L'un des moyens les plus simples de mesurer et d'enregistrer la température consiste à utiliser un thermocouple. Les thermocouples fonctionnent de manière fiable dans la plupart des environnements, tolérant les températures extrêmes, les vibrations et même les rayonnements ionisants. Cependant, ils sont sensibles aux effets des champs électromagnétiques et doivent donc être utilisés avec prudence, voire pas du tout, dans de tels environnements.
Ce livre blanc d'Omega Engineering traite des problèmes liés à l'utilisation des thermocouples dans des environnements électromagnétiques et formule des recommandations concernant d'autres types d'instruments de mesure de la température. Les différentes sections abordent les thèmes suivants :
- Théorie et application des thermocouples
- Vulnérabilités électromagnétiques
- Tension induite
- Chauffage par induction
- Problèmes de tension en mode commun
- Dispositifs alternatifs de mesure de la température
Théorie et application des thermocouples
Sondes de thermocouple avec connecteurs Les sondes de thermocouple utilisent l'effet Seebeck, découvert par Thomas Johann Seebeck en 1821. Il s'agit du phénomène par lequel un courant électrique circule dans un circuit composé de métaux dissemblables, lorsque leurs deux jonctions sont à des températures différentes.
Les métaux utilisés dans un thermocouple doivent avoir des propriétés thermoélectriques. C'est le cas lors de la diffusion des électrons à travers le matériau. À des températures plus élevées, les électrons acquièrent de l'énergie cinétique, deviennent plus mobiles et augmentent leur degré de mouvement, créant ainsi des changements de potentiel électrique. De nombreux alliages à base de nickel possèdent ces caractéristiques et sont utilisés dans la plupart des fils pour thermocouples courants. Par exemple, le thermocouple de type K utilise des jonctions de Chromel et d'Alumel, qui contiennent tous deux une proportion importante de nickel. D'autres combinaisons de matériaux utilisées dans les thermocouples sont à base de platine-rhodium et de tungstène-rhénium, qui possèdent également des propriétés thermoélectriques.
Le courant et la tension produits sont proportionnels à la différence de température entre les deux jonctions, bien que la relation ne soit pas exactement linéaire. Les tensions réelles sont très faibles. Dans un thermocouple de type K (largement utilisé en raison de sa large plage de température et de son faible coût), la variation est de 41 mV par degré Celsius. D'autres types de thermocouples produisent des variations d'amplitude similaire. Par conséquent, les signaux des thermocouples doivent être amplifiés pour être utilisés dans les systèmes de mesure. Inévitablement, toute tension supplémentaire dans les signaux due à des causes externes est amplifiée en même temps.
Vulnérabilités électromagnétiques
Les tensions élevées sont courantes dans de nombreuses situations où des mesures de température sont nécessaires, et les champs électromagnétiques sont inévitables. Le chauffage par induction est utilisé dans toute l'industrie et la température doit être mesurée pour garantir la cohérence des processus. Les lignes électriques transportent des tensions élevées. Les transformateurs sont soumis à des charges élevées et peuvent devenir très chauds. Même les bougies d'allumage utilisées dans les moteurs à combustion interne (non seulement les moteurs automobiles, mais aussi les grands groupes électrogènes) génèrent des signaux électromagnétiques transitoires.
Les champs électromagnétiques affectent les lectures des thermocouples de deux manières, ils peuvent :
- Induire une tension dans les fils pour thermocouple
- Provoquer un échauffement par induction du thermocouple
De plus, la tension de mode commun par rapport à la terre ajoutera une tension au signal du thermocouple. Ces problèmes peuvent se produire dans des environnements à courant continu, mais ils sont plus graves en présence de courant alternatif.
Tension induite
La loi de Faraday décrit le phénomène selon lequel le déplacement d'un conducteur électrique dans un champ magnétique entraîne la génération d'un potentiel électrique. Le même effet peut créer une tension dans les fils pour thermocouple, en particulier si les fils sont alignés perpendiculairement à un champ variable. Étant donné que l'effet Seebeck produit des tensions très faibles, même un champ faible peut modifier la mesure de la température.
