Introduction

Oui. Les thermocouples font partie des capteurs de température par contact les plus utilisés dans l’industrie et les laboratoires. Avec une sonde adaptée, ils permettent de mesurer la température de l’eau, de l’huile, des liquides de refroidissement, des solutions chimiques et de nombreux fluides de procédé.

Un thermomètre à thermocouple ne mesure toutefois pas nécessairement la « température moyenne » de l’ensemble du liquide. Il mesure principalement la température à proximité de la jonction de mesure du thermocouple. En présence de stratification thermique, de circulation irrégulière ou de chauffage localisé, la position de la sonde influence donc directement le résultat.

Une mesure fiable nécessite ainsi de prendre en compte non seulement la précision de l’instrument, mais également le type de sonde, la profondeur d’immersion, la position de mesure, le temps de réponse et la compatibilité des matériaux avec le liquide.

Points essentiels

● Un thermocouple peut mesurer la température d’un liquide, mais il est recommandé d’utiliser une sonde adaptée à l’immersion ;
● La zone sensible doit être suffisamment immergée et correctement en contact thermique avec le liquide ;
● Une immersion insuffisante peut provoquer des erreurs liées à l’air ambiant et à la conduction thermique le long de la sonde ;
● La sonde doit, dans la mesure du possible, éviter tout contact avec les parois, le fond du récipient ou les éléments chauffants ;
● Pour les liquides corrosifs, à haute température ou chimiquement agressifs, il faut vérifier la compatibilité du matériau de gaine ;
● En présence d’un gradient thermique, des positions de mesure différentes peuvent donner des résultats différents.

Pourquoi un thermocouple peut-il mesurer la température d’un liquide ?

Un thermocouple est constitué de deux conducteurs métalliques de nature différente. Lorsqu’une différence de température existe entre la jonction de mesure et la jonction de référence, une tension thermoélectrique dépendante de la température est générée. Le thermomètre mesure cette faible tension puis la convertit en température en tenant compte de la compensation de jonction froide et des caractéristiques normalisées du thermocouple.

Dans un liquide, la jonction de mesure échange de la chaleur avec le milieu jusqu’à atteindre une température proche de celle du liquide à l’emplacement de mesure.

Selon la conception de la sonde, un thermocouple peut ainsi être utilisé pour des mesures de surface, de gaz, de liquides ou de température interne.

Pour les liquides, on utilise fréquemment une sonde d’immersion à thermocouple gainée, dont la gaine métallique protège les fils du thermocouple tout en permettant une immersion directe dans les fluides compatibles.

Quel type de sonde thermocouple utiliser pour les liquides ?

Toutes les sondes thermocouples ne conviennent pas de la même manière à une immersion directe.

● Sondes d’immersion : généralement les mieux adaptées aux mesures de liquides. Leur gaine métallique allongée peut être plongée dans l’eau, l’huile et d’autres fluides compatibles ;
● Thermocouples à jonction exposée : offrent un temps de réponse rapide, mais présentent généralement une résistance mécanique et une tenue à la corrosion plus faibles ;
● Thermocouples gainés : robustes et adaptés aux équipements industriels, réservoirs, tuyauteries ainsi qu’aux mesures répétées ou continues ;
● Sondes de pénétration : principalement destinées aux matériaux tendres, produits semi-solides et aliments, et pas nécessairement optimales pour une mesure générale de liquides.

Le choix doit également tenir compte de la plage de température, de la résistance à la corrosion, du diamètre, de la longueur et du type de thermocouple.

Le thermocouple de type K, par exemple, est largement utilisé dans l’industrie. Son aptitude à mesurer un liquide donné dépend cependant de la conception complète de la sonde et du matériau de sa gaine, et non uniquement de son type K.

À quelle profondeur faut-il immerger la sonde ?

La sonde doit être suffisamment immergée pour limiter les erreurs de mesure.

Si seule son extrémité est plongée très superficiellement, de la chaleur peut être conduite le long de la tige vers l’environnement. La jonction de mesure peut alors être influencée simultanément par le liquide et par l’air ambiant, ce qui génère une erreur de conduction thermique.

La zone sensible doit donc être entièrement immergée, et la profondeur d’immersion doit être choisie en fonction du diamètre, de la construction de la sonde et des recommandations du fabricant.

Les sondes fines et courtes à réponse rapide nécessitent généralement une immersion moins importante, tandis que les sondes métalliques plus longues ou de plus grand diamètre peuvent nécessiter une immersion supérieure.

