Introduction
Le principe de fonctionnement d’un thermocouple paraît relativement simple : deux métaux ou alliages différents sont associés et, lorsqu’une différence de température existe entre la jonction de mesure et la jonction de référence, une tension thermoélectrique apparaît.
Une question se pose alors naturellement : si la température double, la tension de sortie du thermocouple double-t-elle également ?
En pratique, non.
La relation entre la tension d’un thermocouple et la température est généralement non linéaire. Il n’est donc pas possible d’utiliser un unique coefficient fixe en « millivolts par degré Celsius » pour convertir avec précision la tension en température sur toute la plage de mesure.
Cette non-linéarité n’est ni un défaut du thermocouple ni une erreur de mesure. Elle résulte directement des propriétés physiques des matériaux thermoélectriques utilisés.
Points essentiels
● Un thermocouple délivre une faible tension thermoélectrique dépendant des températures de la jonction de mesure et de la jonction de référence ;
● Les coefficients de Seebeck des matériaux varient avec la température, de sorte que la tension générée par degré n’est pas constante ;
● Les différents types de thermocouples utilisent des combinaisons de matériaux différentes et présentent donc des caractéristiques non linéaires différentes ;
● La sensibilité d’un thermocouple doit être considérée comme une valeur locale ou approximative, et non comme une constante sur toute la plage de mesure ;
● Les thermomètres numériques utilisent des tables de référence, des interpolations ou des fonctions polynomiales pour convertir la tension non linéaire en température ;
● La compensation de jonction froide et la linéarisation sont deux opérations distinctes qui influencent toutes deux la mesure finale.
Quelle relation existe entre la sortie d’un thermocouple et la température ?
Un thermocouple ne fournit pas directement une « température ». Il génère une très faible tension électrique, généralement exprimée en millivolts (mV).
Lorsque deux conducteurs différents constituent un thermocouple et que la jonction de mesure et la jonction de référence se trouvent à des températures différentes, l’effet Seebeck produit une tension thermoélectrique.
Cette relation peut être représentée de manière simplifiée par :
E = ∫(SA − SB)dT
où :
● E représente la tension thermoélectrique générée ;
● SA et SB représentent les coefficients de Seebeck des deux matériaux ;
● T représente la température.
Cette relation montre que la sortie ne dépend pas uniquement de l’écart de température, mais également des propriétés thermoélectriques des matériaux sur l’ensemble de la plage concernée.
Si SA et SB étaient constants, la tension serait approximativement linéaire par rapport à la différence de température.
Dans les métaux et alliages réels, les coefficients de Seebeck varient toutefois avec la température. La courbe obtenue est donc non linéaire.
Pourquoi le coefficient de Seebeck varie-t-il avec la température ?
Le coefficient de Seebeck peut être défini comme la capacité d’un matériau à convertir une différence de température en tension thermoélectrique dans certaines conditions.
Les métaux présentent des structures électroniques, des mécanismes de transport des charges et des phénomènes de diffusion différents. Ces caractéristiques évoluent elles-mêmes avec la température.
Lorsque la température augmente ou diminue, la distribution d’énergie et le comportement des électrons changent. Par conséquent, la tension générée pour une même variation de température change également.
En pratique :
● À une température donnée, une variation de 1 °C peut produire un certain nombre de microvolts ;
● À une température nettement plus élevée ou plus basse, la même variation de 1 °C peut produire une variation de tension différente.
Il n’existe donc pas un coefficient unique et constant en µV/°C valable sur toute la plage de fonctionnement d’un thermocouple.
Cette dépendance du coefficient de Seebeck à la température est la cause fondamentale de la non-linéarité.
Pourquoi les différents types de thermocouples présentent-ils des non-linéarités différentes ?
Les thermocouples de type K, J, T, E et d’autres types utilisent différentes combinaisons de métaux et d’alliages.
Selon le type, ces matériaux peuvent inclure des alliages à base de nickel, du cuivre, des alliages cuivre-nickel, du fer ou d’autres compositions.
Chaque matériau possède son propre coefficient de Seebeck et sa propre évolution en fonction de la température. La combinaison de deux matériaux crée donc une caractéristique tension-température spécifique.
Ainsi :
● Le type K possède sa propre courbe ;
● Le type J possède une courbe différente ;
● Le type T possède également sa propre caractéristique ;
● Le type E présente lui aussi une relation spécifique.
