Introduction

La mesure de température par thermocouple ne repose ni sur une mesure de résistance ni sur le rayonnement infrarouge. Elle consiste à mesurer une très faible tension électrique produite par deux conducteurs différents lorsqu’une différence de température existe entre deux points du circuit.

Lorsque la jonction de mesure et la jonction de référence sont à des températures différentes, le thermocouple génère une tension généralement comprise entre quelques microvolts et quelques millivolts. Le thermomètre mesure cette tension, puis la convertit en température à l’aide de la relation tension–température correspondant au type de thermocouple sélectionné.

En résumé :

● Un thermocouple fournit un signal électrique sous forme de tension ;
● Cette tension dépend principalement des températures de la jonction de mesure et de la jonction de référence ;
● Chaque type de thermocouple possède sa propre courbe tension–température ;
● La relation entre tension et température n’est généralement pas une simple proportion linéaire constante.

Points essentiels

● Les thermocouples utilisent l’effet Seebeck pour convertir une différence de température en tension thermoélectrique ;
● Leur tension de sortie se situe généralement dans la plage des microvolts à quelques dizaines de millivolts ;
● La mesure dépend fondamentalement de la différence de température entre la jonction de mesure et la jonction de référence ;
● Les différentes combinaisons de matériaux présentent des propriétés Seebeck différentes : les types K, J, T, E et autres ne partagent donc pas la même caractéristique tension–température ;
● Cette relation est généralement non linéaire et nécessite des tables de référence normalisées ou des modèles mathématiques ;
● Les thermomètres à thermocouple utilisent une compensation de soudure froide afin de déterminer la température réelle de la jonction de mesure.

Pourquoi un thermocouple génère-t-il une tension ?

Un thermocouple est généralement constitué de deux métaux ou alliages différents. Lorsque ces deux conducteurs sont reliés et qu’un gradient de température existe dans le circuit, une tension thermoélectrique apparaît. Ce phénomène est appelé effet Seebeck.

Les porteurs de charge ne réagissent pas de la même manière au gradient thermique dans les différents matériaux conducteurs. Les propriétés thermoélectriques des deux matériaux étant différentes, leur association produit une tension mesurable.

D’un point de vue pratique :

● La température varie ;
● La réponse thermoélectrique des matériaux varie en conséquence ;
● L’instrument mesure la tension produite par la paire de matériaux ;
● Cette tension est ensuite convertie en température.

Un thermocouple peut donc être considéré comme un capteur qui transforme une information liée à la température en signal électrique.

Quelle est la relation entre la tension du thermocouple et la différence de température ?

La tension thermoélectrique générée par un thermocouple dépend principalement de la température de la jonction de mesure et de celle de la jonction de référence.

Dans une approximation simple :

E ≈ S × ΔT

où :

● E représente la tension thermoélectrique ;
● S représente le coefficient de Seebeck ;
● ΔT représente la différence de température entre la jonction de mesure et la jonction de référence.

Lorsque cette différence de température augmente, la tension thermoélectrique augmente généralement elle aussi.

Cette formule n’est toutefois qu’une approximation. Dans un thermocouple réel, le coefficient de Seebeck n’est pas constant sur toute la plage de température. Il est donc incorrect de supposer que chaque variation de 1°C produit toujours exactement la même variation de tension.

Une représentation plus précise est :

E = ∫ S(T)dT

La dépendance du coefficient de Seebeck à la température explique pourquoi la caractéristique tension–température d’un thermocouple est une courbe et non une droite parfaite.

La relation tension–température d’un thermocouple est-elle linéaire ?

Pas complètement.

Sur une plage de température limitée, certains thermocouples peuvent être considérés comme approximativement linéaires. C’est pourquoi leur sensibilité est parfois exprimée en microvolts par degré Celsius dans les calculs d’ingénierie simplifiés.

Lorsque la plage de température s’élargit, le coefficient de Seebeck évolue avec la température et la non-linéarité devient plus importante.

Un thermocouple de type K présente par exemple, dans de nombreuses plages usuelles, une sensibilité de l’ordre de quelques dizaines de microvolts par degré Celsius. Cette valeur n’est cependant pas constante sur toute sa plage d’utilisation.

Par conséquent :

● Sur une petite plage de température, un coefficient de Seebeck moyen peut servir d’approximation ;
● Pour une mesure précise ou une large plage de température, il faut utiliser une table de référence ou un algorithme de conversion approprié.

Les thermomètres numériques à thermocouple intègrent donc généralement une fonction de linéarisation.

Pourquoi les différents types de thermocouples ont-ils des relations tension–température différentes ?

La tension thermoélectrique dépend des deux matériaux constituant le thermocouple.

Par exemple :

● Le type K utilise généralement une paire d’alliages à base de nickel, dont un alliage nickel-chrome ;
● Le type J utilise généralement du fer et un alliage cuivre-nickel ;
● Le type T utilise généralement du cuivre et un alliage cuivre-nickel ;
● Le type E utilise généralement un alliage nickel-chrome et un alliage cuivre-nickel.