Il n’existe donc pas une profondeur d’immersion unique valable pour toutes les sondes thermocouples.

La sonde peut-elle toucher le fond ou la paroi du récipient ?

En règle générale, il vaut mieux l’éviter.

Si la sonde touche la paroi ou le fond, de la chaleur peut être transférée directement entre le récipient et la sonde. La mesure peut alors refléter en partie la température du récipient et non uniquement celle du liquide.

Cet effet peut être particulièrement important lorsque :

● Le fond du récipient est directement chauffé ;
● La paroi extérieure est refroidie par l’environnement ;
● Le récipient est constitué d’un métal fortement conducteur ;
● Le liquide n’a pas encore atteint une température homogène.

Il est donc préférable de placer la zone sensible dans une position représentative au sein du liquide et de maintenir une distance appropriée avec les parois, le fond et les éléments chauffants.

La mesure reflète ainsi plus fidèlement la température du liquide à l’emplacement choisi.

Pourquoi la température peut-elle varier selon la position dans le même liquide ?

Ce phénomène est fréquent.

Lorsqu’un liquide n’est pas suffisamment mélangé, des gradients thermiques peuvent apparaître. Pendant le chauffage, par exemple, la zone proche de la source de chaleur peut être plus chaude que la surface ou les zones proches des parois.

Ces écarts peuvent être encore plus importants dans les grands réservoirs, bains d’huile, cuves d’eau et installations de procédé.

Pour obtenir une température représentative de l’ensemble du liquide, il peut être utile de :

● Mesurer à un emplacement fixe et représentatif ;
● Mélanger le liquide lorsque le procédé l’autorise ;
● Effectuer des mesures à plusieurs endroits ;
● Attendre que la température se stabilise avant d’enregistrer le résultat.

En revanche, si l’objectif consiste à étudier la répartition de température, il ne faut pas homogénéiser le liquide uniquement dans le but d’obtenir une valeur unique.

Pourquoi la température ne se stabilise-t-elle pas immédiatement après l’immersion ?

Une sonde thermocouple possède sa propre masse thermique. Lorsqu’elle passe de l’air à un liquide, un certain temps est nécessaire pour qu’elle se rapproche de l’équilibre thermique avec le nouveau milieu.

Ce comportement est généralement caractérisé par le temps de réponse.

La vitesse de réponse dépend notamment de :

● Diamètre de la sonde ;
● Matériau de la gaine ;
● Construction de la jonction du thermocouple ;
● Vitesse d’écoulement du liquide ;
● Écart de température entre la sonde et le liquide ;
● Profondeur d’immersion.

Les sondes de faible diamètre répondent généralement plus rapidement, tandis que les sondes industrielles plus robustes et plus épaisses présentent souvent un temps de réponse plus long.

Il ne faut donc pas enregistrer la mesure immédiatement après l’immersion. Il convient d’attendre que l’affichage soit suffisamment stabilisé.

Les mesures diffèrent-elles entre un liquide immobile et un liquide en circulation ?

Elles peuvent différer.

Dans un liquide immobile, des zones locales de température peuvent se former autour de la sonde, notamment lors du chauffage, du refroidissement ou de phénomènes de convection naturelle.

Lorsque le liquide circule de manière appropriée, les échanges thermiques entre le fluide et la sonde sont généralement améliorés. Le temps de réponse peut alors être réduit et la mesure peut être plus représentative du liquide environnant.

À des vitesses d’écoulement élevées, il faut toutefois également prendre en compte les contraintes mécaniques. Une forte circulation peut provoquer des vibrations, une flexion ou une détérioration de la sonde.

Pour les mesures permanentes dans des tuyauteries, circuits de refroidissement ou procédés industriels, il convient donc de sélectionner la sonde ou le doigt de gant en fonction des conditions d’écoulement et du mode d’installation.

Tous les liquides peuvent-ils être mesurés directement avec un thermocouple ?

Pas nécessairement.

Du point de vue du principe de mesure, un thermocouple peut être utilisé avec de nombreux liquides. Toutefois, l’immersion directe dépend de la compatibilité chimique entre le matériau de la gaine et le fluide.

Certains acides, bases, solutions salines ou autres produits corrosifs peuvent attaquer les gaines métalliques standard.

Les matériaux fondus, les fluides à très haute température et les milieux particulièrement agressifs peuvent également nécessiter des matériaux spécifiques ou une protection supplémentaire.

