3.1.5 Thermomètres à dilatation de solide
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___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ I- Introduction……………………………………………………………... 3 II- température : histoire et échelles de mesure………………..3 III- Quelques moyens de mesure de température………..…….5 3.1- Thermomètres à dilatation…………………………...….5 3.1.1 Présentation……………………………………………………………5 3.1.2 Thermomètres à dilatation de liquide………………….….…….5 a) Description……………………………………………………………5 b) Loi de variation……………………………………………………….5 c) Liquides thermométriques……………………………………………6 d) Nature de l'enveloppe…………………………………………………6 e) Colonne émergente……………………………………………………6 3.1.3 Thermomètres à dilatation de gaz…………………………...…...8 a) Rappel……………………………………………………………..….8 b) Principe…………………………………………………..…………..8 3.1.4 Thermomètres à tension de vapeur………………..……………..9 a) Définition…………………………………………………………….9 b) Principe……………………………………………………………..10 _______Moyens de mesure de la Température ____ 1 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ 3.1.5 Thermomètres à dilatation de solide……………………...…………11 a) Principe…………………………………………………………………..11 b) Bilame……………………………………………………………………11 c) Pyromètre………………………………………………….…………….12 3.2- Thermomètres électriques……………………………………13 3.2.1- Présentation………………………………………………………………13 3.2.2- Thermomètres à résistance et à thermistance…………………...13 a) Thermomètres à résistance……………………………………………..13 b) Thermomètres à thermistance………………………………………….14 c) Montage de mesure……………………………………………………...16 d) Influence de la mesure sur la température……………………………..17 3.3- Thermocouples…………………………………………..………..17 3.3.1 Définition et explication générales………………………………….17 3.3.2 Méthodes de mesure……………………………………………...……...18 3.3.3 Mesurer la tension produite par un thermocouple……………….19 3.3.4 Types de thermocouples les plus courants……………………..…..24 3.3.5 Comparaison………………………………………………………….……25 IV –Conclusion………………………………..………………………....25 _______Moyens de mesure de la Température ____ 2 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ I- Introduction Autrefois, les humains se fiaient à leurs sens afin de déterminer la température d'un objet ou de l'air ambiant. Nos sens nous fournissent des indices qualificatifs de la température . Ils sont souvent trompeurs. Nous devons donc disposer de méthodes fiables pour établir une échelle de température. Depuis plusieurs années et même des décennies, de nombreuses questions restent inexpliquées quant à la façon de mesurer la chaleur. Plusieurs scientifiques, tels que Réaumur, Celsius, Fahrenheit et bien d'autres, se sont penchés sur ce sujet. Il existe aujourd'hui des techniques de toutes sortes, conçus dans l'intention de répondre aux besoins de chaque domaine. II- température : histoire et échelles de mesure Le premier thermomètre véritable a été inventé à Florence en 1654 par le grand duc de Toscane. L'appareil, à alcool, portait 50 graduations. En hiver, il descendait jusqu'à 7 degrés et montait, en été, jusqu'à 40 degrés, dans la glace fondante, il marquait 13,5°. Puis en 1702, l’astronome danois OLE Römer fabrique un thermomètre à alcool marquant l'eau bouillante à 60° et la glace pilée à 7,5°. En 1717, le savant allemand Fahrenheit remplace l'alcool par du mercure. Il fixa à 32° la température de la glace fondante et à 96° la température normale du sang. Il donne au thermomètre sa forme définitive. En 1730, Réaumur, physicien et naturaliste français, construisit le thermomètre à alcool pour lequel il utilisait l'échelle 0-80. Celsius, physicien suédois construisit en 1742 un thermomètre à mercure qui marquait 0°pour la glace fondante est 100°pour l'eau bouillante. En 1794, la Convention a décidé que le "degré thermométrique serait la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l'eau bouillante". En octobre 1948, le nom de degré Celsius a été choisi par la IXème Conférence Internationale des Poids et Mesures. Choisir une échelle de 0 à 100, fut très difficile car le choix d'une telle échelle impliquait l'utilisation de nombres négatifs. Au XVII ème siècle on ne maîtrisait pas les nombres négatifs. _______Moyens de mesure de la Température ____ 3 