différence de température, de s'affranchir de la compensation de soudure froide en montant deux thermocouples de type T en série.
Types K et N
Le type K a toujours été un thermocouple très employé. Il convient à des mesures de température élevée grâce à sa résistance à l'oxydation. Le thermocouple du type N gagne en popularité en remplacement du type K. Il a un résultat légèrement inférieur (coefficient de Seebeck plus faible) que le type K, mais une résistance encore plus élevée à l'oxydation. La courbe de rendement de thermocouple du type N dépend de la taille de fil, et il y a deux courbes caractéristiques distinctes de Nicrosil-Nisil suivant la taille du fil