Un thermocouple est un appareil de mesure des températures dans toutes les branches de la science et de la technologie. Cet article présente un aperçu général des thermocouples avec une analyse de la conception et du principe de fonctionnement de l'appareil. Des variétés de thermocouples avec leurs brèves caractéristiques sont décrites, et une évaluation du thermocouple en tant qu'instrument de mesure est également donnée.
Contenu
Dispositif thermocouple
Le principe de fonctionnement d'un thermocouple. Effet Seebeck
Le fonctionnement d'un thermocouple est dû à l'apparition de l'effet thermoélectrique, découvert par le physicien allemand Tomas Seebeck en 1821.
Le phénomène est basé sur l'apparition d'électricité dans un circuit électrique fermé lorsqu'il est exposé à une certaine température ambiante. Un courant électrique se produit lorsqu'il existe une différence de température entre deux conducteurs (thermoélectrodes) de composition différente (métaux ou alliages différents) et est entretenu en maintenant l'emplacement de leurs contacts (jonctions). L'appareil affiche la valeur de la température mesurée sur l'écran de l'appareil secondaire connecté.
La tension de sortie et la température sont linéairement liées. Cela signifie qu'une augmentation de la température mesurée entraîne une valeur en millivolts plus élevée aux extrémités libres du thermocouple.
La jonction située au point de mesure de la température est appelée «chaude» et l'endroit où les fils sont connectés au convertisseur est appelé «froid».
Compensation de température de soudure froide (CJC)
La compensation de jonction froide (CJC) est une compensation appliquée en tant que correction à la lecture totale lors de la mesure de la température au point où les fils du thermocouple sont connectés. Cela est dû aux écarts entre la température réelle des extrémités froides et les lectures calculées de la table d'étalonnage pour la température de la soudure froide à 0°C.
CCS est une méthode différentielle dans laquelle les lectures de température absolue sont trouvées à partir d'une température de jonction froide connue (également appelée jonction de référence).
Conception thermocouple
Lors de la conception d'un thermocouple, l'influence de facteurs tels que «l'agressivité» de l'environnement extérieur, l'état d'agrégation de la substance, la plage de températures mesurées et autres est prise en compte.
Caractéristiques de conception du thermocouple :
1) Les jonctions de conducteurs sont interconnectées par torsion ou torsion avec un soudage à l'arc électrique supplémentaire (rarement par soudure).
IMPORTANT: Il n'est pas recommandé d'utiliser la méthode de torsion en raison de la perte rapide des propriétés de jonction.
2) Les thermoélectrodes doivent être isolées électriquement sur toute leur longueur, à l'exception du point de contact.
3) La méthode d'isolation est sélectionnée en tenant compte de la limite de température supérieure.
- Jusqu'à 100-120°C - toute isolation ;
- Jusqu'à 1300°C - tubes ou perles en porcelaine ;
- Jusqu'à 1950°C - Tubes Al2O3;
- Au dessus de 2000°С - tubes en MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Housse de protection.
Le matériau doit être thermiquement et chimiquement résistant, avec une bonne conductivité thermique (métal, céramique). L'utilisation d'une botte évite la corrosion dans certains environnements.
Fils d'extension (compensation)
Ce type de fil est nécessaire pour étendre les extrémités du thermocouple à l'instrument secondaire ou à la barrière. Les fils ne sont pas utilisés si le thermocouple a un convertisseur intégré avec un signal de sortie unifié. Le plus largement utilisé est le convertisseur de normalisation, situé dans la tête de borne standard du capteur avec un signal unifié 4-20mA, la soi-disant "tablette".
Le matériau des fils peut coïncider avec le matériau des thermoélectrodes, mais le plus souvent, il est remplacé par un matériau moins cher, en tenant compte des conditions qui empêchent la formation de thermo-emfs parasites (induits). L'utilisation de rallonges permet également d'optimiser la production.
Hack de la vie ! Pour déterminer correctement la polarité des fils de compensation et les connecter au thermocouple, rappelez-vous la règle mnémotechnique MM - le moins est magnétisé. Autrement dit, nous prenons n'importe quel aimant et le moins de la compensation sera magnétisé, contrairement au plus.