C’est pourquoi le thermomètre doit être configuré pour le bon type de thermocouple.
Si l’instrument est réglé sur le type K alors qu’une sonde de type J est raccordée, l’indication peut présenter une erreur importante, même si la sonde, le câblage et l’instrument fonctionnent correctement.
La sensibilité d’un thermocouple est-elle constante ?
La sensibilité d’un thermocouple est souvent donnée sous forme d’une valeur approximative en µV/°C.
Cette valeur est utile, mais elle doit être interprétée correctement.
La sensibilité correspond essentiellement à la variation de la tension thermoélectrique pour une variation de température autour d’un point donné. Mathématiquement, elle correspond approximativement à la pente locale de la courbe tension-température.
Comme cette courbe n’est pas parfaitement linéaire, sa pente varie également avec la température.
Une valeur de sensibilité couramment indiquée doit donc être considérée comme une approximation valable autour d’une certaine plage de température, et non comme une constante applicable à toute la plage de mesure.
Pour une mesure précise, il est nécessaire d’utiliser la relation normalisée tension-température correspondant au type de thermocouple utilisé.
Qu’est-ce qu’une table de référence pour thermocouple ?
Les thermocouples normalisés disposent de données définissant la relation entre température et tension thermoélectrique.
Ces données sont généralement publiées sous forme de tables de référence pour thermocouples.
Une table indique, dans des conditions de référence données, la tension thermoélectrique correspondant à différentes températures.
Elle peut être utilisée dans les deux sens :
● À partir d’une température connue, il est possible de déterminer la tension correspondante ;
● À partir d’une tension mesurée, il est possible de déterminer la température correspondante.
La table constitue donc une représentation normalisée de la relation non linéaire entre tension et température.
Chaque type de thermocouple possède ses propres données de référence.
Les instruments numériques modernes intègrent généralement ces données, ce qui évite à l’utilisateur de consulter manuellement une table.
Comment les thermomètres numériques traitent-ils la non-linéarité ?
Un thermomètre numérique mesure d’abord la très faible tension générée par le thermocouple, puis la convertit en température à l’aide de son traitement interne.
Le processus comprend généralement :
● La mesure et le conditionnement du signal de quelques microvolts ou millivolts ;
● La mesure de la température au niveau des bornes d’entrée ;
● La compensation de jonction froide ;
● La sélection de la caractéristique correspondant au type K, J, T, E ou à un autre type pris en charge ;
● La linéarisation à l’aide de tables, d’interpolation ou de fonctions polynomiales ;
● Le calcul et l’affichage de la température de la jonction de mesure.
La température affichée n’est donc pas obtenue par simple multiplication de la tension par un coefficient fixe.
Elle résulte d’un calcul intégrant la compensation et la caractéristique non linéaire normalisée du thermocouple.
La linéarisation et la compensation de jonction froide sont-elles identiques ?
Non.
Il s’agit de deux fonctions distinctes.
La compensation de jonction froide tient compte du fait que la jonction de référence n’est généralement pas maintenue à 0 °C.
Comme la tension d’un thermocouple dépend à la fois de la température de la jonction de mesure et de celle de la jonction de référence, l’instrument doit mesurer la température à ses bornes et effectuer la compensation correspondante.
La linéarisation corrige en revanche la relation non linéaire entre tension thermoélectrique et température.
En résumé :
● Compensation de jonction froide : établit la référence thermique correcte ;
● Linéarisation : convertit la tension thermoélectrique non linéaire en une température correcte.
Un thermomètre numérique complet réalise normalement les deux opérations.
Une erreur dans l’une ou l’autre peut affecter le résultat final.
Pourquoi ne peut-on pas utiliser un coefficient fixe de conversion ?
Sur une plage de température étroite, une petite portion de la courbe du thermocouple peut parfois être considérée comme approximativement linéaire.
Pour certaines applications de contrôle simple, de suivi de tendance ou couvrant une plage limitée, une approximation locale peut être suffisante.
En revanche, lorsque la plage de température augmente, l’erreur liée à un coefficient fixe devient plus importante.
Un coefficient fixe suppose que :
« Chaque augmentation de 1 °C produit toujours la même augmentation de tension. »
Ce n’est pas le comportement réel d’un thermocouple.
