Introduction

Un thermocouple est constitué de deux métaux ou alliages différents. Lorsque ces matériaux forment un circuit thermoélectrique et que les zones de jonction se trouvent à des températures différentes, une tension thermoélectrique est générée.

Deux notions sont essentielles pour comprendre ce principe : la jonction chaude et la jonction froide.

Ces termes peuvent prêter à confusion. La jonction chaude n’est pas obligatoirement à haute température et la jonction froide n’est pas nécessairement froide. Les termes techniques les plus précis sont respectivement jonction de mesure et jonction de référence.

Comprendre le rôle de ces deux jonctions est indispensable pour appréhender le fonctionnement d’un thermocouple, la compensation de jonction froide et la précision d’un thermomètre à thermocouple.

Points essentiels

● La jonction chaude correspond au point où le thermocouple détecte la température de l’objet mesuré ; elle est également appelée jonction de mesure.
● La jonction froide correspond à la zone utilisée comme référence de température ; elle est également appelée jonction de référence.
● Un thermocouple réagit aux conditions de température de la jonction de mesure et de la jonction de référence, plutôt qu’à la seule température absolue de la jonction de mesure.
● La jonction froide n’a pas besoin d’être à basse température ni d’être maintenue en permanence à 0 °C.
● Les thermomètres à thermocouple modernes mesurent généralement la température de la jonction de référence et appliquent électroniquement une compensation de jonction froide.
● Une erreur de mesure ou de compensation de la température de référence peut affecter la température affichée, même si la sonde thermocouple fonctionne correctement.

Qu’est-ce que la jonction chaude d’un thermocouple ?

La jonction chaude est généralement le point où les deux conducteurs de matériaux différents sont assemblés. Cette jonction est placée au niveau de la zone à mesurer, en contact avec l’objet ou exposée à l’air, au liquide ou à l’équipement dont on souhaite connaître la température.

Un thermocouple de type K, par exemple, est constitué de deux alliages différents possédant les caractéristiques thermoélectriques propres au type K. À l’extrémité de la sonde, ces deux conducteurs sont reliés par soudage, fusion ou un autre procédé approprié afin de former la jonction de mesure.

Cette jonction détecte les variations de température au point de mesure. Lorsque sa température évolue alors que les conditions de la jonction de référence sont connues, la tension thermoélectrique générée varie également. L’instrument exploite ensuite cette relation pour calculer la température.

Le terme jonction de mesure est donc généralement plus précis que le terme jonction chaude.

Pourquoi la jonction chaude est-elle aussi appelée jonction de mesure ?

L’expression « jonction chaude » provient des nombreuses applications industrielles dans lesquelles les thermocouples sont utilisés sur des fours, chaudières, moteurs, conduites chauffées, moules et autres équipements à haute température.

Un thermocouple peut toutefois également mesurer des températures basses.

Dans une chambre froide, un système frigorifique, une conduite basse température ou une application de laboratoire, la jonction de mesure peut être plus froide que l’instrument et que sa zone de référence.

L’expression jonction de mesure décrit donc plus exactement sa fonction. Elle désigne le point dont la température doit être déterminée, sans supposer qu’il s’agit nécessairement du point le plus chaud du système.

Qu’est-ce que la jonction froide d’un thermocouple ?

La jonction froide est la partie du système de mesure associée à la référence de température. Le terme technique approprié est donc jonction de référence.

Dans un thermomètre à thermocouple réel, les conducteurs du thermocouple sont finalement raccordés à des conducteurs en cuivre, à des bornes ou au circuit d’entrée de l’instrument. La zone de transition entre les matériaux du thermocouple et les conducteurs de l’appareil fait partie du système de référence.

La seule mesure de la tension thermoélectrique ne suffit pas pour déterminer la température de la jonction de mesure. L’instrument doit également connaître la température de la jonction de référence.

Cette jonction fournit ainsi la référence thermique nécessaire au calcul de la température mesurée.

Pourquoi l’appelle-t-on jonction froide ?

Cette appellation vient des méthodes traditionnelles de mesure par thermocouple.

Historiquement, on obtenait une température de référence stable et connue en plaçant la jonction de référence dans un mélange eau-glace à environ 0 °C. Cette zone étant généralement beaucoup plus froide que la zone de mesure à haute température, elle a été appelée jonction froide.

Les thermomètres numériques modernes n’ont généralement plus besoin d’un bain de glace.

Un capteur de température interne mesure la température à proximité des bornes d’entrée du thermocouple, puis l’instrument effectue électroniquement une compensation de jonction froide, souvent abrégée CJC.

Dans un appareil moderne, la jonction froide doit donc être comprise comme une jonction de référence et non comme un point obligatoirement froid.

Quelle est la relation entre la jonction chaude et la jonction froide ?

Le fonctionnement d’un thermocouple repose sur l’effet Seebeck. Lorsqu’un circuit thermoélectrique est constitué de conducteurs différents et que les zones pertinentes se trouvent à des températures différentes, une tension thermoélectrique apparaît.

