Le principe de fonctionnement et de conception d'un thermocouple est extrêmement simple. Cela a conduit à la popularité de cet appareil et à son utilisation généralisée dans toutes les branches de la science et de la technologie. Le thermocouple est conçu pour mesurer des températures dans une large gamme - de -270 à 2500 degrés Celsius. L'appareil est un assistant indispensable pour les ingénieurs et les scientifiques depuis des décennies. Il fonctionne de manière fiable et sans faille, et les lectures de température sont toujours vraies. Un appareil plus parfait et précis n'existe tout simplement pas. Tous les appareils modernes fonctionnent sur le principe du thermocouple. Ils travaillent dans des conditions difficiles.
Affectation des thermocouples
Cet appareil convertit l'énergie thermique en courant électrique et permet la mesure de la température. Contrairement aux thermomètres à mercure traditionnels, il est capable de fonctionner dans des conditions de températures à la fois extrêmement basses et extrêmement élevées. Cette caractéristique a conduit à une utilisation généralisée des thermocouples dans une grande variété d'installations: fours métallurgiques industriels, chaudières à gaz, chambres à vide pour traitement thermique chimique, four pour cuisinières à gaz domestiques. Le principe de fonctionnement d'un thermocouple reste toujours inchangé et ne dépend pas de l'appareil dans lequel il est monté.
Le fonctionnement fiable et ininterrompu du thermocouple dépend du fonctionnement du système d'arrêt d'urgence des appareils en cas de dépassement des limites de température autorisées. Par conséquent, cet appareil doit être fiable et donner des lectures précises afin de ne pas mettre la vie des gens en danger.
Avantages de l'utilisation de thermocouples
Les avantages de l'utilisation de tels dispositifs pour le contrôle de la température, quelle que soit l'application, comprennent:
- une large gamme d'indicateurs pouvant être enregistrés à l'aide d'un thermocouple;
- la soudure du thermocouple, qui est directement impliquée dans la prise de mesure, peut être mise en contact direct avec le point de mesure;
- processus simple de fabrication de thermocouples, leur résistance et leur durabilité.
Comment fonctionne le thermocouple
Un thermocouple comporte trois éléments principaux. Ce sont deux conducteurs d'électricité provenant de matériaux différents, ainsi qu'un tube de protection. Les deux extrémités des conducteurs (également appelées thermoélectrodes) sont soudées, et les deux autres sont reliées à un potentiomètre (appareil de mesure de température).
En termes simples, le principe de fonctionnement d'un thermocouple est que la jonction des thermoélectrodes est placée dans un environnement dont la température doit être mesurée. Conformément à la règle Seebeck, une différence de potentiel se produit sur les conducteurs (sinon - thermoélectricité). Plus la température du milieu est élevée, plus la différence de potentiel est importante. En conséquence, la flèche de l'appareil s'écarte davantage.
Dans les complexes de mesure modernes, les indicateurs de température numériques ont remplacé le dispositif mécanique. Cependant, le nouvel appareil est loin d'être toujours supérieur dans ses caractéristiques aux anciens appareils de l'ère soviétique. Dans les universités techniques et dans les instituts de recherche, ils utilisent à ce jour des potentiomètres il y a 20 à 30 ans. Et ils présentent une précision et une stabilité de mesure étonnantes.
Types d'appareils
Chaque type de thermocouple a sa propre désignation, et ils sont divisés selon la norme généralement acceptée. Chaque type d'électrode a sa propre abréviation: TXA, TXK, TBR, etc. Les convertisseurs sont répartis selon la classification:
- Type E - est un alliage de chromel et de constantan. La caractéristique de cet appareil est considérée comme une sensibilité et des performances élevées. Ceci est particulièrement adapté pour une utilisation à des températures extrêmement basses.
- J - fait référence à un alliage de fer et de constantan. Il présente une sensibilité élevée, pouvant atteindre jusqu'à 50 μV / ° C.
- Le type K est considéré comme l'alliage chromel / aluminium le plus populaire. Ces thermocouples peuvent détecter des températures allant de -200 ° C à +1350 ° C. Les appareils sont utilisés dans des circuits situés dans des conditions non oxydantes et inertes sans signes de vieillissement. Lorsque les appareils sont utilisés dans un environnement plutôt acide, le chromel se corrode rapidement et devient inutilisable pour mesurer la température avec un thermocouple.
- Type M - représente les alliages de nickel avec du molybdène ou du cobalt. Les appareils peuvent résister jusqu'à 1400 ° C et sont utilisés dans des installations fonctionnant sur le principe des fours à vide.
