Étude d un thermocouple

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1 TP N 8 Étude d un thermocouple - page 35 -

2 - T.P. N 8 - On mesurera la f.e.m. du thermocouple à différentes températures connues. Ici encore, les mesures n'ont de sens que si ces températures sont constantes pendant leur déroulement. Pour obtenir des températures constantes et connues, on fait appel ici à des phénomènes de changements d'état de corps purs. 6. Montage du thermocouple Les deux soudures sont identiques mais une d elles sera la «soudure froide». Plongez la "soudure froide" dans un vase Dewar contenant de l'eau et de la glace (en cours de manipulation, il faudra penser à vérifier la présence de glace). La "soudure froide" est ainsi maintenue à la température constante de 0 C. Reliez alors le thermocouple au voltmètre. Corriger éventuellement le branchement de façon à respecter le mode de fonctionnement du voltmètre (tension affichée positive). Notez le mode de calcul de l exactitude du voltmètre. 7. Étalonnage du thermocouple 7.1. Vérification du point zéro Plonger la soudure chaude, avec la soudure froide, dans la glace fondante. Noter l'indication du voltmètre lorsqu'elle s'est bien stabilisée. Cela caractérise l'équilibre thermique de la soudure chaude avec le bain Au point 100 C Dans un ballon de Berthelot, introduire de l'eau (1/3 Thermocouple environ ) et quelques grains de ponce sulfurique (ou de Carborundum) destinés à régulariser l'ébullition. Porter à ébullition. Introduire la soudure chaude de telle sorte qu'elle baigne dans la vapeur au niveau où l'eau se condense. Lorsque l'indication du voltmètre est bien stabilisée, en relever la valeur que l'on notera E Relevés aux points de solidification de trois corps purs On utilisera deux métaux et de l'acétate de sodium tri hydraté a. Pour les métaux Les températures de solidification sont données ci-dessous : Étain (Sn) : 231 C Plomb (Pb) : 327 C Les solides sont préparés dans des creusets réfractaires. Un tube à hémolyse protégera la soudure chaude contre les souillures par le corps en fusion. La surface est souvent recouverte par une couche d'oxyde formée au contact de l'air pendant des chauffages successifs précédents. Insolubles dans le corps pur, très peu fusibles et moins denses que le corps pur, ces oxydes ne gênent pas la mesure. - page 36 -

3 Édition T.P. N 8 - ATTENTION Les brûlures par les métaux liquides sont particulièrement graves. Manipuler les creusets avec précautions : pinces métalliques ; s'assurer de la stabilité du creuset dans le bec électrique avant de commencer à chauffer. Ne jamais poser un creuset chaud sur une paillasse, mais le remettre dans le support. Prévenir éventuellement les autres utilisateurs que le creuset est chaud. Introduire le creuset dans le bec électrique (Hoffmann). Chauffer et porter à l'état liquide. Ne pas surchauffer exagérément. Placer la soudure chaude dans le tube à hémolyse dès le début du chauffage, ainsi, elle sera en équilibre thermique avec le métal. Arrêter le chauffage et laisser refroidir le liquide à un rythme aussi lent et régulier que possible. Éviter les courants d'air et ne pas agiter, mais maintenir la soudure de telle sorte qu'elle soit vraiment en équilibre thermique avec le milieu (ne pas laisser "flotter" le tube à hémolyse sur le liquide ). Pendant toute la phase de refroidissement, noter toutes les 10 secondes l'indication du voltmètre. Ne pas cesser d'observer le creuset : il faut repérer le moment où la solidification se produit. Elle se déroule à température constante et se traduit donc par une stabilisation temporaire de l'indication du voltmètre. Quand on constate que l'indication du voltmètre recommence à diminuer, la solidification est terminée : on arrête alors les relevés. Plutôt que de relever les valeurs sous la forme d'un tableau, on a intérêt à placer directement les points expérimentaux sur une feuille de papier millimétré : on voit ainsi la courbe de refroidissement et le palier de solidification prendre forme au fur et à mesure des relevés. Pour le plomb surtout, dont la température de solidification est la plus élevée, il peut arriver que le palier de changement d'état ne soit pas très net parce que le refroidissement est trop rapide. Recommencer alors les mesures en maintenant sous le creuset un léger chauffage. Si vous n'êtes pas très sûrs de votre résultat, vous avez intérêt à réchauffer et refondre le solide immédiatement pour pouvoir faire une nouvelle mesure sans perdre de temps. b. Pour l'acétate de sodium Sa température de solidification est de 58 C. Son chauffage sera effectué au bain-marie rempli d eau chaude (> 58 C). On pourra ainsi repérer visuellement la f.e.m correspondant au changement d état. - page 37 -

4 - T.P. N 8-8. Exploitation des résultats Elle est encore faite avec le logiciel Reg Win Courbes de solidification Si ces courbes n'ont pas été tracées au fur et à mesure de la manipulation, il faut maintenant entrer sous la forme d'un tableau de valeur les indications du voltmètre relevées pendant l'étude de la solidification des deux métaux : temps (s) E Sn (mv) E Pb (mv) Quand la saisie des données est terminée, sauvegarder votre travail sur support électronique (disquette, clé usb, etc.) Tracer les deux courbes de solidification E = f(t). Modéliser chacune des trois parties des ces courbes : refroidissement du liquide, solidification à température constante, refroidissement du solide, en choisissant convenablement les intervalles pour les calculs de modélisation linéaire. Relever alors sur chacune la valeur de la f.e.m au moment de la solidification Tableau récapitulatif des valeurs Dresser le tableau (Reg Win) : θ ( C) E (mv) u B (E) (mv) 8.3. Graphe Tracer la courbe : E = f(θ). C'est la courbe d'étalonnage du thermocouple Calculs Chercher la droite de régression. En déduire la relation : E = ƒ(θ). Que remarque-t-on? Donner la signification physique du coefficient obtenu. Indiquer la sensibilité du thermocouple. Quelle serait la relation qui donnerait la température connaissant la f.e.m? 9. Comparaison avec des tables Vous avez étalonné un thermocouple de type inconnu. En utilisant les tables de correspondance fournie à partir de la page suivante, de quel type de thermocouple s'agit-il? Quelle erreur relative avez-vous commis sur chaque point? Quelle est l'erreur relative moyenne? L'écart éventuellement relevé est-il dû à l'appareil de mesure ou y a-t-il eu erreur systématique? - page 38 -

5 Édition T.P. N 8 - TABLES DE CORRESPONDANCE DES THERMOCOUPLES THERMOCOUPLE E Chromel Constantan Utilisable de -270 C à 1000 C ITS-90 Table pour thermocouple de type E Thermoelectric Voltage in mv page 39 -

6 - T.P. N 8 - THERMOCOUPLE J Fer Constantan Utilisable de -210 C à 1149 C ITS-90 Table pour thermocouple de type J Tension à vide exprimée en mv page 40 -

7 Édition T.P. N 8 - THERMOCOUPLE K Nickel - Chrome / Nickel Aluminium Utilisable de -270 C à 1372 C ITS-90 Table pour thermocouple de type K Tension à vide exprimée en mv page 41 -

8 - T.P. N 8 - THERMOCOUPLE S Platine / Platine rhodium 10% ITS-90 Table pour thermocouple de type S Tension à vide exprimée en mv page 42 -

9 Édition T.P. N 8 - THERMOCOUPLE T Cuivre / Constantan ITS-90 Table pour thermocouple de type T Tension à vide exprimée en mv C page 43 -

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