Les thermocouples sont de simples capteurs de température utilisés dans la science et l'industrie. Ils se composent de deux fils de métaux différents réunis en un seul point ou jonction, qui est généralement soudé pour plus de robustesse et de fiabilité.
Aux extrémités du circuit ouvert de ces fils, un thermocouple génère une tension en réponse à la jonction température, le résultat d'un phénomène appelé effet Seebeck, découvert en 1821 par le physicien allemand Thomas Seebeck.
Types de thermocouples
Deux fils de métaux différents en contact produiront une tension lorsqu'ils sont chauffés; cependant, certaines combinaisons d'alliages sont standard en raison de leur niveau de sortie, de leur stabilité et de leurs caractéristiques chimiques.
Les plus courants sont les thermocouples « métal de base », fabriqués avec du fer ou des alliages de nickel et d'autres éléments, et sont connus sous le nom de types J, K, T, E et N, selon la composition.
Les thermocouples en « métal noble », constitués de fils de platine-rhodium et de platine pour une utilisation à des températures plus élevées, sont connus sous le nom de types R, S et B. Selon le type, les thermocouples peuvent mesurer des températures d'environ -270 degrés Celsius à 1700 C ou plus (environ -454 degrés Fahrenheit à 3 100 F ou plus).
Limites des thermocouples
Les avantages et les inconvénients des thermocouples dépendent de la situation, et il est important de comprendre d'abord leurs limites. La sortie d'un thermocouple est très faible, généralement autour de 0,001 volt à température ambiante, augmentant à mesure que la température augmente. Chaque type a sa propre équation pour convertir la tension en température. La relation n'est pas une ligne droite, donc ces équations sont quelque peu complexes, avec de nombreux termes. Même ainsi, les thermocouples sont limités à des précisions d'environ 1 C, ou d'environ 2 F, au mieux.
Pour obtenir un résultat calibré, la tension du thermocouple doit être comparée à une valeur de référence, qui était autrefois un autre thermocouple immergé dans un bain d'eau glacée. Cet appareil crée une "jonction froide" à 0 C, ou 32 F, mais il est évidemment maladroit et peu pratique. Les circuits électroniques modernes de référence de point de glace ont universellement remplacé l'eau glacée et ont permis l'utilisation de thermocouples dans des applications portables.
Étant donné que les thermocouples nécessitent le contact de deux métaux différents, ils sont sujets à la corrosion, ce qui peut affecter leur étalonnage et leur précision. Dans les environnements difficiles, la jonction est généralement protégée dans une gaine en acier, ce qui empêche l'humidité ou les produits chimiques d'endommager les fils. Néanmoins, le soin et l'entretien des thermocouples sont nécessaires pour de bonnes performances à long terme.
Avantages et inconvénients des thermocouples
Les thermocouples sont simples, robustes, faciles à fabriquer et relativement peu coûteux. Ils peuvent être fabriqués avec un fil extrêmement fin pour mesurer la température d'objets minuscules tels que des insectes. Les thermocouples sont utiles sur une très large plage de températures et peuvent être insérés dans des endroits difficiles comme des cavités corporelles ou des environnements abusifs comme les réacteurs nucléaires.
Pour tous ces avantages, les inconvénients des thermocouples doivent être considérés avant de les appliquer. La sortie de niveau millivolt nécessite la complexité supplémentaire d'une électronique soigneusement conçue, à la fois pour la référence du point de glace et l'amplification du minuscule signal.
De plus, la réponse basse tension est sensible au bruit et aux interférences des appareils électriques environnants. Les thermocouples peuvent nécessiter un blindage mis à la terre pour de bons résultats. La précision est limitée à environ 1 C (environ 2 F) et peut être encore réduite par la corrosion de la jonction ou des fils.
Applications des thermocouples
Les avantages des thermocouples ont conduit à leur incorporation dans un large éventail de situations, du contrôle des fours domestiques à la surveillance de la température des avions, des engins spatiaux et des satellites. Les fours et les autoclaves utilisent des thermocouples, tout comme les presses et les moules pour la fabrication.
De nombreux thermocouples peuvent être connectés ensemble en série pour créer une thermopile, qui produit une tension plus élevée en réponse à la température qu'un seul thermocouple. Les thermopiles sont utilisées pour fabriquer des dispositifs sensibles de détection des rayonnements infrarouges. Les thermopiles peuvent également générer de l'énergie pour les sondes spatiales à partir de la chaleur de la désintégration radioactive dans un générateur thermoélectrique à radio-isotope.