Qu'est-ce qu'un thermocouple: principe de fonctionnement et ses applications

En 1821, un physicien appelé «Thomas Seebeck» a révélé que lorsque deux fils métalliques différents étaient reliés aux deux extrémités d'une jonction dans un circuit lorsque la température appliquée à la jonction, il y aura un flux de courant à travers le circuit qui est connu sous le nom de champ électromagnétique (EMF). L'énergie produite par le circuit est appelée effet Seebeck. En utilisant l'effet de Thomas Seebeck comme ligne directrice, les deux physiciens italiens à savoir Leopoldo Nobili et Macedonio Melloni ont collaboré pour concevoir une batterie thermoélectrique en 1826, appelée multiplicateur thermique, elle s'inspire de la découverte de la thermoélectricité de Seebeck en fusionnant un galvanomètre ainsi qu'une thermopile pour calculer le rayonnement. Pour ses efforts, certaines personnes ont identifié Nobili comme le découvreur du thermocouple.

Qu'est-ce qu'un thermocouple?

Le thermocouple peut être défini comme une sorte de température capteur qui est utilisé pour mesurer la température à un point spécifique sous la forme de l'EMF ou d'un courant électrique. Ce capteur comprend deux fils métalliques différents qui sont connectés ensemble à une jonction. La température peut être mesurée à cette jonction, et le changement de température du fil métallique stimule les tensions.

Thermocouple

La quantité de CEM générée dans l'appareil est très infime (millivolts), de sorte que des appareils très sensibles doivent être utilisés pour calculer la e.m.f produite dans le circuit. Les dispositifs courants utilisés pour calculer l'e.m.f sont le potentiomètre d'équilibrage de tension et le galvanomètre ordinaire. A partir de ces deux, un potentiomètre d'équilibrage est utilisé physiquement ou mécaniquement.

Principe de fonctionnement du thermocouple

Le principe du thermocouple dépend principalement des trois effets à savoir Seebeck, Peltier et Thompson.

Voir beck-effect

Ce type d'effet se produit entre deux métaux différents. Lorsque la chaleur est offerte à l'un des fils métalliques, le flux d'électrons passe du fil métallique chaud au fil métallique froid. Par conséquent, le courant continu stimule le circuit.

Effet Peltier

Cet effet Peltier est opposé à l'effet Seebeck. Cet effet indique que la différence de température peut être formée entre deux conducteurs différents en appliquant la variation de potentiel entre eux.

Effet Thompson

Cet effet indique que lorsque deux métaux disparates se fixent ensemble et s’ils forment deux joints, la tension induit la longueur totale du conducteur en raison du gradient de température. C'est un mot physique qui montre le changement de vitesse et de direction de la température à une position exacte.

Construction du thermocouple

La construction de l'appareil est illustrée ci-dessous. Il comprend deux fils métalliques différents et qui sont connectés ensemble à l'extrémité de jonction. La jonction est considérée comme l'extrémité de mesure. L'extrémité de la jonction est classée en trois types, à savoir la jonction non mise à la terre, mise à la terre et exposée.

Construction de thermocouple

Jonction non mise à la terre

Dans ce type de jonction, les conducteurs sont totalement séparés du capot de protection. Les applications de cette jonction comprennent principalement des travaux d'application haute pression. Le principal avantage de l'utilisation de cette fonction est de diminuer l'effet de champ magnétique parasite.

Jonction mise à la terre

Dans ce type de jonction, les fils métalliques, ainsi que le couvercle de protection, sont connectés ensemble. Cette fonction permet de mesurer la température dans l'atmosphère acide et fournit une résistance au bruit.

Jonction exposée

La jonction exposée est applicable dans les zones où une réponse rapide est requise. Ce type de jonction est utilisé pour mesurer la température du gaz. Le métal utilisé pour fabriquer le capteur de température dépend essentiellement de la plage de température de calcul.

En règle générale, un thermocouple est conçu avec deux fils métalliques différents, à savoir le fer et le constantan, qui crée un élément de détection en se connectant à une jonction appelée jonction chaude. Il se compose de deux jonctions, une jonction est reliée par un voltmètre ou émetteur où la jonction froide et la deuxième jonction sont associées dans un processus appelé jonction chaude.

