Comment effectuer une mesure par thermocouple

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Vue d'ensemble des températures et des thermocouples

La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules dans un échantillon de matière, exprimée en degré sur une échelle standard. Il est possible de mesurer la température de plusieurs façons différentes qui se distinguent par le coût des équipements et la précision. Les thermocouples sont l'un des capteurs les plus couramment utilisés pour la mesure de températures, car ils sont relativement peu onéreux, tout en étant précis, et peuvent fonctionner dans une large gamme de températures.

Un thermocouple est créé lorsque deux métaux différents entrent en contact, ce qui produit au point de contact une faible tension en circuit ouvert qui correspond à la température. Cette tension thermoélectrique est connue sous le nom d'effet Seebeck, d'après Thomas Seebeck, qui l'a découverte en 1821. La tension n'est pas linéaire par rapport à la température. Cependant, pour de faibles variations de température, la tension est à peu près linéaire, ou

      (1)

 

Lorsque ΔV est le changement de tension, S est le coefficient de Seebeck et dT est la variation de température.

 

Il existe plusieurs types de thermocouples, désignés par des lettres capitales indiquant leur composition conformément aux conventions ANSI (American National Standards Institute). Un thermocouple de type J, par exemple, est constitué d'un conducteur en fer et d'un autre en constantan (alliage de cuivre et de nickel).  Parmi les autres thermocouples, citons ceux de types B, E, K, N, R, S et T.

 

Comment effectuer une mesure par thermocouple

Théorie

Pour mieux comprendre la mesure par thermocouple, il convient de comprendre préalablement le fonctionnement de ce dernier. La première partie de cette section développe la théorie fondamentale des thermocouples, tandis que la suite décrit comment connecter le thermocouple à un instrument et comment effectuer une mesure de température.

Pour mesurer la tension de Seebeck sur un thermocouple, il ne suffit pas de connecter le thermocouple à un voltmètre ou à un autre système de mesure car le fait de connecter les fils du thermocouple au système de mesure crée des circuits thermoélectriques supplémentaires.

Figure n°1. Thermocouple de type J

Prenons l'exemple du circuit illustré par la Figure n°1, dans lequel le thermocouple de type J se trouve dans la flamme d'une bougie dont nous souhaitons mesurer la température. Les deux fils du thermocouple sont connectés aux fils de cuivre d'une carte d'acquisition de données. Vous remarquerez que le circuit comporte trois jonctions métalliques dissemblables : J1, J2 et J3. J1, la jonction du thermocouple, génère la tension de Seebeck proportionnelle à la température de la flamme de la bougie. J2 et J3 ont chacun leur propre coefficient de Seebeck et génèrent leur propre tension thermoélectrique proportionnelle à la température au niveau des terminaux d'acquisition de données. Afin de déterminer la contribution en tension de J1, il faut connaître les températures des jonctions J2 et J3, ainsi que les rapports tension/température pour ces jonctions. Vous pouvez alors soustraire les contributions en tension des jonctions parasites en J2 et J3 de la tension mesurée au niveau de la jonction J1.

Les thermocouples ont besoin d'une référence de température pour compenser l'effet de ces soudures "froides" parasites indésirables. La méthode la plus courante consiste à mesurer la température à la jonction de référence avec un capteur de température à mesure directe, puis de soustraire les contributions en tension des jonctions parasites. Ce processus est appelé compensation de soudure froide. Il est possible de simplifier le calcul de la compensation de soudure froide en tirant parti de certaines caractéristiques du thermocouple.

En ayant recours à la loi des métaux intermédiaires et en posant quelques hypothèses simples, vous constaterez que la tension mesurée par un système d'acquisition de données dépend uniquement du type et de la tension du thermocouple, ainsi que de la température de la soudure froide. La tension mesurée est indépendante de la composition des fils de mesure et des soudures froides, J2 and J3.

D'après la loi des métaux intermédiaires, illustrée Figure n°2, l'insertion de n'importe quel type de fil dans un circuit de thermocouple n'a aucun effet sur la sortie tant que les deux extrémités de ce fil sont à la même température, c'est-à-dire isothermes.

Figure n°2. Lois des métaux intermédiaires

Observons le circuit de la Figure n°3. Ce circuit est semblable à celui décrit précédemment dans la Figure n°1, mais un fil de constantan de courte longueur a été inséré juste avant la jonction J3, tandis que les jonctions sont supposées être maintenues à des températures identiques. En supposant que les jonctions J3 et J4 sont à la même température, la loi des métaux intermédiaires indique que le circuit de la Figure n°3 est équivalent d'un point de vue électrique au circuit de la Figure n°1. Par conséquent, tout résultat provenant du circuit de la Figure n°3 s'applique également au circuit de la Figure n°1.

Figure n°3. Insertion d'un fil supplémentaire dans la zone isotherme

Dans la Figure n°3, les jonctions J2 et J4 sont du même type (cuivre-constantan) ; comme elles se situent toutes deux dans la même région isotherme, J2 et J4 sont également à la même température. En raison du sens du courant à travers le circuit, J4 contribue à la tension de Seebeck positive et J2 contribue à une tension négative de grandeur égale mais opposée. De ce fait, les effets des jonctions s'annulent mutuellement, et la contribution totale de la tension mesurée est égale à zéro. Les jonctions J1 et J3 sont constituées de fer et de constantan, mais elles peuvent s'élever à des températures différentes car elles ne partagent pas la même région isotherme. C'est la raison pour laquelle J1 et J3 génèrent toutes deux une tension de Seebeck, mais avec des amplitudes différentes. Pour compenser la soudure froide J3, sa température est mesurée et la tension produite est soustraite à la mesure par thermocouple.

