Thermocouple, un des capteurs de température

Les capteurs de température sont largement utilisés et se déclinent en de nombreux types, mais les principaux types courants sont: thermocouples (PT100/PT1000), thermopiles, thermistances, détecteurs de température à résistance, et capteurs de température IC. Les capteurs de température IC comprennent deux types: capteurs de sortie analogiques et capteurs de sortie numérique. Selon les caractéristiques du matériau et des composants électroniques du capteur de température, ils sont divisés en deux catégories: résistances thermiques et thermocouples. Les thermocouples sont devenus la méthode standard de l'industrie pour mesurer de manière rentable une large plage de températures avec une précision raisonnable.. Ils sont utilisés dans diverses applications jusqu'à environ +2 500°C dans les chaudières., chauffe-eau, fours, et les moteurs d'avion, pour n'en nommer que quelques-uns.

Type thermocouple platine-rhodium Résistant aux hautes températures 1600 degrés tube de corindon

Thermocouple de sonde d'aiguille de capteur de température PT100

3-Fil thermocouple à résistance platine PT100 avec câble blindé

(1) Définition de base des thermocouples
Les thermocouples sont l'un des éléments de détection de température les plus couramment utilisés dans l'industrie.. Le principe de fonctionnement des thermocouples est basé sur l'effet Seebeck, qui est un phénomène physique dans lequel deux conducteurs de composants différents sont connectés aux deux extrémités pour former une boucle. Si les températures des deux extrémités de connexion sont différentes, un courant thermique est généré dans la boucle.

En tant que l'un des capteurs de température les plus utilisés dans la mesure de la température industrielle, thermocouples, avec des résistances thermiques en platine, compte pour environ 60% du nombre total de capteurs de température. Les thermocouples sont généralement utilisés conjointement avec des instruments d'affichage pour mesurer directement la température de surface des liquides., vapeurs, milieux gazeux et solides dans la gamme de -40 à 1800°C dans divers processus de production. Les avantages incluent une précision de mesure élevée, large plage de mesure, structure simple et utilisation facile.

(2) Principe de base de la mesure de la température par thermocouple
Le thermocouple est un élément de détection de température qui peut mesurer directement la température et la convertir en signal de potentiel thermoélectrique.. Le signal est converti en température du milieu mesuré via un instrument électrique. Le principe de fonctionnement du thermocouple est que deux conducteurs de composants différents forment une boucle fermée. Lorsqu'un gradient de température existe, le courant traversera la boucle et générera un potentiel thermoélectrique, qui est l'effet Seebeck. Les deux conducteurs du thermocouple sont appelés thermocouples, dont une extrémité est l'extrémité de travail (température plus élevée) et l'autre extrémité est l'extrémité libre (généralement à température constante). Selon la relation entre le potentiel thermoélectrique et la température, une échelle de thermocouple est réalisée. Différents thermocouples ont des échelles différentes.

Lorsqu'un troisième matériau métallique est connecté à la boucle du thermocouple, tant que la température des deux contacts du matériau est la même, le potentiel thermoélectrique généré par le thermocouple restera inchangé et ne sera pas affecté par le troisième métal. Donc, lors de la mesure de la température du thermocouple, un instrument de mesure peut être connecté pour déterminer la température du milieu mesuré en mesurant le potentiel thermoélectrique. Les thermocouples soudent les conducteurs ou semi-conducteurs A et B en boucle fermée.

Les thermocouples soudent ensemble deux conducteurs ou semi-conducteurs A et B de matériaux différents pour former une boucle fermée, comme le montre la figure.

Lorsqu'il y a une différence de température entre les deux points de fixation 1 et 2 des conducteurs A et B, une force électromotrice est générée entre les deux, formant ainsi un courant d'une certaine taille dans la boucle. Ce phénomène est appelé effet thermoélectrique. Les thermocouples fonctionnent en utilisant cet effet.

