Thermocouple Instrument Instrument de thermocouple
Définition
Un instrument à thermocouple est défini comme un dispositif de mesure qui utilise un thermocouple pour déterminer la température, le courant et la tension. Cet instrument polyvalent est capable de réaliser des mesures dans les circuits en courant alternatif (CA) et en courant continu (CC), ce qui en fait un outil précieux pour une large gamme d'applications.
Bases du Thermocouple
Un thermocouple est un dispositif électrique composé de deux fils faits de métaux différents. Son fonctionnement est basé sur un principe fondamental : au point de jonction où ces deux métaux différents se rencontrent, l'énergie thermique est convertie en énergie électrique. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Seebeck, forme la base du fonctionnement des instruments à thermocouple, leur permettant de mesurer avec précision la température et d'autres paramètres électriques en tirant parti du potentiel électrique généré aux jonctions de métal.
Mécanisme de Fonctionnement
Pour mesurer l'intensité d'un courant électrique, le courant à mesurer est passé par la jonction du thermocouple. À mesure que le courant circule, il génère de la chaleur dans l'élément chauffant. En réponse, le thermocouple induit une force électromotrice (fem) à ses bornes de sortie. Cette fem induite est ensuite mesurée à l'aide d'un instrument à aimant permanent et bobine mobile (PMMC). L'amplitude de cette fem est directement proportionnelle à la fois à la température à la jonction du thermocouple et à la valeur efficace (RMS) du courant mesuré.
Avantages Clés
L'un des avantages les plus notables des instruments à thermocouple est leur aptitude à mesurer les courants et tensions de haute fréquence. Ces instruments présentent une précision accrue pour les fréquences supérieures à 50 Hz, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant une détermination précise des paramètres électriques de haute fréquence.
Principe de Fonctionnement des Instruments Thermoélectriques
La génération de fem thermique se produit dans un circuit composé de deux métaux différents. La température à la jonction où ces métaux se rencontrent joue un rôle crucial dans le fonctionnement global et est un paramètre clé pour comprendre comment l'instrument fonctionne.
Soient a et b des constantes dont les valeurs sont déterminées par les propriétés des métaux utilisés dans le thermocouple. Généralement, la valeur de a varie de 40 à 50 microvolts, tandis que b a une valeur comprise entre quelques dixièmes et plusieurs centaines de microvolts par degré Celsius carré μV/C°2.
Désignons Δθ comme la différence de température entre les jonctions chaude et froide du thermocouple. Sur cette base, les expressions pertinentes liées à la température peuvent être dérivées comme suit.
Le chauffage génère de la chaleur, et la quantité de chaleur produite est directement proportionnelle au produit du carré de la valeur efficace (RMS) du courant (I) et de la résistance (R) de l'élément chauffant, exprimée par la formule I2R. Par conséquent, l'augmentation de la température est également proportionnelle à la chaleur générée par l'élément chauffant. Cette relation est fondamentale pour comprendre comment le chauffage fonctionne et influence la température dans le système, établissant une connexion claire entre l'entrée électrique et la sortie thermique.
L'instrument à thermocouple a deux jonctions, froide et chaude. La différence entre ces deux jonctions est exprimée par
La valeur de b est très petite par rapport à celle de a et est donc négligée. La température à la jonction est exprimée par
La déviation d'un instrument à aimant permanent et bobine mobile (PMMC) est directement proportionnelle à la force électromotrice (fem) induite à ses bornes. Cette relation signifie que lorsque la fem induite augmente ou diminue, la déviation de la bobine mobile de l'instrument change de manière correspondante. Mathématiquement, la déviation de la bobine mobile dans de tels instruments peut être exprimée par l'équation suivante, qui encapsule les principes physiques régissant la réponse de l'instrument à l'entrée électrique.
Ici, l'expression K3 - aK1K2R) aboutit à une valeur constante. Cette caractéristique donne lieu à une réponse quadratique de l'instrument, signifiant que la sortie de l'instrument varie comme le carré de la quantité d'entrée (tel que le courant ou la tension).
Construction de l'Instrument Thermoélectrique
Un instrument thermoélectrique est principalement composé de deux composants essentiels : l'élément thermoélectrique et l'instrument indicateur. Ces deux parties travaillent en tandem pour permettre une mesure précise des quantités électriques et thermiques.
Éléments Thermoélectriques
Quatre types distincts d'éléments thermoélectriques sont couramment utilisés dans les instruments à thermocouple. Chaque type a ses propres caractéristiques et principes de fonctionnement uniques, qui sont détaillés ci-dessous.
Type de Contact
L'élément thermoélectrique de type contact utilise un chauffage séparé. Comme illustré dans la figure ci-dessous, la jonction du thermocouple est mise en contact physique direct avec le chauffage. Ce contact direct facilite le transfert efficace de chaleur du chauffage à la jonction du thermocouple, ce qui est crucial pour convertir avec précision l'énergie thermique générée par le chauffage en un signal électrique (force électromotrice ou fem) qui peut être mesuré par l'instrument indicateur.
Fonctions de l'Élément Chauffant Électrique
L'élément chauffant électrique sert les objectifs critiques suivants dans un instrument thermoélectrique :
Conversion d'Énergie : Il agit comme un composant clé dans la transformation de l'énergie électrique en énergie thermique. Cette conversion est la première étape du processus qui permet la mesure des quantités électriques en utilisant des effets thermiques.
Conversion Thermoélectrique : En exploitant l'effet Seebeck, l'énergie thermique générée par l'élément chauffant est ensuite convertie en énergie électrique. Cette conversion se produit à la jonction du thermocouple, où la différence de température entre les jonctions chaude et froide crée une force électromotrice (fem).