- Type N - dispositifs au nichrosil-nisil, dont la différence est considérée comme la résistance à l'oxydation. Ils sont utilisés pour mesurer des températures comprises entre -270 et +1300 ° C.
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Il existe des thermocouples en alliages de rhodium et de platine. Ils appartiennent aux types B, S, R et sont considérés comme les appareils les plus stables. Les inconvénients de ces convertisseurs comprennent un prix élevé et une faible sensibilité.
À haute température, les dispositifs en alliages de rhénium et de tungstène sont largement utilisés. De plus, selon leur but et leurs conditions de fonctionnement, les thermocouples peuvent être submersibles et en surface.
De par leur conception, les dispositifs ont un raccord ou une bride statique et mobile. Les convertisseurs thermoélectriques sont largement utilisés dans les ordinateurs, qui sont généralement connectés via un port COM et sont conçus pour mesurer la température à l'intérieur du boîtier.
Effet Seebeck
Le principe de fonctionnement d'un thermocouple est basé sur ce phénomène physique. L'essentiel est le suivant: si vous connectez deux conducteurs de matériaux différents (parfois des semi-conducteurs sont utilisés), un courant circulera le long d'un tel circuit électrique.
Ainsi, si la jonction des conducteurs est chauffée et refroidie, l'aiguille du potentiomètre oscille. Le courant peut également être détecté par un galvanomètre connecté au circuit.
Dans le cas où les conducteurs sont constitués du même matériau, la force électromotrice ne se produira pas, respectivement, il ne sera pas possible de mesurer la température.
Schéma de connexion du thermocouple
Les méthodes les plus courantes pour connecter des instruments de mesure à des thermocouples sont la méthode dite simple, ainsi que la méthode différenciée. L'essence de la première méthode est la suivante: l'appareil (potentiomètre ou galvanomètre) est directement connecté à deux conducteurs. Avec la méthode différenciée, non pas une, mais les deux extrémités des conducteurs sont soudées, tandis que l'une des électrodes est "cassée" par le dispositif de mesure.
Il est impossible de ne pas mentionner la méthode dite à distance de connexion d'un thermocouple. Le principe de fonctionnement reste inchangé. La seule différence est que des fils d'extension sont ajoutés au circuit. À ces fins, un cordon de cuivre ordinaire ne convient pas, car les fils de compensation doivent être constitués des mêmes matériaux que les conducteurs de thermocouple.
Inconvénients de la mesure de la température avec un thermocouple
Les inconvénients de l'utilisation d'un thermocouple comprennent:
- La nécessité d'une surveillance constante de la température du contact «froid» du thermocouple. C'est une caractéristique distinctive de la conception des instruments de mesure, qui sont basés sur un thermocouple. Le principe de fonctionnement de ce schéma restreint le champ d'application. Ils ne peuvent être utilisés que si la température ambiante est inférieure à la température au point de mesure.
- Violation de la structure interne des métaux utilisés dans la fabrication d'un thermocouple.Le fait est qu'en raison de l'influence de l'environnement extérieur, les contacts perdent leur homogénéité, ce qui provoque des erreurs dans les indicateurs de température obtenus.
- Pendant la mesure, le groupe de contact d'un thermocouple est généralement exposé à des influences environnementales négatives, ce qui provoque des dysfonctionnements pendant le fonctionnement. Ceci nécessite à nouveau l'étanchéité des contacts, ce qui entraîne des coûts de maintenance supplémentaires pour de tels capteurs.
- Il existe un risque que des ondes électromagnétiques affectent le thermocouple, qui est conçu avec un long groupe de contact. Cela peut également affecter les résultats de la mesure.
- Dans certains cas, il y a une violation de la relation linéaire entre le courant électrique apparaissant dans le thermocouple et la température au point de mesure. Cette situation nécessite un étalonnage de l'équipement de contrôle.
Matériaux conducteurs
Le principe de fonctionnement d'un thermocouple est basé sur l'apparition d'une différence de potentiel dans les conducteurs. Par conséquent, la sélection des matériaux d'électrode doit être abordée de manière très responsable. La différence des propriétés chimiques et physiques des métaux est le facteur principal du fonctionnement d'un thermocouple dont le dispositif et le principe de fonctionnement reposent sur l'émergence d'un CEM d'auto-induction (différence de potentiel) dans le circuit.