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Nous avons donc plusieurs échelles de mesure des températures : l'échelle Celsius nommée centigrade jusqu'en 1948 adoptée par la plupart des nations, l'échelle Fahrenheit adoptée par la Grande-Bretagne, et l'échelle Réaumur à peu près abandonnée. Nous avons également l'échelle absolue, utilisée par les scientifiques dont l'unité est le Kelvin ou K (lord Kelvin, 1824-1907) : glace fondante 273,15°C, ébullition 373,15°C. Un degré K correspond à un degré Celsius, mais le zéro absolu est -273° Celsius, limite approchée de très près aujourd'hui. La température est une grandeur intensive, qui peut être mesurée de deux façons différentes : L'échelle atomique, elle est liée à l'énergie cinétique moyenne des constituants de la matière. Au niveau macroscopique, certaines propriétés des corps dépendant de la température (volume massique, résistivité électrique,...) peuvent être choisies pour construire des échelles de température. La plus ancienne est l'échelle centésimale (1742), attribuant arbitrairement les valeurs 0 et 100°C degrés à la glace fondante et à l'eau bouillante, sous la pression atmosphérique normale. La température ainsi définie dépendant du phénomène choisi (la dilatation d'un fluide) pour constituer le thermomètre étalon, on utilise de préférence l'échelle Celsius, définie à partir de l'échelle Kelvin par: T (°C)= T (K) - 273.15 Cette dernière échelle, qui est celle du système international, ne dépend d'aucun phénomène particulier et définit donc des températures absolues. Le zéro absolu (-273,15°C) a pu être approché à quelques millionièmes de degrés près. Echelles de température _______Moyens de mesure de la Température ____ 4 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ III- Quelques moyens de mesure de température 3.1- Thermomètres à dilatation 3.1.1 Présentation Dans ce paragraphe, c'est la dilatation des corps qui sera le phénomène image de la grandeur thermométrique. On constate en effet que le volume d'un corps augmente en général, lorsque sa température s'élève (sans qu'il y ait de changement d'état physique). La dilatation étant réversible, elle fournit un mode pratique de repérage des températures. Ce phénomène se retrouve de façon analogue, mais avec une ampleur différente pour les liquides, les gaz et les solides. 3.1.2 Thermomètres à dilatation de liquide. a) Description Il est constitué d'un réservoir surmonté d'un capillaire de section faible et régulière (ordre de grandeur : D= 0,2 mm) se terminant par une ampoule de sécurité (utile lors d'un dépassement de la température admissible). Il est réalisé en verre. Sous l'effet des variations de température, le liquide se dilate plus ou moins. Son niveau est repéré à l'aide d'une échelle thermométrique gravée sur l'enveloppe. Thermomètre à dilatation de liquide _______Moyens de mesure de la Température ____ 5 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ b) Loi de variation La loi de variation du volume du liquide en fonction de la température est : V=V0(1+α.T) avec : Vo : volume du liquide à 0 °C. V : volume de liquide à T en °C. α: coefficient de dilatation du liquide en °C-1. Cette équation nous montre que la sensibilité du thermomètre à dilatation de liquide est proportionnelle au volume Vo (fonction du volume du réservoir), au coefficient de dilatation du liquide (donc au type de liquide choisi) et inversement proportionnel à la section S du capillaire Car : ∆h = ∆V/S c) Liquides thermométriques Gamme de mesure de température T (°C) -200 à 20 -110 à 100 -90 à 100 -10 à 200 -38 à +650 -58 à +650 0 à 1 000 Liquides thermométriques Pentane Alcool éthylique Toluène Créosote - Alcool éthylique Mercure Mercure - Thallium Mercure - Gallium L'espace libre au dessus du liquide peut-être vide. Toutefois, pour empêcher la colonne de liquide de se fractionner facilement et aussi pour permettre de mesurer des hautes températures, l'espace libre est rempli d'un gaz neutre (azote ou argon) mis sous une pression fonction de la température à mesurer. La chambre d'expansion évite les trop fortes variations de pression. d) Nature de l'enveloppe En fonction de la température à mesurer, il y a