Chauffage par induction
Le fait de soumettre un conducteur à un champ électromagnétique alternatif crée des tourbillons qui provoquent un échauffement. Ainsi, le nickel étant électriquement conducteur, un champ magnétique alternatif, tel qu'on peut en trouver autour d'un gros moteur ou d'un générateur, chauffera le dispositif de mesure de la température lui-même. Il en résultera un signal qui ne reflète pas fidèlement la température mesurée.
Common-mode Voltage Issues
Lorsqu'un thermocouple est utilisé à côté ou dans le cadre d'un équipement électrique, il est souvent connecté à cette alimentation. Une fois sous tension, il est possible qu'une différence entre la mise à la terre et la mise à la terre de l'équipement affecte la tension du signal du thermocouple. Dans ce cas, la solution consiste à assurer l'isolation galvanique du système de mesure de la température ou, à défaut, à envisager d'autres méthodes de mesure de la température.
Dispositifs alternatifs de mesure de la température
Capteur/Transmetteur de température infrarouge 
Capteur/émetteur de température infrarouge Deux technologies méritent d'être explorées : les dispositifs de mesure de température à résistance (RTD) de type Pt100 et la détection des émissions infrarouges (IR).
Les RTD (dont le principe de mesure repose sur la variation de résistance d'un fil de platine) sont réputés pour leur précision élevée et leur bonne immunité aux champs électromagnétiques. Cependant, ils ont tendance à être fragiles et ne sont pas toujours adaptés aux environnements industriels.
La mesure des émissions IR présente l'avantage d'être sans contact et peut être effectuée à des distances de plusieurs mètres ou plus, selon la taille de l'émetteur. Elle tire parti de la loi de Planck qui décrit comment un corps rayonne de l'énergie proportionnellement à sa température. L'un des défis à relever est que différentes surfaces à la même température rayonnent à des fréquences différentes. Décrite comme une différence d'émissivité, cette caractéristique doit être prise en compte lors de la mesure de la température avec tout type de détecteur IR.
Omega Engineering propose plusieurs capteurs/transmetteurs de température IR adaptés à une large gamme d'applications industrielles. Le modèle OS137A est livré dans un boîtier en acier inoxydable de 1 pouce de diamètre, conforme à la norme NEMA 4, et peut être utilisé à des distances allant jusqu'à 48 pouces (remarque : la cible de mesure doit remplir le champ de vision du capteur. Si ce n'est pas le cas, la température mesurée ne sera pas précise).
Le modèle OS137A est disponible en trois plages de température couvrant des températures allant jusqu'à 538 °C (1 000 °F). Un accessoire de visée laser peut être monté à l'avant lors de l'installation afin de garantir un alignement précis avec la cible. Le type de sortie doit être spécifié lors de la commande : choisissez entre une sortie en tension, en courant ou en thermocouple de type K. Il est possible de régler un seuil d'alarme et l'émissivité est réglable.
Avec un diamètre de 3⁄4", l'OS136 est un capteur/émetteur infrarouge plus compact. Ses performances sont similaires à celles de l'OS137A, mais son angle de vision est plus large (ce qui peut nécessiter un placement plus proche). Contrairement à l'OS137A, l'émissivité est fixe à 0,95, il faut donc effectuer des corrections pour les cibles qui diffèrent.
Points à retenir
Les thermocouples mesurent la température en microvolts par degré Celsius. Ces signaux doivent être amplifiés pour être utiles, ce qui les rend susceptibles d'erreurs de mesure lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements électromagnétiques. Des tensions peuvent être induites dans les fils pour thermocouples, le chauffage par induction peut augmenter la température du thermocouple et les problèmes de mise à la terre peuvent augmenter la tension mesurée.
Bien que divers filtres et diverses méthodes de blindage puissent être utilisés, une autre approche consiste à changer de technologie de mesure. Les RTD et la détection des émissions IR ont tous deux une bonne tolérance aux champs électromagnétiques, bien que les RTD soient souvent considérés comme trop fragiles pour les environnements industriels. Les capteurs/émetteurs IR permettent une mesure sans contact avec une gamme d'options de sortie et sont disponibles dans des boîtiers de protection robustes.
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