Les métaux techniquement purs ne conviennent pas pour une utilisation comme thermocouple (à l'exception du fer ARMKO). Divers alliages de métaux non ferreux et précieux sont couramment utilisés. Ces matériaux ont des caractéristiques physiques et chimiques stables, de sorte que les lectures de température seront toujours précises et objectives. La stabilité et la précision sont des qualités clés dans l'organisation de l'expérience et du processus de production.
Actuellement, les thermocouples les plus courants sont des types suivants: E, J, K.
Le principe de fonctionnement et la structure des thermocouples
Le thermocouple se compose de deux conducteurs et d'un tube qui sert de protection pour les thermoélectrodes. Les thermoélectrodes sont constituées de métaux de base et de métaux nobles, le plus souvent d'alliages, fixés les uns aux autres à une extrémité (extrémité travaillante ou jonction chaude), ils forment ainsi l'une des parties du dispositif. Les autres extrémités du thermocouple (colonnes montantes ou jonction froide) sont connectées au voltmètre. Un EMF apparaît au milieu de deux bornes non connectées, la valeur dépend de la température de l'extrémité de travail.
Des thermocouples identiques combinés en parallèle ferment le circuit, selon la règle Seebeck, nous examinerons cette règle plus en détail, une différence de potentiel de contact ou un effet thermoélectrique se forme entre eux, des charges électriques apparaissent sur les conducteurs lorsqu'ils se touchent, une différence de potentiel apparaît entre leurs extrémités libres, et cela dépend de la différence de température. Ce n'est que lorsque la température entre les thermoélectrodes est la même que la différence de potentiel est égale à zéro.
Par exemple: en plaçant une jonction avec des coefficients différents de zéro, dans deux pots d'ébullition avec du liquide, la température du premier est de 50 et de la seconde de 45, alors la différence de potentiel sera de 5.
La différence de potentiel est déterminée par la différence de température entre les sources. Le matériau à partir duquel les électrodes de thermocouple sont fabriquées dépend également. Exemple: un thermocouple Chromel-Alumel a un coefficient de température de 41, et un Chromel-Constantan a un coefficient de 68.
Thermocouple type K
C'est peut-être le type de thermocouple le plus courant et le plus utilisé. Une paire de chromel - aluminium fonctionne très bien à des températures allant de -200 à 1350 degrés Celsius. Ce type de thermocouple est très sensible et détecte même un petit saut de température. Grâce à cet ensemble de paramètres, le thermocouple est utilisé à la fois en production et en recherche scientifique. Mais cela présente également un inconvénient majeur - l'influence de la composition de l'atmosphère de travail. Donc, si ce type de thermocouple fonctionne dans un environnement CO2, le thermocouple donnera des lectures incorrectes.Cette fonctionnalité limite l'utilisation de ce type d'appareil. Le circuit et le principe de fonctionnement du thermocouple restent inchangés. La seule différence réside dans la composition chimique des électrodes.
Types de thermocouples
Les exigences techniques pour les thermocouples sont déterminées par GOST 6616-94. Les tableaux standard pour les thermomètres thermoélectriques - les caractéristiques nominales de conversion statique (NSC), les classes de tolérance et les plages de mesure sont données dans la norme CEI 60584-1.2 et dans GOST R 8.585-2001.
- platine-rhodium-platine - TPP13 - Type R
- platine-rhodium-platine - TPP10 - Type S
- platine-rhodium-platine-rhodium - TPR - Type B
- CCM fer-constantan (fer-cuivre-nickel) - Type J
- cuivre-constantan (cuivre-cuivre-nickel) TMKn - Type T
- nichrosil-nisil (nickel-chrome-nickel-nickel-silicium) TNN - Type N.
- chromel-alumel - TXA - Type K
- chromel-constantan TChKn - Type E
- chromel-copel - THK - Type L
- cuivre-copel - TMK - Type M
- Silkh-silin - ТСС - Type I
- tungstène et rhénium - tungstène rhénium - TVR - Type A-1, A-2, A-3
La composition exacte de l'alliage des thermocouples pour thermocouples en métaux communs n'est pas donnée dans la CEI 60584-1. НСХ pour les thermocouples chromel-copel ТХК et les thermocouples tungstène-rhénium sont définis uniquement dans GOST R 8.585-2001. Il n'y a pas de données de thermocouple dans la norme CEI. Pour cette raison, les caractéristiques des capteurs importés constitués de ces métaux peuvent différer considérablement des capteurs nationaux, par exemple, le type L importé et le THK domestique ne sont pas interchangeables. Dans le même temps, en règle générale, les équipements importés ne sont pas conçus pour la norme nationale.