lieu de choisir le matériau constituant l'enveloppe du thermomètre : Verre d'Iéna jusqu'à 450 °C. Verre Supremax jusqu'à 630 °C. Silice pure fondue jusqu'à 1 000 °C. _______Moyens de mesure de la Température ____ 6 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ e) Colonne émergente En dehors des réglages classiques (zéro, échelle), on doit penser à corriger la mesure de la température si il est impossible d'immerger complètement la colonne. Mesure de température dans d'un bain Dans les cas (a) et (c) la colonne de liquide thermométrique est totalement immergée dans l'enceinte dont on mesure la température. La dilatation de ce liquide se fait donc pleinement. Dans le cas (b) la colonne de liquide est immergée jusqu'à la graduation n, dans l'enceinte de température inconnue. La partie de la colonne située entre n et h est en contact avec la température ambiante. Le volume correspondant à une graduation est noté v. Le volume à la température ambiante est : V = (h-n).v Ce volume est à la température ambiante, donc il en résulte un défaut de dilatation de : δh = δV/v = (h-n).α.(x-t) La correction à apporter est donc : (4) En réalité, la partie émergée n'est pas à la température ambiante. Dans la pratique on prend les 7/10 de la correction calculée. Cette correction n'étant pas très précise, on essayera, dans la mesure du possible, de positionner au mieux le thermomètre (cas a ou c). _______Moyens de mesure de la Température ____ 7 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Colonne émergente 3.1.3 Thermomètres à dilatation de gaz a) Rappel L'équation d'un gaz parfait est : PV = nRT, Avec : n:Nombre de moles. R=8,31 J.mol-1.K-1. T:Température en K. P:Pression en Pa. On voit donc que, si l'on enferme une certaine quantité de gaz dans une enveloppe de volume constant V, la pression développée par le gaz est proportionnelle à la température absolue : P= RT/V, avec le rapport R/V = constant. b) Principe Sous une forme schématisée, un thermomètre à gaz est composé d'une sonde (A), formant une enveloppe dans laquelle est enfermé le gaz thermométrique. Cette sonde est reliée par un tube capillaire de raccordement à l'extrémité (B) d'un tube de Bourdon, appelée spiral de mesure. Cette extrémité est fixe. La longueur du tube de raccordement ne doit pas excéder 100 mètres. Sous l'effet de la température du milieu dans lequel la sonde est placée, la pression du gaz va varier, ce qui modifiera l'équilibre de l'extrémité libre du tube de Bourdon. Cette variation de pression se traduira par un mouvement de rotation de l'index indicateur qui se déplacera devant un cadran portant des graduations thermométriques. Gaz employés dans les thermomètres Gaz employés dans les à T (°C) thermomètres hélium -267,8°C hydrogène -239,9°C azote -147,1 °C gaz carbonique -31,1°C _______Moyens de mesure de la Température ____ 8 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Thermomètre à gaz Remarques : La température critique, c'est la température maximale à laquelle un gaz ou une vapeur peut être liquéfié par variation de pression uniquement. La différence de hauteur entre la sonde sensible et la spirale de mesure est sans effet, puisque la masse du gaz est négligeable. Le gaz doit être soigneusement séché avant l'emploi et être utilisé dans des conditions qui le rapprochent de l'état parfait. L'avantage des thermomètres à gaz est leur précision, 1 % en mesures industrielles. Mais leur sonde est d'assez grande dimension,. Ils permettent le repérage des très basses températures. Certains thermomètres à gaz sont de véritables instruments de précision, auxquels on a recours pour les déterminations de référence de la température. Le thermomètre à hydrogène en est l'exemple classique. 