Les thermocouples sont basés sur le principe de la mesure comparative et sont constitués de deux conducteurs métalliques de matériaux différents soudés ensemble au niveau de la pointe. En fonction de l'appariement des matériaux, ils présentent différents niveaux de tension thermoélectrique et sont adaptés à différentes plages de température. Les thermocouples de type K et les thermocouples de type J sont les plus utilisés.
Normalement, le thermocouple est constitué d'une combinaison de deux matériaux dont le diamètre varie entre 0,2 et 5 mm. Lors de l'utilisation de matériaux nobles tels que le rhodium ou le platine, ces dimensions varient de 0,1 à 0,5 mm. Lors de la sélection d'un matériau de thermocouple, il faut veiller à ce qu'il ait un facteur Seebeck élevé et que la température affecte le moins possible sa valeur afin d'obtenir une caractéristique linéaire. Le matériau de thermocouple approprié est choisi en fonction de la plage de la température mesurée.
La gaine extérieure du capteur est exposée à des températures très élevées, il est donc nécessaire d'utiliser différents types d'acier. Aux températures les plus élevées, le tube de protection du thermocouple est en acier ou en céramique résistant à la chaleur. Le fourreau doit être résistant à la corrosion, aux chocs thermiques et aux dommages mécaniques. Une caractéristique souhaitable pour prévenir la corrosion du thermocouple est l'imperméabilité aux gaz qui pourrait accélérer considérablement le processus de vieillissement du thermocouple. Il existe également des dessins sans couverture qui servent à réduire les erreurs dynamiques. Pour les mesures spéciales, comme la température des métaux liquides, du verre ou de l'acier liquide, on utilise des thermocouples hautement spécialisés.
La gaine de protection doit être résistante à la corrosion, aux chocs thermiques et aux dommages mécaniques. Une caractéristique souhaitable pour éviter la corrosion du thermocouple est l'imperméabilité aux gaz qui pourraient accélérer considérablement le processus de vieillissement du thermocouple. Les conceptions sans couverture peuvent être utilisées pour réduire les erreurs dynamiques.
En outre, lors du choix d'un matériau de thermocouple, il convient de s'assurer qu'il possède un facteur Seebeck élevé et que la température influence le moins possible sa valeur afin d'obtenir une courbe caractéristique linéaire.
Contrairement à une sonde à résistance, un thermocouple peut être utilisé dans une plage de températures beaucoup plus élevée. De plus, les thermocouples sont plus robustes et résistent mieux aux contraintes mécaniques.
Parmi le grand nombre de combinaisons de métaux possibles, certaines ont été sélectionnées et leurs propriétés ont été normalisées, notamment les séries de tension et les écarts limites admissibles. Les éléments suivants sont normalisés au niveau mondial (CEI) ainsi qu'au niveau européen ou national en ce qui concerne la tension thermoélectrique et sa tolérance.
Codage couleur pour les thermocouples
Le principe des thermocouples est le résultat de ce qu'on appelle l'effet Seebeck. Ce phénomène peut s'expliquer par la théorie des électrons libres, selon laquelle différents types de conducteurs ont une densité différente d'électrons libres. Au point de contact de deux conducteurs différents formant un thermocouple, les électrons se déplaceront d'un conducteur à l'autre. Un plus grand nombre d'électrons passe d'un conducteur de plus forte densité à un conducteur de plus faible densité. L'intensité de la migration des électrons dépend de la température du point de contact des deux conducteurs, elle est également d'autant plus élevée que la température est élevée. La force électromotrice formée dans un circuit de thermocouple composé de deux conducteurs différents dont les extrémités ont été placées à des températures différentes est donnée par la formule:
V=(S-SA)⋅(T2-T1)
La force électromotrice résultante est de l'ordre de quelques à plusieurs dizaines de microvolts par degré Celsius.
Le choix du type de thermocouple dépend principalement de la température de l'application. En outre, un élément à haute tension thermoélectrique doit être sélectionné afin d'obtenir un signal de mesure aussi insensible que possible aux interférences. Le tableau suivant : Propriétés des thermocouples énumère les différents éléments ainsi qu'une brève caractérisation. Les températures maximales recommandées ne peuvent être considérées que comme des valeurs de base, car elles dépendent fortement des conditions d'utilisation. Ils se réfèrent à un diamètre de fil de 3 mm pour les éléments de base et de 0,5 mm pour les éléments nobles.
La longueur du câble thermoélectrique ou de compensation est d'une importance secondaire en raison de la faible résistance interne. Cependant, pour les grandes longueurs de câble de faible section, la résistance des câbles thermoélectriques ou de compensation peut prendre des valeurs comparativement élevées. Pour éviter les erreurs d'affichage, la résistance interne du circuit d'entrée des unités esclaves doit être au moins 1000 fois supérieure à la résistance du thermocouple connecté. Seuls les câbles de compensation fabriqués dans le même matériau que l'élément lui-même ou ayant les mêmes propriétés thermoélectriques peuvent être utilisés, sinon un nouvel élément sera créé au point de connexion. Le câble de compensation doit être posé jusqu'à la jonction de référence. Lors du raccordement des thermocouples, il faut respecter la polarité.
Un thermocouple ne fournit pas de tension si la température de mesure est égale à la température de la soudure froide. Si un thermocouple ou la jonction de référence est court-circuité, le nouveau point de mesure est créé à l'endroit du court-circuit. Si un tel court-circuit se produit, par exemple, dans la tête de raccordement, la température affichée n'est plus celle du point de mesure réel, mais celle de la tête de raccordement. En cas d'interruption du circuit de mesure, l'appareil suivant affiche la température de la jonction de référence.