Deux conducteurs de composants différents (appelés fils de thermocouple ou électrodes chaudes) sont connectés aux deux extrémités pour former une boucle. Lorsque les températures des jonctions sont différentes, une force électromotrice est générée dans la boucle. Ce phénomène est appelé effet thermoélectrique, et cette force électromotrice est appelée potentiel thermoélectrique. Les thermocouples utilisent ce principe pour mesurer la température. Parmi eux, l'extrémité directement utilisée pour mesurer la température du milieu est appelée extrémité de travail (également appelé extrémité de mesure), et l'autre extrémité s'appelle l'extrémité froide (aussi appelé la fin de l'indemnisation); l'extrémité froide est connectée à l'instrument d'affichage ou à l'instrument correspondant, et l'instrument d'affichage indiquera le potentiel thermoélectrique généré par le thermocouple.

Les thermocouples sont des convertisseurs d'énergie qui convertissent l'énergie thermique en énergie électrique et mesurent la température en mesurant le potentiel thermoélectrique généré.. Lors de l'étude du potentiel thermoélectrique des thermocouples, les problèmes suivants doivent être notés:
1) Le potentiel thermoélectrique d'un thermocouple est fonction de la différence de température entre les deux extrémités du thermocouple., pas la différence de température entre les deux extrémités du thermocouple.
2) L'ampleur du potentiel thermoélectrique généré par un thermocouple n'a rien à voir avec la longueur et le diamètre du thermocouple., mais uniquement avec la composition du matériau du thermocouple et la différence de température entre les deux extrémités, à condition que le matériau du thermocouple soit uniforme.
3) Après avoir déterminé la composition matérielle des deux fils du thermocouple, l'amplitude du potentiel thermoélectrique du thermocouple est uniquement liée à la différence de température du thermocouple. Si la température de l'extrémité froide du thermocouple reste constante, le potentiel thermoélectrique du thermocouple n'est qu'une fonction à valeur unique de la température finale de travail.
Les matériaux de thermocouple couramment utilisés sont:
(3) Types et structures de thermocouples
Espèces
Les thermocouples peuvent être divisés en deux catégories: thermocouples standards et thermocouples non standards. Le thermocouple dit standard fait référence à un thermocouple dont la norme nationale stipule la relation entre son potentiel thermoélectrique et la température., l'erreur admissible, et dispose d'une échelle standard unifiée. Il dispose d'un instrument d'affichage correspondant pour la sélection. Les thermocouples non standardisés sont inférieurs aux thermocouples standardisés en termes de plage d'utilisation ou d'ordre de grandeur, et n'ont généralement pas d'échelle unifiée. Ils sont principalement utilisés pour les mesures lors de certaines occasions spéciales.

Structure de base des thermocouples:
La structure de base des thermocouples utilisés pour la mesure de la température industrielle comprend le fil du thermocouple, tube isolant, tube de protection et boîte de jonction, etc..

Fils de thermocouple couramment utilisés et leurs propriétés:
UN. Thermocouple platine-rhodium 10 platine (avec un numéro de diplôme de S, également connu sous le nom de thermocouple simple platine-rhodium). L'électrode positive de ce thermocouple est un alliage platine-rhodium contenant 10% rhodié, et l'électrode négative est du platine pur;

Caractéristiques:
(1) Performance thermoélectrique stable, forte résistance à l'oxydation, adapté à une utilisation continue en atmosphère oxydante, la température d'utilisation à long terme peut atteindre 1300 ℃, quand il dépasse 1400℃, même dans les airs, le fil de platine pur recristallisera, rendre les grains grossiers et cassés;
(2) Haute précision. Il s'agit du niveau de précision le plus élevé parmi tous les thermocouples et est généralement utilisé comme standard ou pour mesurer des températures plus élevées.;
(3) Large gamme d'utilisation, bonne uniformité et interchangeabilité;
(4) Les principaux inconvénients sont: petit potentiel thermoélectrique différentiel, si faible sensibilité; prix cher, faible résistance mécanique, ne convient pas pour une utilisation dans une atmosphère réductrice ou dans des conditions de vapeur métallique.

