Les fidèles lecteurs de notre série de billets de blog "Kaye's Time Warp" s'interrogent peut-être sur l'importance de la référence au point de glace de Kaye dans le contexte de la validation des processus thermiques dans l'environnement GxP. Cependant, les connaissances de base que le fondateur de notre société, le Dr Joseph Kaye, a acquises au début des années 1950 dans ce contexte sont cruciales pour le développement de systèmes de validation de haute précision basés sur des thermocouples en tant que capteurs de température.
Comme tout élément de capteur, les thermocouples, quel que soit leur type, présentent des sources d'erreur inhérentes. Celles-ci doivent être prises en compte lors de la mise en place d'un circuit de mesure. Pour garantir une mesure précise de la température, une compensation complète de ces sources d'erreur est absolument nécessaire. En particulier, l'exécution minutieuse de la compensation de la soudure froide est d'une importance capitale pour les thermocouples.
Qu'est-ce que la compensation de soudure froide ?
La mesure de température d'un thermocouple est basée sur ce que l'on appelle l'effet Seebeck, dans lequel une tension est générée lorsque deux matériaux conducteurs différents sont thermiquement connectés en un point et chauffés différemment. En bref : un gradient de température le long d'une connexion de métaux différents génère une tension électrique.
La difficulté réside dans le fait que toute connexion de deux métaux différents agit également comme un thermocouple et génère un signal thermoélectrique correspondant à sa température. Dans la pratique, le signal du thermocouple est souvent faussé par l’effet Seebeck non désiré aux bornes de connexion des thermocouple - c'est ce que l'on appelle l'effet de soudure froide.
La compensation de la soudure froide est donc un élément essentiel des circuits de mesure des thermocouples. Sans elle, le signal de température mesuré à l'extrémité serait une fonction de deux températures - la température réelle souhaitée et la température au niveau du joint de soudure froid. Cette compensation permet d'isoler le signal du point de mesure réel et fournit ainsi une mesure de température précise et fiable.
Trois solutions techniques sont disponibles pour assurer une compensation efficace de la soudure froide dans la technologie de mesure des thermocouples :
1. Utilisation de l'effet **Seebeck** : Cet effet, nommé d'après le physicien allemand Thomas Johann Seebeck, décrit la conversion des différences de température en tension électrique et vice versa. Dans un thermocouple, les différences de température aux jonctions des deux métaux différents génèrent une tension.
2. Utilisation de l'effet **Peltier** : Cet effet, nommé d'après le physicien français Jean Charles Athanase Peltier, décrit la quantité de chaleur générée ou absorbée dans un circuit lorsqu'un courant traverse deux matériaux différents.
3. La mesure directe de la température ambiante réelle au niveau du joint de soudure froid.
Méthode 1 : Effet Seebeck
Historiquement, la méthode de référence du point de glace (effet Seebeck) a été la première à être utilisée pour la compensation de soudure froide. Cette méthode est relativement simple et ne nécessite qu'un bain de glace pour maintenir une température constante à la jonction, précisément à 0°C. Cette méthode a été mise en œuvre dès les premiers jours de la technologie de mesure des thermocouples, bien avant que les systèmes de mesure équipés d'ordinateurs de traitement rapides et contrôlés par logiciel ne soient disponibles pour la compensation efficace de cette erreur de mesure.
Une combinaison judicieuse de glace et d'eau, emballée dans un boîtier industriel robuste, équipée d'une technologie de contrôle rudimentaire et d'une alimentation électrique - ce qui ressemble à des instructions de construction tirées du film "Retour vers le futur" est, en réalité, la base des références de points de glace multicanaux du Dr Kaye, applicables à une variété d'utilisations industrielles. Oui, vous avez bien lu ! Aussi surprenant que cela puisse paraître, ce concept novateur a été largement accepté dans diverses applications industrielles et n'a pas perdu sa pertinence à ce jour. Bien que ce principe de mesure constitue toujours la base des références Kaye Ice Point d'aujourd'hui, l'électronique de contrôle a naturellement évolué - et ce qui est remarquable, c'est que les références Kaye Ice Point, malgré ces changements techniques minimes, sont toujours parmi les plus précises sur le marché.
Méthode 2 : Effet Peltier
L'effet Peltier n'est généralement pas utilisé explicitement pour la compensation de soudure froide dans les instruments de mesure industriels. L'effet Peltier est généralement utilisé dans les refroidisseurs/chauffeurs à effet Peltier pour créer une différence de température et obtenir ainsi un refroidissement, comme dans le cas du calibreur de bloc LTR-150 de Kaye.
Bien qu'il soit théoriquement possible d'utiliser un refroidisseur à effet Peltier au niveau de la soudure froide pour maintenir la température de ce joint constante et ainsi éliminer le besoin de compensation, cette approche serait peu pratique et coûteuse dans la plupart des applications et n'est donc utilisée que dans des circuits de mesure de thermocouples très spécifiques.
Méthode 3 : mesure directe de la température ambiante réelle au niveau du joint de soudure froid
La méthode la plus répandue aujourd'hui est la mesure directe de la température au niveau de la soudure froide et la compensation ultérieure à l'aide d'un logiciel. Cette méthode est devenue possible grâce à l'avènement de la technologie des microprocesseurs et des algorithmes logiciels.
Dans cette méthode, un capteur de température séparé, souvent un thermomètre à résistance de haute précision ou une thermistance, est utilisé pour mesurer la température au niveau de la soudure froide. Cette information est ensuite utilisée pour compenser le signal du thermocouple. La compensation est effectuée en convertissant la température mesurée au niveau de la soudure froide en une tension de thermocouple correspondante en utilisant la relation connue entre la tension et la température du thermocouple (courbe de Seebeck). Cette "tension de compensation" est ensuite soustraite du signal thermocouple mesuré pour obtenir uniquement le signal du joint "chaud" (le point de mesure). Il est important de noter que la qualité de la compensation dépend fortement de la précision, de la stabilité et de la réponse du capteur de température du joint froid utilisé. En outre, le joint de soudure froid doit être bien isolé thermiquement afin de minimiser les perturbations dues aux fluctuations de température externes.
Ce principe de mesure est également utilisé dans les enregistreurs de données de Kaye. Dès la première famille de produits Digistrip de Kaye, cette méthode était utilisée, et les validateurs AVS modernes de Kaye utilisent cette option de compensation directement au point de connexion dans le SIM (module d'entrée de capteur), où tous les thermocouples sont connectés.
Conclusion
Les résultats de la recherche fondamentale du fondateur de l'entreprise, le Dr Kaye, ont été et continuent d'être mis en œuvre de manière cohérente dans les solutions industrielles de Kaye. Une adaptation continue, basée sur de nouveaux composants électroniques plus précis et plus rapides sur la base d'une puce électronique, fait partie intégrante de la philosophie de développement de Kaye. Il est intéressant de noter que les connaissances physiques fondamentales sont restées les mêmes depuis les premiers jours de la fondation de l'entreprise, ce qui souligne la pertinence et l'applicabilité intemporelles de ces principes scientifiques.
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