INTRODUCTION : Thomas Johann Seebeck découvert par hasard la Thermocouple en 1821. La déterminée expérimentalement qu'une tension existe entre les deux extrémités d'un conducteur lorsque les extrémités conducteur sont à des températures différentes .Ses travaux ont montré que cette tension est proportionnelle à la différence de température. Sa découverte est rapidement devenu le base de thermocouple Ì, qui est aujourd'hui l'un des la plupart des capteurs populaires et rentables température. Les thermocouples sont des sondes de température de basse-impédance qui produisent des forces électromotrices (milli Volt) qui Figure 1:Thomas correspondent à des courbes de température qui Johann Seebeck sont particulières et uniques pour chaque calibration de thermocouple. La force électromotrice est produite à cause des gradients de température se trouvant sur le long des conducteurs et non pas juste à la jonction. Ce phénomène est expliqué dans les trois théories scientifiques suivantes : l’effet Seebeck, l’effet Peltier et l’effet Thompson. Le signal de milli Volt produit par un thermocouple est un signal de très, très bas niveau. Ainsi, la transmission de ce signal sur une longue distance peut être difficile à cause des « bruits » étrangers pouvant être introduits dans le système. Ces “bruits” peuvent causer des erreurs dans le signal de milli Volt. Un fil d’extension de thermocouple torsadé et blindé devrait être employé dans les secteurs où le « bruit » est excessif pour aider à éliminer le problème. Le fil d’extension de thermocouple doit être de la même calibration (même alliages métalliques) que le thermocouple lui-même. Ce fil d’extension transmet le signal du thermocouple à l’instrument, et si les conducteurs sont des métaux homogènes, il ne produira pas de forces électromotrices même s’il trouve sur son chemin des gradients de la température.
Historique : En 1822-1823, Thomas Seebeck décrit, dans un mémoire à l’Académie des sciences de Prusse, un phénomène qui 1 correspond bien à la découverte du
courant thermoélectrique se produisant dans un circuit fermé, formé de conducteurs différents et dont les jonctions sont à des températures différentes. L’explication par Seebeck de ce phénomène est erronée, mais les classements de matériaux qu’il a établis en fonction de ce que, actuellement, on nomme le pouvoir thermoélectrique sont tout à fait corrects. Seebeck ne manque pas de noter le phénomène provoqué par une différence de température le long d’un conducteur homogène; ce phénomène sera redécouvert trente ans plus tard par William Thomson. Vers 1834, Jean Charles Athanase Peltier publie dans les Annales de physique et chimie un article sur les anomalies de température observées aux jonctions de conducteurs de nature différente. Les expériences de Peltier sont confirmées, en 1838, par Antoine-César Becquerel et surtout Heinrich Lenz,
Objectifs du TP : On se propose d'effectuer l'étalonnage absolu d'un thermocouple. Ce TP, qui parait simple, demande un bon doigté expérimental, du soin ainsi qu'une bonne méthode de dépouillement des résultats. Remarque : les mesures peuvent être longues si l'on ne sait pas adopter un mode opératoire efficace. Certaines ne sont pas triviales et peuvent nécessiter plusieurs essais pour le même corps.
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Etude théorique : Les effets thermocouple : Les phénomènes de transport de chaleur et d'électricité dans les conducteurs donnent lieu à différentes manifestations connues sous le nom d'effets thermoélectriques. Ces effets, que l'on distingue pour la commodité de l'étude, n'ont en fait pas d'existence séparée et sont la résultante de deux phénomènes de transport (chaleur et électricité) se produisant simultanément. L'effet Joule (effet irréversible) n'est pas considéré comme un effet . Nous allons rappeler les définitions ainsi que Thomson entre ces différents effets.
la relation établi espar
L'effet Seebeck : Lorsque deux métaux sont utilisés pour former une boucle ouverte (pas de courant circulant dans les fils) (voir schéma ci-contre), un potentiel électrique peut être généré entre les deux bornes non reliées de la boucle s'il existe un gradient de température dans la boucle. Le potentiel électrique généré peut être calculé à partir de l'équation suivante : dV =S ab ( T ) . dT S ab
Est nommé coefficient Seebeck (les
Figure 2: schéma d'un thermocouple
indices a et b représentent la nature différente des métaux employés) ou coefficient de sensibilité.
Lois des circuits de thermocouples. 3
Dans la pratique, il est rare que les circuits thermoélectriques soient simplement constitués de 2 conducteurs uniques et que, d'autre part, il n'existe pas des jonctions à des températures (q") différentes de q et q' ; le fait, par exemple, d'intercaler dans le circuit un appareil de mesure réalise l'un et/ou l'autre des deux cas mentionnés ci-dessus. Les lois suivantes permettent de résoudre de tels problèmes.
Loi des températures intermédiaires Considérons un thermocouple A/B et des températures q, q', q". On montre que : e (q, q’) = e (q, q") + e (q", q)
De la relation ci-dessus, on retire : e (q, q’) = e (q, q") - e (q ', q") Il s'ensuit que, prenant par exemple comme référence q " = 0ºC, on peut exprimer la f.e.m. thermoélectrique e comme la simple différence entre deux valeurs d'une même fonction : Eq = e (q, 0), dépendant de la seule température q, pour le couple A/B. Si la fonction Eq est connue à partir des tables, alors : e (q, q’) = e (q, 0) - e (q',0) = Eq - Eq' Détermination expérimentale de q à partir des tables de Eq . 4
On connaît la température de soudure froide (référence) '----> (point A) ; d'où E ' sur l'abaque tracée à partir des tables -----> (points B et B') On mesure e (,') On calcule e (,0) -----> (point C) On en déduit ---> (points C', D)
Lois des métaux successifs : Considérons des conducteurs A, B, C, différents, permettant de constituer des thermocouples A/B, B/C, A/C. On montre que :
Il ensuit que l'on pourra considérer e (A/B) comme la différence de deux f.e.m. relatives à des thermocouples constitués de A et B couplés avec le même conducteur C considéré comme référence (on utilise le platine). Loi des métaux intermédiaires : Considérons un thermocouple (A, B) et intercalons un métal C :
Le conducteur C intercalé ne provoque aucune modification si les deux jonctions à A sont à la même température. (notée" q " cidessus). Ce conducteur C peut être, tout simplement, l'appareil de mesure, à une température uniforme ambiante qa.