En utilisant la notation V_Jx(T_y) pour indiquer la tension générée par la jonction J_x à la température T_y, le problème général du thermocouple se réduit à l'équation suivante :

V_MEAS = V_J1(T_TC ) + V_J3(T_ref )       (2)

où V_MEAS est la tension mesurée par le matériel d'acquisition de données, T_TC est la température du thermocouple en J1 et T_ref est la température de la jonction de référence.

Vous remarquerez que dans l'équation 2, V_Jx(T_y) est une tension générée à une température T_y par rapport à une certaine température de référence. Tant que V_J1 et V_J3 sont fonctions de la température relative à la même température de référence, l'équation (2) est valide. Comme indiqué précédemment, par exemple, les tables de référence pour thermocouples NIST sont établies pour une jonction de référence maintenue à 0° C.

Étant donné que la jonction J3 est du même type que J1, mais en sens opposé, V_J3(T_ref ) = -V_J1(T_ref ). Puisque V_J1 est la tension générée par le type de thermocouple soumis au test, cette tension peut être renommée V_TC . Donc, l'équation (2) est réécrite de la manière suivante :

V_MEAS = V_TC (T_TC ) - V_TC (T_ref )           (3)

Par conséquent, en mesurant V_MEAS et T_ref et en connaissant le rapport tension/température du thermocouple, il est possible de déterminer la température à la soudure chaude du thermocouple.

Deux techniques permettent la mise en œuvre de la compensation de soudure froide : la compensation matérielle et la compensation logicielle. Ces deux techniques nécessitent de mesurer la température de la jonction de référence avec un capteur à lecture directe. Un capteur à lecture directe possède une sortie qui ne dépend que de la température du point de mesure. Des capteurs de type semi-conducteurs, des thermistances et des RTD sont couramment utilisés pour mesurer la température de la jonction de référence.

Avec la compensation matérielle, une source de tension variable est insérée dans le circuit pour annuler les tensions thermoélectriques parasites. La source de tension variable génère une tension de compensation en fonction de la température ambiante, et ajoute ainsi la tension correcte pour annuler les signaux thermoélectriques indésirables. Lorsque ces signaux parasites sont annulés, le seul signal mesuré par un système d'acquisition de données est la tension provenant de la jonction du thermocouple. Avec une compensation matérielle, la température au niveau des terminaux du système d'acquisition de données n'est pas significative, car les tensions des thermocouples parasites ont été annulées. Le principal inconvénient de la compensation matérielle est que chaque type de thermocouple doit être doté d'un circuit de compensation séparé, pour ajouter la tension de compensation correcte, ce qui rend le circuit relativement cher. En général, une compensation matérielle est aussi moins précise qu'une compensation logicielle.

La deuxième méthode consiste à utiliser un logiciel pour la compensation de soudure froide. Après la mesure de la température de la jonction de référence par un capteur à lecture directe, le logiciel peut ajouter la valeur de tension appropriée à la tension mesurée afin d'éliminer les effets parasites du thermocouple. Rappelez-vous l'équation 3, qui indique que la tension mesurée, V_MEAS, est égale à la différence entre les tensions à la soudure chaude (thermocouple) et à la soudure froide.

Les tensions de sortie d'un thermocouple sont fortement non linéaires. Le coefficient de Seebeck peut varier d'un facteur de trois, voire davantage, sur la gamme de températures de fonctionnement de certains thermocouples. Pour cette raison, vous devez soit calculer de manière approximative la courbe de la tension par rapport à la température du thermocouple à l'aide de polynômes, soit utiliser une table de correspondance.

 

Connecter un thermocouple à un instrument

Pour cette section, prenons un exemple utilisant un châssis NI cDAQ-9172 et un module thermocouple de la Série C NI 9211. Les mêmes procédures s'appliquent pour la connexion d'un thermocouple à des instruments différents (voir Figure n°4).

 

Les matériels suivants sont requis :

-         un châssis Hi-Speed USB à huit emplacements cDAQ-9172 pour NI CompactDAQ

-         un module d'entrée de thermocouple à quatre voies, 14 éch./s, 24 bits, ±80 mV NI 9211

-         un thermocouple de type J

 

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Figure n°4. Système NI CompactDAQ

 

Le NI 9211 est doté d'un bornier à vis amovible à 10 terminaux qui permet de connecter quatre voies d'entrées de thermocouples. Chaque voie a un terminal auquel peut être connecté le fil positif du thermocouple, TC+, et un autre auquel peut être connecté le fil négatif du thermocouple, TC–. Le NI 9211 est également pourvu d'un terminal commun, COM, connecté de manière interne à la référence à la masse isolée du module. Reportez-vous à la Figure n°5 pour l'affectation des terminaux à chaque voie et à la Figure n°6 pour un schéma des connexions.

 

Figure n°5. Affectation des terminaux

 

 

 Figure n°6. Schéma des connexions

 

Visualisation des mesures : NI LabVIEW

Une fois le thermocouple connecté au matériel de mesure, il est possible d'utiliser le logiciel de programmation graphique LabVIEW pour le transfert des données à l'ordinateur en vue d'une visualisation et d'une analyse.

La Figure n°7 montre un exemple d'affichage des températures mesurées au sein de l'environnement de programmation LabVIEW.

 

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Figure 7. Face-avant LabVIEW affichant des températures

 

Matériels et logiciels recommandés

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