Types et types de thermocouples
La variété des thermocouples s'explique par les diverses combinaisons d'alliages métalliques utilisés. Le choix du thermocouple s'effectue en fonction de l'industrie et de la plage de température requise.
Thermocouple chromel-alumel (TXA)
Électrode positive : alliage de chromel (90 % Ni, 10 % Cr).
Électrode négative : alliage d'alumel (95 % Ni, 2 % Mn, 2 % Al, 1 % Si).
Matériau isolant : porcelaine, quartz, oxydes métalliques, etc.
Plage de température de -200°С à 1300°С chauffage à court terme et 1100°С à long terme.
Milieu de travail : inerte, oxydant (O2=2-3% ou complètement exclu), hydrogène sec, vide à court terme. En atmosphère réductrice ou redox en présence d'une housse de protection.
Inconvénients : facilité de déformation, instabilité réversible de la thermo-EMF.
Il peut y avoir des cas de corrosion et de fragilisation de l'alumel en présence de traces de soufre dans l'atmosphère et de chromel dans une atmosphère faiblement oxydante (« argile verte »).
Thermocouple chromel-kopel (TKhK)
Électrode positive : alliage de chromel (90 % Ni, 10 % Cr).
Electrode négative : alliage Kopel (54,5 % Cu, 43 % Ni, 2 % Fe, 0,5 % Mn).
Plage de température de -253°С à 800°С à long terme et 1100°С à court terme.
Environnement de travail : inerte et oxydant, vide de courte durée.
Inconvénients : déformation de la thermoélectrode.
Possibilité d'évaporation du chrome sous vide prolongé ; réaction avec une atmosphère contenant du soufre, du chrome, du fluor.
Thermocouple fer-constantan (TGK)
Électrode positive : fer commercialement pur (acier doux).
Électrode négative : alliage constantan (59 % Cu, 39-41 % Ni, 1-2 % Mn).
Utilisé pour les mesures en milieux réducteurs, inertes et sous vide. Température de -203°С à 750°С chauffage à long terme et 1100°С à court terme.
L'application se développe sur la mesure conjointe des températures positives et négatives. Il n'est pas rentable de l'utiliser uniquement pour des températures négatives.
Inconvénients : déformation de la thermoélectrode, faible résistance à la corrosion.
Modifications des propriétés physico-chimiques du fer à environ 700°C et 900°C. Réagit avec le soufre et la vapeur d'eau pour former de la corrosion.
Thermocouple tungstène-rhénium (TVR)
Electrode positive : alliages BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 avec additif silice et aluminium) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Électrode négative : alliages BP20 (80 % W, 20 % Rh).
Isolation : céramique d'oxyde métallique chimiquement pure.
Résistance mécanique, résistance à la chaleur, faible sensibilité à la pollution, facilité de fabrication sont notées.
Mesure des températures de 1800°С à 3000°С, la limite inférieure est de 1300°С. Les mesures sont effectuées dans un environnement de gaz inerte, d'hydrogène sec ou de vide. Dans des environnements oxydants uniquement pour la mesure dans des processus rapides.
Inconvénients: mauvaise reproductibilité de la thermo-EMF, son instabilité lors de l'irradiation, sensibilité instable dans la plage de température.
Thermocouple tungstène-molybdène (VM)
Electrode positive : tungstène (commercialement pur).
Electrode négative : molybdène (commercialement pur).
Isolation : céramique d'alumine, protégée par des pointes de quartz.
Environnement inerte, hydrogène ou vide. Il est possible d'effectuer des mesures de courte durée dans des environnements oxydants en présence d'isolant.La plage de températures mesurées est de 1400 à 1800°C, la température de fonctionnement maximale est d'environ 2400°C.
Inconvénients : mauvaise reproductibilité et sensibilité de la FEM thermique, inversion de polarité, fragilisation à haute température.
Thermocouples platine-rhodium-platine (TPP)
Electrode positive : platine-rhodium (Pt c 10% ou 13% Rh).
Electrode négative : platine.
