Thermomètre à résistance platine standard (SPRT)

introduction

Les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) sont des thermomètres de haute précision qui utilisent la résistance électrique du platine pour mesurer les températures avec la plus grande précision et répétabilité. L’Échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) utilise les SPRT comme outil d’interpolation pour établir une base globalement cohérente et fiable pour les mesures de température et les étalonnages de température.

Que sont les SPRT et pourquoi sont-ils importants ?

Dans le monde de la technologie de mesure de précision, les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) jouent un rôle central lorsqu’il s’agit de mesurer des températures extrêmement précises. Ces thermomètres spécialisés exploitent la propriété selon laquelle la résistance électrique du platine pur varie de manière prévisible avec la température pour fournir des lectures de la plus haute précision et répétabilité.

Cette précision fait des thermomètres un outil important dans les laboratoires et les industries du monde entier, où ils servent de principaux appareils de référence. Ils constituent la référence en matière de mesure de la température sur laquelle s’appuient les normes et étalonnages internationaux pour garantir la comparabilité des mesures de température au-delà des frontières et des disciplines. Leur utilisation est fondamentale pour maintenir l’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90), qui sert de ligne directrice mondiale pour la mesure de la température, soutenant de manière significative la qualité et la précision dans les domaines de la science, de la médecine, de l’industrie et de la surveillance environnementale.

SPRT et l’échelle de température ?

L’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) est l’échelle de température actuelle établie dans le monde entier comme base pour des mesures précises de température. L’objectif de l’ITS-90 est de fournir une échelle uniforme, précise et mondialement reconnue pour garantir la comparabilité des mesures de température. Contrairement aux échelles précédentes, l’ITS-90 est basée principalement sur les températures de points fixes définis par les propriétés physiques des substances pures. En particulier, les points triples – états dans lesquels une substance existe à la fois en phase solide, liquide et gazeuse, comme le point triple de l’eau – ainsi que les points de solidification de divers métaux, comme l’étain, le zinc ou l’aluminium, sont utilisés. Ces points fixes offrent des températures de référence extrêmement précises et reproductibles.

Des thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) sont utilisés pour être étalonnés à ces points fixes de température déterminants. La précision des points fixes de température et du thermomètre est importante pour la mise en œuvre de l’ITS-90. En utilisant ces points de température fixes, l’ITS-90 permet la plus grande précision et reproductibilité de mesure de température à ce jour, ce qui le rend indispensable pour les applications dans la recherche, l’industrie et le contrôle qualité.

De plus amples informations sur l’ITS-90 peuvent être trouvées ici : L’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90)

Comment fonctionnent les thermomètres à résistance

Les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) utilisent la relation précisément définie entre la température et la résistance électrique du platine pur pour mesurer les températures. En mesurant l’évolution de cette résistance, ils peuvent déterminer les températures avec le plus haut niveau de précision et de reproductibilité.

La base physique ?

Les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) sont basés sur le principe selon lequel la résistance électrique d’un conducteur métallique, en l’occurrence le platine, change avec la température. Cette dépendance de la résistance à la température est particulièrement bien caractérisée et reproductible pour le platine pur, faisant du platine le matériau idéal pour des mesures précises de température. Le fonctionnement d’un SPRT repose sur le principe de la résistance électrique, plus précisément sur la propriété physique connue sous le nom de coefficient de résistance thermique. Pour le platine, ce coefficient est positif, ce qui signifie que la résistance augmente avec la température.

Les thermomètres sont constitués d’un fin fil de platine enroulé sur un support non conducteur, tel que le quartz. La conception doit garantir que le fil de platine puisse se dilater complètement sans tension. Ce fil est intégré dans une atmosphère protectrice pour le protéger des influences environnementales tout en garantissant qu’il puisse être directement exposé à la température mesurée.

Lorsqu’un changement de température se produit, la résistance électrique du fil de platine change de manière prévisible. Ce changement est mesuré à l’aide d’un pont de mesure de précision qui fournit des valeurs de résistance très précises. La température peut ensuite être déterminée à partir de la résistance mesurée en utilisant des relations connues.

