La sonde de température

La température est une grandeur physique dont l’unité du système international est le Kelvin. Elle correspond à la mesure du degré de chaleur et de froid d’une substance solide, liquide ou gazeuse. Pour évaluer le mesurande température (mesurer la température) on utilise un thermomètre (sonde de température + afficheur). Les études et les inventions liées à la température remontent à l’antiquité. Cependant les grandes avancées de la thermométrie remontent au 18eme siècle avec notamment la construction du thermomètre Celsius. Pour la petite histoire, quand le suédois Celsius construit son thermomètre dans les années 1740, il prit en référence 100° comme le point de la glace fondante et 0° la température d’ébullition de l’eau. L’allemand Daniel Gabriel Fahrenheit fit également des travaux sur un thermomètre à mercure au début du 18eme siècle. Il est donc à l’origine de l’unité °F très utilisé aux USA par exemple.

Formule de conversion Celsius - Fahrenheit
Conversion du °F en °C = (Temp en °F – 32) / 1,8
Conversion du °C en °F = (Temp en °C * 1,8) + 32

Aujourd’hui pour déterminer le mesurande température, notamment dans l’industrie on utilise des capteurs. Une sonde de température est généralement constituée d’un élément sensible dont les caractéristiques électriques changent en fonction de la température. Il existe différentes technologies pour le mesurage de la température. Parmi elles on peut citer la méthode résistive : RTD (Resistance Temperature Detector), le thermocouple et l’infrarouge (Pyromètre).

[caption id="attachment_1820" align="aligncenter" width="400"]                              Sonde de température PT100.[/caption]

Comment fonctionne une sonde température ?

Le principe générale de fonctionnement d’une sonde de température ne change pas trop finalement des thermomètres à base de mercure ou alcool. En effet là ou un liquide (mercure ou alcool) va se dilater en fonction de la température, avec une sonde de température on observera la variation d’une grandeur électrique. Ainsi pour les sondes résistives on observera une variation de la résistance en Ω ou kΩ en fonction du matériau et de la température. Pour les thermocouples c’est une variation de tension qui est observée. Pour le pyromètre on ne mesure pas directement une variation électrique. On passe au préalable par un capteur qui va mesurer la variation de radiation du corps et le transformer en un signal électrique.

[caption id="attachment_4424" align="aligncenter" width="400"]                     Sonde PT100 en configuration 4 fils[/caption]

Comment fonctionne une sonde PT100 ?

L’une des technologies les plus utilisées dans l’industrie pour mesurer la température est la méthode résistive. Cette méthode utilise des éléments sensibles à base de platine (PT), dont la résistance variera en fonction de la température. Pour ce faire on utilise une courbe caractéristique. Par exemple une PT100 à une valeur résistive de 100Ω à 0°C. Cette valeur de résistance va augmenter avec la température et diminuer si la température venait à baisser. En effet si on mesurait avec un multimètre la résistance d’une PT100 on obtiendrait ceci :

Température > 0°C = Résistance > 100 Ω
Température < 0°C = Résistance < 100 Ω

Il suffit donc de faire la conversion en utilisant la table caractéristique de la PT100 pour déterminer à partir d’une résistance la température. L’avantage de la sonde PT100 est son très bon niveau de précision. Il existe d’ailleurs plusieurs classes de précision des sondes PT100 : Classe AA, A, B et C. Son temps de réponse est cependant inférieur à celui du thermocouple.

Comment fonctionne une sonde Thermistance CTN ?

Le principe de fonctionnement de la thermistance CTN (Cœfficient de Température Négatif) reste proche de celui des sondes platine. La thermistance est à base d’un semi-conducteur mais on est de nouveau en présence d’un capteur dont la résistance variera en fonction de la température. Ceci étant contrairement aux sondes PT100, la résistance de la CTN diminue quand la température augmente. L’autre point important avec la CTN est la valeur de sa résistance qui est beaucoup plus élevée que celle d’une sonde platine. En effet la valeur résistive d’une CTN 10K Ω est de 10000 Ω à 25°C. Donc cette valeur de résistance va diminuer quand la température augmentera et augmenter si la température venait à baisser. Ainsi si on mesurait avec un multimètre la résistance d’une thermistance on obtiendrait ceci :

Température > 25°C = Résistance < 10000 Ω
Température < 25°C = Résistance > 10000 Ω

Il suffit donc de faire la conversion en utilisant la table caractéristique de CTN pour déterminer à partir d’une résistance la température. L’avantage de la CTN est son très bon niveau de précision et résolution. Sa plage d’utilisation est cependant limitée.

Comment fonctionne une sonde thermocouple?

Pour mesurer la température avec une sonde thermocouple, on utilise deux métaux ou alliages de métaux différents que l’on soude ensemble. Et cette soudure est faite sans aucun apport d’un autre métal. D’ailleurs il est possible de fabriquer une sonde en utilisant deux matériaux différents pour créer une soudure froide et une soudure chaude. Pour faire apparaître une variation électrique (variation de la FEM), il suffit de plonger la soudure froide à une température de référence. Et utiliser la soudure chaude à l’endroit de la mesure. La variation de la FEM est liée à la différence de température entre le point chauffé (soudure chaude) et l’extrémité non chauffée (soudure froide). Cette tension de l’ordre de quelques millivolts augmente avec la température. Il suffit de se référer à la table de valeur des thermocouples pour déterminer la température à partir de la tension mesurée. Il est cependant important de prendre en compte la température de la soudure dans le calcul de la valeur de température.

Exemple : Thermocouple K
Valeur de tension d’une soudure chaude à 400°C et une soudure froide à 0°C = 16,397mV.