Ces matériaux ayant des propriétés thermoélectriques différentes, ils ne produisent pas la même tension pour des conditions de température identiques.

Pour une même différence de température :

● Un thermocouple de type K produit une certaine tension ;
● Un type J produit une autre tension ;
● Les types T et E ont également leurs propres caractéristiques.

Le thermomètre doit donc connaître le type de thermocouple raccordé afin d’appliquer la bonne relation de conversion.

Si l’instrument est réglé sur le type K alors qu’un thermocouple de type J est connecté, la mesure électrique de la tension peut être correcte mais la température calculée peut présenter une erreur importante.

Qu’est-ce qu’une table de référence pour thermocouple ?

La relation entre tension et température n’étant pas parfaitement linéaire, il n’est généralement pas possible d’utiliser un seul facteur constant de conversion sur toute la plage de mesure.

Des données de référence normalisées définissent la relation entre tension thermoélectrique et température pour chaque type de thermocouple. Elles sont couramment présentées sous forme de tables.

Une table indique notamment :

● La tension en millivolts correspondant à une température donnée ;
● La température correspondant à une tension donnée.

Lorsqu’un thermomètre mesure une certaine tension, son électronique interne peut utiliser le type de thermocouple sélectionné ainsi que des données tabulées ou des équations polynomiales pour déterminer la température correspondante.

Dans les appareils numériques modernes, cette conversion est effectuée automatiquement. L’utilisateur lit donc directement une température et non la tension brute en millivolts.

Pourquoi la tension seule ne permet-elle pas de connaître directement la température réelle ?

La tension d’un thermocouple ne dépend pas uniquement de la température absolue de la jonction de mesure. La température de la jonction de référence intervient également.

Supposons que la jonction de mesure soit à 100°C.

Si la jonction de référence est à 0°C, la tension correspond à la relation entre 100°C et 0°C.

Si la jonction de référence se trouve à 25°C, la tension produite correspond à une autre condition thermique.

Ainsi, connaître uniquement la valeur en millivolts ne suffit pas à déterminer précisément la température de la jonction de mesure si la température de référence est inconnue.

C’est pourquoi une compensation de soudure froide, ou CJC, est nécessaire.

Comment la compensation de soudure froide intervient-elle dans la conversion ?

Les tables de référence des thermocouples sont généralement établies pour une jonction de référence à 0°C.

Dans une utilisation réelle, les bornes de connexion du thermomètre se trouvent à la température ambiante, par exemple 20°C ou 25°C, et ne peuvent pas être maintenues en permanence à 0°C.

Les thermomètres numériques modernes intègrent donc généralement un capteur de température à proximité des bornes d’entrée afin de mesurer la température réelle de la jonction de référence.

L’instrument effectue ensuite les opérations suivantes :

● Mesure de la faible tension du thermocouple ;
● Mesure de la température de la jonction de référence ;
● Calcul de la tension thermoélectrique équivalente correspondant à cette température de référence ;
● Compensation de la tension mesurée ;
● Conversion de la valeur compensée en température à l’aide de la relation correspondant au type de thermocouple.

La mesure réelle ne se résume donc pas à :

Tension → Température

Elle correspond plutôt à :

Tension du thermocouple + température de référence + type de thermocouple + données de conversion → température réelle

Pourquoi la tension de sortie d’un thermocouple est-elle si faible ?

La sensibilité d’un thermocouple est généralement de quelques dizaines de microvolts par degré Celsius seulement. Même à plusieurs centaines de degrés Celsius, la tension de sortie reste souvent limitée à quelques millivolts ou quelques dizaines de millivolts.

Un signal aussi faible présente plusieurs particularités :

● Il peut être affecté par les perturbations électromagnétiques ;
● Les matériaux des conducteurs et des connexions ont une influence sur la mesure ;
● Le circuit de mesure doit présenter une impédance d’entrée élevée et un faible niveau de bruit ;
● L’instrument doit disposer d’une résolution suffisante pour mesurer de très faibles tensions ;
● Des câbles d’extension ou de compensation incorrects peuvent introduire des tensions thermoélectriques supplémentaires.

Même si l’écran d’un thermomètre affiche simplement une température, son électronique interne effectue généralement l’amplification du signal, le filtrage, la compensation de soudure froide, la linéarisation et la conversion analogique-numérique.

Une tension plus élevée signifie-t-elle toujours une température plus élevée ?

Pour un même type de thermocouple, dans les mêmes conditions de référence et à l’intérieur de sa plage d’utilisation, une augmentation de la tension thermoélectrique correspond généralement à une augmentation de la température de mesure.

Cette règle ne doit toutefois pas être appliquée sans tenir compte des conditions de mesure.

