Thermocouple --- RAPPELS THÉORIQUES

 

 

I -Rappels de thermométrie

(voir aussi le cours de thermométrie )

1.1 - Température - Équilibre thermique.
* La température est, au même titre que la pression, le volume, la longueur, etc... un paramètre définissant l'état d'un système physique ; cette température ne variant pas avec l'extension du système est appelée "variable d'état intensive".

* Un système physique est dit en état d'équilibre lorsque ses variables d'état sont constantes dans le temps (entre autres, sa température) ; dans cet état d'équilibre thermique, le système n'échange pas de chaleur avec le milieu qui l'entoure.

* Sauf indication contraire par la suite, la température définie ci-dessous, dont on ne peut constater que l'égalité ou l'inégalité avec une autre température, est une grandeur repérable que l'on se contentera de déterminer sur une "échelle thermométrique". Pour ce faire, on mettra le système, dont on veut repérer la température, en contact avec un autre système appelé thermomètre ; les deux systèmes échangeront de la chaleur jusqu'à atteindre un état d'équilibre global caractérisé par une température commune que fournira le thermomètre et qui sera réputée être celle du système.

1.2 - Grandeur thermométrique - Échelle thermométrique.
* Une grandeur thermométrique est une grandeur physique (longueur, volume, résistance électrique, ...) qui dépend de la température : G = f(q). Elle peut alors servir à la détermination de cette température. Cependant, plutôt que de choisir comme référence la grandeur elle-même, qui dépendrait par trop de système, on "mesure" la température par une fonction de cette grandeur qui varie de façon monotone avec elle ; on a alors défini une échelle thermométrique, ensemble des températures définies par la relation choisie.

* Les échelles thermométriques couramment utilisées sont des échelles linéaires (cf cours de thermique) :

- l'échelle centésimale ; glace fondante à 0ºC et eau bouillante à 100ºC (sous pression atmosphérique normale) et intervalle entre glace fondante et eau bouillante divisé en 100 intervalles égaux : le degré Celsius (ºC). La température centésimale, notée q est alors une grandeur seulement repérable.

- l'échelle absolue ; la température T associée au point triple de l'eau est de 273,16 K ; l'unité associée, le Kelvin (K), correspond au même écart de température que le ºC. Cette température absolue est une grandeur mesurable.

 

II - L'effet thermoélectrique

1.1 - Effet SEEBECK ou effet thermoélectrique.

  • Le thermocouple défini ci contre est caractérisé par :
    • son domaine d'utilisation
    • sa "sensibilité"(ou "limite de résolution" ou "seuil de mobilité" ou" mobilité") en mV/ºC, c'est-à-dire la f.e.m. créée par une différence de température : (q' - q) = 1ºC.

e( q,q'; A/B) = -e( q',q ; A/B) = - e( q,q'; B/A) = e(q',q ; B/A)

2.2 - Lois des circuits de thermocouples.

2.2.1. -Loi des températures intermédiaires

2.2.2. - Lois des métaux successifs

2.2.3. - Loi des métaux intermédiaires

 

2.3 - Câbles de compensation

2.4 - Schéma simplifié du potentiomètre MECI

 

III - Les Thermocouples

2.1 - Présentation du thermocouple

2.2 - Détermination de la température

2.3 - La compensation du thermocouple

NB : le thermocouple de compensation fournit "automatiquement" e(qa,0) quelle que soit qa , même si celle-ci varie au cours du temps. Cet avantage, que n'ont pas les deux autres méthodes, est contrebalancé par deux inconvénients : la nécessité de disposer de deux thermocouples au lieu du seul de mesure, et la nécessité de constituer un mélange eau/glace à la température "exacte" de 0ºC.

b) Compensation électrique. On réalise électriquement la tension à compenser. Il faut alors prendre garde de bien la mettre en série avec e(q,qa) . La tension de compensation peut être mise en œuvre dans le circuit simple ci-dessous :

Réalisation de la tension de compensation.

La compensation du thermocouple.

NB : la tension électrique e(qa,0) est générée de façon automatique dans les montages dits "à compensation automatique" qui fournissent donc directement e(q,0) , quelle que soit qa. La température qa varie cependant dans un intervalle généralement assez restreint.

c) Compensation par décalage d'échelle. Si la mesure de e est réalisée sur une échelle, ajouter e(qa,0) revient à "déplacer" ou "décaler" l'échelle de lecture. Ainsi, pour une position de l'aiguille correspondant à une tension mesurée égale à E, on lit E + e', e' étant le décalage d'échelle réalisé. Il suffit alors de prendre e' = e(qa,0).