FAQ : Questions fréquemment posées concernant la mesure de la température – et leurs réponses

Un thermocouple est un capteur de température générant une tension thermoélectrique en fonction d’une température à mesurer. Lors de la création du signal a lieu ce que l’on appelle l’effet thermoélectrique, ou effet Seebeck.

Afin de pouvoir utiliser techniquement l’effet Seebeck, des métaux différents doivent être reliés ensemble. Leur combinaison pour des applications industrielles courantes est normalisée dans la norme DIN EN 60584-1. Les thermocouples peuvent être constitués de métaux et alliage communs tels que nickel / nickel-chrome (type K) ou fer / cuivre-nickel (type J), ou de métaux précieux tels que platine / platine – 13 % de rhodium (type R). Ceux-ci sont uniquement reliés ensemble au niveau de la pointe de mesure, la soudure chaude et forment un circuit électrique fermé.

Les thermocouples communs se distinguent par une forte manifestation des signaux, tandis que les thermocouples précieux sont beaucoup plus précis et résistants à la température.

Pour un signal de mesure correct du thermocouple, il faut déterminer la température au niveau du passage du thermocouple à l’appareil de mesure comme point de comparaison. Tous les appareils de mesure pour les thermocouples tiennent compte de la compensation de soudure froide (CJC) dès la configuration par défaut.

L’élément essentiel au fonctionnement du thermocouple est ce que l’on appelle l’effet Seebeck.

Dans un conducteur métallique présentant une différence de température entre les deux extrémités, des électrons se déplaçant librement sont poussés de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide en raison d’un excédent énergétique. Le transfert de charge qui en résulte entraîne un potentiel électrique entre les deux extrémités. Cet effet spécifique aux matériaux survient dans tous les métaux et semi-conducteurs.

Afin d’utiliser l’effet Seebeck techniquement, différents métaux sont reliés ensemble. Le point de jonction des deux métaux est amené à la température de mesure par un couplage thermique adapté. En raison de la différence de température entre les points de mesure – la soudure chaude – et le raccordement à l’appareil de mesure – la soudure froide – le transfert de charge a lieu dans les deux métaux. En raison de la différence entre les propriétés thermoélectriques des métaux, le niveau de la tension générée diffère également. La différence de potentiel des deux matériaux thermoélectriques peut être mesurée sous la forme d’une tension thermoélectrique.

Afin de standardiser la tension thermoélectrique, les couples de matériaux ainsi que le point de comparaison – l’extrémité « froide » sur laquelle est mesurée le signal – ont été normalisés à 0 °C. Les points de comparaison de la plupart des appareils de mesure des applications industrielles sont à la température ambiante. Ainsi, c’est un niveau de tension thermoélectrique moindre qui est appliqué via le thermocouple que le niveau nécessaire pour le calcul de la température exacte selon la norme. C’est pour cela que les appareils de mesure mesurent les températures des bornes de raccordement et compensent la tension thermoélectrique manquante par rapport à 0 °C par calcul – ce qu’on appelle la compensation de soudure froide (CJC).

Les thermocouples sont des thermomètres de contact électriques et peuvent en principe être utilisés dans tous les systèmes de mesure de l’industrie et de la recherche.

On entend par tension thermoélectrique la différence de potentiel électrique entre le conducteur positif et négatif d’un thermocouple, différence qui se forme en raison de la différence de température entre la sonde et les contacts de raccordement. La tension est créée par l’effet thermoélectrique, également appelé effet Seebeck. Les séries de tension sont normalisées pour chaque type de thermocouple dans la norme DIN EN 60584-1 avec 0 °C comme point de comparaison. Si le point de comparaison se trouve à un autre niveau de température, la tension thermoélectrique manquante ou excessive doit être compensée par calcul.

Le thermocouple type K est l’un des 10 types de thermocouples standardisés de la norme DIN EN 60584-1. Le type décrit la combinaison de matériaux thermoélectriques. Pour un thermocouple de type K, c’est un alliage nickel-chrome qui est utilisé comme conducteur positif et du nickel pour le conducteur négatif.

En Europe, ce type est étiqueté en vert conformément à la norme DIN EN 60584-3. C’est l’un des types les plus utilisés pour les applications industrielles.

Les types de thermocouples suivants sont normalisés :

Un thermocouple est un capteur de température générant une tension thermoélectrique en fonction d’une température à mesurer. Lors de la création du signal a lieu ce que l’on appelle l’effet thermoélectrique, ou effet Seebeck.