3.1.4 Thermomètres à tension de vapeur a) Définition On appelle tension de vapeur d'un liquide, la pression sous laquelle ce liquide est en équilibre thermodynamique avec sa phase vapeur. La tension de vapeur n'est fonction que de la température d'un liquide donnée. T une température correspond pour le liquide choisie une pression de vapeur fixe. Tension de vapeur saturante en fonction de la température (eau) _______Moyens de mesure de la Température ____ 9 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ b) Principe La mesure de la tension de vapeur d'un liquide permet donc de connaître sa température. La mesure thermométrique se fait par l'intermédiaire d'une mesure de pression. Les thermomètres à tension de vapeur sont très sensibles. Mais la graduation n'est pas linéaire, comme le montre la courbe de tension de vapeur cidessus. La réalisation la plus simple est le thermomètre à simple remplissage. L'élément sensible est une sonde analogue à celle du thermomètre à gaz, mais le tube de raccordement plonge dans la sonde. Celle-ci et le tube de raccordement sont garnis de liquide vaporisable. Lorsque la sonde est placée dans une enceinte chaude, une partie du liquide se vaporise. Un équilibre liquide/vapeur s'établit, fonction de la température. En même temps, la pression a augmenté pour se fixer à la valeur de la tension de vapeur du liquide. Cette pression est transmise par le liquide au manomètre de mesure qui agit sur l'élément indicateur. Thermomètre à simple remplissage La vaporisation du liquide se faisant toujours au point le plus chaud du système clos, les capteurs à simple remplissage ne sont utilisables que si le bulbe est à une température supérieure à la température ambiante (sinon, la vaporisation se ferait au niveau du capteur de pression). Pour pallier cet inconvénient et permettre des mesures de températures inférieures et supérieures à la température ambiante, on utilise le bulbe à double remplissage. Le liquide évaporable est placé dans la zone médiane du bulbe. C'est un liquide transmetteur non évaporable qui est dans le fond du bulbe et dans l'ensemble capillaire - capteur de pression. Ce liquide est soit de l'huile, soit de la glycérine. Il transmet au manomètre la pression de la vapeur. Thermomètre à double remplissage _______Moyens de mesure de la Température ____ 10 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Liquides de remplissage Ammoniac Propane Butane Chlorure d'éthyle Alcool méthylique Benzène Température en °C Pression en bars -20 à +60 2 à 25 0 à +100 5 à 45 +20 à +140 2 à 30 +30 à +180 2 à 50 +60 à +220 1 à 53 +80 à +280 1 à 43 Remarque : La position de la sonde par rapport au capteur de pression influence sur la mesure. L'ordre de grandeur de la classe de précision est 1 %. 3.1.5 Thermomètres à dilatation de solide a) Principe Lorsqu'une tige métallique est portée à la température T sa longueur varie. La relation entre sa longueur L et α est : L=L0(1+αT) (5) Avec : L : la longueur de la tige à la température T. Lo : la longueur de la tige à 0 °C. T : la température en °C. α : le coefficient de dilatation linéaire du métal en °C-1. La dilatation linéaire du métal peut servir de grandeur thermométrique. Quelques valeurs de α : 9.10-6 °C-1 pour le platine ; 30.10-6 °C-1 pour le Zinc ; 0,5.10-6 °C-1 pour l'Invar. b) Bilame Un bilame thermique est constituée de deux bandes d'alliage dont les coefficients de dilatation sont très différents, soudées à plat sur toute leur surface .Lorsqu'une telle bande est soumise à une variation de température, les dilatations _______Moyens de mesure de la Température ____ 11 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ différentes des deux faces provoquent des tensions, il en résulte une incurvation de l'ensemble. La soudure des deux constituants doit être suffisamment intime pour que la zone de jonction soit mécaniquement aussi résistante que chacune des deux lames. Bilame Exemple de constitution : Métal très dilatable : Alliage de fer. Métal peu dilatable : Invar. c) Pyromètre linéaire La sonde est formée d'une gaine de silice dans laquelle est placé un barreau métallique dilatable. Une tige en élinvar (Ferronickel dérivé de l'invar auquel on a ajouté du chrome pour assurer un module d'élasticité constant) transmet la dilatation du barreau à un système amplificateur permettant la lecture (ou la transmission). Pyromètre linéaire _______Moyens de mesure de la Température ____ 12 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ 3.2- Thermomètres électriques 3.2.1- Présentation Les capteurs qui précèdent sont à lecture directe et sont peut utilisés dans les régulations industrielles. De plus, à l'exception du thermomètre à gaz l'indication de température est proche du lieu de mesure. Les capteurs électriques qui suivent auront l'avantage d'une plus grande souplesse d'emploi (information transmissible, enregistrement) tout en gardant une précision suffisante pour les emplois industriels et beaucoup d'emplois de laboratoire. On décompose les capteurs de température en deux sous catégorie : Les capteurs passifs, à résistance ou thermistance ; Les capteurs actifs, à couple thermoélectrique. 