Sonde de température Thermocouple, définition & fonctionnement que faut-il savoir ?

Comment mesure-t-on la température avec un thermocouple ?

La mesure de la température par thermocouple se base sur l’effet Seebeck. Ce dernier dispose de deux éléments électriquement conducteurs faits de matériaux différents avec une soudure (soudure thermique) entre eux. La norme IEC60584.1 (BS EN60584.1) définit la différence de potentiel et les valeurs de tolérance maximales pour les thermocouples.

Les thermocouples : deux groupes de métaux

Les thermocouples se divisent en deux groupes : les métaux de base et les métaux précieux. Les sonde de type E, J, K, N et T se classent plutôt dans de groupe des métaux standards. Ils sont les plus courants car ils sont relativement moins chers que les autres. Les thermocouples B, R, S sont en métaux précieux. De plus, la durée de vie des thermocouples en métal de base est difficile à prévoir car elle dépend de la température de fonctionnement. Cependant, le diamètre du fil et le cycle de production où l’oxydation est la principale source d’erreur. En règle générale, la durée de vie est réduite de moitié pour chaque tranche de 50°C au-dessus de 500°C. 

De plus, il est important de sélectionner une isolation, une gaine de protection et des thermocouples adaptés à l’environnement pour éviter les problèmes d’usure liés à la corrosion dans tout le spectre atmosphérique. Pour les thermocouples à métaux rares, la principale limitation est l’apparition de particules. Soit la volatilisation, qui peut entraîner des dysfonctionnements, et la contamination, qui entraîne des erreurs de mesure.

Pourquoi un thermocouple tombe en panne et quelles précautions prendre lors de l’utilisation de ce type de sondes ?

Les thermocouples se destinent à de nombreuses applications différentes. Cependant, il y a certaines choses à considérer lors de l’installation. Ceux-ci affectent le bon fonctionnement. 

Différence de température

Du fait que les thermocouples mesurent leur propre température, il est important que la jonction métallique qu’ils mesurent soit à la même température que l’environnement ou le processus qu’ils tentent de contrôler.

Mise en place de la sonde thermocouple

Le métal est un conducteur de chaleur. Lors de l’immersion dans l’eau, il est impératif d’immerger le capteur à une profondeur de 10 fois le diamètre de la gaine pour des lectures plus précises.

Choc thermique de la sonde thermocouple

Lorsque le thermocouple va dans des processus à haute température, il est préférable de préchauffer le thermocouple progressivement pour éviter les fissures dues au choc thermique. L’environnement autour du thermocouple doit être exempt d’huile, de soufre et de phosphore pour éviter une détérioration rapide du thermocouple.

Fils conducteurs des thermocouples

Les thermocouples se composent de fils négatifs et positifs. Il est important de noter le codage couleur pour maintenir la polarité du connecteur lors de l’installation. Utilisez toujours des câbles de rallonge ou de compensation avec le même codage que les thermocouples à installer.
Ci-dessous un tableau non exhaustif récapitulant les avantages et les inconvénients des thermocouples et des sondes RTD.

Code couleur des thermocouples

Anatomie d’une sonde de température : vue éclatée sonde de température

Éléments clés d’une sonde de température sont formées de plusieurs éléments interconnectés. Les industries où l’application des sondes de température est essentielle pour le processus, déterminent le type de sondes nécessaires et les combinaisons d’éléments pour la construction de la sonde.

Isolation minérale dans Thermocouples

Il offre également une meilleure isolation électrique (résistive et capacitive) comparé à l’air, ce qui rajoute une immunité aux bruits électromagnétiques. Les paires de fils s’enveloppent dans une gaine métallique en acier inoxydable, Inconel, AISI 310, AISI321, Nicrobel ou Platine, compressé avec de l’oxyde de magnésium qui offre une excellente isolation électrique résistive et capacitive entre les éléments conducteurs et les fils.

La stabilité de la force électromotrice des thermocouples est caractérisée par le fait que le conducteur dispose d’une protection complète contre l’action des gaz et autres éléments environnements. Ces conditions environnementales provoquent normalement l’oxydation et la dégradation de la force électromotrice générée. Les thermocouples à isolation minérale présentent certains avantages par rapport aux traditionnels :

Bonne stabilité et durabilité
Excellent temps de réponse lors de la mesure de la température
Peut être formé à froid manuellement dans n’importe sens
Disponible en diamètres standard de 0,25 à 10,8mm
Grande résistance mécanique et à l’usure
Haute immunité aux interférences électromagnétiques

Comment choisir une sonde de température? 

L’écart de température

Différentes catégories de sondes de température sur le marché ont des plages de température dans lesquelles elles fonctionnent bien et l’exposition à cette plage de température n’endommagera pas divers éléments de la sonde. Les applications avec des températures supérieures ou inférieures aux valeurs standards peuvent causer des dommages continus, rendant la sonde irréparable ou raccourcissant la durée de vie de cet appareil.

Le facteur Température maximale

L’exposition de la sonde à des températures supérieures à cette plage peut affecter sa durabilité et son bon fonctionnement.

La facteur temps de réaction

Le temps de réponse en température d’un capteur est le temps qui s’écoule entre un changement de température dans le milieu et le temps qu’il faut au capteur pour refléter ce changement de température. Il existe de nombreux facteurs tels que le type de sonde, la gaine, le matériau isolant et d’autres composants physiques. Les processus avec des changements de température rapides doivent utiliser des sondes avec des temps de réponse réduits. Sinon, les fluctuations de température ne seront pas détectées correctement. Les changements de température ne sont pas reconnus correctement.

L’exactitude et précision, un facteur déterminant

La précision et l’exactitude des sondes de température ont significations distinctes. La précision est le degré de correspondance entre les mesures enregistrées. L’exactitude fait référence au degré de correspondance entre les valeurs de la sonde sous test et la valeur réelle/nominale de la température de référence (celle d’un étalon par exemple). Les différents besoins en matière d’exactitude et de précision permettent de définir la meilleure sonde pour l’application.

La stabilité dans le temps de la sonde de température

La stabilité d’un capteur de température est sa capacité à maintenir des performances constantes jusqu’à une certaine température. Le matériau de la sonde joue un rôle fondamental dans la stabilité du capteur.

La sensibilité de mesure

La sensibilité d’une sonde de température reflète la facilité avec laquelle les changements de température sont visibles. Les sondes de température sensibles sont constituées de capteurs capables de détecter de faibles différences de température. Pour les applications avec de grandes fluctuations de température, un capteur moins sensible peut être suffisant.

Les dimensions du capteur

L’un des facteurs déterminants dans le choix d’une sonde de température appropriée est la profondeur d’immersion de la sonde dans le milieu dont la température doit être mesurée.

L’environnement d’utilisation du capteur de température

L’environnement dans lequel la sonde de température est appliquée affecte les types de composants utilisés pour construire la sonde, de sorte qu’une compatibilité entre le matériau et l’environnement est requise. Une enquête approfondie est donc essentielle au moment du choix de la sonde.
Évaluer la composition de l’atmosphère de l’application – soufre, gaz, corrosifs, produits chimiques, etc. – et la présence de vibrations mécaniques – qui affectent la stabilité de la sonde.

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