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Rugged Flexible cryogenic thermocouple
above : rugged flexible cryogenic thermocouple

 

Thermocouple cryogénique

Caractéristiques

La mesure d'une différence de température à l'aide de deux thermomètres (deux thermistances calibrées par exemple) est limitée par la précision absolue des deux thermomètres employés. Le thermocouple permet, par la mesure directe de la différence de température entre deux points, d'améliorer la précision en s'affranchissant des problèmes liés à l'étalonnage des deux résistances.

La mise en oeuvre d'un thermocouple en environement cryogénique est rendue délicate par un second effet thermocouple indésirable le long des fils qui prélèvent le signal de mesure thermocouple. En effet, ces derniers subissent une différence de température de près de 300 K, et même si leur pouvoir thermoélectrique est très faible, ils sont la cause d'un signal parasite.

Nos systèmes à base de thermocouples cryogéniques permettent de mesurer à des différences de température jusqu'à plusieurs Kelvin avec une incertitude absolue typique de 3 µK.

 

Principe

Le thermocouple utilise l'effet Seebeck d'une jonction (le plus souvent une soudure) entre deux fils métalliques ayant des coefficients thermoélectriques différents. La sensibilité du thermocouple est d'autant meilleure que le nombre de jonctions entre le point chaud et le point froid est grand et que la différence entre les coefficients thermoélectriques des deux métaux qui forment la jonction est importante. Nous avons choisi de réaliser des jonctions entre des fils AuFe (du constantan a aussi été utilisé) et des fils supraconducteurs NbTi, ce dernier ayant un pouvoir thermoélectrique nul. La sensibilité de l'appareil aux alentours de 5 K est de l'ordre de 6 µV/K par jonction.

Les fils de mesures qui "remontent" le signal utile juqu'à la température ambiante sont aussi le siège d'un effet thermocouple parasite. Pour réduire cet effet, ces fils sont choisis en cuivre très purs et sont non-interrompus entre l'appareil de mesure et le thermocouple (afin de ne pas introduire de soudure donc d'effet thermocouple). Mais ces précautions sont insuffissantes pour atteindre la résolution absolue que nous recherchons. Une astuce a donc été développé pour déterminer exactement l'amplitude de ce signal parasite afin de le soustraire au signal mesuré. Un court-circuit électrique en matériau supraconducteur est installé en parallèle avec le thermocouple (voir dessin). Lorsque ce matériau est dans l'état supraconducteur, le signal mesuré est exactement le signal parasite. A l'aide d'un chauffage, le matériau peut-être amené dans son état normal et -dès lors- le signal mesuré correspond au signal utile + signal parasite. Par soustraction, en obtient le signal utile.

 


Principe & Photo

 

 

Applications

Cess thermocouples ont été utilisé entre autre pour la mesure de la différence de température entre la plaque du bas et la plaque du haut de cellules de convection thermique de Rayleigh-Bénard.

 

Référence

High Rayleigh number convection with gaseous helium at low temperature.
Chavanne, X., F. Chilla, B. Chabaud, B. Castaing, J. Chaussy and B. Hébral (1996).
Journal of Low Temperature Physics 104(1-2): 109-129.

 


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Ph.R. Jan, 2012