Comment choisir une sonde de température ?

Le choix d’une sonde de température dépend généralement des contraintes liées à l’application. Pour bien choisir il faut se poser certaines questions en amont telles : la plage de température à mesurer avec la sonde, les dimensions de la sonde, le temps de réponse souhaité. Mais aussi la précision de mesure, l’environnement d’utilisation, la configuration de mesure etc.

Pourquoi choisir une sonde PT100 ?

Avec tous ces éléments pourquoi une PT100 plutôt qu’une CTN ou un thermocouple. La PT100 va être utilisée sur des applications ou des process ou le temps de réponse n’est pas excessivement élevé. Mais où l’on recherche à couvrir une grande plage de température avec un bon niveau de précision.

Pourquoi choisir une sonde CTN ?

La CTN à la particularité d’avoir une valeur de résistance élevée. En effet les thermistances ont un coefficient thermique élevé qui leur confère une sensibilité et résolution élevée. Par conséquent, de petites variations de température provoqueront de grandes variations de résistance. Ainsi pour une application ou la plage de température reste faible, autour de la centaine de °C. Mais avec un besoin de précision, la CTN peut être une bonne alternative. Aussi l’élément sensible de la CTN qui est la perle peut être directement utilisé comme capteur.

Pourquoi choisir une sonde Thermocouple ?

Les types de thermocouple les plus fréquents sont J, K, N, S, R, T et E. Les types de thermocouple spéciaux B, G, C et D sont utilisés dans des environnements avec des températures pouvant atteindre 2600°C. En effet cette technologie s’impose dès qu'il s'agit de mesurer des températures extrêmement élevées. Chacun de ces types de thermocouple dispose de différentes plages de températures de fonctionnement. Le choix du thermocouple doit tenir compte des spécifications suivantes : écart de température, la précision de mesure et conditions d'utilisation. Néanmoins les thermocouples n'offrent pas les mêmes niveaux de précision que les sondes résistives. Même si leur temps de réponse est plus important.

Les principales classes de précisions d'un thermocouple K sont les suivantes :

La classe 1 : ±1,5 ou ± 0,004 |t|, |t| étant la valeur absolue de la température mesurée.
Classe 2 : ±2,5 ou ± 0,0075 |t|, |t| étant la valeur absolue de la température mesurée.
Classe 3 : ±2,5 ou ± 0,015 |t|, |t| étant la valeur absolue de la température mesurée.

[caption id="attachment_4427" align="aligncenter" width="1467"] Tableau avec la classe de précision des sondes thermocouple[/caption]

Comment évaluer le temps de réponse d’une sonde de température ?

Les propriétés dynamiques des sondes de température

Le temps de réponse [t] correspond au temps dont la sonde (thermomètre) a besoin, après un saut de température, pour afficher une partie de ce changement de température.

Temps de réponse [t05] - un thermomètre de temps doit afficher 50% du saut de température
Temps de réponse [t09] - un thermomètre de temps doit afficher 90% du saut de température
Les temps de réponse vont varier en fonction des paramètres suivants:
Dans l’air : Vitesse d'écoulement de l’air, sa température initiale à T0, l’amplitude de la variation et la longueur d’immersion.

Dans l'eau : Vitesse d'écoulement de l’eau, sa température initiale à T0, l’amplitude de la variation et la longueur d’immersion.

[caption id="attachment_4970" align="aligncenter" width="632"]
Temps de réponse des sondes de température[/caption]

L’étalonnage des sondes de température

Les sondes de température quelque soit leurs technologies peuvent dériver dans le temps pour des raisons multiples. Il est donc nécessaire de les vérifier régulièrement. La fréquence de vérification dépend de l’application du type d’industrie et des exigences normatives. Pour ce faire on utilise généralement des moyens d’étalonnage et des instruments de références. Il est par exemple très courant d’utiliser la glace fondante pour vérifier les sondes à 0°C. L’un des différents moyens utilisés dans l’industrie pour étalonner et vérifier les sondes de température est le four d’étalonnage. Le four d’étalonnage peut être utilisé seul avec sa sonde de référence interne pour étalonner les capteurs. Il peut également être associé à une sonde externe d’une précision plus importante. Sinon le four ou le bain d’étalonnage sert uniquement de moyen de générer la température (positive ou négative). Dans ce cas une sonde de référence (un étalon) est nécessaire. On comparera donc la mesure effectuée par l’étalon à celle de la sonde étalonnée.

Conclusion sur la sonde de température

Différentes technologies de sondes sont disponibles pour vos mesurages de température. Les PT100 et les thermistances sont tous deux des RTD, des sondes à base de résistance. Le thermocouple permet de faire des mesures à des températures élevées surtout ceux constitués de métaux nobles. Ainsi les thermocouples spéciaux B, G, C et D permettent d’atteindre les 2600°C. Le 18eme siècle avec les thermomètres à mercure de Celsius ou de Fahrenheit semble une époque lointaine. A coté des unités de mesure (°C et °F), d’autres héritages de cette période sont encore présents. L’utilisation de la glace fondante comme référence d’étalonnage en est l’un d’eux. Finalement, l’étalonnage doit faire partie de la vie des sondes de température. INSTRUMENTYS est à votre disposition pour vous aider dans le choix de vos sondes et des moyens d’étalonnage. Mais aussi les prestations d’étalonnage COFRAC ou raccordé COFRAC de vos chaînes de mesure : sondes + électroniques.

Si vous souhaitez approfondir le sujet de la sonde de température ou une application, n'hésitez pas à nous contacter.