B. Thermocouple platine-rhodium 13 platine (avec un numéro de diplôme de R, également connu sous le nom de thermocouple simple platine-rhodium) L'électrode positive de ce thermocouple est un alliage platine-rhodium contenant 13%, et l'électrode négative est du platine pur. Par rapport au type S, son taux potentiel est d'environ 15% plus haut. Les autres propriétés sont presque les mêmes. Ce type de thermocouple est le plus utilisé comme thermocouple haute température dans l'industrie japonaise., mais il est moins utilisé en Chine;

C. Platine-rhodium 30-platine-rhodium 6 thermocouple (numéro de division B, également connu sous le nom de thermocouple double platine-rhodium) L'électrode positive de ce thermocouple est un alliage platine-rhodium contenant 30% rhodié, et l'électrode négative est un alliage platine-rhodium contenant 6% rhodié. A température ambiante, son potentiel thermoélectrique est très faible, les fils de compensation ne sont donc généralement pas utilisés pendant la mesure, et l'influence des changements de température de l'extrémité froide peut être ignorée. La température d'utilisation à long terme est de 1600 ℃, et la température d'utilisation à court terme est de 1800 ℃. Parce que le potentiel thermoélectrique est petit, un instrument d'affichage avec une sensibilité plus élevée est requis.

Les thermocouples de type B conviennent à une utilisation dans des atmosphères oxydantes ou neutres, et peut également être utilisé pour une utilisation à court terme dans des atmosphères sous vide. Même en atmosphère réductrice, sa vie est 10 à 20 fois celui du type B. fois. Puisque ses électrodes sont en alliage platine-rhodium, elle ne présente pas tous les inconvénients de l'électrode négative du thermocouple platine-rhodium-platine. Il y a peu de tendance à une cristallisation importante à haute température, et il a une plus grande résistance mécanique. En même temps, puisqu'il a moins d'influence sur l'absorption des impuretés ou la migration du rhodium, son potentiel thermoélectrique ne change pas sérieusement après une utilisation à long terme. L'inconvénient c'est que c'est cher (par rapport au simple platine-rhodium).

D. Nickel-chrome-nickel-silicium (nickel-aluminium) thermocouple (le numéro de classement est K) L'électrode positive de ce thermocouple est un alliage nickel-chrome contenant 10% chrome, et l'électrode négative est un alliage nickel-silicium contenant 3% silicium (l'électrode négative des produits dans certains pays est du nickel pur). Il peut mesurer la température moyenne de 0 à 1 300 ℃ et convient à une utilisation continue dans les gaz oxydants et inertes.. La température d'utilisation à court terme est de 1200 ℃, et la température d'utilisation à long terme est de 1000 ℃. Son potentiel thermoélectrique est La relation de température est approximativement linéaire, le prix est bon marché, et c'est le thermocouple le plus utilisé actuellement.

Le thermocouple de type K est un thermocouple en métal de base avec une forte résistance à l'oxydation. Il ne convient pas à une utilisation à fil nu sous vide, contenant du soufre, atmosphère contenant du carbone, et atmosphère alternée redox. Lorsque la pression partielle d'oxygène est faible, le chrome dans l'électrode nickel-chrome sera préférentiellement oxydé, provoquant un changement important dans le potentiel thermoélectrique, mais le gaz métallique a peu d'effet dessus. Donc, des tubes de protection métalliques sont souvent utilisés.

Avec fiche mâle jaune Thermocouple à ressort type K

Capteur de température de type K avec sonde en acier inoxydable

Capteur de température à thermocouple série WRN-K en acier inoxydable de type K

Inconvénients des thermocouples de type K:
(1) La stabilité à haute température du potentiel thermoélectrique est pire que celle des thermocouples de type N et des thermocouples en métaux précieux. À des températures plus élevées (Par exemple, plus de 1000°C), il est souvent endommagé par l'oxydation.
(2) La stabilité du cycle thermique à court terme est médiocre dans la plage de 250 à 500°C, c'est, au même point de température, les lectures de potentiel thermoélectrique sont différentes pendant le processus de chauffage et de refroidissement, et la différence peut atteindre 2-3°C.
(3) L'électrode négative subit une transformation magnétique dans la plage de 150 à 200°C, ce qui fait que la valeur de graduation dans la plage de température ambiante jusqu'à 230°C s'écarte de la table de graduation. En particulier, lorsqu'il est utilisé dans un champ magnétique, des interférences de potentiel thermoélectrique indépendantes du temps se produisent souvent.
(4) Lorsqu'il est exposé à une irradiation prolongée d'un système à flux élevé, les éléments comme le manganèse (Mn) et cobalt (Co) dans l'électrode négative subit une transformation, ce qui rend sa stabilité médiocre, entraînant un changement important du potentiel thermoélectrique.