3.2.2-Thermomètres à résistance et à thermistance Le fonctionnement des thermomètres à résistance et thermistances est basé sur le même phénomène physique ; l'influence de la température sur la résistance électrique d'un conducteur. La mesure d'une température est donc ramenée à la mesure d'une résistance. Comme la caractéristique résistance/température est de nature différente pour un métal et un agglomérat d'oxydes métalliques, deux cas sont distingués. On parlera de thermomètre à résistance d'une part et de thermistance d'autre part. a) Thermomètres à résistance Le conducteur est un élément métallique. On peut établir une relation bijective entre la résistance R et la température T et ainsi mesurer T en mesurant R. Cette relation est de la forme : R = R0 (1 + aT + bT2 + cT3) (6) Avec : T la température en °C, Ro la résistance à 0 °C, a, b et c des coefficients positifs, spécifiques au métal _______Moyens de mesure de la Température ____ 13 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Le tableau ci-dessous récapitule les valeurs des caractéristiques physiques importantes pour les métaux précités: Tf c λt αl ρ αρ (°C) (j°C-1kg-1) (W °C-1m-1) (°C-1) (Ω.m) (°C-1) cuivre 1083 400 400 16,7.10-6 1,72.10-8 3,9.10-3 nickel 1453 450 90 12,8.10-6 10.10-8 4,7.10-3 platine 1769 135 73 8,9.10-6 10,6.10-8 3,9.10-3 Tungstène 3380 125 120 6.10-6 5,52.10-8 4,5.10-3 C'est le platine qui est le matériau le plus utilisé. Un exemple d'élément sensible est donné pour une sonde de platine, sur la figure. Sonde PT100 La sonde Pt100 est une sonde platine qui a une résistance de 100 Ω pour une température de 0 °C. (138,5 Ω pour 100 °C). b) Thermomètres à thermistance Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée, de l'ordre de 150 bars et 1000 °C. La composition d'une thermistance peut-être, par exemple : Fe2O3 (oxyde ferrique). MgAl2O4 (aluminate de magnésium). Zn2TiO4 (titane de zinc). _______Moyens de mesure de la Température ____ 14 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ La résistance électrique d'une thermistance est très sensible à l'action de la température. Il existe deux types de thermistance, les CTN à coefficient de température négatif, et les CTP à coefficient de température positif. La loi de variation est de la forme : R=a.exp(b/T) (7) Résistance en fonction de la température pour une thermistance de type CTP BH et une sonde platine Pt100. Un second avantage des thermistances est leur faible encombrement. On les fabrique sous forme de petits cylindres (d = 1 à 12 mm, L = 5 à 50 mm) de disques, de perles. La variation de résistance des thermistances dépend des matériaux utilisés. Leur domaine d'utilisation va de -80°C à +700°C avec une précision de 0,1 à 0,5 degré. Les thermistances ne présentent pas le phénomène de polarisation et peuvent être traversées indifféremment par un courant continu ou alternatif. Thermistances L'emploi des thermistances a donc des avantages de sensibilité et de faible encombrement, mais la loi de variation de la résistance en fonction de la température n'est pas linéaire. _______Moyens de mesure de la Température ____ 15 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ c) Montage de mesure La mesure de la température se ramène donc à une mesure de résistance. La méthode la plus simple consiste à alimenter la résistance avec un courant I et de mesurer la tension aux bornes de la résistance Montage deux fils avec source de courant Mais, dans ce montage, la tension V dépend aussi des résistances de ligne r. Pour éviter cela, on ajoute deux fils aux bornes de la résistance, on utilise alors une résistance avec