La norme CEI 60584 est actuellement en cours de révision. Il est prévu d'introduire dans la norme des thermocouples tungstène-rhénium de type A-1, pour lesquels NSX correspondra à la norme russe, et de type C selon la norme ASTM [6].
En 2008, la CEI a introduit deux nouveaux types de thermocouples: or-platine et platine-palladium. La nouvelle norme CEI 62460 établit des tableaux standard pour ces thermocouples en métal pur. Il n'y a pas encore de norme russe similaire.
Vérification du fonctionnement du thermocouple
Si le thermocouple tombe en panne, il ne peut pas être réparé. En théorie, vous pouvez, bien sûr, le réparer, mais la question de savoir si l'appareil affichera la température exacte après cela est une grande question.
Parfois, la défaillance d'un thermocouple n'est ni évidente ni évidente. Cela s'applique en particulier aux chauffe-eau à gaz. Le principe de fonctionnement d'un thermocouple est toujours le même. Cependant, il joue un rôle légèrement différent et n'est pas destiné à visualiser les lectures de température, mais au fonctionnement de la vanne. Par conséquent, afin de détecter un dysfonctionnement d'un tel thermocouple, il est nécessaire de lui connecter un appareil de mesure (testeur, galvanomètre ou potentiomètre) et de chauffer la jonction du thermocouple. Pour ce faire, il n'est pas nécessaire de le garder au-dessus d'un feu ouvert. Il suffit de le serrer dans un poing et de voir si la flèche de l'appareil va dévier.
Les raisons de l'échec des thermocouples peuvent être différentes. Ainsi, si vous ne mettez pas de dispositif de blindage spécial sur le thermocouple placé dans la chambre à vide de l'unité de nitruration ion-plasma, il deviendra de plus en plus fragile jusqu'à ce que l'un des conducteurs se brise. De plus, la possibilité d'un fonctionnement incorrect du thermocouple dû à une modification de la composition chimique des électrodes n'est pas exclue. Après tout, les principes fondamentaux du thermocouple sont violés.
Les équipements à gaz (chaudières, colonnes) sont également équipés de thermocouples. La principale cause de défaillance des électrodes est les processus oxydatifs qui se développent à des températures élevées.
Dans le cas où les lectures de l'appareil sont délibérément fausses et lors d'un examen externe, aucune pince faible n'a été trouvée, la raison la plus probable réside dans la défaillance du dispositif de contrôle et de mesure. Dans ce cas, il doit être retourné pour réparation.Si vous possédez les qualifications appropriées, vous pouvez essayer de résoudre le problème vous-même.
Et en général, si l'aiguille du potentiomètre ou l'indicateur numérique montre au moins quelques "signes de vie", alors le thermocouple est en bon état de fonctionnement. Dans ce cas, le problème est clairement autre chose. Et par conséquent, si l'appareil ne réagit en aucune manière aux changements évidents du régime de température, vous pouvez changer le thermocouple en toute sécurité.
Cependant, avant de démonter le thermocouple et d'en installer un nouveau, vous devez vous assurer complètement qu'il est défectueux. Pour ce faire, il suffit de faire sonner le thermocouple avec un testeur ordinaire, ou mieux encore, de mesurer la tension en sortie. Seul un voltmètre ordinaire est peu susceptible d'aider ici. Vous aurez besoin d'un millivoltmètre ou d'un testeur avec la possibilité de sélectionner une échelle de mesure. Après tout, la différence de potentiel est une très petite valeur. Et un appareil standard ne le sentira même pas et ne le réparera pas.
Caractéristiques de conception
Si nous sommes plus scrupuleux sur le processus de mesure de la température, cette procédure est effectuée à l'aide d'un thermomètre thermoélectrique. Le principal élément sensible de cet appareil est un thermocouple.
Le processus de mesure lui-même se produit en raison de la création d'une force électromotrice dans le thermocouple. Il existe certaines caractéristiques d'un appareil à thermocouple:
- Les électrodes sont connectées dans des thermocouples pour mesurer des températures élevées en un point en utilisant le soudage à l'arc électrique. Lors de la mesure de petits indicateurs, un tel contact est réalisé par soudure. Des composés spéciaux dans les dispositifs au tungstène-rhénium et au tungstène-molybdène sont réalisés à l'aide de torsions serrées sans traitement supplémentaire.
- La connexion des éléments est effectuée uniquement dans la zone de travail et sur le reste de la longueur, ils sont isolés les uns des autres.