E. Thermocouple nickel-chrome-silicium-nickel-silicium (N) Les principales caractéristiques de ce thermocouple sont: Fort contrôle de la température et résistance à l'oxydation en dessous de 1300 ℃, bonne stabilité à long terme et reproductibilité du cycle thermique à court terme, bonne résistance aux rayonnements nucléaires et aux basses températures. En outre, dans la plage de 400 à 1300 ℃, la linéarité des caractéristiques thermoélectriques du thermocouple de type N est meilleure que celle du type K. Cependant, l'erreur non linéaire est importante dans la plage de basses températures (-200-400℃), et le matériau est dur et difficile à traiter.

E. Thermocouple cuivre-cuivre-nickel (T) Thermocouple de type T, l'électrode positive de ce thermocouple est en cuivre pur, et l'électrode négative est en alliage cuivre-nickel (également connu sous le nom de constantan). Ses principales caractéristiques sont: parmi les thermocouples en métaux communs, il a la plus grande précision et une bonne uniformité de la thermoélectrode. Sa température de fonctionnement est de -200 ～ 350 ℃. Parce que le thermocouple en cuivre est facile à oxyder et que le film d'oxyde tombe facilement., il n'est généralement pas autorisé à dépasser 300 ℃ lorsqu'il est utilisé dans une atmosphère oxydante, et se situe dans la plage de -200 ～ 300 ℃. Ils sont relativement sensibles. Une autre caractéristique des thermocouples cuivre-constantan est qu'ils sont bon marché, et ils sont les moins chers parmi plusieurs produits standardisés couramment utilisés.

F. Thermocouple fer-constantan (le numéro de classement est J)
Thermocouple de type J, l'électrode positive de ce thermocouple est en fer pur, et l'électrode négative est constante (alliage cuivre-nickel), qui se caractérise par son prix bon marché. Il convient à l'atmosphère réductrice ou inerte d'oxydation sous vide, et la plage de température est de -200 ~ 800 ℃. Cependant, la température couramment utilisée n'est qu'en dessous de 500 ℃, car après avoir dépassé cette température, le taux d'oxydation du thermocouple de fer s'accélère. Si un diamètre de fil épais est utilisé, il peut toujours être utilisé à haute température et a une durée de vie plus longue. Ce thermocouple résiste à la corrosion par l'hydrogène (H2) et monoxyde de carbone (CO) gaz, mais ne peut pas être utilisé à haute température (par exemple. 500℃) soufre (S) ambiances.

G. Nickel-chrome-cuivre-nickel (Constantan) thermocouple (code de division E)
Le thermocouple de type E est un produit relativement nouveau, avec une électrode positive en alliage nickel-chrome et une électrode négative en alliage cuivre-nickel (Constantan). Sa plus grande caractéristique est que parmi les thermocouples couramment utilisés, son potentiel thermoélectrique est le plus grand, c'est, sa sensibilité est la plus élevée. Bien que sa gamme d'applications ne soit pas aussi large que celle du type K, il est souvent sélectionné dans des conditions nécessitant une sensibilité élevée, faible conductivité thermique, et une grande résistance admissible. Les restrictions d'utilisation sont les mêmes que celles du type K, mais il est peu sensible à la corrosion dans les atmosphères très humides.