quatre fils. Montage quatre fils avec source de courant Ces deux montages ne permettent pas de supprimer simplement la composante continue R (0°C) de la résistance de mesure R. On préfère généralement utiliser un montage utilisant un pont de Weatstone. Montage avec Pont Wheatstone _______Moyens de mesure de la Température ____ 16 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Si on néglige les résistances r et si on note : R(T) = R(0°C) + α.T On démontre : (8) Pour diminuer l'influence des résistances de ligne, on utilise un montage trois fils, ou mieux un montage quatre fils . d) Influence de la mesure sur la température La recherche d'une bonne sensibilité de mesure conduit à faire traverser la résistance par un courant relativement important. Cependant, celui-ci risque alors de provoquer par effet Joule un échauffement du capteur qui peut cesser d'être négligeable et qui en tous cas doit pouvoir être estimé et minimisé : c'est pourquoi les courants de mesure sont généralement de l'ordre du mA et rarement supérieurs à 10 mA. La mesure des très basses températures ne se fera pas à l'aide d'un thermomètre à résistance ou thermistance 3.3- les Thermocouples 3.3.1 Définition et explications générales Lorsque deux fils composés de métaux différents sont raccordés à leurs extrémités et que l'une d'elles est chauffée, il se produit une circulation de courant continu dans le circuit. C'est l'effet Thermoélectrique. _______Moyens de mesure de la Température ____ 17 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Circuit coupé est en chauffant la jonction des deux métaux différents A et B, une tension eAB apparaît ; elle est fonction de la température de la jonction et de la composition des deux métaux.Tous les métaux dissemblables présentent cet effet. Le schéma indique le montage classique où la soudure "froide" est maintenue à O °C, dans la glace fondante. La tension disponible aux bornes du voltmètre est alors à peu près proportionnelle à la température T1 exprimée en °C comme l'indique le tableau pour un thermocouple de type K. Amplifier cette tension pour la rendre mesurable par un multimètre classique ne pose aucun problème mais, la nécessité de maintenir la soudure "froide" à 0°C est une lourde contrainte. Pour un thermocouple de type K : T1(°C) -20 U(mV) -0,777 -10 -0,392 0 10 20 30 40 50 0,000 0,397 0,798 1,203 1,611 2,022 60 80 100 120 2,436 3,266 4,095 4,909 3.3.2 Méthodes de mesure C'est la FEM de Seebeck dont le thermocouple est le siège qui fournit l'information de température cherchée. Elle ne peut être connue avec précision que si l'on minimise la chute ohmique de tension due à la circulation d'un courant dans les éléments du thermocouple et les fils de liaison : leur résistance est en effet généralement mal connue car fonction de la température ambiante d'une part et de la température à mesurer d'autre part. Deux méthodes sont généralement employées : La mesure à l'aide d'un millivoltmètre qui permet de minimiser la chute ohmique si sa résistance interne est élevée. _______Moyens de mesure de la Température ____ 18 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ La méthode d'opposition qui autorise une mesure rigoureuse puisque dans ce cas le courant traversant le thermocouple est annulée. Méthode d'opposition : On place une source de tension variable face à la FEM à mesurer. Quand le courant est nul, la source variable à la même tension que la FEM à mesurer. Mesure en opposition L'effet Seebeck: Thomas Johann Seebeck (1770-1831) est le premier à avoir mis en évidence les effets thermoélectriques de production de courants qui se manifestent dans un circuit constitué de deux métaux dont les deux soudures se trouvent à des températures différentes. Il ne manqua pas de noter le phénomène provoqué par une différence de température le long d'un conducteur homogène ; phénomène qui sera redécouvert trente ans plus tard par William Thomson et qu'on appellera Effet Thomson. 