Bien choisir un capteur de température

La température est certainement la grandeur physique la plus mesurée dans l’industrie, c’est un paramètre essentiel dans la conduite de nombreux procédés. Un capteur de température transforme une information de température en un signal électrique utilisable par un instrument de mesure, un afficheur ou un automatisme.

Parmi les différentes technologies de capteurs de température existantes il existe deux types bien différents :

  • Les capteurs par contact qui constituent la majorité des capteurs de température, dont l’élément sensible se trouve au niveau du point de contact entre le capteur et ce dont on veut mesurer la température.
  • Les capteurs sans contact qui utilisent la technologie infrarouge pour mesurer la température d’une surface à distance.
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Comment choisir un capteur de température ?

Pour choisir le capteur de température le plus adapté à vos besoins, vous devrez vous poser les questions suivantes :

Dois-je choisir un capteur à contact ou à infrarouge ?
Les capteurs à contact peuvent prendre différentes formes, on trouve ainsi des capteurs adaptés à la mesure de température d’une surface, ou des sondes permettant de mesurer des températures à l’intérieur de la matière. Dans tous les cas, la qualité du contact entre le capteur et ce que l’on veut mesurer est primordiale.
Les capteurs à infrarouges ne peuvent mesurer que la température de la surface qu’ils visent. Même s’ils ne nécessitent pas de contact, il faut faire attention à la nature de l’atmosphère entre le capteur et sa cible qui peut influencer la mesure.

 

Dans le cas des capteurs à contact, quelle est la technologie que je souhaite utiliser ? Il en existe plusieurs : les thermocouples, les capteurs à résistance, etc. On ne peut pas dire qu’une technologie soit meilleure qu’une autre, chacune a ses avantages et inconvénients :

Critère Thermocouple RTD Thermistance
Précision * *** *
Linéarité ** *** *
Sensibilité * ** ***
Coût *** * **

 

Le temps de réponse du capteur peut également être important à prendre en compte si on doit mesurer des variations de température, les thermocouples ayant un temps de réponse plus rapide que les RTD.

La plage de température à mesurer sera bien évidemment un critère de choix important du capteur à proprement dit, mais également de sa technologie. En effet, les thermocouples et les RTD sont classés en fonction des matériaux constituant leur élément sensible et possèdent des plages de mesure différentes.

Pourquoi choisir un capteur de température à thermocouple ?

Capteur de température à thermocouple de la marque Danfoss
Capteur de température à thermocouple de la marque Danfoss

Un capteur à thermocouple est basé sur l’effet Seebeck, il est constitué de deux fils de métaux différents soudés ensemble à une extrémité, que l’on nomme soudure chaude. En reliant les deux extrémités restantes appelées soudures de référence à un voltmètre, on mesure une tension électrique lorsque la température de la soudure chaude est différente de celle des soudures de référence.

Il existe plusieurs types de thermocouples qui correspondent à des couples de métaux différents. Chaque couple de métaux possède une plage de mesure différente :

 

Type Composition Plage de températures
T cuivre / constantan -250°C à 400°C
J fer / constantan -180°C à 750°C
E chromel / constantan -40°C à 900°C
K chromel / alumel -180°C à 1 200°C
S platine-rhodium (10 %) / platine 0°C à 1 700°C
R platine-rhodium (13 %) / platine 0°C à 1 700°C
B platine-rhodium (30 %) / platine-rhodium (6 %) 0°C à 1 800°C
N nicrosil / nisil -270°C à 1 280°C
G tungstène / tungstène-rhénium (26 %) 0°C à 2 600°C
C tungstène-rhénium (5 %) / tungstène-rhénium (26 %) 20°C à 2 300°C
D tungstène-rhénium (3 %) / tungstène-rhénium (25 %) 0°C à 2 600°C

 

L’utilisation d’un type de thermocouple plutôt qu’un autre dépend fortement de la plage de température sur laquelle il devra travailler mais également du type d’ambiance :

  • E : Recommandé pour les atmosphères oxydantes ou inertes en continu.
  • J : Convient aux atmosphères sous vide, réductrices ou inertes.
  • K : Recommandé pour les atmosphères oxydantes ou neutres continues.
  • N : Peut être utilisé dans les applications où les éléments de type K ont des problèmes de durée de vie.
  • T : Utilisable dans des atmosphères oxydantes, réductrices ou inertes ainsi que sous vide. Non soumis à la corrosion dans des atmosphères humides.
  • R & S : Recommandés pour les hautes températures. Doivent être protégés dans un tube de protection non métallique et des isolants en céramique. Le type R est utilisé dans l’industrie, le type S en laboratoire.
  • B : Identique au R & S mais il est capable de mesurer des températures plus élevées.

