Capteurs de température : thermocouples et sondes Pt100

Prérequis

Connaissances de base en électricité (tension, courant, résistance), en physique des matériaux et en thermodynamique (transfert de chaleur). Familiarité avec les notions de mesure et de régulation.

Explication théorique

PRINCIPES DE LA MESURE DE TEMPÉRATURE : La mesure de température est fondamentale dans de nombreux processus industriels. Elle permet de surveiller, contrôler et optimiser les systèmes, assurant la qualité des produits et la sécurité des opérations. Les capteurs de température convertissent une variation de température en un signal électrique mesurable. LES THERMOCOUPLES : Un thermocouple est un capteur de température passif qui fonctionne sur le principe de l'effet Seebeck (ou thermoélectrique). Cet effet décrit la conversion d'une différence de température directement en une différence de potentiel électrique. Deux conducteurs de nature métallique différente (appelés thermoéléments) sont soudés à une extrémité pour former une jonction de mesure, ou jonction chaude. Les autres extrémités de ces conducteurs sont raccordées à un circuit de mesure, formant la jonction de référence, ou jonction froide. Lorsqu'une différence de température existe entre la jonction chaude et la jonction froide, une tension (force électromotrice - f.e.m.) est générée. Cette tension est proportionnelle à la différence de température et dépend des matériaux des thermoéléments. Les thermocouples sont classés par types (J, K, T, E, N, R, S, B) selon les matériaux utilisés, ce qui détermine leur plage de température, leur sensibilité et leur précision. Par exemple, le type K (Nickel-Chrome / Nickel-Aluminium) est très courant pour sa large plage de mesure et sa robustesse. Caractéristiques des thermocouples : - Grande plage de mesure (de -200 °C à plus de 2000 °C selon le type). - Temps de réponse rapide en raison de leur faible masse thermique. - Robustes et résistants aux vibrations et aux chocs. - Nécessitent une compensation de jonction froide, car la tension mesurée dépend de la température de la jonction de référence. - Linéarité relative de la tension en fonction de la température. - Moins précis que les sondes à résistance. LES SONDES PT100 (RTD - RESISTANCE TEMPERATURE DETECTOR) : Une sonde Pt100 est un capteur de température actif basé sur le principe de la variation de la résistance électrique d'un métal en fonction de la température. Le 'Pt' signifie Platine, et '100' indique que sa résistance nominale est de 100 Ohms à 0 °C. Le platine est choisi pour sa stabilité, sa reproductibilité et sa relation résistance-température quasi linéaire sur une large plage. La relation est décrite par la formule de Callendar-Van Dusen ou des approximations polynomiales. Pour mesurer la résistance, on utilise généralement des montages à 3 ou 4 fils pour compenser la résistance des fils de connexion. Un montage à 2 fils est plus simple mais moins précis car la résistance des fils s'ajoute à celle du capteur, faussant la mesure. Un montage à 3 fils utilise un fil de connexion de courant et deux fils de mesure de tension, permettant de soustraire la résistance des fils d'alimentation. Un montage à 4 fils est le plus précis, car il permet de mesurer la tension aux bornes du capteur sans que le courant de mesure ne circule dans les fils de tension. Caractéristiques des sondes Pt100 : - Excellente précision et reproductibilité sur une plage de température de -200 °C à environ +600 °C (voire 850 °C pour certains modèles). - Très bonne linéarité de la résistance en fonction de la température. - Ne nécessitent pas de compensation de jonction froide. - Plus fragiles que les thermocouples (fils fins de platine). - Temps de réponse plus lent que les thermocouples en raison de leur masse thermique plus importante. - Coût généralement plus élevé que les thermocouples pour une même application de base. COMPARAISON ET CHOIX : Le choix entre un thermocouple et une sonde Pt100 dépend de plusieurs facteurs : la plage de température, la précision requise, le temps de réponse, la robustesse nécessaire, l'environnement d'utilisation et le coût. Les thermocouples sont préférés pour les très hautes températures et les environnements rudes. Les sondes Pt100 sont privilégiées lorsque la précision est primordiale et pour des températures modérées. Pour les deux types de capteurs, l'utilisation d'un transmetteur de température est fréquente pour convertir le signal brut (mV ou Ohm) en un signal standardisé (ex: 4-20mA, 0-10V) compatible avec les automates programmables industriels (API) ou les systèmes de contrôle distribués (DCS).

