Mesure de températures par thermocouple
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Type de document: Tutorial Supporté par NI: oui Date de publication: 13 févr. 2012 Mesure de températures par thermocouple Introduction Ce tutorial fait partie de la série des principes fondamentaux de la mesure de National Instruments. Chaque tutorial de la série vous enseignera un sujet particulier des applications de mesure courantes en expliquant des concepts théoriques et en fournissant des exemples pratiques.Ce document vous présente les thermocouples, qui constituent un matériel de mesure de température économique largement utilisé avec les systèmes DAQ sur PC. Il inclut également quelques exemples de thermocouples spécifiques. Pour plus d'informations, revenez à la page principale des principes fondamentaux de la mesure. NIDays 2010 : Comment mesurer vos grandeurs physiques ? Avec quel matériel d'acquisition? >> Table des matières 1. 2. 3. 4. 5. Qu'est-ce que la température ? Qu'est-ce qu'un thermocouple ? Mesure par thermocouples et conditionnement de signaux Systèmes DAQ pour la mesure par thermocouples Produits NI appropriés Qu'est-ce que la température ? Qualitativement, la température d'un objet détermine la sensation de chaleur ou de froideur ressentie en le touchant. Plus spécifiquement, la température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules d'un échantillon de matière, exprimée en unités de degrés sur une échelle standard. Qu'est-ce qu'un thermocouple ? L'un des capteurs de température les plus fréquemment utilisés est le thermocouple. Les thermocouples sont des matériels particulièrement durcis et économiques qui peuvent opérer sur une large gamme de températures. Un thermocouple est créé lorsque deux métaux différents entrent en contact, ce qui produit une faible tension en circuit ouvert au point de contact, qui varie en fonction de la température. Cette tension thermo-électrique est connue sous le nom de tension de Seebeck, d'après Thomas Seebeck qui l'a découverte en 1821. La tension n'est pas linéaire en fonction de la température. Cependant, pour de petites variations de température, la tension est approximativement égale à : (1) où DV est la variation de la tension, S est le coefficient de Seebeck et DT la variation de la température. Cependant, S varie en fonction de la température, ce qui rend les tensions des thermocouples non linéaires sur leurs gammes de fonctionnement. Plusieurs types de thermocouples sont disponibles ; ils sont désignés par une lettre majuscule qui indique leur composition selon les conventions de l'American National Standards Institute (ANSI). Par exemple, un thermocouple de type J est constitué d'un fil conducteur en fer et d'un autre en constantan (un alliage de cuivre et de nickel). Une liste complète des thermocouples disponibles est présentée ci-dessous au tableau 1. Table 1. Compositions et lettres de représentation des thermocouples normalisés Types de thermocouples Conducteurs - Positif Conducteurs - Négatif B Platine rhodié à 30 % Platine rhodié à 6 % E Alliage nickel / chrome Alliage cuivre / nickel J Fer Alliage cuivre / nickel K Alliage nickel / chrome Alliage nickel / aluminium N Alliage nickel / chrome / silicone Alliage nickel / silicone / magnésium R Platine rhodié à 13 % Platine S Platine rhodié à 10 % Platine T Cuivre Alliage cuivre / nickel Consulter les tableaux des tensions thermoélectriques pour tous les types de thermocouples Mesure par thermocouples et conditionnement de signaux 1/3 www.ni.com Pour mesurer la tension de Seebeck d'un thermocouple, vous ne pouvez pas simplement le connecter à un voltmètre ou à un autre système de mesure, parce que le fait de connecter les fils du thermocouple au système de mesure créé des circuits thermo-électriques supplémentaires. Figure 1. Thermocouple de type J Examinez le circuit illustré à la figure 1, dans lequel un thermocouple de type J est situé dans la flamme d'une bougie à une certaine température que vous souhaitez mesurer. Les deux fils du thermocouple sont connectés aux fils de connexion en cuivre d'une carte DAQ (acquisition de données). Remarquez que le circuit contient trois jonctions métalliques différentes : J1, J2 et J3. J1, la jonction du thermocouple, génère une tension de Seebeck proportionnelle à la température de la flamme de la bougie. J2 et J3 possèdent chacune leur propre coefficient de Seebeck et génèrent leur propre tension thermo-électrique proportionnelle à la température, au niveau des terminaux DAQ. Afin de déterminer la contribution en tension de J1, vous devez connaître les températures des jonctions J2 et J3, ainsi que leurs relations tension/température. Vous pouvez ensuite soustraire les contributions des