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Etude expérimentale : Matériels utilisé : Deux fils de métaux différents ; Un voltmètre ; Un thermomètre ; De la glace ; De l’eau chaude et froide ; Montage d'un thermocouple Un thermocouple est un montage exploitant l'effet Seebeck pour la détermination de la température. Celui-ci est constitué de deux fils de métaux différents, soudés à l'une de leurs extrémités. Cette jonction porte le nom usuel de « soudure chaude » et sera installé dans le milieu dont la température est à mesurer. Les deux autres extrémités sont à relier aux bornes d'un voltmètre. Les deux jonctions formées aux bornes du voltmètre portent le nom usuel de « soudures de référence » ou « soudures froides ». Afin que la conversion de la tension mesurée en température soit facilitée, il est nécessaire de s'assurer que les deux « soudures de référence » se trouvent à la même température. Pour cela il est possible d'utiliser ce qui est couramment appelée « boîte de référence » ou « boîte froide ». La tension mesurée par le voltmètre est fonction de la température de la « soudure chaude » et de la température des « soudures froides » et peut être calculée à partir de l'expression suivante : TC
∆ V = ∫ S ab ( θ ) dθ T ref
Afin de déterminer la température de la soudure chaude, il est nécessaire de connaitre la température des « soudures froides ». Ceci peut être réalisé, par exemple, à partir d'un capteur de température de type thermo résistif (typiquement une thermo résistance de platine pt100 ou pt1000). À partir de la connaissance de l'évolution du coefficient Seebeck des métaux utilisés en fonction de la température, il est alors possible de déterminer la 6
température de la « soudure chaude ».En pratique, ce n'est pas le coefficient Seebeck qui est employé mais la FEM (Force Electromotrice), la tension générée par un thermocouple dont la température de référence est maintenue à 0 °C (glace fondante). La température est calculée à partir de la FEM en utilisant des équations polynomiales. Ces relations ainsi que des tables de référence qui en sont déduites sont donnés dans la norme internationale IEC 60584-1. La plupart des montages ne permettent pas de maintenir une température de référence à 0 °C. L'usage direct des tables de l'IEC 605841 n'est pas possible. Il est alors nécessaire d'avoir recours à un système de compensation de tension.
Figure 3: schéma d'un thermocouple
Compensation en tension La procédure est la suivante. Le voltmètre (ou assimilé) mesure la tension . On mesure par un moyen annexe la température de « soudure froide ». Cette température est convertie en tension à l'aide des tables qui caractérisent le thermocouple considéré. Cette tension de compensation est ajoutée à la tension mesurée par le voltmètre, afin de déterminer la tension aux bornes de la « soudure chaude ». Cette tension corrigée est enfin convertie en température à l'aide des tables d'étalonnage, utilisées ici dans l'autre sens. Le matériau utilisé par les câbles du voltmètre (en général, du cuivre), n'entre pas en compte dans le calcul, pourvu que les deux « soudures froides » soient à la même température. En général elles sont très proches l'une de l'autre. Les « soudures froides » créent donc un thermocouple de même type que la « soudure chaude », mais de polarité opposée. L'influence du métal intermédiaire (le cuivre du Voltmètre) s'annule. Vieillissement et étalonnage 7
E
Un thermocouple est une entité dont les caractéristiques changent vite juste après sa fabrication (oxydation), et restent très stables ensuite. Il est ainsi utile de (vieillir).
Résultats obtenue : Série1 : mesure durant le réchauffement : 10
15
20
25
145
146, 7
161 , 157 ,5 3
30
35
40
45
50
60
70
80
90
95
140, 2
140, 2
140, 6
136, 4
134, 5
132, 9
133
131, 1
130
131
Série 2 : mesures durant le refroidissement :
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T
E
°
80
75
70
60
50
45
40
145 ,6
134, 7
131, 3
133, 9
138, 139, 140, 2 6 9
35
35
25
143, 2
143, 166, 2 6
20
15
164, 2
169,5
Température C
180 160 140 120 100
série 1
80
série 2
60 40 20 0 10
15
20
25
35
40
45
50
60
Figure 4: E=f(T) 9
70
75
80
85
Tension E
90
95
A quoi peut server le graphe obtenu ? Plonger la soudure chaude, avec la soudure froide, dans la glace fondante. Pendant toute la phase de refroidissement, noter toutes les 5°C l'indication du voltmètre. Ne pas cesser d'observer le creuset : il faut repérer le moment où la solidification se produit. Elle se déroule à température constante et se traduit donc prune stabilisation temporaire de l'indication du voltmètre. Quand on constate que l'indication du voltmètre recommence à diminuer, la solidification est terminée : on arrête alors les relevés.
Explications des résultats : La relation entre la température et la tension est positive. Les augmentations de température produire des augmentations de la tension ; diminution de la température de produire une diminution de la tension. Thermocouples présentent des inconvénients. Le plus important est que la puissance électrique qu'ils produisent est très faible et a une relation non linéaire avec la différence de température reflète. Cela signifie que le signal de sortie d’un thermocouple doit être amplifié et interprété avant qu'il ne devienne utile.
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