Il faut notamment vérifier :

● Que le type de thermocouple est identique ;
● Que la polarité est correcte ;
● Que la température de la jonction de référence n’a pas changé ;
● Que le thermocouple fonctionne dans sa plage prévue ;
● Que le signal n’est pas perturbé par des interférences ou des tensions thermoélectriques parasites.

Les tensions en millivolts de différents types de thermocouples ne doivent donc pas être comparées directement pour déterminer quelle température est la plus élevée.

Pourquoi la polarité du thermocouple influence-t-elle la tension ?

Un thermocouple possède un conducteur positif et un conducteur négatif.

Lorsque la jonction de mesure est plus chaude que la jonction de référence et que le raccordement respecte la polarité prévue, l’instrument mesure une tension thermoélectrique de polarité correcte.

Si les deux conducteurs sont inversés, la polarité de la tension s’inverse également. L’instrument peut alors afficher une température incorrecte ou une évolution de température opposée à la réalité.

Par exemple, lorsque la température réelle augmente :

● Polarité correcte : la température affichée augmente ;
● Polarité inversée : la température affichée peut diminuer ou devenir manifestement incohérente.

Il est donc important de respecter le type de matériau et la polarité lors du raccordement du thermocouple, des câbles d’extension ou des câbles de compensation.

Quels facteurs peuvent provoquer un écart entre la tension mesurée et la température réelle ?

Même lorsqu’un thermocouple produit correctement sa tension thermoélectrique, plusieurs facteurs peuvent créer un écart entre la température indiquée et la température réelle.

Les causes courantes comprennent :

● Mauvais type de thermocouple sélectionné sur l’instrument ;
● Polarité inversée ;
● Erreur de compensation de soudure froide ;
● Câble d’extension ou de compensation inadapté ;
● Gradient thermique important au niveau des connexions ;
● Vieillissement, oxydation ou contamination du thermocouple ;
● Perturbations électromagnétiques affectant le signal de faible amplitude ;
● Équilibre thermique insuffisant entre la jonction de mesure et l’objet mesuré ;
● Utilisation en dehors de la plage de température recommandée.

La précision d’une mesure par thermocouple dépend donc non seulement du capteur, mais également de l’instrument, du câblage, de l’installation et de l’environnement de mesure.

FAQ

Un thermocouple produit-il la même variation de tension pour chaque augmentation de 1°C ?

Non. Le coefficient de Seebeck varie avec la température. La variation de tension par degré Celsius n’est donc pas constante sur toute la plage. Une approximation linéaire peut être acceptable sur une petite plage, mais une mesure précise nécessite les données de référence correspondantes.

Un thermocouple produit-il une tension alternative ou continue ?

Un thermocouple produit une très faible tension continue d’origine thermoélectrique. Sa polarité dépend des matériaux utilisés, du sens de raccordement et des températures respectives des jonctions de mesure et de référence.

Peut-on mesurer la tension d’un thermocouple avec un multimètre ?

Oui. Un multimètre approprié peut mesurer la tension en millivolts. Cependant, un multimètre classique ne réalise généralement ni la conversion correspondant au type de thermocouple, ni la compensation de soudure froide, ni la linéarisation. La tension mesurée ne doit donc pas être interprétée directement comme une température.

Les différents types de thermocouples produisent-ils la même tension à la même température ?

Non. Les types K, J, T, E et autres utilisent des combinaisons de matériaux différentes et possèdent donc des caractéristiques Seebeck et des relations tension–température différentes.

Une tension de 0 mV signifie-t-elle que la température est de 0°C ?

Pas nécessairement. Une tension proche de 0 mV signifie généralement que la jonction de mesure et la jonction de référence sont à des températures proches. Par exemple, si les deux sont à environ 25°C, la tension différentielle sera également proche de zéro.

Pourquoi faut-il sélectionner le type K, J, T ou E sur un thermomètre ?

Chaque type de thermocouple possède sa propre relation tension–température. L’instrument doit utiliser les données correspondant au thermocouple effectivement raccordé afin de convertir correctement la tension mesurée en température.

Conclusion

La mesure par thermocouple repose sur l’effet Seebeck : deux matériaux conducteurs différents transforment une différence de température en une faible tension continue.

Il existe une relation définie entre cette tension et la température, mais elle n’est généralement pas décrite par un simple facteur linéaire constant. Chaque type de thermocouple possède ses propres caractéristiques thermoélectriques et nécessite les données de référence ou l’algorithme de conversion correspondant.

La tension du thermocouple ne dépend par ailleurs pas uniquement de la température absolue de la jonction de mesure. Elle dépend également de la jonction de référence. Les thermomètres modernes intègrent donc une compensation de soudure froide afin de convertir avec précision des signaux de quelques microvolts ou millivolts en température.

Le principe fondamental peut être résumé ainsi : différence de température → tension thermoélectrique → compensation et linéarisation → température.