Quelles technologies pour mesurer la température dans l’industrie?

La température est une des grandeurs si ce n’est la grandeur la plus mesurée au monde. En effet pour comprendre certains phénomènes dans différents domaines comme la science, la R&D, les process industriels et autres, la mesure et le contrôle de la température est un facteur déterminant. Pour ce faire plusieurs technologies de capteurs existent pour la mesure de température. Ces dernières s’appuient sur les grandeurs électriques pour détecter le mesurande température. Ainsi dans une liste non exhaustive on retrouve les technologies de mesure à contact suivantes :

La technologie Résistive : détecteur de Température à Résistance (RTD)
La technologie Résistive : les semi-conducteurs (Thermistances)
Les thermocouples
La technique bimétallique
La technique d’expansion de liquide

Nous allons nous concentrer sur les technologies les plus utilisées dans l’industrie à savoir les technologies résistives et thermocouples.

Comment mesurer la température? Les technologies résistives

Sondes Platine (PT) et Nickel (Ni)

Les capteurs à résistance en platine sont des dispositifs qui réagissent au changement de température par le changement de résistance de la résistance intégrée. Dans la gaine de protection, outre la résistance thermométrique, des fils internes isolés et des pinces extérieures pour la connexion des éléments de mesure électriques sont inclus.
Des éléments de montage et des têtes de connexion s’ajoutent en fonction des utilisations. La norme DIN 60751: 2009 définit la relation entre la résistance et la température pour les résistances en platine sur la base des formules suivantes :

Platine

Pour la plage : -200°C à 0°C
Rt = Ro [1 + At + Bt2 + C (t -100°C) t3]

Pour la plage : – 0°C à 850°C
Rt = Ro (1 + At + Bt2)

Les valeurs constantes pour le platine de la qualité utilisée pour les thermomètres industriels à résistance sont les suivantes :

A = 3,9083 × 10-3°C-1
B = -5 775 × 10-7°C-2
C = -4.183 × 10-12°C-4

Pour les thermomètres à résistance, le coefficient de température α est défini comme suit :
α = (R100 – Ro) / (100 × Ro) = 0,00385°C-1
R100 – résistance pour 100°C
Ro – résistance pour 0°C
La valeur exacte 0,00385055°C-1 est utilisée pour les calculs

Nickel

Dépendance entre la température et la résistance pour les capteurs nickel dans toute la plage de fonctionnement (de -60 à 250 ° C) est calculée sur la base de la formule suivante (selon DIN 43760):
Rt = Ro (1 + 0,5485 × 10-2t + 0,665 × 10-5t2 + 2 805 × 10-11t4 – 2 × 10-17t6)

Avec :
Ro – résistance pour température 0°C
Rt – résistance à la température t
t – température en °C
Pour plage de température -60°C à 180°C composant -2 × 10-17 t6 peut être omis.

Classes de précision et types de sonde PT100

Schémas de connexion et désignations des fils conducteurs – selon DIN 60751

Une connexion filaire à chaque pointe de résistance thermométrique. Schéma de connexion utilisé lorsque la résistance du fil conducteur peut être considérée comme un composant constant dans le circuit de mesure et lorsque l’erreur de mesure causée par l’influence de la résistance du fil conducteur peut être ignorée.

Une connexion d’un fil à la première pointe de résistance thermométrique et une connexion de deux fils à la deuxième pointe de résistance. Schéma de connexion utilisé pour la connexion avec les systèmes ayant une entrée à trois fils. Il permet de compenser les erreurs résultantes des changements de résistance et de la résistance du fil conducteur. Schéma de connexion la plus populaire.

Connexion à deux fils à chaque pointe de résistance thermométrique. Ce schéma de connexion permet une compensation précise des changements de résistance et de la résistance du fil conducteur. S’utilise pour les mesures dans les cas ou une précision importante est nécessaire.

Thermistance CTN

Les thermistances sont l’autre type de sondes qui utilisent la variation de la résistance pour mesurer la température. Elles sont à base de semi-conducteurs et le plus connu des thermistances est la CTN (Cœfficient de Température Négative). Contrairement aux sondes platine la résistance de la CTN diminue avec la température. De plus la résistance de la CTN est beaucoup plus importante que celle des sondes platine. En effet à la température de référence (25°C), la résistance de la CTN peut avoisiner 5000Ω (CTN 5kΩ) ou 10000Ω (CTN 10 kΩ). Les Thermistances sont une bonne alternative aux sondes PT quand une grande résolution est nécessaire. En effet cette technologie offre une grande variation de résistance pour une faible variation de température. L’autre point fort de la CTN est son temps de réponse rapide.

La technologie thermocouple

Les thermocouples se constituent de deux conducteurs (fils de thermocouple), avec des métaux différents. Cette technologie utilise l’effet thermoélectrique créé par la soudure entre les deux métaux pour la mesure de la température (l’Effet Seebeck). Ainsi l’effet thermoélectrique entraîne la création d’une force électromotrice (fem) provoquée par la différence de température entre deux jonctions. La soudure chaude (jonction des deux fils thermocouple) est soumise à la température mesurée. Et la soudure froide (extrémités non jointes et lâches du thermocouple) est à la température à l’endroit de la connexion (généralement au niveau de l’électronique).

La valeur de la force électromotrice (tension : mV) entre les jonctions, ci-dessous est pour le thermocouple type K, selon EN 60584-1: 1997.

Il existe 3 classes de précision pour des différents types de thermocouples. A savoir le classe 1, la classe 2 et la classe 3. Cf la table ci-dessous résumant les classes de précision en fonction des plages de température.

Autres grandeurs traitées par Instrumentys :
Humidité
Pression
Force
Pesage
IIoT