Avant toute mesure dans un liquide particulier, il convient de vérifier :

● Les températures minimale et maximale admissibles de la sonde ;
● La compatibilité chimique du matériau de gaine ;
● L’aptitude de la sonde à une immersion directe ;
● La nécessité éventuelle d’un doigt de gant ou d’une protection supplémentaire ;
● Les exigences de sécurité électrique ou liées au procédé.

Il faut également distinguer la sonde de l’instrument de mesure. Une sonde peut être adaptée à l’immersion sans que le connecteur, l’interface du câble ou le thermomètre lui-même soient étanches. Ces éléments ne doivent pas être immergés en l’absence d’un indice de protection adapté.

Quelles sont les principales sources d’erreur lors de la mesure de liquides ?

Les écarts de mesure ne proviennent pas nécessairement du thermomètre lui-même.

Parmi les causes courantes :

● Profondeur d’immersion insuffisante ;
● Contact de la sonde avec le fond ou la paroi du récipient ;
● Gradients thermiques importants dans le liquide ;
● Enregistrement de la valeur avant stabilisation ;
● Utilisation d’une sonde de grand diamètre à réponse lente ;
● Mauvaise sélection du type de thermocouple sur l’instrument ;
● Polarité du thermocouple inversée ;
● Vieillissement, contamination ou corrosion de la sonde ;
● Câbles d’extension, câbles de compensation ou connecteurs inadaptés ;
● Variation de la température ambiante influençant la compensation de jonction froide ;
● Dérive de mesure ou de calibration après une longue période d’utilisation.

Pour les applications exigeant une précision élevée, l’instrument, la sonde, l’installation et l’environnement doivent être considérés comme un système de mesure complet.

FAQ

Peut-on plonger directement une sonde thermocouple dans l’eau ?

Oui, à condition d’utiliser une sonde conçue pour l’immersion. Une sonde métallique gainée convient généralement à la mesure de l’eau, mais le connecteur et le boîtier du thermomètre doivent normalement rester secs.

Un thermocouple de type K peut-il mesurer la température de l’eau ?

Oui. Associé à une sonde d’immersion adaptée, un thermocouple de type K peut mesurer l’eau, l’eau de refroidissement et de nombreux fluides industriels courants. La plage réelle de température dépend également de la gaine et des matériaux isolants.

Un thermocouple peut-il mesurer la température de l’huile ?

Oui. Les thermocouples sont couramment utilisés pour l’huile de lubrification, l’huile hydraulique, les fluides caloporteurs et d’autres huiles. À haute température, il faut vérifier la plage admissible et la compatibilité des matériaux de la sonde.

Faut-il constamment remuer le liquide pendant la mesure ?

Non. Si l’objectif est d’obtenir une température globale représentative, un brassage modéré peut réduire la stratification thermique. Si l’objectif consiste à analyser la distribution de température, un brassage peut au contraire être inapproprié.

Une immersion plus profonde est-elle toujours préférable ?

Non. Une profondeur suffisante est nécessaire pour réduire les erreurs de conduction, mais une immersion excessive n’améliore pas systématiquement la mesure. La profondeur adaptée dépend des dimensions de la sonde, de sa construction, du récipient et de la position de mesure.

Pourquoi l’eau bouillante n’indique-t-elle pas toujours exactement 100 °C ?

Le point d’ébullition de l’eau dépend de la pression atmosphérique et de l’altitude et n’est donc pas toujours exactement égal à 100 °C. La précision de l’appareil, l’erreur de la sonde, la position d’immersion et le temps de stabilisation peuvent également influencer le résultat.

Un thermocouple peut-il rester en permanence dans un liquide ?

Cela dépend de sa conception. Certains thermocouples industriels sont prévus pour une installation fixe et une surveillance continue, tandis que les sondes d’immersion portatives générales ne sont pas nécessairement conçues pour une immersion permanente.

Conclusion

Les thermocouples conviennent largement à la mesure de la température de l’eau, des huiles, des liquides de refroidissement et de nombreux fluides industriels. L'essentiel n'est toutefois pas seulement de savoir si le thermocouple peut effectuer la mesure, mais aussi d'utiliser une sonde et une méthode adaptées.

La sonde doit être suffisamment immergée, rester éloignée des parois, du fond et des éléments chauffants, et la valeur ne doit être enregistrée qu’après stabilisation. Les gradients thermiques éventuels à l’intérieur du liquide doivent également être pris en compte.

Pour les fluides corrosifs, à haute température ou présentant des caractéristiques particulières, il est indispensable de vérifier le matériau de gaine, la plage de température et la conception de l’installation. Une mesure fiable exige de considérer l’instrument, la sonde et l’environnement comme un système complet.