Effet Thomson 2q2q4d

LA MESURE DES TEMPÉRATURES

LES THERMOCOUPLES La grandeur thermométrique est la fem thermoélectrique fournie par un couple de deux métaux différents soudés entr'eux, appelé "thermocouple"

1 - Effet thermoélectrique. 1 - 1 - Effet PELTIER. •

A la jonction entre deux conducteurs A et B différents, mais à même température T, apparaît une f.e.m. qui ne dépend que de la nature de A et B ; c'est la f.e.m. PELTIER.

1 - 2 - Effet THOMSON. •

Entre deux points M et N d'un même conducteur homogène, placés à des températures différentes, s'établit une f.e.m . C'est l'effet THOMSON.

1 - 3 - Effet SEEBECK.

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Deux métaux A et B, différents, soudés entre eux à leurs deux extrémités elles mêmes placées à des températures différentes. Ils constituent un couple thermoélectrique, siège d'une f.e.m. résultant des effets superposés PELTIER et THOMSON :

e(θ,θ';A/B)

2 - Caractères généraux - Sensibilité thermique. •

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Un thermocouple est constitué de deux conducteurs A et B formant deux jonctions aux températures θ et θ' ; il délivre une f.e.m. qui dépend des 2 conducteurs A et B et des températures θ et θ'. En général, l'une des températures (ici θ') sert de référence(c'est souvent 0°C). o Mesure ponctuelle. o Temps de réponse rapide (faible encombrement). o Pas de courant dans le capteur donc pas de problème d'autoéchauffement correspondant. Inconvénients: o La température de référence doit être parfaitement connue. o Pour de grands intervalles de température, la f.e.m. thermoélectrique n'est pas une fonction linéaire de θ. Sensibilité thermique ou pouvoir thermoélectrique d'un thermocouple. Par définition :

e = de(θ,θ')/dt s'exprime en µV/°C ; valeurs usuelles de e de 6 à 80 µV/°C. 3 - Loi des circuits de thermocouples. 3 -1 - Convention.

e(θ,θ';A/B) = - e(θ',θ;A/B) = - e(θ,θ';B/A) = e(θ',θ;B/A) 3 - 2 - Loi des températures successives. •

Considérons, pour un couple A/B et une température θ" intermédiaire entre θ et θ' . On a :

e(θ,θ'') = e(θ,θ") + e(θ",θ)

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De la relation ci-dessus, on retire :

e(θ,θ') = e(θ,θ") - e(θ',θ") •

Il s'ensuit que, prenant par exemple comme référence θ" = 0ºC, on peut exprimer la f.e.m. thermoélectrique e(θ,θ') de la façon suivante :

e(θ,θ') = e(θ,0) - e(θ',0) mais surtout : •

e(θ,0) = e(θ,θ') + e(θ',0)

Conséquence pratique: les tables numériques fournissent les valeurs de e(θ,0) pour tous les couples ; celles ci nous permettent d'accéder à toutes les e(θ,θ') à l'aide de la relation précédente. Inversement, pour la mesure des températures à l'aide des thermocouples, on procède de la façon suivante:

on mesure e(θ,θ') et on connaît la valeur de la température de la soudure froide θ' ; la relation suivante : e(θ,0)=e(θ,θ')+e(θ',0) nous permet alors, à l'aide des tables numériques, d'en déduire la valeur de la température θ.

repérage de θ'(A) obtention de e(θ',0) dans la table(B') o mesure de e(θ,θ') o somme : e(θ,θ') + e(θ',0)(B'C) o obtention de θ dans la table(C'D') o o

3 - 3 - Loi des métaux successifs. •

Pour deux températures données θ et θ', considérons plusieurs conducteurs A, B, C, ...M, N avec lesquels on peut constituer les couples (A/B) ; (B/C) ; (M,N) ; on a la relation : e(θ,θ';A/B) = e(θ,θ';A/C) + e(θ,θ';C/B) = e(θ,θ';A/C) - e(θ,θ';B/C)

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Conséquence pratique : la f.e.m. d'un couple A/B sera connue à partir des f.e.m. de couples de A et B, séparément rapportés à un métal de référence C. Ce métal de référence est le platine.

3 - 4 - Loi des métaux intermédiaires. •

Un 3ème conducteur homogène peut toujours s'ajouter dans un circuit, sans effet sur la f.e.m. totale, pourvu que ses extrémités (jonctions) soient à la même température. Donc, un voltmètre ou tout autre appareil (équivalent à un conducteur unique ), peut être ainsi intercalé sans qu'il modifie la fem à mesurer.

3 - 5 - Problème de la jonction de référence. •

Il est absolument nécessaire de connaître la température de la soudure froide. Différents cas de figure se présentent : o Jonction de référence à 0°C ; montage de laboratoire : ƒ on peut obtenir le 0°C avec une bonne précision. ƒ sources d'erreurs: "mauvais" mélange eau-glace, eau impure o Jonction de référence à 0°C ; montages industriels : enceintes réfrigérées dont la température est régulée à 0°C. o Jonction de référence thermostatée. Il faut établir une correction ("compensation") dépendant de la température "fixe" de cette soudure froide. o Jonction de référence à température variable. Même problème que cidessus mais il faut impérativement tenir compte de la variation possible de la température de la soudure froide avec le temps. o Jonction de référence à température variable avec compensation électrique. Les variations éventuelles de la température θ' de la jonction de référence sont corrigées en ajoutant (ou en retranchant) à la f.e.m. du couple, la tension de sortie d'un pont de WHEATSTONE dont l'une des résistances est une résistance thermométrique.

o

Décalage du zéro des appareils à lecture directe. On ajoute directement la valeur de la compensation en décalant d'autant l'échelle de mesure (ex: le potentiomètre MECI en T P de Φ2).

E(θ,θ') est mesurée et e'(θ',0) fournie par la table numérique lorsque θ' est connue. 3 - 6 - Câbles ou cordons compensateurs •

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Les fils des couples thermoélectriques sont en métaux purs, de prix élevés ; lorsque la ligne de mesure est longue, on remplace, dès la sortie de la zone de mesure, les fils de thermocouple par des fils de métaux plus communs et donc moins onéreux. L'ensemble de deux fils qui "remplace" le thermocouple est appelé cordon compensateur ou câble de compensation. On utilise également des câbles compensateurs lorsque la distance entre les 2 jonctions est très grande et que les éléments du couple sont très résistifs. Le but recherché est alors de réduire la résistance du circuit. Le câble de compensation est conçu de telle manière que sa présence dans le circuit, moins résistive, n'introduise aucune modification notable de la fem à mesurer.

3 - 7 - Assemblages de couples thermoélectriques d'un même type. •

Piles thermoélectriques ou piles galvaniques. o Montage en parallèle : mesure de températures moyennes. o Montage en série ( généralement effet additif (microcalorimétrie))

3 - 8 - Les couples involontaires. •

La génération d'un couple thermoélectrique ne peut être empêchée ; ceci entraîne par conséquent des erreurs dans les mesures électriques. Le pont est à une température homogène θ ', la sonde à θ. En raison de l'effet thermoélectrique, les schémas ci dessous sont équivalents. A cause de la

tension additionnelle, le galvanomètre acca un écart par rapport à la valeur à mesurer.