- La méthode d'isolation est effectuée en fonction de la valeur de température supérieure. Avec une plage de valeurs de 100 à 120 ° C, tout type d'isolation est utilisé, y compris l'air. Les tubes ou perles en porcelaine sont utilisés à des températures allant jusqu'à 1300 ° C. Si la valeur atteint 2000 ° C, un matériau isolant en oxyde d'aluminium, magnésium, béryllium et zirconium est utilisé.
- Un capot de protection externe est utilisé en fonction de l'environnement d'utilisation du capteur dans lequel la température est mesurée. Il se présente sous la forme d'un tube en métal ou en céramique. Cette protection assure l'étanchéité et la protection de la surface du thermocouple contre les contraintes mécaniques. Le matériau du revêtement extérieur doit pouvoir résister à une exposition à des températures élevées et avoir une excellente conductivité thermique.
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La conception du capteur dépend en grande partie des conditions de son utilisation. Lors de la création d'un thermocouple, la plage de températures mesurées, l'état de l'environnement extérieur, l'inertie thermique, etc. sont pris en compte.
Avantages du thermocouple
Pourquoi les thermocouples n'ont-ils pas été remplacés par des capteurs de mesure de température plus avancés et modernes au cours d'une si longue histoire de fonctionnement? Oui, pour la simple raison que jusqu'à présent aucun autre appareil ne peut rivaliser avec lui.
Premièrement, les thermocouples sont relativement bon marché. Bien que les prix puissent fluctuer dans une large gamme en raison de l'utilisation de certains éléments et surfaces de protection, connecteurs et connecteurs.
Deuxièmement, les thermocouples sont sans prétention et fiables, ce qui leur permet de fonctionner avec succès dans des environnements agressifs de température et chimiques. De tels appareils sont même installés dans les chaudières à gaz. Le principe de fonctionnement d'un thermocouple reste toujours le même, quelles que soient les conditions de fonctionnement. Tous les autres types de capteurs ne pourront pas résister à un tel impact.
La technologie de fabrication et de fabrication de thermocouples est simple et facile à mettre en œuvre dans la pratique.En gros, il suffit de tordre ou de souder les extrémités des fils de différents matériaux métalliques.
Une autre caractéristique positive est la précision des mesures et l'erreur négligeable (seulement 1 degré). Cette précision est plus que suffisante pour les besoins de la production industrielle et pour la recherche scientifique.
Types de jonctions de thermocouple
L'industrie moderne produit plusieurs modèles qui sont utilisés dans la fabrication de thermocouples:
- avec une jonction ouverte;
- avec une jonction isolée;
- avec une jonction mise à la terre.
Une caractéristique des thermocouples à jonction ouverte est une faible résistance aux influences extérieures.
Les deux types de construction suivants peuvent être utilisés lors de la mesure de températures dans des milieux agressifs qui ont un effet destructeur sur la paire de contacts.
En outre, à l'heure actuelle, l'industrie maîtrise les schémas de production de thermocouples utilisant les technologies des semi-conducteurs.
Inconvénients du thermocouple
Il n'y a pas beaucoup d'inconvénients d'un thermocouple, surtout par rapport à ses concurrents les plus proches (capteurs de température d'autres types), mais ils le sont toujours, et il serait injuste de rester silencieux à leur sujet.
Ainsi, la différence de potentiel est mesurée en millivolts. Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser des potentiomètres très sensibles. Et si nous tenons compte du fait que les appareils de mesure ne peuvent pas toujours être placés à proximité immédiate du lieu de collecte des données expérimentales, alors certains amplificateurs doivent être utilisés. Cela entraîne un certain nombre d'inconvénients et entraîne des coûts inutiles dans l'organisation et la préparation de la production.
Types de thermocouples
- Chromel-aluminium
... Ils sont principalement utilisés dans l'industrie. Caractéristiques: large plage de températures de mesure -200 ... + 13000 ° C, coût abordable. Non approuvé pour une utilisation dans les magasins à haute teneur en soufre. - Chromel-copel
... L'application est similaire au type précédent, la caractéristique est la préservation des performances uniquement dans les milieux liquides et gazeux non agressifs. Souvent utilisé pour mesurer les températures dans les fours à foyer ouvert. - Constante de fer
... Efficace dans une atmosphère raréfiée. - Platine-rhodium-platine
... Très cher. Ils se caractérisent par des lectures stables et précises. Utilisé pour mesurer des températures élevées. - Tungstène-rhénium
... Habituellement, ils ont des couvertures de protection dans leur conception. Le principal domaine d'application est la mesure de fluides à très hautes températures.