Isolation : quartz, porcelaine (nature et réfractaire). Jusqu'à 1400°C - céramiques à haute teneur en Al2O3, plus de 1400°C - céramiques en Al chimiquement pur2O3.
Température maximale de fonctionnement 1400°C à long terme, 1600°C à court terme. La mesure des basses températures n'est généralement pas effectuée.
Milieu de travail : oxydant et inerte, réducteur en présence de protection.
Inconvénients : coût élevé, instabilité lors de l'irradiation, forte sensibilité à la contamination (notamment l'électrode de platine), croissance des grains métalliques à haute température.
Thermocouples platine-rhodium-platine-rhodium (TPR)
Electrode positive : Alliage Pt avec 30% Rh.
Electrode négative : Alliage Pt avec 6% Rh.
Milieu : oxydant, neutre et vide. Utilisation pour réduire et contenir les vapeurs de métaux ou de non-métaux en présence de protection.
Température maximale de fonctionnement 1600°C à long terme, 1800°C à court terme.
Isolation : Al céramique2O3 haute pureté.
Moins sensible à la contamination chimique et à la croissance des grains qu'un thermocouple platine-rhodium-platine.
Schéma de câblage des thermocouples
- Connexion d'un potentiomètre ou d'un galvanomètre directement aux conducteurs.
- Connexion avec des fils de compensation ;
- Connexion avec des fils de cuivre conventionnels à un thermocouple avec une sortie unifiée.
Normes de couleur des conducteurs de thermocouple
L'isolation colorée des conducteurs aide à distinguer les thermoélectrodes les unes des autres pour une connexion correcte aux bornes. Les normes diffèrent selon les pays, il n'y a pas de codes de couleur spécifiques pour les conducteurs.
IMPORTANT: Il est nécessaire de connaître la norme utilisée dans l'entreprise pour éviter les erreurs.
Précision de mesure
La précision dépend du type de thermocouple, de la plage de température, de la pureté du matériau, du bruit électrique, de la corrosion, des propriétés de jonction et du processus de fabrication.
Les thermocouples se voient attribuer une classe de tolérance (standard ou spéciale) qui établit un intervalle de confiance de mesure.
IMPORTANT: Les caractéristiques au moment de la fabrication changent pendant le fonctionnement.
Vitesse de mesure
La vitesse est déterminée par la capacité du convertisseur primaire à répondre rapidement aux sauts de température et au flux de signaux d'entrée de l'appareil de mesure qui les suit.
Facteurs qui augmentent les performances :
- Installation correcte et calcul de la longueur du convertisseur primaire ;
- Lors de l'utilisation d'un transducteur avec gaine de protection, il est nécessaire de réduire la masse de l'ensemble en sélectionnant un diamètre de gaine plus petit ;
- Minimiser l'entrefer entre le convertisseur primaire et le manchon de protection ;
- L'utilisation d'un convertisseur primaire à ressort et le remplissage des vides dans le manchon avec une charge thermoconductrice ;
- Un milieu en mouvement rapide ou plus dense (liquide).
Vérification des performances des thermocouples
Pour vérifier les performances, connectez un appareil de mesure spécial (testeur, galvanomètre ou potentiomètre) ou mesurez la tension de sortie avec un millivoltmètre. S'il y a des fluctuations de la flèche ou de l'indicateur numérique, le thermocouple est réparable, sinon l'appareil doit être remplacé.
Causes de défaillance du thermocouple :
- Défaut d'utiliser un dispositif de blindage de protection ;
- Modification de la composition chimique des électrodes ;
- Processus oxydatifs se développant à haute température ;
- Panne de l'appareil de contrôle et de mesure, etc.
Avantages et inconvénients de l'utilisation de thermocouples
Les avantages de l'utilisation de cet appareil sont :
- Large plage de mesure de température ;
- Haute précision;
- Simplicité et fiabilité.
Les inconvénients incluent:
- Mise en place d'une surveillance continue de la soudure froide, vérification et étalonnage des équipements de contrôle ;
- Modifications structurelles des métaux lors de la fabrication de l'appareil ;
- Dépendance à la composition de l'atmosphère, coût de l'étanchéité ;
- Erreur de mesure due aux ondes électromagnétiques.