Formules

• V_emf = f(T_chaude - T_froide)

  Force électromotrice (f.e.m.) générée par un thermocouple, fonction de la différence de température entre la jonction chaude et la jonction froide. La fonction f est non linéaire et dépend du type de thermocouple.

• R_T = R_0 × (1 + A × T + B × T²)

  Formule de Callendar-Van Dusen simplifiée pour la résistance d'une sonde Pt100 en fonction de la température T (pour T > 0°C). R_T est la résistance à la température T, R_0 est la résistance à 0°C (100 Ω pour une Pt100). A et B sont des coefficients spécifiques au platine (A ≈ 3.9083 x 10⁻³ °C⁻¹, B ≈ -5.775 x 10⁻⁷ °C⁻²). Pour T < 0°C, un terme C.T³ est ajouté ou une autre formulation est utilisée.

• I = U / R

  Loi d'Ohm, utile pour comprendre la mesure de résistance des sondes Pt100 où un courant de mesure est injecté pour déterminer la chute de tension.

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE NUMÉRIQUE : CALCUL DE LA TEMPÉRATURE À PARTIR D'UNE SONDE PT100 Hypothèses : - Sonde Pt100 standard avec une résistance nominale R₀ = 100 Ω à 0 °C. - Coefficients de Callendar-Van Dusen simplifiés pour T > 0°C : A = 3.9083 x 10⁻³ °C⁻¹ et B = -5.775 x 10⁻⁷ °C⁻². - On mesure une résistance de la sonde R_T = 120 Ω. Données : - R₀ = 100 Ω - A = 3.9083 x 10⁻³ °C⁻¹ - B = -5.775 x 10⁻⁷ °C⁻² - R_T = 120 Ω Calcul étape par étape : La formule de Callendar-Van Dusen est : R_T = R₀ × (1 + A × T + B × T²). Nous devons résoudre cette équation quadratique pour T. 1. Diviser R_T par R₀ : 120 / 100 = 1.2 2. L'équation devient : 1.2 = 1 + A × T + B × T² 3. Réorganiser pour former une équation quadratique standard (aT² + bT + c = 0) : B × T² + A × T + (1 - 1.2) = 0 B × T² + A × T - 0.2 = 0 (-5.775 x 10⁻⁷) × T² + (3.9083 x 10⁻³) × T - 0.2 = 0 4. Utiliser la formule quadratique T = [-b ± sqrt(b² - 4ac)] / 2a a = -5.775 x 10⁻⁷ b = 3.9083 x 10⁻³ c = -0.2 Calcul du discriminant (Δ) : b² - 4ac Δ = (3.9083 x 10⁻³)² - 4 × (-5.775 x 10⁻⁷) × (-0.2) Δ = (1.52748 x 10⁻⁵) - (4.62 x 10⁻⁷) Δ = 1.48128 x 10⁻⁵ sqrt(Δ) = sqrt(1.48128 x 10⁻⁵) ≈ 0.0038487 Calcul de T : T₁ = [- (3.9083 x 10⁻³) + 0.0038487] / (2 × -5.775 x 10⁻⁷) T₁ = [- 0.0039083 + 0.0038487] / (-1.155 x 10⁻⁶) T₁ = [- 0.0000596] / (-1.155 x 10⁻⁶) ≈ 51.59 °C T₂ = [- (3.9083 x 10⁻³) - 0.0038487] / (2 × -5.775 x 10⁻⁷) T₂ = [- 0.007757] / (-1.155 x 10⁻⁶) ≈ 6715 °C (cette valeur est hors de la plage de fonctionnement d'une Pt100, donc non physique) Résultat : La température mesurée est d'environ 51.6 °C. APPLICATION INDUSTRIELLE CONCRÈTE : Dans une brasserie, la température doit être précisément contrôlée à chaque étape du processus de fermentation pour assurer la qualité et la consistance du produit. Des sondes Pt100 sont souvent utilisées dans les cuves de fermentation. La haute précision des Pt100 permet de maintenir la température dans une plage très étroite (par exemple, 18°C ± 0.5°C pour une levure spécifique). Les transmetteurs de température convertissent le signal de résistance des Pt100 en un signal 4-20 mA, qui est ensuite envoyé à un automate programmable industriel (API). L'API compare cette valeur avec le point de consigne, puis ajuste la vanne d'admission du fluide de refroidissement pour maintenir la température désirée. La stabilité et la reproductibilité des Pt100 sont cruciales pour garantir une fermentation optimale et reproductible d'un lot à l'autre.