 

Avantages :

  • tenue et stabilité à températures élevées
  • nombreuses possibilités de diamètres et de dimensions
  • mesure en bout au niveau de la soudure chaude
  • temps de réponse très court
  • bon marché

Inconvénients:

  • précision plus faible que d’autres technologies
  • câblage coûteux, compensation de soudure froide nécessaire
  • signal électrique faible

 

Points importants :

  • large plage de température
  • temps de réponse court
  • thermocouple type K
  • thermocouple type T

Pourquoi choisir un capteur de température à résistance ?

Capteur de température à résistance de la marque Krohne
Capteur de température à résistance de la marque Krohne

Un capteur de température à résistance, souvent appelé RTD, est un capteur à contact. Il utilise la variation de la résistance d’un métal (le platine, le cuivre, le nickel ou le tungstène) en fonction de la température. Ce type de capteur utilise plusieurs métaux qui offrent des plages de mesure différentes :

  • Le platine : -200 °C à 600 °C
  • Le cuivre : -190 °C à 150 °C
  • Le nickel : -60 °C à 180 °C
  • Le tungstène : -100 °C à 1400 °C

Le métal le plus utilisé pour les capteurs de température à résistance est le platine car il offre une plage de mesure intéressante. On parle alors de capteur de température à résistance de platine. Les plus connus sont les Pt100 (qui présentent une résistance de 100 ohms à 0 °C) et les Pt1000 (qui offrent une résistance de 1 000 ohms à 0 °C). Le Pt1000 offre une meilleure précision et une plus grande tolérance aux grandes longueurs de fil que le Pt100.

Par rapport aux thermocouples, les capteurs à résistance offrent une meilleure précision et une réponse la plus linéaire. Ils sont plus stables en mesure et ont une large plage de température. En revanche, leur temps de réponse est plus long et leur sensibilité moins bonne.

 

Points importants :

  • précision
  • temps de réponse élevé
  • faible sensibilité
  • grande plage de mesure
  • Pt100
  • Pt1000

Pourquoi choisir un capteur de température à thermistance ?

Capteur de température à thermistance de la marque Omega
Capteur de température à thermistance de la marque Omega

Les thermistances sont une autre forme de capteur à résistance, elles utilisent la variation de la résistance d’oxydes métalliques en fonction de la température. Il existe deux types de capteurs à thermistance : les CTN (Coefficients de Température Négative) qui ont une variation de résistance négative plutôt régulière et les CTP (Coefficients de Température Positive) qui montrent une variation de résistance positive soudaine sur un domaine de température étroit.

Les thermistances présentent un temps de réponse rapide et sont bon marché, mais elles sont assez fragiles et ont une gamme de mesure nettement plus limitée que les autres technologies de capteur.

Points importants:

  • sensibilité élevée
  • bonne précision
  • bon marché
  • plage de température limitée
  • CTN
  • CTP

Pourquoi choisir un capteur de température à infrarouge ?

Capteur de température à infrarouges de la marque Optris
Capteur de température à infrarouges de la marque Optris

Un capteur de température à infrarouge mesure le rayonnement d’une surface dans le domaine infrarouge pour en déduire la température de la surface. Le principal avantage de ce type de capteur est qu’il travaille à distance sans aucun contact physique avec la surface cible.

Le temps de réponse de ces capteurs est très rapide, contrairement aux capteurs à contact, ils n’ont pas besoin de se mettre à l’équilibre thermique (même température). Ces capteurs peuvent ainsi réaliser des mesures sur des objets en mouvement, par exemple sur une ligne de production, sur des objets difficiles d’accès situés à l’intérieur d’un four, etc.

En revanche, ils ne peuvent mesurer que la température de surface de la cible et la mesure peut être influencée par l’état de la surface cible (poussière, rouille, etc.), par la propreté de la lentille du capteur (poussière) et par l’ambiance sur le trajet optique entre le capteur et la cible (poussière, humidité, gaz de combustion, etc.).

 

Points importants:

  • sans contact
  • à distance
  • mesure de surface
  • temps de réponse très rapide
  • objets en mouvement