Mesure de la température avec des thermocouples, des RTD et des thermistors

Mesure de la température

Il existe une grande variété de capteurs pour traduire les phénomènes de température en signaux mesurables. Les capteurs les plus courants sont au nombre de 3 : les thermocouples, les capteurs de température à résistance (RTD) et les thermistances. Vous pouvez utiliser d’autres capteurs de mesure de température, tels que des circuits intégrés ou une fibre à réseau de Bragg, mais ils ne seront pas abordés dans ce document.

Les thermocouples fonctionnent selon l’effet Seebeck. Lorsque deux fils constitués de métaux différents sont reliés et chauffés à l’une de leurs extrémités, un circuit thermoélectrique se forme et provoque une différence de tension mesurable, appelée tension Seebeck, à l’extrémité « froide ». La plage de température, la sensibilité et l’erreur d’un ensemble de métaux donné varient en fonction des propriétés de ces métaux.

Figure 1. Illustration de l’effet Seebeck

Chaque type de thermocouple est constitué d’une combinaison unique de métaux. Vous devez comprendre les spécifications de fonctionnement du type de thermocouple que vous choisissez pour mesurer la température. Certains thermocouples offrent une large gamme de température au détriment d’une relation tension-température très non linéaire, alors que d’autres offrent une gamme de température plus restreinte (mais plus linéaire).

Les capteurs de température à résistance (RTD) sont des périphériques de mesure actifs qui fonctionnent en modifiant leur résistance en fonction des variations de la température ambiante. Les RTD sont généralement constitués d’un noyau en céramique ou en verre et d’un mince enroulement en métal, souvent du platine en raison de sa résistance.

Figure 2. Composants de base d’un thermomètre à résistance

D’autres configurations utilisent des matériaux d’isolation et/ou d’enroulement différents, ce qui aboutit à des performances et à des gammes de température différentes. Une autre option, le RTD à couche mince, consiste en une fine couche de métal entre des couches de matériau isolant. Ce modèle est particulièrement adapté aux mesures de température de surface, car il assure un contact plus uniforme sur toute la surface du RTD.

La clé de la capacité d’un RTD à mesurer la température réside dans les propriétés thermiques de l’enroulement métallique. Si vous comprenez bien ces propriétés, vous pouvez prédire de manière fiable la température à une résistance mesurée. La relation prévisible entre la résistance et la température permet d’obtenir un périphérique de mesure de la température précis.

Les thermistances, tout comme les RTD, sont des périphériques de mesure actifs qui fonctionnent en modifiant leur résistance en fonction des variations de la température ambiante. Ils sont constitués d’un semi-conducteur à base d’oxyde métallique pressé dans une petite bille, un disque, une plaquette ou un autre récipient et recouvert d’époxy ou de verre. Comme les thermistances sont construites à partir de matériaux semi-conducteurs, elles offrent donc la meilleure sensibilité de tous les dispositifs de mesure et sont idéales pour mesurer les variations de température les plus faibles. De plus, elles présentent généralement une résistance beaucoup plus élevée qu’un RTD. Contrairement à un RTD, une thermistance a généralement un coefficient de température négatif, ce qui signifie que sa résistance diminue à mesure que la température augmente.

Comparaison des capteurs de température

Avec trois types différents de capteurs de température, il est important de faire un choix entre ces trois types de capteurs à un niveau élevé avant de prendre en considération les différences et les types de chaque capteur.

Si vous n’êtes pas en mesure de choisir entre les trois options les plus courantes, passez d’abord en revue les avantages et les inconvénients de base et de haut niveau présentés dans le tableau 1. Si vous avez besoin de précisions, consultez les caractéristiques et les comparaisons des capteurs dans le tableau 2.

Après avoir sélectionné le capteur de température que vous utiliserez (thermocouples, RTD ou thermistances), vous pouvez passer en revue les considérations supplémentaires relatives à chaque capteur :

• Sélection du thermocouple
• Sélection du RDT
• Sélection de la thermistance

Avantages et inconvénients des capteurs de température

En fonction de vos limites ou de vos besoins, du budget aux capacités matérielles, chaque capteur présente des avantages et des inconvénients. Il est important de comprendre et de hiérarchiser les besoins en matière de test afin de choisir le meilleur capteur pour votre application.

Tableau 1. Avantages et inconvénients des types de capteurs de température

Caractéristiques du capteur de température

Lors de la sélection d’un capteur, pensez à l’impact que chacune des fonctionnalités a sur vos mesures et veillez à sélectionner le capteur dont les fonctionnalités correspondent le mieux aux exigences de votre projet. Utilisez les fonctionnalités suivantes pour définir les capacités et performances de votre capteur de température. Ces caractéristiques s’appliquent à tous les types de capteurs de température, mais avec quelques mises en garde et cas particuliers. Le tableau 2 compare les différentes caractéristiques des trois capteurs les plus courants.