thermocouples parasites en J2 et J3 de la tension mesurée. Les thermocouples nécessitent une certaine forme de référence de température pour compenser ces thermocouples parasites indésirés. L'approche la plus pratique est de mesurer la température au niveau de la jonction de référence par un capteur de température à lecture directe, puis de soustraire les contributions de tension de la jonction du thermocouple parasite. Ce processus est dénommé compensation de soudure froide. Vous pouvez simplifier le calcul de la compensation de soudure froide en tenant compte de certaines caractéristiques des thermocouples. En utilisant la loi des thermocouples de métaux intermédiaires et en posant quelques hypothèses simples, vous pouvez observer, à la figure 2, que la tension des mesures des cartes DAQ ne dépend que du type de thermocouple, de la tension du thermocouple et de la température de soudure froide. La tension mesurée est en réalité indépendante de la composition des fils de mesure et des soudures froides, J2 et J3. Selon la loi des thermocouples de métaux intermédiaires, illustrée à la figure 4, l'insertion de n'importe quel type de fil dans un circuit de thermocouple n'a pas d'effet sur la sortie, tant que les deux extrémités de ce fil sont à la même température, ou isothermes. Figure 2. Loi des thermocouples de métaux intermédiaires Examinez le circuit de la figure 3. Ce circuit est similaire au circuit précédemment décrit à la figure 1, mais une courte longueur de fil en constantan a été insérée juste avant la jonction J3 et les jonctions sont supposées être maintenues à des températures identiques. En prenant comme hypothèse que les jonctions J3 et J4 sont à la même température, la loi des thermocouples de métaux intermédiaires indique que le circuit de la figure 3 est électriquement équivalent au circuit de la figure 1. Donc, n'importe quel résultat relevé à partir du circuit de la figure 3 s'applique également au circuit de la figure 1. Figure 3. Insertion d'un fil de connexion supplémentaire dans la zone isotherme À la figure 3, les jonctions J2 et J4 sont de même type (cuivre / constantan) ; parce qu'elles sont situées dans la zone isotherme, J2 et J4 sont aussi à la même température. En raison du sens de ce courant à travers le circuit, J4 contribue à une tension de Seebeck positive et J2 contribue à une tension négative égale mais opposée. Donc, les effets des jonctions s'annulent mutuellement et la contribution totale à la tension mesurée est égale à zéro. Les jonctions J1 et J3 sont des jonctions fer / constantan, mais elles peuvent être à différentes températures parce qu'elles ne partagent pas une zone isotherme. Comme elles sont à différentes températures, les jonctions J1 et J3 produisent 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 de la mesure du thermocouple. À l'aide de la notation VJx(Ty) pour indiquer la tension générée par la jonction Jx à la température T y, le problème général du thermocouple est réduit à l'équation suivante : VMEAS = VJ1(TTC ) + VJ3(Tref ) (2) où VMEAS est la tension mesurée par la carte DAQ, T TC est la température du thermocouple en J1 et T ref est la température de la jonction de référence. Remarquez qu'à l'équation 2, VJx(Ty) est une tension générée à la température Ty par rapport à une certaine température de référence. Tant que V J1 et VJ3 sont des fonctions de la température relatives à la même température de référence, l'équation (2) est valide. Comme indiqué ci-dessus, par exemple, les tables de référence pour thermocouples NIST sont établies pour une jonction de référence maintenue à 0° C. Comme la jonction J3 est de même type que J1, mais en sens inverse, V J3(Tref ) = -VJ1(Tref ). Parce que VJ1 est la tension générée par le type de thermocouple soumis au test, cette tension peut être renommée VTC. Donc, l'équation (2) est réécrite de la manière suivante : VMEAS = VTC (TTC ) - VTC (Tref ) (3) Donc, en mesurant VMEAS et Tref et en connaissant la relation tension/température du thermocouple, vous pouvez déterminer la température du thermocouple. Il existe deux techniques de mise-en-œuvre de la compensation de soudure froide : la compensation matérielle et la compensation logicielle. Ces deux techniques nécessitent la mesure de la température de la jonction de référence par 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 2/3 www.ni.com type semiconducteurs, des thermistances ou des RTD sont couramment utilisés pour mesurer la température de la jonction de référence. Par exemple, plusieurs blocs terminaux SCXI de National Instrument incluent des thermistances situées à proximité des borniers à vis de connexion des fils du thermocouple. Avec la compensation matérielle, une source de tension variable