En plus de ce qui précède 8 thermocouples couramment utilisés, il existe aussi des thermocouples tungstène-rhénium, thermocouples platine-rhodium, thermocouples iridium-germanium, thermocouples platine-molybdène, et thermocouples en matériaux non métalliques comme thermocouples non standardisés. Le tableau suivant répertorie la relation entre les spécifications du matériau et le diamètre du fil des thermocouples couramment utilisés et la température d'utilisation.:

Numéro de classification du thermocouple Diamètre du fil (mm) Long terme Court terme
SΦ0,513001600
RF0.513001600
BΦ0,516001800
KΦ1.28001000

(4) Compensation de température de l'extrémité froide du thermocouple
Afin d'économiser le coût des matériaux de thermocouple, surtout lors de l'utilisation de métaux précieux, un fil de compensation est généralement utilisé pour prolonger l'extrémité froide (extrémité libre) du thermocouple dans la salle de contrôle où la température est relativement stable et connectez-le au terminal de l'instrument. Il doit être clair que le rôle du fil de compensation du thermocouple se limite à étendre le thermocouple et à déplacer l'extrémité froide du thermocouple vers le terminal de l'instrument dans la salle de contrôle.. Il ne peut pas à lui seul éliminer l'influence du changement de température de l'extrémité froide sur la mesure de la température et ne peut pas jouer un rôle de compensation..

Tube isolant

Les extrémités actives du thermocouple sont fermement soudées ensemble, et les thermocouples doivent être protégés par des tubes isolants. Il existe de nombreux matériaux disponibles pour isoler les tubes, qui sont principalement divisés en isolation organique et inorganique. Pour le côté haute température, les matériaux inorganiques doivent être sélectionnés comme tubes isolants. En général, les tubes isolants en argile peuvent être sélectionnés en dessous de 1000 ℃, les tubes à haute teneur en aluminium peuvent être sélectionnés en dessous de 1300 ℃, et les tubes en corindon peuvent être sélectionnés en dessous de 1600 ℃.

Tube de protection

La fonction du tube de protection est d'empêcher l'électrode du thermocouple d'entrer en contact direct avec le milieu mesuré.. Sa fonction prolonge non seulement la durée de vie du thermocouple, mais assure également la fonction de soutenir et de fixer la thermoélectrode et d'améliorer sa résistance. Donc, la sélection correcte des tubes de protection du thermocouple et des matériaux isolants est cruciale pour la durée de vie et la précision des mesures du thermocouple. Les matériaux du tube de protection sont principalement divisés en deux catégories: métal et non métallique.

Résumé:
Les thermocouples sont des capteurs couramment utilisés dans la mesure de la température industrielle, qui se caractérisent par une grande précision, économie et applicabilité à une large plage de températures. Il mesure en mesurant la différence de température entre la partie chaude et la partie froide.

Afin d'obtenir la température du point de détection de l'extrémité chaude, il est nécessaire de mesurer la température de la partie froide et d'ajuster la sortie du thermocouple en conséquence. Typiquement, la soudure froide est maintenue à la même température que l'entrée de l'unité de traitement du signal du thermocouple grâce à une feuille de matériau à haute conductivité thermique. Le cuivre est un matériau avec une conductivité thermique idéale (381W/mK). La connexion d'entrée doit être isolée électriquement pour éviter que le signal du thermocouple n'interfère avec la conduction thermique sur la puce.. L'ensemble de l'unité de traitement du signal se trouve de préférence dans cet environnement isotherme.

La plage de signal du thermocouple se situe généralement au niveau microvolt/℃. L'unité de traitement du signal du thermocouple est très sensible aux interférences électromagnétiques (EMI), et la ligne du thermocouple est souvent perturbée par les EMI. EMI augmente l'incertitude du signal reçu et nuit à la précision des données de température collectées. En outre, le câble thermocouple dédié nécessaire à la connexion est également cher, et si d'autres types de câbles ne sont pas soigneusement remplacés, cela peut poser des difficultés d'analyse.

Puisque l'EMI est proportionnelle à la longueur de la ligne, les options habituelles pour minimiser les interférences consistent à placer le circuit de contrôle à proximité du point de détection, ajouter une carte distante à proximité du point de détection, ou utilisez un filtrage de signal et un blindage de câble complexes. Une solution plus élégante consiste à numériser la sortie du thermocouple à proximité du point de détection.

