Un thermocouple est un outil de mesure de température qui se relie à un appareil d’interprétation des données pour former une sonde de haute précision. Il doit son succès à sa vitesse de réaction élevée comparée aux autres modèles de capteurs. Cependant, toutes les sondes de température thermocouple n’offrent pas un temps de réponse identique. Les thermocouples sont dans un classement selon des types (K, J, T, E, R, S, B) en fonction des matériaux utilisés pour les concevoir. Est-ce que le temps de réponse des thermocouples varie selon les types ? Faut-il également chercher du côté des autres caractéristiques des thermocouples ? Si vous souhaitez vous équiper de la sonde de température la plus réactive possible, voici les clés pour comprendre ce qui détermine le temps de réponse d’un thermocouple.
Quelles sont les différentes caractéristiques des thermocouples ?
Si les gammes de thermocouples proposés sont larges, c’est parce que leur conception inclut de nombreux paramètres. Ces caractéristiques influent sur la précision de mesure de la température ainsi que sur le temps de réponse du thermocouple.
Les matériaux des fils conducteurs
Les deux fils qui constituent le cœur du système du thermocouple contiennent des métaux ou d’alliages métalliques conducteurs différents. C’est la nature de ces fils métalliques qui définit le type de thermocouple selon une norme européenne qui les classifie.
Les types K, J, T et E sont les plus communs. Les R, S et B contiennent des métaux précieux, ce qui rend leur prix plus élevé. La grande différence entre ces deux catégories est la gamme de température en degrés Celsius qui est couverte. Les types K, J, T et E, peuvent mesurer la température à partir du zéro absolu jusqu’à des températures élevées (jusqu’à 1 200 °C). Chez les R, S et B, la mesure thermique peut aller jusqu’à des températures très élevées (jusqu’à 1 800 °C). Les métaux précieux sont aussi moins sujets à la corrosion, qui peut se produire dans certains environnements. Chacun de ces types offre une plage de mesure optimale. En s’assurant de faire concorder la plage de température du thermocouple avec les températures à mesurer, on établit les meilleures conditions pour un contrôle précis de la température.
La protection du thermocouple
Le plus économique est le thermocouple à fils nus qui se présente sans gaine de protection. Il contient deux fils métalliques soudés ensemble à une extrémité. Ce type de capteur de température est durable dans le temps. En revanche, l’absence de protection le rend sensible à certains facteurs extérieurs tels que les milieux oxydants ou réducteurs. Les thermocouples peuvent être aussi avec une isolation minérale dans une gaine métallique, il s’agit alors d’une sonde chemisée. Les matériaux les plus utilisés pour concevoir l’isolation minérale sont l’alumine, le magnésium, le dioxyde de thorium et le dioxyde de zirconium. Le principal critère de choix de ces matériaux est la résistance à la température. Pour la gaine métallique, le choix des matériaux est vaste. Il faut à nouveau prendre en compte la température dans son choix, ainsi que le milieu où sera le capteur. Le chemisage rend la sonde robuste et isolée électriquement.
La méthode de jonction
Une autre caractéristique de la sonde thermocouple est sa méthode de jonction, c’est-à-dire la manière dont les deux fils sont reliés au niveau du point de détection de température à mesurer. Dans la jonction soudée, les fils conducteurs sont soudés à la gaine. Lorsque la jonction est isolée, les fils et leur jonction sont situés à l’intérieur de la gaine. Ils sont alors isolés de la gaine. La jonction exposée se situe à l’extérieur de la gaine. La gaine est scellée autour du point de sortie des fils métalliques afin de garantir la meilleure étanchéité possible.
Le câble de raccordement
L’autre extrémité des fils conducteurs est reliée à un appareil qui retranscrit la différence de potentiel (ou force électro-motrice) générée dans le capteur en volts ou en température lisible sur l’afficheur. Lorsqu’il est nécessaire de rajouter de la distance entre la sonde et l’appareil de mesure, on utilise des câbles de raccordement. Deux solutions s’offrent alors, le câble de thermocouple ou le câble de compensation. Le câble de thermocouple est constitué des mêmes matériaux que le thermocouple, ce qui peut être trop coûteux lorsque ce dernier est constitué des métaux précieux. Le câble de compensation est formé de fils conducteurs aux propriétés thermoélectriques correspondant à celles des fils conducteurs du thermocouple.
Quelles caractéristiques influent sur le temps de réponse d’un thermocouple ?
Le type de thermocouple détermine la précision de la mesure de température et sa durabilité. En revanche, il ne va pas jouer de rôle significatif sur la rapidité de réponse. D’autres éléments constitutifs de la sonde de mesure que nous avons vus précédemment influent, en revanche, sur le temps de réaction.
Plus le contact avec l’environnement dont on souhaite mesurer la température est direct (température ambiante, gaz, liquide), plus l’émissivité est élevée. C’est-à-dire que la transmission de chaleur se fait rapidement. Les thermocouples à fils nus, avec une jonction externe, offrent ainsi une réponse rapide. C’est aussi le cas des sondes à jonction soudée. Les fils étant directement en contact avec la gaine, la chaleur circule rapidement.
Le temps de réponse est aussi fonction de la taille de la gaine. Une gaine d’un petit diamètre (0,25 mm, 0,5 mm ou 1 mm par exemples) offre un meilleur temps de réaction. Attention au choix de cette gaine, sa résistance à certains milieux et aux hautes températures peut être moindre que celle du thermocouple. En cas d’altération de la gaine, l’étalonnage du thermocouple (aussi appelé calibrage) effectué en amont de l’utilisation de la sonde peut être altérée.
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