Après avoir sélectionné le capteur de température que vous utiliserez (thermocouples, RTD ou thermistances), analysez d’autres considérations relatives aux capteurs avant de choisir le bon capteur pour vos applications.

Tableau 2. Comparaison des types de capteurs de température

Gamme de température

La gamme de températures d’un capteur définit les températures auxquelles le capteur fonctionne en toute sécurité et fournit des mesures précises.

• Thermocouple : chaque type possède une gamme de température spécifique en fonction des propriétés des métaux utilisés pour créer ce thermocouple.
• RTD : remplace une plage de température plus restreinte par une meilleure linéarité et une plus grande précision.
• Thermistances : offrent les gammes de température les plus basses, mais aussi une excellente sensibilité.

Si vous connaissez la gamme complète des températures, vous pouvez exposer votre capteur et éviter qu’il ne soit endommagé, tout en garantissant de meilleures mesures.

Linéarité

Un capteur idéal aurait une réponse parfaitement linéaire : une variation unitaire de la température entraînerait une variation unitaire de la tension de sortie sur toute la plage de température du capteur.

Cependant, aucun capteur n’est parfaitement linéaire. La figure 3 donne une idée de la réponse température-tension des trois capteurs présentés dans ce document.

Figure 3. Réponse température-sortie des capteurs

Sensibilité

La sensibilité d’un capteur donné indique le pourcentage de variation de la sortie mesurable pour un changement de température donné. Un capteur plus sensible, comme une thermistance, peut plus facilement détecter un changement mineur de température, contrairement à un capteur moins sensible, tel qu’un thermocouple.

Cette sensibilité, cependant, est obtenue au détriment de la linéarité. Cela peut être un facteur important lors du choix du capteur idéal pour votre application de mesure. Si vous avez l’intention de capturer des changements de fraction de degré sur une gamme de températures limitée, une thermistance ou un RTD est un choix plus judicieux. Pour capturer des changements de températures plus importants sur une plus grande gamme de températures, un thermocouple peut suffire. La figure 4 donne une idée relative de la tension.

Figure 4. Sensibilité des différents types de capteurs de température

Temps de réponse

Le temps de réponse est la mesure du temps nécessaire à un capteur pour répondre à un changement de température. De nombreux facteurs peuvent augmenter ou diminuer le temps de réponse.

Par exemple, plus la taille d’un RTD ou d’une thermistance augmente, plus leur temps de réponse est long. En contrepartie de cet inconvénient et d’un moins bon shunt thermique, un RTD ou une thermistance de plus grande taille est moins sensible aux erreurs d’auto-échauffement.

erreurs. De même, les jonctions de thermocouple non mises à la masse fournissent un temps de réponse plus lent malgré l’isolation électrique. La figure 5 montre la différence relative entre les temps de réponse des thermocouples mis à la terre et ceux des thermocouples non mis à la terre.

Figure 5. Temps de réponse des thermocouples mis à la terre ou non mis à la terre

Stabilité

La stabilité d’un capteur de température est une indication de sa capacité à maintenir une sortie constante à une température donnée.

Le matériau joue un rôle clé dans la stabilité d’un capteur donné. Les RTD sont souvent faits en platine pour cette raison, ainsi que pour assurer une réactivité faible. Le substrat auquel le platine est collé, cependant, peut se déformer après une exposition prolongée à des températures élevées, ce qui peut ajouter une contrainte supplémentaire et inattendue, modifiant ainsi la résistance mesurée.

Précision

Comme pour toute application de mesure, il est essentiel de comprendre vos besoins en matière de précision pour obtenir des résultats fiables. Vos choix en matière de capteur et de matériel jouent un rôle important dans la précision de mesure absolue, mais d’autres détails moins importants comme le câblage, la proximité d’autres équipements, le blindage, la mise à la masse et autres peuvent également affecter la précision.

Lors du choix d’un capteur, tenez compte des tolérances spécifiées et de tous les facteurs qui peuvent affecter cette spécification (par exemple, l’exposition prolongée à des températures élevées). Veillez également à choisir un capteur et un périphérique de mesure avec des précisions similaires. Un RTD à tolérance étroite coûte plus cher, mais vous risquez de ne pas obtenir la précision supplémentaire si vous utilisez un périphérique de mesure de mauvaise qualité.