Comment fonctionne un thermocouple?

Le diagramme de thermocouple est montré dans l'image ci-dessous. Ce circuit peut être construit avec deux métaux différents, et ils sont couplés ensemble en générant deux jonctions. Les deux métaux sont entourés par la connexion par soudage.

Dans le diagramme ci-dessus, les jonctions sont notées P & Q, et les températures sont notées T1, & T2. Lorsque la température de la jonction est différente l'une de l'autre, la force électromagnétique se produit dans le circuit.

Circuit de thermocouple

Si la température tempérée à l'extrémité de la jonction devient équivalente, alors l'équivalent, ainsi que la force électromagnétique inverse, se produit dans le circuit et il n'y a pas de courant à travers celui-ci. De même, la température en extrémité de jonction devient déséquilibrée, puis la variation de potentiel induit dans ce circuit.

L'amplitude de la force électromagnétique induite dans le circuit dépend des types de matériaux utilisés pour la fabrication du thermocouple. L'ensemble du flux de courant dans le circuit est calculé par les outils de mesure.

La force électromagnétique induite dans le circuit est calculée par l'équation suivante

E = a (∆Ө) + b (∆Ө) 2

Où ∆Ө est la différence de température entre l'extrémité de jonction de thermocouple chaud ainsi que l'extrémité de jonction de thermocouple de référence, a et b sont des constantes

Types de thermocouple

Avant de passer à une discussion sur les types de thermocouple, il faut tenir compte du fait que le thermocouple doit être protégé dans un boîtier de protection pour s'isoler des températures atmosphériques. Ce revêtement minimisera considérablement l'impact de la corrosion sur l'appareil.

Il existe donc de nombreux types de thermocouples. Examinons en détail ceux-ci.

Type K - Ceci est également appelé thermocouple de type Nickel-Chrome / Nickel-Alumel. C'est le type le plus utilisé. Il présente des caractéristiques de fiabilité, de précision et de faible coût améliorées et peut fonctionner sur des plages de température étendues.

Type K

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - -454F à 2300F (-270⁰C à 1260⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 200⁰C)

Ce type K a un niveau de précision de

Standard +/- 2,2C ou +/- 0,75% et les limites spéciales sont +/- 1,1C ou 0,4%

Type J - C'est un mélange de fer / Constantan. C'est également le type de thermocouple le plus utilisé. Il présente les caractéristiques d'une fiabilité, d'une précision et d'un coût améliorés. Cet appareil ne peut être utilisé que pour des plages de températures inférieures et a une courte durée de vie lorsqu'il est utilisé dans une plage de températures élevée.

Type J

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - -346F à 1400F (-210⁰C à 760⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 200⁰C)

Ce type J a un niveau de précision de

Standard +/- 2,2C ou +/- 0,75% et les limites spéciales sont +/- 1,1C ou 0,4%

Type T - C'est un mélange de Cuivre / Constantan. Le thermocouple de type T possède une stabilité accrue et est généralement mis en œuvre pour des applications à moindre température comme les congélateurs à très basse température et la cryogénie.

Type de T

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - -454F à 700F (-270⁰C à 370⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 200⁰C)

Ce type T a un niveau de précision de

Standard +/- 1.0C ou +/- 0.75% et les limites spéciales sont +/- 0.5C ou 0.4%

Type E - C'est un mélange de Nickel-Chrome / Constantan. Il a une plus grande capacité de signal et une précision améliorée par rapport à celle des thermocouples de type K et J lorsqu'il est utilisé à ≤ 1000F.

Type E

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - -454F à 1600F (-270⁰C à 870⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 200⁰C)

Ce type T a un niveau de précision de

Standard +/- 1,7C ou +/- 0,5% et les limites spéciales sont +/- 1,0C ou 0,4%

Type N - Il est considéré comme un thermocouple Nicrosil ou Nisil. Les niveaux de température et de précision du type N sont similaires au type K. Mais ce type est plus cher que le type K.