3.3.3 Mesurer la tension produite par un thermocouple Maintenant que nous savons qu'un thermocouple génère une tension dont la valeur est fonction de la température et du coefficient de Seebeck (α) de la jonction des deux métaux dissemblables, il ne reste plus qu'à mesurer celle-ci à l'aide d'un voltmètre puis d'exprimer, par calcul, la tension mesurée en température. Connexion sur un voltmètre. Connectons un thermocouple Cuivre/Constantan (Type T) sur les bornes d'un voltmètre et, après calcul d'après α = 38,75µV/°C, nous trouvons une valeur de température qui n'a rien à voir avec l'ambiance dans laquelle se trouve le thermocouple. _______Moyens de mesure de la Température ____ 19 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ En connectant le thermocouple Cuivre/Constantan sur les bornes en cuivre du voltmètre, nous avons créé deux nouvelles jonctions métalliques : J3, jonction cuivre sur cuivre qui ne crée pas de tension thermoélectrique et J2 qui, étant constituée de deux métaux différents (Cuivre/Constantan) génère une tension thermoélectrique (V2) qui vient en opposition avec la tension V1 que nous voulions mesurer. En fin de compte, en se référant au schéma équivalent, la tension résultante mesurée par le voltmètre est égale à V1 - V2, c'est-à-dire qu'elle est proportionnelle à la différence de température entre J1 et J2.Nous ne pourrons trouver la température de J1 que si nous connaissons celle de J2, référence de la jonction Une manière simple de déterminer exactement et facilement la température de la jonction J2 est de la plonger dans un bain de glace fondante, ce qui force sa température à 0°C (273,15 K). On pourra alors considérer J2 comme étant la jonction de référence. Le schéma a donc maintenant une référence 0°C sur J2. La lecture du voltmètre devient: V = (V1 - V2) = α (TJ1 - TJ2). Écrivons la formule avec des degrés Celsius : Tj1 (°C) + 273,15 = Tj1(K). Et la tension V devient : V = V1 -V2 = α [(TJ1 + 273,15) - (TJ2 + 273,15)] = α (TJ1 -TJ2) V= α (TJ1-0) = αTJ1 Nous avons utilisé ce raisonnement pour souligner que la tension V 2 de la jonction J2, dans le bain de glace, n'est pas zéro volt. C'est une fonction de la _______Moyens de mesure de la Température ____ 20 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ température absolue. Cette méthode est très précise car la température 0°C peut être facilement et précisément contrôlée. Le point de fusion de la glace est utilisé par les organismes de normalisation comme point de référence fondamental pour leurs tables de tension de thermocouple. Ainsi, à la lecture de ces tables, nous pourrons convertir directement la tension V1 en température TJ1. La tension de la jonction J2 dans le bain de glace fondante n'est pas zéro volt, mais c'est une fonction de la température absolue Les exemples précédents ont été présentés avec un thermocouple Cuivre/ Constantan (Type T), qui peut sembler d'une utilisation facile pour les démonstrations car le cuivre est également le métal des bornes du voltmètre et cela n'induit qu'une seule jonction parasite. Effectuons le même exemple avec un thermocouple Fer/Constantan (Type J) à la place du Cuivre/Constantan. Le nombre de jonctions métalliques dissemblables augmente car les deux bornes du voltmètre sont maintenant composées de jonctions thermoélectriques Fer/Cuivre. _______Moyens de mesure de la Température ____ 21 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Le voltmètre indiquera une tension V égale à V1 seulement si les tensions thermoélectriques V3 et V4 sont identiques, puisqu'elles sont en opposition ; c'està-dire si les jonctions parasites J3 et J4 sont à la même température. Pour éviter toute dérive de mesure, il est indispensable que les bornes de connexion du voltmètre soient à la même température. On peut éliminer ce problème en rallongeant les fils de cuivre pour ne les raccorder qu'au plus près du thermocouple avec un bloc de jonction iso thermique. Un bloc de ce type est un isolant électrique mais un bon conducteur de la chaleur de manière à maintenir, en permanence, les jonctions J3 et J4 à une température identique. En procédant ainsi, nous pourrons, très facilement et sans problèmes, éloigner le thermocouple du moyen de mesure. La température du bloc isothermique n'a aucune importance puisque les tensions thermoélectriques des deux jonctions Cu-Fe sont en opposition. Nous aurons