Durabilité

Pour vous assurer que votre capteur de température reste opérationnel pendant toute la durée de votre application, vous devez comprendre l’environnement dans lequel vous le déployez. Certains capteurs (les thermocouples, par exemple) sont intrinsèquement plus pérennes en raison de leur construction. Cependant, les métaux sélectionnés pour un thermocouple donné ont différents niveaux de résistance à la corrosion. De plus, un capteur enfermé dans un minéral isolant et une gaine métallique est plus résistant à l’usure et à la corrosion dans le temps, mais il

coûte plus cher et est moins sensible. Vous devez aussi tenir compte du fait que différentes configurations de capteur peuvent avoir des exigences de montage spécifiques pour assurer un contact physique et thermique solide.

Coût

Comme pour tout aspect d’un projet, le coût peut être un facteur déterminant. Par exemple, dans les applications avec un nombre élevé de voies, le coût plus élevé des RTD par rapport aux thermocouples peut être rédhibitoire malgré leur meilleure linéarité. Vous devez également prendre en compte les coûts supplémentaires liés au câblage, au montage et au conditionnement des signaux lorsque vous évaluez le coût total du système.

Choisir le bon capteur

Tenez compte de quatre facteurs d’application principaux lors du choix de vos capteurs de température :

1. Comprendre l’application et les exigences de la mesure.

• À quelle vitesse la température changera-t-elle ? Déterminez un temps de réponse approprié.
• Quelle est la durée du déploiement/la durée de vie des capteurs ? Sélectionnez un type de capteur suffisamment durable pour réduire la maintenance.
• Quel est le degré de précision requis ? Tenez compte de la précision du capteur pour la précision de mesure globale.

2. Déterminer les plages de température à mesurer.

• Sélectionnez un type de capteur qui fonctionne au-delà de la gamme des températures possibles.
• Tenez compte de la linéarité de chaque type de capteur qui répond à vos exigences ; sélectionnez le type ayant la réponse la plus linéaire sur la gamme à mesurer pour améliorer la précision de conversion tension-température ou résistance-température.

3. Tenir compte de l’environnement dans lequel les capteurs sont déployés.

• Choisissez un matériau de revêtement résistant aux expositions chimiques.
• Déterminez si vous avez besoin d’une isolation pour éviter des boucles de masse ou du bruit de masse.
• Veiller à ce que vos capteurs soient conçus pour résister aux vibrations et à l’abrasion s’ils y sont exposés.

4. Envisager la façon dont vous montez vos capteurs et sélectionner un style de montage approprié pour maximiser la connexion thermique.

Après avoir choisi entre les thermocouples, les RTD et les thermistances pour mesurer la température, chaque catégorie de capteurs a ses propres caractéristiques qui influencent le choix du type de capteur à acheter.

Considérations relatives aux capteurs thermocouples

Il existe une grande variété de types et de constructions de thermocouples. Les deux principaux critères des capteurs thermocouples sont le type et la configuration de la gaine.

Les différents types sont généralement identifiés par une lettre. Les types les plus courants sont E-, J-, T-, K-, C-, R-, et S-. Le matériel de mesure de la température de NI fonctionne avec tous les thermocouples standard du National Institute of Standards and Technology (NIST). Le type de thermocouple définit les métaux utilisés pour créer le thermocouple. Par conséquent, il définit aussi la plage de fonctionnement, l’exactitude et la linéarité du thermocouple.

Les graphiques suivants illustrent la réponse en tension de différents types de thermocouples sur une gamme de températures.

Figure 6. Réponse en température des différents types de thermocouples

En plus du type de thermocouple, vous devez également choisir la configuration de la gaine. Certaines de ces options sont présentées dans la figure 7, notamment la mise à la terre, l’isolation, l’étanchéité et l’exposition.

En plus du type de thermocouple, vous devez également choisir la configuration de la gaine. Certaines de ces options sont présentées dans la figure 7, notamment la mise à la terre, l’isolation, l’étanchéité et l’exposition.

Figure 7. Possibilités de gainage des thermocouples

Chaque configuration présente des avantages et des inconvénients en termes de temps de réponse, d’immunité au bruit et de sécurité. Le tableau 3 donne un aperçu de l’impact de chaque option de configuration.

Tableau 3. Synthèse des configurations des jonctions de thermocouples

Considérations relatives aux capteurs RTD

Les différents types de RTD ont trois caractéristiques principales : le nombre de fils conducteurs, les matériaux des fils et la construction physique.

Nombre de fils conducteurs

Comme les RTD sont des capteurs actifs, ils nécessitent une excitation extérieure pour produire une chute de tension mesurable qui peut être traduite en résistance. Les valeurs de résistance sont généralement très faibles, ce qui signifie que la résistance du fil conducteur peut entraîner des mesures moins précises. C’est pourquoi les RTD sont souvent proposés dans des configurations multifilaires. Le nombre de fils conducteurs peut varier de 2 à 4.

