Qu´est-ce que la compensation de soudure froide dans les thermocouples ?

Les thermocouples sont des outils extrêmement utiles et simples pour mesurer la température. Il en existe de nombreux types, qui peuvent être constitués de différents métaux. Aussi variés qu´ils soient, tous les thermocouples font finalement la même chose : générer une tension qui correspond à la différence de température entre deux jonctions (un instrument, comme un multimètre, mesure ensuite cette différence de température). Toutefois, lorsqu´il s´agit de prendre des mesures de température précises, ce processus de mesure et de conversion n´est pas toujours suffisant. C´est là que la compensation de soudure froide entre en jeu.

Dans cet article, nous allons aborder ce qu´est exactement la compensation de soudure froide, son fonctionnement dans les thermocouples et sa méthode de calcul.

Qu´est-ce qu´un thermocouple ?

Avant de pouvoir nous intéresser en détail à la compensation de soudure froide, il faut commencer par les thermocouples. Le thermocouple est un capteur de mesure de la température composé de deux types de métaux différents. Ces métaux se rejoignent au niveau de deux jonctions, une jonction de mesure, dite « chaude », et une jonction de référence, dite « froide ». Les thermocouples fonctionnent selon les principes de l´effet Seebeck : lorsqu´il existe une différence de température entre deux métaux conducteurs ou semi-conducteurs différents au sein d´un circuit fermé, cette différence de température génère une tension électrique. Cette tension, non linéaire par rapport à la différence de température entre jonctions chaude et froide, est définie et calculée au moyen de tables de référence standard ou d´équations polynomiales. 

Le problème est que la soudure froide peut créer des problèmes de mesure dans les thermocouples. Comme nous l´avons mentionné précédemment, la soudure froide sert de point de référence pour mesurer la température. Elle est donc censée rester à une température standard et constante ; traditionnellement, cette température était de 0 °C (32 °F). Or, maintenir la soudure froide à 0 °C nécessite d´utiliser un bain de glace, configuration qui n´est pas pratique pour de nombreuses applications nécessitant l´utilisation d´un thermocouple. Pour résoudre ce problème, les experts doivent recourir à une technique appelée « compensation de soudure froide ».

Qu´est-ce que la compensation de soudure froide ?

La compensation de soudure froide, ou compensation de jonction de référence, consiste à ajuster le calcul de la tension mesurée par un thermocouple de manière à tenir compte de la valeur qu´aurait cette tension si la soudure froide était maintenue au point de glace, soit 0 °C. Cette compensation permet d´obtenir une mesure précise sans avoir à maintenir constamment la soudure froide exactement à 0 °C. Autrement dit, il n´est plus nécessaire d´utiliser un bain de glace pour la soudure froide.

Pour faciliter cette compensation, les jonctions froides du thermocouple sont souvent fixées à un dispositif de détection de la température, généralement une thermistance ou un détecteur de température à résistance (RTD) (de nombreuses personnes confondent RTD et thermocouples, mais il s´agit de deux objets différents). Cet appareil de détection de la température mesure indépendamment à quelle température se trouve la soudure froide. Il est alors capable de compenser correctement la température réelle à ce point de jonction. Grâce à cette compensation, la tension correspond bien à la température à la jonction chaude. 

La compensation de soudure froide est une étape importante lorsqu´on mesure la température avec un thermocouple, car non seulement elle garantit des relevés bien plus précis, mais, en compensant les changements de température ambiante au niveau de la soudure froide, elle contribue aussi à normaliser les relevés et à prendre en compte les éventuelles variations dues à l´environnement. 

Comment la compensation de soudure froide est-elle calculée ?

Le calcul de la tension d´un thermocouple est un processus complexe dans lequel plusieurs facteurs entrent en compte, tels que le type de métaux utilisés, si le coefficient Seebeck de ces métaux varie ou non en fonction de la température, et bien d´autres considérations. Pourtant, la formule de calcul de la compensation de soudure froide est relativement simple et se présente comme suit :

E_emf = −S∆T = (S^m1 - S^m2)(T^HOT − T^COLD)

• E_emf est la tension de sortie du thermocouple.
• S^m1 est le coefficient Seebeck du premier type de métal composant le thermocouple.
• S^m2 est le coefficient Seebeck du second type de métal composant le thermocouple.
• T^COLD est la température de la soudure froide.
• T^HOT est la température de la soudure chaude.

Bien sûr, des calculs sont nécessaires pour obtenir une bonne part des éléments de la formule. En premier lieu, il faut mesurer la tension de sortie réelle du thermocouple. Mesurez ensuite la température de la soudure froide (T^COLD) et utilisez le tableau de référence correspondant à votre type de thermocouple pour trouver la bonne compensation de tension en fonction de la température. En fonction de la différence de température de la soudure froide par rapport au point de glace, la variation de tension peut aller d´une valeur assez faible à un ou deux millivolts (mV).

Après avoir trouvé le nombre correct dans le tableau, additionnez la tension équivalente de soudure froide et la tension de thermocouple mesurée, puis utilisez le tableau de référence (ou polynôme) pour déterminer la température de la jonction chaude. Vous avez à présent la bonne température de la jonction chaude avec une compensation de soudure froide correcte.

Il existe également des calculatrices en ligne que vous pouvez utiliser pour simplifier considérablement le processus, comme cette calculatrice de tension pour tableau de thermocouple (cette calculatrice de tension de thermocouple en température peut également être utile).

La compensation de soudure froide nécessite tout de même un vrai étalonnage

La compensation de soudure froide corrige certes les erreurs de température ambiante de référence, mais elle prendra tout de même en compte les relevés de température incorrects si le thermocouple s´est dégradé ou a subi une dérive de mesure au fil du temps. Comme tout équipement de mesure, les thermocouples doivent être régulièrement étalonnés pour garantir la précision et la fiabilité de leurs relevés. Un thermocouple fiable permet d´obtenir facilement la compensation et garantit des mesures plus précises, où et quand vous en avez besoin.