Le processus de mesure peut être résumé ainsi :

● La jonction de mesure détecte la température de la cible.
● La jonction de référence fournit la référence thermique nécessaire.
● Le thermocouple génère une faible tension électrique liée aux conditions de température des deux jonctions.
● Le thermomètre mesure cette tension et détermine la température de la jonction de référence.
● L’instrument applique la relation température-tension correspondant au type de thermocouple ainsi que la compensation nécessaire.
● Le résultat final correspond à la température de la jonction de mesure.

Un thermocouple ne fonctionne donc pas comme certains capteurs dont le signal électrique dépend uniquement de la température absolue d’un seul élément sensible. La jonction de référence fait partie intégrante du processus de mesure.

Pourquoi ne peut-on pas ignorer la température de la jonction de référence ?

Supposons que la température de la jonction de mesure reste constante tandis que la température autour des bornes d’entrée de l’instrument varie fortement.

Si la température de référence n’était pas prise en compte, la relation entre la tension thermoélectrique et la température mesurée évoluerait, ce qui pourrait conduire à une température calculée incorrecte.

C’est pour cette raison qu’un thermomètre à thermocouple nécessite une compensation de jonction froide.

Les instruments modernes utilisent généralement un capteur placé près de l’entrée thermocouple. La température ainsi mesurée est intégrée au calcul correspondant au type de thermocouple sélectionné.

Un système complet doit donc traiter correctement deux informations :

● La tension thermoélectrique générée par le thermocouple.
● La température réelle de la zone de référence.

La fiabilité de la température affichée dépend de la mesure et du traitement corrects de ces deux grandeurs.

La jonction froide doit-elle rester à 0 °C ?

Non.

La température de 0 °C constitue une référence courante dans les données thermoélectriques et les méthodes d’étalonnage, mais cela ne signifie pas que la jonction de référence d’un appareil réel doit être maintenue physiquement à cette température.

Les thermomètres portatifs, enregistreurs de données et modules industriels modernes utilisent généralement une compensation électronique de jonction froide. Les bornes d’entrée peuvent donc être à 20 °C, 25 °C ou à toute autre température située dans la plage de fonctionnement prévue, à condition que cette température soit correctement mesurée et compensée.

Dans les conditions normales d’utilisation, il n’est donc pas nécessaire de créer une jonction de référence physique à 0 °C.

La compensation de jonction froide possède toutefois sa propre incertitude. Lorsqu’un instrument passe rapidement d’un environnement très chaud ou très froid à un environnement dont la température est très différente, sa température interne peut nécessiter un certain temps pour se stabiliser. Durant cette phase transitoire, le capteur de référence peut ne pas représenter parfaitement la température réelle des bornes, ce qui peut introduire une erreur supplémentaire.

La jonction chaude doit-elle toujours être plus chaude que la jonction froide ?

Non.

Lors de mesures sur un four, un conduit d’échappement, une conduite de procédé chauffée ou un autre objet à haute température, la jonction de mesure est généralement beaucoup plus chaude que la jonction de référence. Dans ce contexte, les appellations traditionnelles sont faciles à comprendre.

Dans une application basse température, la situation peut être inversée :

● Température de la jonction de mesure : -30 °C
● Température de la jonction de référence : 20 °C

La « jonction chaude » est alors en réalité 50 °C plus froide que la « jonction froide ».

Pour expliquer le principe de fonctionnement, les termes jonction de mesure et jonction de référence sont donc plus rigoureux.

Où se trouve la jonction froide ?

Sur un thermomètre à thermocouple portatif classique, la zone de référence se trouve généralement autour du connecteur du thermocouple et des bornes d’entrée de l’instrument.

Lorsqu’une sonde de type K équipée d’un connecteur thermocouple standard est raccordée à l’appareil, celui-ci mesure généralement la température à proximité de l’entrée et utilise cette valeur pour la compensation de jonction froide.

La jonction de référence ne doit cependant pas être considérée comme un point physique unique situé à l’extrémité du fil. Dans un circuit réel, conducteurs du thermocouple, connecteurs, bornes et conducteurs en cuivre forment un système de connexion complet.

Un instrument correctement conçu doit donc assurer des conditions thermiques adaptées dans cette zone et mesurer une température de référence représentative.

La conception des entrées thermocouple et la compensation thermique interne jouent ainsi un rôle important dans les performances globales de l’appareil.

La construction de la jonction de mesure influence-t-elle les performances ?

Oui.

Même si toutes les jonctions de mesure remplissent la même fonction de base, leur construction influence le temps de réponse, la résistance mécanique, l’isolation électrique et l’adaptation à l’environnement de mesure.

Une jonction exposée, par exemple, présente une faible masse thermique et offre généralement une réponse rapide, mais elle est moins protégée mécaniquement et contre les agressions de l’environnement.

Sur un thermocouple gainé métallique, la jonction peut être mise à la masse, isolée ou exposée. Ces constructions se distinguent notamment par leur temps de réponse, leur isolation électrique, leur sensibilité aux perturbations et leur domaine d’application.

Le choix d’un thermocouple ne doit donc pas uniquement porter sur son type, par exemple K, J ou T, mais également sur la construction de sa jonction de mesure.