• Les RTD à deux fils sont les plus simples à utiliser, mais ils peuvent affecter la précision des mesures si la résistance des fils conducteurs est importante par rapport à la résistance mesurée de l’élément RTD.

Figure 8. RTD à deux fils

• Les RTD à trois fils sont les plus courants dans les applications industrielles. Ils permettent au matériel de mesure de caractériser et de corriger la résistance du fil conducteur, ce qui permet d’obtenir une mesure plus précise. Des incohérences dans la résistance du fil conducteur peuvent toutefois entraîner des erreurs de mesure inattendues.

  

Figure 9. RTD à trois fils

• Les RTD à quatre fils offrent des voies distinctes pour l’excitation et la mesure de la résistance. Cela permet de corriger la résistance du fil conducteur et d’isoler tout bruit dans le signal d’excitation. Les RTD à quatre fils sont également insensibles aux différences de résistance entre les fils conducteurs, mais ils nécessitent un matériel de mesure capable de mesurer la résistance de quatre fils.

Figure 10. RTD à quatre fils

Matériau des fils

Chaque configuration de fil conducteur RTD peut être composée de différents matériaux. L’environnement de déploiement et la plage de température sont deux facteurs clés pour la sélection des matériaux utilisés pour les fils. La connaissance des environnements de test permet de limiter les matériaux utilisables en fonction de différentes contraintes, telles que la résistance à l’immersion dans l’eau, aux produits chimiques et/ou à l’abrasion. Le matériau du fil et sa taille ont également un impact sur la résistance du fil, en fonction de la configuration du fil.

Construction physique

La construction physique est spécifique à l’application. Il convient de tenir compte de la manière dont le capteur doit être monté, des exigences en matière d’isolation électrique et du type de milieu dans lequel le capteur sera immergé (liquide, gaz, surface solide, etc.).

Les configurations disponibles incluent des éléments RTD de base, des éléments de surface à couche mince et des sondes pour lesquelles l’élément RTD est enveloppé dans une gaine métallique et éventuellement isolé électriquement.

Figure 11. Styles de construction des RTD

Considérations relatives aux thermistances

Comme pour tout capteur de température, la composition du matériau et son impact sur la plage de température, la sensibilité, la précision, etc., sont des facteurs importants à prendre en compte dans le cas des thermistances.

Les fournisseurs de capteurs peuvent proposer différentes compositions d’oxyde métallique et/ou différents matériaux de boîtier qui influent sur la manière dont le capteur peut être monté ainsi que sur les capacités de résistance aux produits chimiques et à l’abrasion. Les thermistances sont également disponibles dans une variété de configurations physiques adaptées à différentes applications. La figure 12 présente certaines de ces options.

Figure 12. Configurations des thermistances

Contrairement aux RTD, les thermistances nécessitent rarement une configuration de type bifilaire, car leur résistance est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la résistance du fil conducteur éventuellement présent. L’impact de la résistance du fil conducteur sur la résistance mesurée est minime et souvent négligeable.

Conditionnement du signal pour les capteurs de température

En plus des fonctionnalités inhérentes aux capteurs (gamme de fonctionnement, sensibilité, linéarité, temps de réponse, etc.), vous devez prendre en compte les exigences auxquelles est soumis le matériel de mesure en fonction du capteur.

Chaque type de capteur de température nécessite un certain niveau de conditionnement du signal pour acquérir et numériser correctement le signal mesuré pour le traitement. Le matériel de mesure que vous sélectionnez peut être tout aussi important pour assurer des mesures précises que le capteur et peut atténuer ou exacerber les lacunes de chaque type de capteur.

Conditionnement de signal pour les trois types de capteurs (RTD, thermistances, thermocouples) :

• Amplification
• Ajustement d’erreur d’offset
• Mise à l’échelle des unités de température
• Correction de la résistance de fil
• Isolation voie à voie
• Filtrage

Conditionnement du signal spécifique aux thermocouples :

• Compensation de soudure froide
• Détection de thermocouple ouvert

Conditionnement de signal spécifique aux RTD et aux thermistances :

• Excitation

Certains matériels de mesure de la température de NI intègrent le conditionnement du signal. Pour vous familiariser avec le matériel de mesure nécessaire pour effectuer des mesures de température, téléchargez le Guide de l’ingénieur pour des mesures de capteurs précises.

Connecter les capteurs de température au matériel NI

Une fois que vous connaissez vos besoins en matière de capteur ou de test, la prochaine étape importante consiste à choisir le matériel pour collecter ces données. La qualité du matériel d’acquisition détermine la qualité des données que vous collectez.

NI propose différents matériels de mesure de la température conçus pour acquérir des données de température et compatibles avec tous les thermocouples NIST ainsi qu’avec certains capteurs RTD et de thermistance.