Essais & Simulations n°118

Dossier
Figure 1 - Schéma de principe
de l'effet Seebeck
Figure 2 - Dispositif de mesure de température
par thermocouple
La Figure 2 présente le dispositif
de mesure de température par thermocouple.
Il est composé :
• d’un thermocouple (TC) : une chaine
de conducteurs M1-M2, dont la jonction
chaude est placée au point de
mesure de température et dont les
extrémités sont connectées à l’instrument
de mesure
• d’un bloc isotherme qui garantit que
les extrémités du TC sont à la même
température T f
.
• d’une sonde pour la mesure de la
température de la soudure froide T f
.
• d’un instrument de mesure (Voltmètre)
pour mesurer la tension délivrée
par le TC.
Grâce à l’effet Seebeck et la loi des
métaux intermédiaires, la tension au
borne du voltmètre ne dépend que des
températures T f
et T c
, et des conducteurs
M1-M2.
La mesure de cette tension E(T f
,T c
) et
celle de la température de la soudure
froide T f
permettent de déterminer la
température d’intérêt T c
à l’aide d’une
table de conversion établie à partir
d'une température de référence T 0
(en
général 0°C). Ceci est rendu possible
par application de la loi des températures
intermédiaires : E(T 0
, T c
) = E(T 0
,
T f
) + E(T f
, T c
) où E(T f
, T c
) est la tension
mesurée, E(T 0
,T f
) est une tension de
compensation de la soudure froide obtenue
par la connaissance de T f
et de
la table de conversion et E(T 0
,T c
) est la
tension résultante permettant la détermination
de T c
.
La mesure de température par thermocouples
est sujette à des perturbations
d’origine diverses :
• Interaction du capteur avec son milieu
: échanges thermiques indésirables
par convection ou rayonnement.
• Signaux parasites d’origine interne
ou externe à la chaîne de mesure :
couplage capacitif, couplage inductif,
tension de mode commun, etc.
Elle nécessite donc des précautions de
mise en œuvre pour réduire les bruits
et améliorer la précision :
• Positionnement et collage du capteur
sur le spécimen (cf. Figure 3).
• Utilisation de circuit de garde efficace:
câblage, blindages, connectiques, etc.
[2]
• Référencement de la source et des
blindages à la masse de l’instrumentation.
[2]
• Amplification et conditionnement du
signal dès les premiers éléments de la
chaîne.
Figure 3 - Collage de thermocouple sur
un spécimen
La mesure de la tension délivrée par
le thermocouple est généralement
réalisée au moyen d’un voltmètre numérique
intégrateur (VI) basé sur un
convertisseur
analogique-numérique
double rampe qui permet, sous certaines
conditions, de mesurer la valeur
moyenne de la tension d'entrée V x
sur
une durée T int
fixe appelée période
d'intégration :
La Figure 4 présente le schéma de
principe d’un tel convertisseur.
Figure 4 - CAN double rampe d’un voltmètre
intégrateur
> Performances et limitations
Le voltmètre intégrateur (VI) permet de
réduire le bruit de mesure de la tension
du thermocouple lorsque la température
mesurée est quasi-constante. En
effet, la valeur moyenne délivrée par
levoltmètre correspond dans ce cas
à :
où δV représente le bruit de mesure de
la tension. Le second terme de cette
expression converge, en vertus de la loi
des grands nombres, vers zéro dans le
cas de bruit blanc gaussien. Ceci n’est
plus le cas, lorsque la vitesse de variation
de la température est importante
vis-à-vis de la durée d’intégration T int
.
Essais & Simulations • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 49