Pour les mesures sur une large plage ou nécessitant une meilleure exactitude, il convient d’utiliser des données de référence normalisées ou des algorithmes de conversion non linéaire adaptés.
La non-linéarité signifie-t-elle qu’un thermocouple est imprécis ?
Non.
La non-linéarité et l’exactitude sont deux notions différentes.
La non-linéarité décrit la forme de la relation entre tension et température. L’exactitude décrit l’écart entre la valeur mesurée et la température réelle.
Si le thermocouple respecte les spécifications applicables, si le bon type est sélectionné et si la compensation de jonction froide ainsi que la linéarisation sont correctement réalisées, la mesure peut être fiable.
La caractéristique non linéaire peut être normalisée et compensée mathématiquement.
Les erreurs réelles peuvent plutôt provenir de :
● Tolérances des matériaux du thermocouple ;
● Vieillissement ou contamination de la sonde ;
● Mauvais type de thermocouple sélectionné ;
● Utilisation incorrecte d’un câble d’extension ou de compensation ;
● Erreur de compensation de jonction froide ;
● Erreur de mesure de l’instrument ;
● Interférences électromagnétiques ;
● Mauvaise installation ou mauvaise méthode de mesure.
La non-linéarité ne doit donc pas être considérée comme un défaut intrinsèque.
Une courbe plus linéaire est-elle toujours préférable ?
Du point de vue du traitement du signal, une relation plus linéaire simplifie la conversion.
Cependant, ce n’est pas le seul critère de sélection d’un thermocouple.
Les critères les plus importants sont souvent :
● La plage de température ;
● L’exigence d’exactitude ;
● L’environnement d’utilisation ;
● Les atmosphères oxydantes, corrosives ou réductrices ;
● Le temps de réponse ;
● La construction de la sonde ;
● La stabilité à long terme ;
● La compatibilité avec l’instrument.
Les différents matériaux offrent des performances différentes selon la plage de température et l’environnement.
Le choix ne doit donc pas reposer uniquement sur la linéarité de la courbe.
FAQ
La tension d’un thermocouple est-elle proportionnelle à la température ?
Pas exactement. La tension varie avec la température, mais la relation est généralement non linéaire en raison de la variation du coefficient de Seebeck.
Pourquoi ne peut-on pas utiliser une valeur fixe en µV/°C ?
Parce que la sensibilité du thermocouple varie avec la température. Une valeur fixe ne constitue qu’une approximation valable sur une plage limitée.
Tous les thermocouples possèdent-ils la même courbe de sortie ?
Non. Les types K, J, T, E et les autres types utilisent des combinaisons de matériaux différentes et possèdent donc des caractéristiques différentes.
La linéarisation doit-elle être effectuée manuellement ?
En règle générale, non. Les thermomètres numériques modernes intègrent les données ou algorithmes nécessaires et réalisent automatiquement la conversion.
La non-linéarité entraîne-t-elle une erreur de mesure ?
Pas nécessairement. Si l’instrument utilise la bonne relation de conversion, la non-linéarité peut être correctement compensée.
La compensation de jonction froide corrige-t-elle également la non-linéarité ?
Non. La compensation de jonction froide corrige la température réelle de la référence, tandis que la linéarisation corrige la relation tension-température.
Pourquoi faut-il sélectionner le type K, J, T ou E sur le thermomètre ?
Chaque type possède une combinaison de matériaux et une courbe tension-température spécifiques. Un mauvais réglage entraîne l’utilisation d’une mauvaise relation de conversion et donc une erreur de température.
Conclusion
La sortie d’un thermocouple est non linéaire principalement parce que les coefficients de Seebeck des deux matériaux évoluent avec la température. La tension thermoélectrique générée par degré de variation n’est donc pas constante.
Cette non-linéarité est une caractéristique physique normale du thermocouple et non un défaut.
Dans les instruments numériques, des tables de référence, des interpolations ou des fonctions mathématiques sont utilisées pour linéariser le signal. Associées à la compensation de jonction froide, elles permettent de convertir avec fiabilité la faible tension thermoélectrique en température.
Pour obtenir une mesure fiable, il est donc essentiel de choisir le bon type de thermocouple, d’utiliser un instrument et des câbles compatibles et d’appliquer la bonne caractéristique de conversion, plutôt que de se fier à une seule valeur fixe en µV/°C.
