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RÉSUMÉ
L’évolution des techniques, notamment la miniaturisation des capteurs, a donné naissance à une nouvelle famille de thermocouples, les microsondes thermoélectriques. Cet article dresse un état des lieux sur ces instruments de mesure de plus en plus répandus en présentant les différents types de microthermocouples disponibles, leurs fabrications, leurs modes de fonctionnement (avec ou sans contact) et leurs caractéristiques. Sont également traitées les méthodes spécifiques d’étalonnage et les sources d’erreur de ces nouveaux thermocouples.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Laurent THIERY : Docteur es Sciences - Maître de conférences à l’université de Franche-Comté (UFR STGI Belfort)
INTRODUCTION
Du statut d’instrument de mesure de la température le plus répandu, le couple thermoélectrique miniaturisé, appelé « microthermocouple » commence à jouer un rôle majeur dans des secteurs de la recherche fondamentale, et émerge progressivement dans le secteur industriel. Cet exposé a pour objet de faire l’état des lieux de cette évolution, en rappelant tout d’abord quels sont les différents types de microthermocouples, comment on les fabrique, quelles sont leurs principales caractéristiques et leurs principes de mise en œuvre. Nous donnerons un aperçu des phénomènes de transfert de chaleur mis en jeu dans ces deux principaux modes de fonctionnement (avec ou sans contact), puis des méthodes d’étalonnage, avant de conclure en avançant quelques remarques sur l’évolution de ces techniques.
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VERSIONS
- Version courante de sept. 2025 par Laurent THIERY
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2. Technologies appropriées
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Le besoin de réduire la dimension des couples thermoélectriques, que nous appelons à l’usage les thermocouples, puis microthermocouples, est lié à celui d’améliorer les caractéristiques intrinsèques des capteurs, tant dynamiques que spatiales. La zone sensible du thermocouple que représente l’interface matérielle entre les deux conducteurs qui le constituent, sera d’autant plus limitée spatialement, que les conducteurs seront de dimensions faibles. On peut montrer facilement qu’une jonction thermoélectrique de dimension réduite en environnement convectif voit son temps de réponse décroître linéairement avec le diamètre des fils, lorsqu’il s’agit de fils soudés, et de façon plus générale avec la masse du capteur. Cette relation reste valable dans d’autres situations d’échange thermique (conduction ou rayonnement). Pour autant, de nombreux auteurs ont établi un lien clair entre la nature de cet échange et la valeur de ce temps de réponse, de sorte qu’il est progressivement entré dans les esprits des utilisateurs que la notion de temps de réponse d’un capteur non installé n’a aucun sens. Au-delà de ses qualités intrinsèques, c’est bien l’environnement qui décide au final des qualités à l’usage d’un thermocouple.
Cette remarque est fondamentale car elle permet de comprendre rapidement tout l’intérêt de poursuivre l’utilisation de couples en microfils soudés alors que la solution du « tout couches minces » et des technologies de la microélectronique (silicium) a fait l’objet d’un engouement peu justifié quelquefois, de la part d’ingénieurs et de techniciens pour lesquels seule la masse des corps constituant le thermocouple avait de l’importance.
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Un capteur en couches minces (épaisseurs de quelques dizaines à quelques milliers d’angströms) est par nature « thermiquement mince » ; il est donc le candidat idéal pour informer de la température de la surface sur lequel il est déposé, puisque la qualité de son contact est excellente par conception (résistance thermique de contact pratiquement nulle).
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En régime stationnaire, l’écart de température entre le film déposé et son substrat dépend d’une part de la différence de conductivité entre ces deux corps et d’autre part de la situation d’échange...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CASSAGNE (B.), KIRSCH (G.), BARDON (J.P.) - Analyse théorique des erreurs liées aux transferts de chaleur parasites lors de la mesure d’une température de surface par contact - . Int. J. Heat Mass Transfer 23, p. 1207-1217 (1980).
-
(2) - KELTNER (N.R.), BECK (J.V.) - Surface temperature measurement errors - . Journal of Heat Transfer 105, p. 312-318 (1983).
-
(3) - BARDON (J.P.), RAYNAUD (M.), SCUDELLER (Y.) - Mesures par contact des températures de surface - . Revue Générale de Thermique 34, p. 15-35 (1995).
-
(4) - BENIGNI (P.), ROGEZ (J.) - High temperature thermal diffusivity measurement by the periodic cylindrical method: the problem of contact thermocouple thermometry - . Rev. Sci. Instrum. 68 (7), p. 2767-2773 (1997).
-
(5) - TAYLOR (G.F.) - A method of drawing metallic filaments and a discussion of their properties and uses - . Phys. Rev. 23, p. 655-660 (1924).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Couples thermoélectriques. Caractéristiques et mesure de température
-
Température de surface. Mesure par contact
-
Mesure locale et instantanée de la température des fluides
-
Fluxmètres thermiques
ANNEXES
Thèses
SHI (L.) - Mesoscopic thermophysical measurements of microstructures and carbon nanotubes - . Ph. D. in Engineering-Mechanical Engineering, University of Berkeley, California (2001).
DELAROCHELAMBERT (T.) - Études expérimentale et théorique des transferts thermiques couplés en convection naturelle à travers une double paroi verticale à haute densité de flux de chaleur - . Thèse de doctorat de l’Université de Haute Alsace, spécialité « énergétique », Mulhouse (1997).
HAUT DE PAGE
Société Française de Thermique (SFT) http://www.sft.asso.fr/
Réseau de recherche en micro et nano-technologies (RMNT) http://www.rmnt.org
HAUT DE PAGE3 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
(liste...
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