toujours : V = α(TJ1 - TREF) Eliminer le bain de glace fondant Le circuit précédent nous permet d'effectuer des mesures précises et fiables loin du thermocouple, mais quelle riche idée ce serait d'éliminer la nécessité du bain de glace fondante. Commençons par remplacer le bain de glace fondante par un autre bloc isothermique que l'on maintiendra à la température TREF. _______Moyens de mesure de la Température ____ 22 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Puisque nous avons vu précédemment que la température du bloc iso thermique supportant les jonctions J3 et J4 n'avait aucune importance - à condition que ces deux jonctions soient à la même température - rien ne nous empêche de réunir les deux blocs en un seul qui sera maintenu à la température TREF Ce nouveau circuit présente, quand même, l'inconvénient de demander la connexion de deux thermocouples. Nous pouvons très bien éliminer le thermocouple supplémentaire en combinant les jonctions Cu-Fe (J4) et Fe-C (JREF). Ceci est possible grâce à la loi des métaux intermédiaires. Cette loi empirique stipule qu'un troisième métal (en l'occurrence du Fer) inséré entre les deux métaux différents d'un thermocouple n'a aucune influence sur la tension générée à condition que les deux jonctions formées par le métal additionnel soient à la même température. Nous en arrivons donc au circuit équivalent ci-dessous dans lequel nos deux jonctions J3 et J4 deviennent la Jonction de Référence et, pour lequel, la relation : V = α(TJ1 - TREF) est toujours vérifiée. 3.3.4 Types de thermocouples les plus courants _______Moyens de mesure de la Température ____ 23 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ Pour la réalisation d'un couple thermoélectrique on choisit des fils utilisables dans la zone de température attendue pour la mesure et présentant des caractéristiques de précision et de sensibilité convenables. On tient compte également de l'action corrosive du milieu ambiant (atmosphère oxydante, réductive, sulfureuse,...) sur les constituants du couple pour arrêter son choix. Le tableau donne les caractéristiques simplifiées des thermocouples les plus courants. Type Métal A (+) Métal B (-) Limites théoriques Cœff.Seebeck α (µV/°C) à T°C Erreur standard Erreur Mini B Platine 30% Rhodium Platine 6% Rhodium 0 à 1820°C 5,96 µv à 600°C 0,5% 0,25% E Nickel10% Chrome Constantan -270 à 1000°C 58,67 µV à 0°C 1,7% à 0,5% 1%à 0,4% J Fer Constantan -210 à 1200°C 50,38 µV à 0°C 2,2% à 0,75% 1,1% à 0,4% K Chromel Alumel -270 à 1372°C 39,45 µV à 0°C 2,2% à 0,75% 1,1% à 0,2% N Nicrosil Nisil -270 à 1300°C 25,93 µV à 0°C 2,2% à 0,75% 1,1% à 0,4% R Platine 13% Rhodium Platine -50 à 1768°C 11,36 µV à 600°C 1,5% à 0,25% 0,6% à 0,1% S Platin10% Rhodium Platine -50 à 1768°C 10,21 µV à 600°C 1,5% à 0,25% 0,6% à 0,1% T Cuivre Constantan -270 à 400°C 38,75 µV à 0°C 1% à 0,75% 0,5% à 0,4% FEM en fonction de la température des thermocouples _______Moyens de mesure de la Température ____ 24 ___________________________________________________ _____ ________ Projet de fin d’études___________ __ 3.3.5 Comparaison Le thermocouple à une capacité calorifique plus faible (temps de réponse plus court) et une température de fonctionnement (jusqu'à 2700 °C) plus élevée que les capteurs les capteurs des autres thermomètres résistance. De plus, grâce à la mesure par opposition, le thermocouple est utilisé pour les basses températures. IV- Conclusion Le thermomètre est un outil indispensable dans plusieurs domaines. Tout a débuté par nos Sens, mais aujourd'hui, nous profitons de plus de précision. Grâce aux scientifiques, la technologie ne cesse de s'améliorer, mais la perfection du thermomètre reste encore à venir. Bien que les techniques soient de plus en plus avancées, souhaitons que le commun des hommes puisse toujours se servir des thermomètres, car en plus d'être économiques et d'éviter plusieurs dangers, ils nous sont d'un grand secours dans la vie de tous les jours. Bibliographie : Internet : gatt.club.fr/page1/page29/page29.html. home.scarlet.be/lestechniques/regulati.htm. Cours de capteur 2eme de EST-Safi (Pr. A.Soulmani) _______Moyens de mesure de la Température ____ 25