Type N

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - -454F à 2300F (-270⁰C à 392⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 200⁰C)

Ce type T a un niveau de précision de

Standard +/- 2,2C ou +/- 0,75% et les limites spéciales sont +/- 1,1C ou 0,4%

Les types - Il est considéré comme un thermocouple Platine / Rhodium ou 10% / Platine. Le type de thermocouple S est extrêmement mis en œuvre pour les applications de plage de températures élevées telles que dans les organisations biotechnologiques et pharmaceutiques. Il est même utilisé pour des applications à moindre plage de température en raison de sa précision et de sa stabilité accrues.

Type S

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - -58F à 2700F (-50⁰C à 1480⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 200⁰C)

Ce type T a un niveau de précision de

Standard +/- 1,5C ou +/- 0,25% et les limites spéciales sont +/- 0,6C ou 0,1%

Type R - Il est considéré comme un thermocouple Platine / Rhodium ou 13% / Platine. Le type de thermocouple S est extrêmement implémenté pour les applications à haute température. Ce type est inclus avec une quantité plus élevée de rhodium que le type S, ce qui rend l'appareil plus coûteux. Les caractéristiques et les performances des types R et S sont presque similaires. Il est même utilisé pour des applications à moindre plage de température en raison de sa précision et de sa stabilité accrues.

Type R

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - -58F à 2700F (-50⁰C à 1480⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 200⁰C)

Ce type T a un niveau de précision de

Standard +/- 1,5C ou +/- 0,25% et les limites spéciales sont +/- 0,6C ou 0,1%

Type B - Il est considéré comme 30% de platine Rhodium ou 60% de thermocouple Platine Rhodium. Ceci est largement utilisé dans la gamme supérieure des applications de température. De tous les types énumérés ci-dessus, le type B a la limite de température la plus élevée. Aux niveaux de température élevés, le thermocouple de type B conservera une stabilité et une précision accrues.

Type B

Les plages de température sont:

Fil de qualité thermocouple - 32F à 3100F (0⁰C à 1700⁰C)

Câble d'extension (0⁰C à 100⁰C)

Ce type T a un niveau de précision de

Standard +/- 0,5%

Les types S, R et B sont considérés comme des thermocouples en métal noble. Ceux-ci sont choisis parce qu'ils peuvent fonctionner même à des plages de températures élevées, offrant une grande précision et une longue durée de vie. Mais, comparés aux types de métaux de base, ils sont plus chers.

Lors du choix d'un thermocouple, il faut tenir compte de nombreux facteurs qui conviennent à leurs applications.

• Vérifiez quelles sont les plages de températures basses et élevées nécessaires pour votre application?
• Quel budget du thermocouple utiliser?
• Quel pourcentage de précision utiliser?
• Dans quelles conditions atmosphériques, le thermocouple fonctionne-t-il comme gaz inerte ou oxydant
• Quel est le niveau de réponse attendu, ce qui signifie à quelle vitesse l'appareil a-t-il besoin pour répondre aux changements de température?
• Quelle est la durée de vie requise?
• Vérifiez avant l'opération que l'appareil est immergé dans l'eau ou non et à quel niveau de profondeur?
• L'utilisation du thermocouple sera-t-elle intermittente ou continue?
• Le thermocouple sera-t-il soumis à une torsion ou à une flexion pendant toute la durée de vie de l'appareil?

Comment savoir si vous avez un mauvais thermocouple?

Afin de savoir si un thermocouple fonctionne parfaitement, il faut tester l'appareil. Avant de procéder au remplacement de l'appareil, il faut vérifier qu'il fonctionne réellement ou non. Pour ce faire, un multimètre et des connaissances de base en électronique suffisent amplement. Il existe principalement trois approches pour tester le thermocouple à l'aide d'un multimètre et celles-ci sont expliquées ci-dessous:

Test de résistance

Pour effectuer ce test, l'appareil doit être placé dans une conduite d'appareil à gaz et l'équipement requis est un multimètre numérique et des pinces crocodiles.

Procédure - Connectez les pinces crocodiles aux sections du multimètre. Fixez les clips aux deux extrémités du thermocouple où une extrémité sera pliée dans la vanne de gaz. Maintenant, allumez le multimètre et notez les options de lecture. Si le multimètre affiche les ohms dans un petit ordre, le thermocouple est en parfait état de fonctionnement. Ou bien lorsque la lecture est de 40 ohms ou plus, alors ce n'est pas en bon état.