Méthode de mesure

MESURE DE TEMPÉRATURE AVEC UN THERMOCOUPLE : 1. Connexion : Raccorder le thermocouple à un appareil de mesure (multimètre avec fonction thermocouple, régulateur, transmetteur) en respectant la polarité des fils (généralement, le fil positif est rouge pour la plupart des types K en Europe, mais toujours vérifier les spécifications). 2. Compensation de Jonction Froide (CJC) : S'assurer que l'appareil de mesure dispose d'une compensation de jonction froide intégrée et active. Cette fonction mesure la température du bornier de raccordement pour corriger la f.e.m. générée à la jonction de référence. 3. Positionnement : Placer la jonction chaude du thermocouple au point de mesure souhaité dans le processus. 4. Lecture : Lire la température affichée par l'appareil, qui est le résultat de la conversion de la f.e.m. compensée. MESURE DE TEMPÉRATURE AVEC UNE SONDE PT100 : 1. Connexion : Raccorder la sonde Pt100 à un appareil de mesure de résistance (multimètre en mode ohmmètre, transmetteur RTD, régulateur) en utilisant le bon montage (2, 3 ou 4 fils). 2. Montage 3 ou 4 fils : Toujours privilégier un montage 3 ou 4 fils pour compenser la résistance des câbles et obtenir une mesure précise, surtout si les câbles sont longs. 3. Injection de courant : L'appareil injecte un faible courant de mesure constant à travers la sonde. 4. Mesure de tension : L'appareil mesure la chute de tension aux bornes de la sonde. 5. Calcul de résistance : L'appareil calcule la résistance de la sonde (R = U/I). 6. Conversion : L'appareil convertit la résistance en valeur de température en utilisant les courbes de linéarisation (ex. IEC 60751 ou équivalent). 7. Lecture : Lire la température affichée.

Instruments nécessaires

- Pour Thermocouples : Multimètre avec fonction thermocouple intégrée, régulateur de température, transmetteur de température, calibrateur de thermocouple. - Pour Sondes Pt100 : Multimètre avec fonction ohmmètre ou RTD, régulateur de température, transmetteur de température, calibrateur de résistance ou RTD. - Accessoires courants : Câbles de compensation (pour thermocouples), câbles de raccordement blindés, puits thermométriques, blocs de jonction.

Procédure de contrôle

1. Vérification visuelle : Inspecter le capteur et son câblage pour tout dommage mécanique ou signe de corrosion. 2. Vérification de la continuité : Pour un thermocouple, vérifier la continuité des thermoéléments. Pour une Pt100, mesurer la résistance à température ambiante et comparer à la valeur attendue. 3. Mesure de référence : Utiliser un thermomètre de référence étalonné (ex. thermomètre de précision) pour mesurer la température au même point que le capteur. 4. Comparaison : Comparer la valeur affichée par le système de mesure du capteur avec la lecture du thermomètre de référence. Vérifier la déviation. 5. Calibrage (si nécessaire) : Si la déviation est en dehors des tolérances acceptables, calibrer le système de mesure (capteur + transmetteur + afficheur) en utilisant un calibrateur spécifique au type de capteur et en suivant les procédures du fabricant et les normes d'étalonnage. Une calibration à plusieurs points est recommandée.

Symptômes de panne

- Lecture de température erronée ou incohérente (trop haute, trop basse). - Affichage 'Ouvert' ou 'Capteur déconnecté' sur le système de contrôle. - Fluctuation anormale ou instabilité de la valeur de température. - Absence totale de mesure. - Comportement de régulation incohérent (par exemple, surchauffe ou sous-refroidissement du processus).