Fonctionnement de l'Instrument : Les bornes de sortie du thermocouple sont connectées à un instrument à aimant permanent et bobine mobile (PMMC). Une quantité minimale d'énergie électrique produite est utilisée pour dévier le pointeur de l'instrument PMMC. Cette énergie est stockée dans le ressort de l'instrument, ce qui aide à maintenir la position du pointeur et à indiquer la valeur mesurée.
Types d'Éléments Thermoélectriques
Instrument de Type Non-Contact
Dans les instruments thermoélectriques de type non-contact, il n'y a pas de connexion électrique directe entre l'élément chauffant et le thermocouple. Au lieu de cela, les deux composants sont séparés par une couche d'isolation électrique. Bien que cette isolation fournisse une isolation électrique, elle a également un impact notable sur la performance de l'instrument. Comparé aux instruments de type contact, la conception de type non-contact rend le système moins sensible aux changements de la quantité mesurée et entraîne des temps de réponse plus lents. Cela est dû au fait que le transfert de chaleur de l'élément chauffant au thermocouple est moins efficace en raison de la présence de la barrière d'isolation.
Thermélément Sous Vide
Dans les instruments thermoélectriques à tube sous vide, le chauffage et le thermocouple sont tous deux enfermés dans un tube de verre évacué. Cet environnement sous vide améliore considérablement l'efficacité de l'instrument. En éliminant la présence d'air, les pertes de chaleur par convection et conduction sont minimisées. Ainsi, le chauffage peut conserver sa chaleur pendant une période prolongée, assurant une source de chaleur plus stable et constante pour le thermocouple. Cette stabilité dans la génération de chaleur conduit à des mesures plus précises et fiables au fil du temps.
Type Pont
Dans les instruments thermoélectriques de type pont, le courant électrique circule directement à travers le thermocouple. À mesure que le courant passe, il provoque une augmentation de la température du thermocouple. L'amplitude de cette augmentation de température est directement proportionnelle à la valeur efficace (RMS) du courant. Cette relation directe entre le courant, le changement de température et la sortie électrique résultante du thermocouple forme la base de la façon dont ces instruments mesurent précisément les quantités électriques, offrant une méthode fiable et efficace pour diverses applications de mesure.
Avantages des Instruments Thermoélectriques
Les instruments thermoélectriques offrent plusieurs avantages notables, ce qui en fait des outils précieux pour la mesure et l'analyse électrique :
Indication Directe RMS : L'un des principaux avantages est la capacité à afficher directement les valeurs efficaces (RMS) de la tension et du courant sur la forme d'onde. Cette fonctionnalité simplifie le processus de mesure, permettant aux utilisateurs de déterminer rapidement et avec précision ces paramètres électriques cruciaux sans avoir besoin de calculs supplémentaires ou de méthodes de conversion complexes.
Immunité aux Champs Magnétiques Stray : Ces instruments sont intrinsèquement résistants à l'influence des champs magnétiques stray. Cette immunité assure des mesures plus précises et fiables, car les perturbations magnétiques externes n'interfèrent pas avec le fonctionnement de l'instrument ou ne faussent pas les résultats. Dans les environnements où les interférences magnétiques sont courantes, tels que près des machines électriques ou des lignes de puissance, cet avantage devient particulièrement significatif.
Large Gamme de Mesure de Courant : Les éléments thermoélectriques utilisés dans ces instruments permettent une large gamme de mesures de courant. Que l'on traite avec des applications à faible courant ou à fort courant, les instruments thermoélectriques peuvent capturer et afficher avec précision les valeurs pertinentes, ce qui les rend polyvalents pour divers systèmes électriques et configurations expérimentales.
Haute Sensibilité : Les instruments thermoélectriques présentent un degré élevé de sensibilité, leur permettant de détecter même de petits changements dans les quantités électriques. Cette sensibilité est cruciale pour des mesures précises dans des applications où de légères variations de tension ou de courant peuvent avoir des implications importantes, telles que dans les laboratoires de recherche ou dans la calibration d'autres appareils électriques.
Utilité pour la Calibration des Potentiomètres : Ils sont extrêmement utiles pour la calibration des potentiomètres. En tirant parti de la précision d'une cellule standard, les instruments thermoélectriques peuvent aider à garantir le bon fonctionnement et la précision des potentiomètres, qui sont des composants essentiels dans de nombreux circuits électriques pour la régulation et la mesure de la tension.
Opération Indépendante de la Fréquence : Les éléments thermoélectriques sont exempts d'erreurs de fréquence, permettant à ces instruments d'être utilisés sur une large gamme de fréquences. Cette caractéristique les rend appropriés pour des applications impliquant des signaux de courant alternatif (CA) de différentes fréquences, des systèmes de puissance à basse fréquence aux circuits électroniques à haute fréquence.
Inconvénients des Instruments Thermoélectriques
Malgré leurs nombreux atouts, les instruments thermoélectriques ont une limitation notable :
Capacité de Surcharge Limitée : Comparativement à d'autres types d'éléments de mesure électrique, les instruments thermoélectriques ont une capacité de surcharge relativement faible. Cela signifie qu'ils sont plus vulnérables à des dommages ou à des lectures inexactes lorsqu'ils sont exposés à des courants ou des tensions électriques dépassant leurs limites nominatives. Par conséquent, une attention particulière et des mesures de protection adéquates doivent être prises lors de l'utilisation de ces instruments dans des applications où des conditions de surcharge peuvent se produire afin d'éviter une éventuelle panne de l'instrument ou une altération de la précision de la mesure.