Test de circuit ouvert

Ici, les équipements utilisés sont des pinces crocodiles, un briquet et un multimètre numérique. Ici, au lieu de mesurer la résistance, la tension est calculée. Maintenant, avec le briquet chauffez une extrémité du thermocouple. Lorsque le multimètre affiche une tension comprise entre 25 et 30 mV, cela signifie qu'il fonctionne correctement. Ou bien, lorsque la tension est proche de 20 mV, alors l'appareil doit être remplacé.

Test en circuit fermé

Ici, les équipements utilisés sont des pinces crocodile, un adaptateur thermocouple et un multimètre numérique. Ici, l'adaptateur est placé à l'intérieur de la vanne de gaz, puis le thermocouple est placé sur un bord de l'adaptateur. Maintenant, allumez le multimètre. Lorsque la lecture est comprise entre 12 et 15 mV, l'appareil est en bon état. Ou bien lorsque la lecture de la tension chute en dessous de 12 mV, cela indique un appareil défectueux.

Ainsi, en utilisant les méthodes de test ci-dessus, on peut savoir si un thermocouple fonctionne correctement ou non.

Quelle est la différence entre le thermostat et le thermocouple?

Les différences entre le thermostat et le thermocouple sont:

Avantages désavantages

Les avantages des thermocouples sont les suivants.

• La précision est élevée
• Il est robuste et peut être utilisé dans des environnements tels que des vibrations sévères ou élevées.
• La réaction thermique est rapide
• La plage de fonctionnement de la température est large.
• Large plage de températures de fonctionnement
• Le coût est faible et extrêmement constant

Les inconvénients des thermocouples sont les suivants.

• Non-linéarité
• Moins de stabilité
• Basse tension
• Une référence est requise
• moindre sensibilité
• Le recalibrage du thermocouple est difficile

Applications

Certains applications des thermocouples inclure les éléments suivants.

• Ceux-ci sont utilisés comme capteurs de température dans les thermostats dans les bureaux, maisons, bureaux et entreprises.
• Ceux-ci sont utilisés dans les industries pour surveiller les températures des métaux dans le fer, l'aluminium et le métal.
• Ceux-ci sont utilisés dans l'industrie alimentaire pour des applications cryogéniques et à basse température. Les thermocouples sont utilisés comme pompe à chaleur pour effectuer un refroidissement thermoélectrique.
• Ceux-ci sont utilisés pour tester la température dans les usines chimiques, les usines pétrolières.
• Ceux-ci sont utilisés dans les machines à gaz pour détecter la flamme de la veilleuse.

Quelle est la différence entre RTD et thermocouple?

L'autre chose la plus importante à considérer dans le cas du thermocouple est de savoir en quoi il est différent du dispositif RTD. Ainsi, le tableau explique les différences entre RTD et thermocouple.

Quelle est la durée de vie?

Le durée de vie du thermocouple est basé sur l'application lorsqu'elle est utilisée. Ainsi, on ne peut pas prédire spécifiquement la durée de vie du thermocouple. Lorsque l'appareil est correctement entretenu, l'appareil aura une longue durée de vie. Alors que, après une utilisation continue, ils peuvent être endommagés en raison de l'effet de vieillissement.

Et aussi, à cause de cela, les performances de sortie seront abaissées et les signaux auront une efficacité médiocre. Le prix du thermocouple n'est pas non plus élevé. Donc, il est plus suggéré de modifier le thermocouple tous les 2-3 ans. C'est la réponse à quelle est la durée de vie d'un thermocouple ?

Il s'agit donc d'une vue d'ensemble du thermocouple. À partir des informations ci-dessus enfin, nous pouvons conclure que la mesure de sortie thermocouple peut être calculé en utilisant des méthodes comme un multimètre, un potentiomètre et un amplificateur par des périphériques de sortie. Le but principal du thermocouple est de construire des mesures de température cohérentes et directes dans plusieurs applications différentes.