Le Yocto-Thermocouple et les boucles de terre

Le Yocto-Thermocouple et les boucles de terre

De temps en temps, il arrive que le support Yoctopuce soit contacté par un client se plaignant de grosses instabilités sur des mesures effectuées avec un Yocto-Thermocouple. A chaque fois, la conclusion est la même: les instabilités sont causées par une boucle de terre indésirable. Le Yocto-Thermocouple n'est pas un module électriquement isolé: il n'y a pas de séparation électrique entre la partie mesure et la partie USB. Cela a des conséquences qu'il est important de bien comprendre. C'est ce qu'on vous propose de vous expliquer faire cette semaine.

Fonctionnement d'un thermocouple

Tout d'abord, rappelons le fonctionnement d'un thermocouple. Un thermocouple est constitué de deux fils métalliques, utilisant deux alliages métalliques spécifiques. Les deux fils sont mis en contact par une soudure à une extrémité appelée point de mesure. La mise en contact de ces alliages fait apparaître une très faible tension à l'autre extrémité des fils. Il se trouve que cette tension dépend de la température. Le Yocto-Thermocouple est capable de mesurer cette tension et d'en déduire la température au point de mesure.

Fonctionnement d'un fil thermocouple
Fonctionnement d'un fil thermocouple


Les boucles de terre

Évidement cela ne marche correctement que si rien ne vient perturber le faible courant électrique généré par le fil thermocouple. Si une partie du courant arrive à s'échapper par un autre chemin, ou pire si un courant parasite arrive à passer dans le fil, les mesures vont s'en trouver fortement altérées.

Le courant de mesure doit passer par le fil thermocouple et pas ailleurs
Le courant de mesure doit passer par le fil thermocouple et pas ailleurs


Le fil thermocouple livré avec le Yocto-Thermocouple est du fil thermocouple type K tout à fait ordinaire: son extrémité soudée est nue et, bien évidement, conductrice.

Extrémité d'un fil thermocouple ordinaire: la soudure est à nu
Extrémité d'un fil thermocouple ordinaire: la soudure est à nu


Cette simplicité a un gros avantage: ce genre de fil est extrêmement réactif aux changements de température: peu de matière, peu d'inertie thermique. Inconvénient: l'extrémité étant conductrice et non isolée, si le courant de mesure arrive à rejoindre le Yocto-Thermocouple par un autre chemin de que le fil thermocouple, les mesures vont être faussées. Le cas classique est la boucle de terre: l'extrémité du thermocouple touchant un matériaux plus ou moins conducteur qui est d'une manière ou d'une autre reliée à la terre. Conséquence: une partie du courant de mesure arrive à rejoindre le Yocto-Thermocouple par la masse de l'USB. Ce cas de figure est extrêmement courant: par sécurité, toutes les machines marchant sur secteur ont leurs parties métalliques reliées la terre. Donc si vous essayez de mesurer la température d'une matière, même faiblement conductrice, qui touche une partie métallique d'une machine, vous allez probablement avoir des problèmes.

Pour illustrer ce phénomène, on a monté une petite expérience qui consiste à mesurer la température d'eau salée dans un récipient métallique.

Petite expérience: mesurer la température dans un récipient connecté à la terre
Petite expérience: mesurer la température dans un récipient connecté à la terre


Tant que ce récipient reste isolé, tout ce passe bien, en revanche si on a le malheur de le connecter à la terre du secteur, les ennuis commencent. Le déroulement de l'expérience est résumé par le graphe ci-dessous. On a attendu 30 secondes, puis on a connecté le récipient à la terre, ce qui a immédiatement causé de grosses perturbations de mesure.

La mise à la terre du pot métallique crée une instabilité de la mesure
La mise à la terre du pot métallique crée une instabilité de la mesure


Évidement, tout cela est dû au fait que le Yocto-Thermocouple n'est pas un module isolé. Si il était isolé, un éventuel courant parasite ne pourrait pas franchir la barrière d'isolation entre la partie USB et la partie mesure. Par contre, si il avait été isolé, le Yocto-Thermocouple aurait plus gros et bien plus cher. Lorsqu'on a conçu le Yocto-Thermocouple, on a choisi de ne pas l'isoler parce que problème peut être contourné facilement.

Comment résoudre le problème?

Il y a plusieurs façons de d'éviter ce problème:

Isoler l'extrémité du fil thermocouple

Il existe du fil thermocouple dit avec "isolation minérale" qui garantit que l'extrémité du fil est électriquement isolée de l'extérieur. Remplacez votre fil de thermocouple ordinaire par du fil isolé et le problème disparaîtra.

Solution facile: utiliser un thermocouple isolé
Solution facile: utiliser un thermocouple isolé


Supprimer la boucle de terre

Vous pouvez aussi interrompre la boucle de terre en faisant en sorte que l'alimentation du Yocto-Thermocouple soit parfaitement isolée. Par exemple, si le Yocto-Thermocouple est directement relié à un ordinateur portable fonctionnant sur batterie, vous n'aurez pas de problème. Notez que vous aurez plus de chances d'avoir une alimentation électrique isolée correctement avec du matériel de qualité: dans notre expérience on a pu établir que la boucle de terre provenait de l'alimentation du hub USB, pas de celle du portable. Pour les cas désespérés, il existe des hubs USB isolés dont les ports descendants sont électriquement isolés du port montant et de l'alimentation, mais attendez-vous à devoir casser votre tirelire pour en avoir un.

Changer de technologie

En désespoir de cause, vous pouvez toujours changer de technologie: le Yocto-PT100, par exemple, est un module isolé avec lequel vous n'aurez pas ce genre de problème. En revanche une sonde PT100 a tendance à réagir plus lentement qu'un fil thermocouple.

Pour finir voici une petite vidéo de l'expérience qu'on a monté pour illustrer le problème et ses solutions. Vous remarquerez la différence d'inertie entre les thermocouples et le PT100.

  

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