La compensation de jonction froide influence-t-elle la précision du thermomètre ?

Oui. Elle contribue directement à l’incertitude globale du système et doit être prise en compte lorsque l’on distingue la précision de l’instrument de celle de la sonde thermocouple.

L’erreur totale d’un système de mesure réel peut provenir de plusieurs sources :

● Tolérance du matériau du thermocouple.
● Erreur de contact thermique entre la jonction de mesure et la cible.
● Erreurs dues à des câbles d’extension, câbles de compensation ou connecteurs inadaptés.
● Erreur du circuit de mesure de la tension thermoélectrique.
● Erreur du capteur de température de la jonction de référence.
● Erreur due à des gradients de température autour de la zone de référence.
● Erreurs de linéarisation et de calcul de l’instrument.
● Erreurs transitoires provoquées par des variations rapides de la température ambiante.

Les performances d’un système de mesure par thermocouple doivent donc être évaluées sur l’ensemble de la chaîne de mesure et non uniquement à partir de la précision de la sonde ou de l’instrument.

Comment réduire les erreurs liées aux jonctions de mesure et de référence ?

● Assurez un bon contact thermique entre la jonction de mesure et la cible. Lors d’une mesure de surface, un mauvais contact, un espace d’air ou l’influence de l’air ambiant peut empêcher la jonction d’atteindre la température réelle de la surface.
● Choisissez une construction de sonde adaptée à l’application. La mesure de l’air, de liquides, de surfaces de tuyaux, de fours ou de températures évoluant rapidement impose des exigences différentes.
● Utilisez des connecteurs, câbles d’extension ou câbles de compensation compatibles avec le type de thermocouple. Des matériaux incorrects peuvent créer des tensions thermoélectriques parasites.
● Évitez les gradients thermiques importants autour des bornes d’entrée. Si une partie de l’entrée est fortement chauffée tandis qu’une autre est exposée à un courant d’air froid, l’erreur de compensation peut augmenter.
● Après une variation importante de la température ambiante, laissez l’instrument atteindre son équilibre thermique conformément aux recommandations du fabricant.
● Vérifiez que le type de thermocouple sélectionné sur l’instrument correspond à la sonde utilisée. Une sonde de type K doit être mesurée avec le réglage Type K.
● Pour les mesures de précision, prenez en compte conjointement l’erreur de la sonde, l’erreur de l’instrument et l’erreur de compensation de jonction froide.

FAQ

La jonction chaude correspond-elle toujours exactement à l’extrémité de la sonde ?

Sur de nombreuses sondes courantes, la jonction de mesure se situe à l’extrémité ou à proximité immédiate de celle-ci. Sa position exacte dépend cependant de la construction. Sur un thermocouple gainé, la jonction peut par exemple être située à l’intérieur de la gaine métallique.

La jonction froide correspond-elle au connecteur du thermocouple ?

Pas exactement. Sur un appareil portatif, le connecteur et les bornes d’entrée font généralement partie de la zone de référence. La compensation implique également les connexions internes et le capteur de température de référence.

Pourquoi un thermocouple nécessite-t-il deux températures ?

Parce que la tension thermoélectrique dépend des conditions de température de la jonction de mesure et de la jonction de référence. Pour déterminer la température de mesure, la température de référence doit être connue ou compensée.

La jonction froide doit-elle être plus froide que la jonction chaude ?

Non. Lors d’une mesure basse température, la jonction de mesure peut être plus froide que la jonction de référence. Les termes jonction chaude et jonction froide sont avant tout des appellations traditionnelles.

Les thermomètres modernes ont-ils besoin d’un bain de glace comme référence ?

En général, non. Les thermomètres numériques modernes disposent habituellement d’une compensation électronique de jonction froide et mesurent automatiquement la température à proximité des bornes d’entrée.

Quel peut être l’impact d’une mauvaise compensation de jonction froide ?

Il dépend du type de thermocouple, de la plage de température, de la conception de l’instrument et de l’erreur sur la température de référence. Une erreur de mesure ou de compensation de la jonction de référence contribue directement à l’incertitude globale et doit donc être prise en compte dans les mesures de précision.

Résumé

La jonction chaude et la jonction froide d’un thermocouple sont plus précisément appelées jonction de mesure et jonction de référence.

La jonction de mesure détecte la température de la cible, tandis que la jonction de référence fournit la référence thermique nécessaire à la conversion. Comme la tension thermoélectrique dépend des conditions de température aux deux extrémités du circuit, l’instrument doit connaître à la fois la tension du thermocouple et la température de la jonction de référence.

Les thermomètres modernes assurent généralement cette fonction automatiquement grâce à une compensation électronique de jonction froide. La jonction de référence n’a donc pas besoin d’être maintenue à 0 °C ni d’être nécessairement plus froide que la jonction de mesure.

Comprendre la relation entre jonction de mesure, jonction de référence et compensation de jonction froide permet de mieux interpréter le principe de mesure d’un thermocouple et d’identifier les erreurs liées à la sonde, aux connexions, à l’environnement et à la compensation de l’instrument.