Effet Seebeck

L’effet Seebeck est le phénomène thermoélectrique par lequel une différence de température entre les deux jonctions de deux métaux différents génère une tension électrique proportionnelle à cet écart — la force thermoélectromotrice (f.t.é.m.). Découvert par Thomas Johann Seebeck en 1821, c’est le principe physique du thermocouple, capteur de température universel en électrotechnique industrielle.

Coefficients Seebeck et plages de température des thermocouples courants

Principe physique et jonction de référence

Un thermocouple est formé de deux conducteurs de nature différente (A et B) soudés à une extrémité : la soudure chaude (point de mesure). L’autre extrémité — la soudure froide ou jonction de référence — est maintenue à une température connue (autrefois 0 °C dans un bain de glace, aujourd’hui compensée électroniquement par un capteur NTC ou PT100 dans le transmetteur). La tension générée est U = α × (Tc – Tr), où α est le coefficient Seebeck du couple et Tc/Tr les températures chaude/référence en kelvin.

La précision est de ±1 à ±2 °C selon le type et la classe de tolérance (classe 1 ou 2 selon IEC 60584). Une calibration individuelle par rapport à un étalon de référence permet d’atteindre ±0,5 °C. Cette précision est suffisante pour la grande majorité des applications d’automatisme industriel et de protection thermique, conformément aux exigences de la NF C 15-100 pour les capteurs de sécurité.

Câblage thermocouple en installation industrielle

Le câble de liaison entre le thermocouple et le transmetteur doit être en câble de compensation (même couple de métaux ou couple équivalent) jusqu’au transmetteur, afin de ne pas introduire de jonctions parasites qui créeraient des f.t.é.m. additionnelles. Un câble cuivre standard introduirait une erreur proportionnelle à l’écart de température entre la borne du transmetteur et l’extrémité du câble thermocouple.

Le blindage du câble thermocouple doit être raccordé à la terre côté transmetteur uniquement (pas aux deux extrémités) pour éviter les boucles de masse qui injecteraient une perturbation 50 Hz dans le signal de quelques millivolts. Ce câblage s’effectue dans la GTL ou le coffret d’instrumentation, séparé des circuits de puissance pour réduire le couplage inductif.

Questions fréquentes

Pourquoi faut-il absolument un câble de compensation pour un thermocouple type K ?

Les alliages Chromel et Alumel ont des coefficients Seebeck très différents du cuivre. Si le câble de liaison est en cuivre, deux nouvelles jonctions thermoélectriques (Chromel-Cu et Alumel-Cu) apparaissent là où le thermocouple se connecte au câble. Ces jonctions génèrent leur propre f.t.é.m. proportionnelle à leur température, introduisant une erreur non compensable. Le câble de compensation type KX (Chromel/Alumel) maintient le même couple jusqu’au transmetteur.

Quel multimètre pour lire directement la tension d’un thermocouple ?

La tension d’un thermocouple type K est d’environ 41 µV/°C. À 200 °C de différence (jonction à 225 °C, référence à 25 °C ambiant), la tension est de 200 × 41 = 8 200 µV = 8,2 mV. Un multimètre de précision réglé sur la gamme mV (résolution 0,1 mV) peut lire cette valeur, mais l’affichage en température (°C direct) nécessite un transmetteur ou un afficheur spécialisé avec compensation de jonction froide intégrée.

Comment vérifier un thermocouple en place sans le démonter ?

On mesure la résistance du thermocouple (soudure chaude + câble) avec un ohmmètre : un type K de 5 m doit présenter < 10 Ω. Une résistance infinie indique une rupture du filament. On peut aussi mesurer la tension à froid (thermocouple à température ambiante connue) et vérifier qu’elle correspond à la table de référence IEC 60584 pour la différence Tambiante – Tréférence transmetteur.