Afin de pouvoir utiliser techniquement l’effet Seebeck, des métaux différents doivent être reliés ensemble. Leur combinaison pour des applications industrielles courantes est normalisée dans la norme DIN EN 60584-1. Les thermocouples peuvent être constitués de métaux et alliage communs tels que nickel / nickel-chrome (type K) ou fer / cuivre-nickel (type J), ou de métaux précieux tels que platine / platine – 13 % de rhodium (type R). Ceux-ci sont uniquement reliés ensemble au niveau de la pointe de mesure, la soudure chaude et forment un circuit électrique fermé.

Les thermocouples communs se distinguent par une forte manifestation des signaux, tandis que les thermocouples précieux sont beaucoup plus précis et résistants à la température.

Pour un signal de mesure correct du thermocouple, il faut déterminer la température au niveau du passage du thermocouple à l’appareil de mesure comme point de comparaison. Tous les appareils de mesure pour les thermocouples tiennent compte de la compensation de soudure froide (CJC) dès la configuration par défaut.

La résistance de mesure Pt100/0 est une résistance électrique habituellement utilisée dans la mesure de température technique en tant qu’élément de capteur dans les thermomètres à résistance. Cette résistance est constituée de platine très pur et est à 100 ohms à 0 °C.

Lorsque la température augmente, la résistance interne du Pt100 augmente également, de sorte qu’à 100 °C, une résistance de 138,5 ohms est atteinte.

La résistance de mesure Pt100 existe généralement en 2 modèles : comme résistance avec bobinage et comme résistance de mesure plate.

La résistance à bobinage est enroulée autour d’un mandrin en céramique ou en verre et protégée contre les influences extérieures par un boîtier en céramique ou en verre.

Pour la résistance de mesure plate, un support en céramique est revêtu de platine. Cette couche de platine présente des pistes conductrices sous forme de méandres et est scellée à l’aide de colles pour céramique ou pour verre.

Les deux types de résistance sont équipés de pattes de raccordement.

Le thermomètre à résistance est un thermomètre de contact électrique. Il utilise la dépendance vis-à-vis de la température des résistances électriques pour les résistances métalliques ou de semi-conducteurs.

Le type le plus utilisé dans l’industrie est le thermomètre à résistance Pt100/0 dont la résistance de base est de 100 ohms à 0 °C.

L’industrie comprend également des applications avec des résistances de mesure Pt1000, Pt500 ou Ni100, ainsi que des résistances de mesure NTC ou PTC.

Lorsque la température des métaux change, leur résistance électrique change également. Cela signifie que la résistance électrique augmente lorsque la température monte, et diminue lorsque le métal refroidit. Le changement de la résistance électrique en fonction de la température se manifeste différemment pour chaque matériau.

C’est cet effet que l’on utilise pour les thermomètres à résistance. Pour des mesures exactes sur la base de cet effet, plusieurs conditions préalables sont requises : D’abord il faut un métal dont le comportement thermique est connu et peut être calculé. Ensuite, la résistance de base de ce métal doit être réglée de manière précise par étalonnage et ajustement pour une température définie. Enfin, la température de la résistance métallique doit être très proche de la température du milieu à mesurer.

Pour les résistances de mesure en platine de type PT100/0, les deux premières conditions préalables ont été normalisées dans la norme DIN EN 60751 et consolidées avec une fonction de calcul, des séries de résistances de température et des classes de précision. La dernière condition préalable du couplage de chaleur est une combinaison entre situation d’application et le modèle de capteur adapté.

En fonction de la qualité de fabrication des résistances de mesure, les thermomètres à résistance peuvent être répartis en plusieurs classes de précision. Selon la norme DIN EN 60751, les thermomètres à résistance disposent des écarts autorisés suivants :

Lorsque la température des métaux change, leur résistance électrique change également. Cela signifie que la résistance électrique augmente lorsque la température monte, et diminue lorsque le métal refroidit. Le changement de la résistance électrique en fonction de la température se manifeste différemment pour chaque matériau.

C’est cet effet que l’on utilise pour les thermomètres à résistance. Pour des mesures exactes sur la base de cet effet, plusieurs conditions préalables sont requises : D’abord il faut un métal dont le comportement thermique est connu et peut être calculé. Ensuite, la résistance de base de ce métal doit être réglée de manière précise par étalonnage et ajustement pour une température définie. Enfin, la température de la résistance métallique doit être très proche de la température du milieu à mesurer.

Pour les résistances de mesure en platine de type PT100/0, les deux premières conditions préalables ont été normalisées dans la norme DIN EN 60751 et consolidées avec une fonction de calcul, des séries de résistances de température et des classes de précision. La dernière condition préalable du couplage de chaleur est une combinaison entre situation d’application et le modèle de capteur adapté.