Causes probables

- Câblage défectueux : Coupure, court-circuit, mauvaise connexion, inversion de polarité (thermocouple), résistance de ligne excessive (Pt100 2 fils). - Capteur endommagé : Rupture des thermoéléments (thermocouple), rupture du filament de platine (Pt100), corrosion, déformation. - Problème de compensation de jonction froide (pour les thermocouples) : Dysfonctionnement du capteur de référence de température du bornier. - Erreur de type de capteur : Mauvais type de thermocouple ou de Pt100 sélectionné dans l'instrumentation. - Interférences électromagnétiques (EMI) : Câbles non blindés ou mal blindés près de sources de bruit électrique. - Problème de transmetteur : Défaillance électronique du transmetteur. - Vieillissement ou dérive du capteur : Altération des caractéristiques du matériau dans le temps ou à cause de conditions extrêmes.

Erreurs fréquentes

- Utilisation d'un câble de raccordement standard au lieu d'un câble de compensation pour un thermocouple, ce qui introduit des erreurs de jonction froide. - Connexion en 2 fils d'une Pt100 sur une longue distance sans compensation de la résistance des fils, entraînant une surévaluation de la température. - Non-respect de la polarité lors du raccordement d'un thermocouple. - Installation d'un capteur dans un puits thermométrique trop long ou mal ajusté, augmentant le temps de réponse et créant un décalage thermique. - Mauvaise isolation électrique des capteurs ou de leur câblage dans des environnements humides ou conducteurs. - Oubli de recalibrer le système de mesure après remplacement d'un capteur ou d'un transmetteur.

Précautions de sécurité

- CONSIGNATION : Avant toute intervention sur le câblage ou le remplacement d'un capteur, s'assurer que l'alimentation électrique de l'instrumentation est coupée et consignée selon les procédures de sécurité applicables. (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). - EPI : Porter les Équipements de Protection Individuelle appropriés à l'environnement de travail (gants de protection, lunettes de sécurité, chaussures de sécurité, etc.). - HABILITATION : Seuls les personnels habilités et formés doivent intervenir sur les systèmes électriques et d'instrumentation. - RISQUES THERMIQUES : Lors du retrait ou de l'installation de capteurs dans des puits thermométriques, être conscient des risques de brûlures en cas de contact avec des fluides chauds sous pression ou des surfaces chaudes. - RISQUES CHIMIQUES : En présence de fluides corrosifs, prendre des précautions supplémentaires pour éviter tout contact avec les substances chimiques. - PRESSION : Ne jamais déconnecter un capteur installé sur une ligne sous pression sans avoir purgé ou isolé la section concernée.

Références

• Norme IEC 60584 - Thermocouples - Parties 1 à 3 — référence à vérifier
• Norme IEC 60751 - Capteurs de température à résistance industriels en platine — référence à vérifier
• Documentation technique des fabricants de capteurs de température (ex. Endress+Hauser, Jumo, Wika, Omega) — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Quelle est la principale différence entre un thermocouple et une Pt100 ?

  Un thermocouple est un capteur passif qui génère une tension en fonction de la différence de température entre deux jonctions de matériaux différents (effet Seebeck). Une Pt100 est un capteur actif dont la résistance électrique varie en fonction de la température (basé sur le principe de variation de résistance du platine).

• Quand faut-il utiliser un montage 3 ou 4 fils pour une Pt100 ?

  Il est toujours préférable d'utiliser un montage 3 ou 4 fils pour une Pt100 afin de compenser la résistance des fils de connexion. Cela garantit une précision optimale, surtout pour les longues distances de câblage. Le montage 2 fils est réservé aux applications où une très haute précision n'est pas requise ou pour de très courtes distances de câble.

• Qu'est-ce que la compensation de jonction froide pour les thermocouples ?

  La compensation de jonction froide (CJC) est un processus qui corrige la tension mesurée par un thermocouple. La tension générée dépend de la différence de température entre la jonction de mesure et la jonction de référence (généralement le bornier de raccordement). La CJC mesure la température de cette jonction de référence et ajoute (ou soustrait) une tension équivalente pour obtenir la tension qui correspondrait à une jonction de référence à 0°C, donnant ainsi la température absolue de la jonction de mesure.