est insérée dans le circuit pour annuler les tensions thermo-électriques parasites. La source de tension variable génère une tension de compensation suivant la température ambiante, et ajoute ainsi la tension correcte pour annuler les signaux thermo-électriques indésirables. Lorsque que 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 des terminaux du système d'acquisition de données n'est pas significative, parce que les tensions des thermocouples parasites ont été annulées. Le principal inconvénient de la compensation matérielle est que chaque type de thermocouple doit posséder 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 généralement 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 pour éliminer les effets du thermocouple parasite. Rappelez-vous l'équation 3, qui indique que la tension mesurée, V MEAS, est égale à la différence entre les tensions du thermocouple, à la température du thermocouple et à la température de la jonction de référence. Les tensions de sortie d'un thermocouple sont fortement non linéaires. Le coefficient de Seebeck peut varier d'un facteur de trois ou davantage sur la gamme de températures de fonctionnement de certains thermocouples. Pour cette raison, vous devez, soit approximer la courbe de tension en fonction de la température du thermocouple à l'aide de polynômes, soit utiliser une table de référence. Les polynômes sont de la forme suivante : 2 n T = a0 + a1v + a2v + ... + anv (4) où v est la tension du thermocouple en volts, T est la température en degrés Celsius et a 0 à an sont des coefficients spécifiques à chaque type de thermocouple. Élimination du bruit Les signaux de sortie d'un thermocouple sont typiquement situés dans la gamme des millivolts, les rendant sensibles au bruit. Des filtres passe-bas sont couramment utilisés dans les systèmes d'acquisition de données par thermocouples pour éliminer efficacement le bruit haute fréquence de ces mesures. Par exemple, les filtres passe-bas sont utiles pour éliminer le bruit produit par les lignes électriques à 60 Hz, prévalant dans de nombreuses installations de laboratoires et d'usines. Vous pouvez également améliorer significativement les performances de bruit de votre système en amplifiant les tensions bas niveau provenant d'un thermocouple à proximité de la source de signaux (point de mesure). Parce que les niveaux de tension de sortie d'un thermocouple sont très faibles, il convient de choisir un gain qui optimise les limites d'entrée du convertisseur analogique / numérique (CAN). La gamme de sortie de tous les types de thermocouples est située entre -10 mV et 80 mV. Une autre source de bruit est due au montage ou à la soudure des thermocouples directement à un matériau conducteur, tel que l'acier ou l'eau. Cette configuration rend les thermocouples particulièrement sensibles au bruit de mode commun et au boucles de mises à la terre. L'isolation aide à empêcher la survenue de boucles de mise à la terre et peut améliorer de façon considérable la réjection du bruit de mode commun. Avec un matériau conducteur qui présente une tension en mode commun importante, l'isolation est nécessaire puisque des amplificateurs non isolés ne peuvent mesurer des signaux avec des tensions en mode commun importantes. Pour savoir comment le filtrage et l'amplification peuvent améliorer de façon considérable la précision des mesures par thermocouples, visitez le site Online Accuracy Lab. Systèmes DAQ pour la mesure par thermocouples Le tableau suivant contient des liens vers les kits de démarrage recommandés pour des mesures par thermocouples dans un large éventail d'applications. Cliquez sur une "application" pour en savoir plus sur le système recommandé. Thermocouple Application Voies Fonctionnalités Économique et haute précision Jusqu'à 32 À partir de 395 $ pour une résolution 24 bits Nombre de voies élevées 32 à + de 3000 Modulaire et extensible Isolé Jusqu'à 96 par système Isolation par voie de 300 V eff Ethernet Jusqu'à 32 par noeud de réseau Plate-forme durcie, industrielle Produits NI appropriés Les lecteurs de ce sujet ont également été intéressés par les produits NI suivants : LabVIEW Acquisition de données (DAQ) Conditionnement de signaux Retour aux Principes fondamentaux des capteurs ou à la page principale sur les principes fondamentaux de la mesure. Downloads mesurer_temp_thermocouples.pdf Législation Ce tutorial a été développé par National Instruments. Bien qu'un support technique puisse être fourni pour ce tutorial, il n'a pas été complètement testé ni vérifié, et NI ne garantit pas sa qualité, ni qu'il continuera à être supporté pour les nouvelles versions des produits et drivers qui y sont rattachés. 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