En fonction de la qualité de fabrication des résistances de mesure, les thermomètres à résistance peuvent être répartis en plusieurs classes de précision. Selon la norme DIN EN 60751, les thermomètres à résistance disposent des écarts autorisés suivants :

Un thermomètre à résistance classique est composé d’une ou de plusieurs résistances de mesure, de conducteurs électriques, d’un tube de protection, de matériau isolant et de raccordements appropriés.

La construction peut en principe se différencier entre capteurs à câble et éléments de mesure. Tandis que les éléments de mesure sont montés dans des armatures avec tube de protection, socle de raccordement et tête de raccordement et peuvent être remplacés à tout moment, les capteurs à câble sont constitués d’un câble flexible et d’un élément capteur.

Outre la résistance de mesure, l’élément décisif pour la précision du thermomètre à résistance est le choix du type de circuit.

Le montage 2 fils est la méthode de mesure la moins chère mais également la moins précise. Les deux pattes de raccordement de la résistance de mesure sont rallongées chacune par un conducteur et raccordées à l’appareil de mesure. Cela permet d’utiliser peu de matériau, mais les résistances internes du câble sont complètement absorbées par le signal de mesure. C’est pour cela que les conducteurs doivent être aussi courts que possible ou avoir une grande section de câble, ou alors l’erreur doit être compensée par calcul.

Le montage 4 fils est la méthode de mesure utilisant le plus de matériau et d’évaluation, mais c’est également la plus précise. Une combinaison ingénieuse entre un courant constant via la résistance et par un couple de fils rouge-blanc et la mesure de la chute de tension via la résistance de mesure et par le deuxième couple de fils, permet d’entièrement compenser les résistances internes des conducteurs. Le signal de mesure est mesuré sans erreur.

Le compromis entre ces deux circuits est le montage 3 fils.

Un montage en pont, par exemple le pont de Wheatstone, permet de compenser les résistances internes par un circuit. La difficulté est toutefois que la construction, les propriétés du matériau et les conditions extérieures doivent être rigoureusement identiques pour les trois conducteurs afin que la mesure puisse être effectuée sans erreur. Les différences dues à la structure réelle des conducteurs et des conditions réelles d’utilisation sont cependant bien moindres que pour le montage 2 fils.

Les capteurs numériques associent un capteur analogique tel qu’un thermomètre à résistance et un convertisseur de signal tel qu’une unité de mesure ou un transducteur de mesure. Le transducteur de mesure module le signal analogique du thermomètre à résistance en signal discret, par exemple via un signal HART. Les affichages numériques dans les têtes de raccordement sont également possibles. Les capteurs numériques nécessitent une source de tension externe ou interne ainsi qu’une interface de communication compatible.

NTC et PTC sont des capteurs dont la résistance électrique change en fonction de la température. Deux comportements sont alors possibles :

La résistance augmente lorsque la température augmente. La meilleure conductivité est ainsi obtenue à de basses températures. Ce comportement s’illustre par ce que l’on appelle des thermistances avec un coefficient de température positif (Positive Temperature Coefficient – ou PTC). Les thermistances PTC sont par exemple des métaux tels que le platine dans un Pt100/0.

Le comportement des thermistances NTC est exactement l’inverse. Lorsque la température augmente, la résistance de la thermistance NTC baisse – elle présente des coefficients de température négatifs (Negative Temperature Coefficient – ou NTC). La meilleure conductivité est ainsi obtenue à des températures élevées. Les thermistances NTC sont par exemple des oxydes métalliques / céramiques ou des semi-conducteurs tels que le silicium.

En pratique, il est possible d’utiliser les deux types de thermistance pour la mesure de la température. Toutefois, il faut tenir compte des trajets du signal partiellement non linéaires pour les capteurs NTC.

Pour savoir si un capteur est actif ou passif, il faut savoir si le capteur émet un signal de manière autonome/activement, ou s’il doit fonctionner avec de l’énergie externe.

Les thermocouples par exemple sont des capteurs actifs, car ils génèrent une tension thermoélectrique en raison des conditions ambiantes, tension qui peut également être affichée par un appareil d’affichage de mesure analogique.

Les capteurs passifs sont généralement tous les capteurs basés sur une résistance, capacitifs ou inductifs. En font donc partie les thermomètres à résistance. Ils ont besoin d’un courant de mesure amené via le dispositif de mesure. Cette énergie externe est ensuite modulée en raison des influences ambiantes et peut être évaluée sous la forme d’un signal. Pour les capteurs passifs, il convient de tenir compte de l’auto-échauffement qui peut influencer les résultats de mesure. C’est pour cela que le courant de mesure des thermomètres à résistance est généralement limité à ≤ 1 mA.