(5) Flux de production du processus de thermocouple
Le contrôle du processus de production des thermocouples comprend les éléments suivants:
1) Inspection des fils: vérifier les dimensions géométriques et le potentiel thermoélectrique.
2) Inspection des câbles de compensation: vérifier les dimensions géométriques et le potentiel thermoélectrique.
3) Préparer et inspecter les composants tels que les douilles en plastique, bouchons en aluminium, bases réfractaires, tubes en papier et petits tubes en papier.
4) Soudage à chaud: vérifier le taux qualifié de joints de soudure et le taux qualifié de longueur à travers la carte de contrôle P.
5) Recuit de fil: y compris le recuit primaire (recuit après lavage alcalin et lavage acide) et recuit secondaire (recuit après passage dans le tube en U), contrôler la température et le temps de recuit.
6) Inspection des processus: y compris le jugement de polarité, résistance à la boucle et qualité d'aspect ainsi que contrôle des dimensions géométriques.
7) Soudage à froid: contrôler la tension de soudage, vérifier la forme du joint de soudure et la taille sphérique.
8) Assemblage et coulée: assembler selon les besoins, y compris le contrôle de la position de l'extrémité chaude et de la distance du fil de compensation. Les exigences de coulage incluent la préparation du ciment, température et temps de cuisson, et mesure de la résistance d'isolement.
9) Inspection finale: Vérifiez la géométrie, résistance de boucle, polarité positive et négative et résistance d'isolement.

(6) Application des capteurs à thermocouple
Les thermocouples sont formés en connectant deux conducteurs différents ensemble. Lorsque les jonctions de mesure et de référence sont à des températures différentes, la force dite thermoélectromagnétique (CEM) est généré. Objectif de la jonction La jonction de mesure est la partie de la jonction du thermocouple qui se trouve à la température mesurée..

La jonction de référence joue le rôle de maintenir une température connue ou de compenser automatiquement les changements de température dans le thermocouple. Dans les applications industrielles conventionnelles, l'élément thermocouple est généralement connecté au connecteur, tandis que la jonction de référence est connectée à un environnement contrôlé avec une température relativement stable via un fil d'extension de thermocouple approprié. Le type de jonction peut être une jonction de thermocouple connectée à une coque ou une jonction de thermocouple isolée.

La jonction du thermocouple connectée à la coque est reliée à la paroi de la sonde par une connexion physique (soudage), et la chaleur est transférée de l'extérieur vers la jonction à travers la paroi de la sonde pour obtenir un bon transfert de chaleur. Ce type de jonction convient à la mesure de la température de gaz et liquides corrosifs statiques ou en circulation., ainsi que certaines applications haute pression.

Les thermocouples isolés ont des jonctions séparées de la paroi de la sonde et entourées d'une poudre molle. Bien que les thermocouples isolés aient une réponse plus lente que les thermocouples à coque, ils assurent l'isolation électrique. Les thermocouples isolés sont recommandés pour mesurer dans des environnements corrosifs, où le thermocouple est complètement isolé électriquement du milieu environnant par un blindage de gaine.

Les thermocouples à bornes exposées permettent au haut de la jonction de pénétrer dans l'environnement environnant. Ce type de thermocouple offre le meilleur temps de réponse, mais ne convient qu'aux produits non corrosifs, non dangereux, et applications sans pression. Le temps de réponse peut être exprimé en termes de constante de temps, qui est défini comme le temps nécessaire au capteur pour changer 63.2% de la valeur initiale à la valeur finale en environnement contrôlé. Les thermocouples à bornes exposées ont la vitesse de réponse la plus rapide, et plus le diamètre de la gaine de la sonde est petit, plus la vitesse de réponse est rapide, mais plus la température de mesure maximale autorisée est basse.

Les thermocouples à fil d'extension utilisent un fil d'extension pour transférer la jonction de référence du thermocouple à un fil à l'autre extrémité., qui est généralement situé dans un environnement contrôlé et présente les mêmes caractéristiques de température et de fréquence électromagnétique que le thermocouple. Lorsqu'il est correctement connecté, le fil d'extension transfère le point de connexion de référence à l'environnement contrôlé.