La précision repose sur la pureté du platine utilisé, la construction du thermomètre et la précision des instruments de mesure utilisés pour déterminer la résistance. Les normes internationales pour les SPRT sont établies par des organisations telles que le Bureau international des poids et mesures (BIPM), la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) basée à Braunschweig et Berlin ou d’autres laboratoires nationaux de métrologie. Les instituts nationaux de métrologie (INM), comme le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne, sont des institutions centrales dans le monde entier pour l’établissement et le maintien d’étalons de mesure nationaux et jouent un rôle clé dans l’harmonisation mondiale des méthodes de mesure.

La définition d’exigences strictes pour la conception et l’étalonnage de ces thermomètres garantit qu’ils fournissent des mesures de température comparables dans le monde entier. Ces normes permettent aux SPRT d’agir comme des thermomètres de référence primaires étalonnés aux points fixes de température de l’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90).

Le rôle du platine et pourquoi il a été choisi comme matériau.

Le platine joue un rôle essentiel dans le fonctionnement des thermomètres à résistance en platine standard (SPRT) en raison de plusieurs propriétés uniques qui en font le matériau idéal pour des mesures précises de température. Le choix du platine repose sur les principales raisons suivantes :

Haute stabilité chimique : le platine est un métal extrêmement inerte, c’est-à-dire qu’il ne réagit pas ou très peu avec d’autres substances. Cette stabilité chimique garantit que le matériau reste inchangé même lors d’une utilisation à long terme dans diverses conditions environnementales, améliorant ainsi la fiabilité et la stabilité à long terme des mesures.

Dépendance uniforme à la température : la résistance électrique du platine change avec la température de manière prévisible et uniforme. Cette propriété permet de réaliser des mesures de température précises et reproductibles. La relation linéaire entre la température et la résistance dans le platine facilite l’étalonnage et rend les résultats de mesure comparables dans le monde entier.

Résistance aux hautes températures : Le platine peut résister à des températures élevées sans modifier ses propriétés physiques ou chimiques. Cette résistance aux températures élevées étend la plage de températures utilisables des SPRT, les rendant ainsi adaptés à une large gamme d’applications, des températures très basses aux températures très élevées.

Bonne conductivité électrique : En tant que métal, le platine possède une bonne conductivité électrique, nécessaire pour mesurer avec précision les changements de résistance. Cette conductivité contribue à la précision et à la sensibilité de la mesure de température.

Stabilité à long terme : En plus de sa stabilité chimique, le platine présente également une excellente stabilité à long terme en termes de propriétés physiques, notamment de résistance électrique. Cette stabilité est essentielle pour maintenir l’étalonnage et pour des mesures répétées sur de longues périodes.

L’importance des SPRT dans l’ITS-90

Les SPRT servent d’outils d’interpolation principaux au sein de l’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) en permettant une mesure précise entre la définition de points fixes.

La base : Kelvin et Celsius

Un élément central de l’Échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) est la définition d’un certain nombre de relations mathématiques et thermodynamiques essentielles à l’utilisation des thermomètres à résistance de platine standard (SPRT). L’accent est mis sur le Kelvin (K), l’unité de base de la température thermodynamique (T), qui constitue la base de mesures précises de température.

Dans la pratique, les températures sont souvent exprimées en températures Celsius t90, où la conversion est la suivante :

Cela permet d’utiliser efficacement les degrés Kelvin et Celsius (°C) en fonction du contexte. En particulier à des températures inférieures à zéro, le Kelvin est préféré, tandis qu’au-dessus de cette température, les degrés Celsius sont utilisés.

Valeurs W des SPRT

Un concept clé de l’Échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) est l’utilisation de rapports de résistance, communément appelés valeurs W. Ces valeurs W constituent la base d’une mesure précise de la température et d’un étalonnage avec des thermomètres à résistance de platine standard (SPRT). L’équation de base pour la valeur W est définie comme suit :

Ici RT90 représente la résistance ohmique à la température T90 et R(273,16K) la résistance ohmique au point triple de l’eau, soit à exactement 0,01°C.

La définition et les critères de sélection des SPRT

Dans l’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90), les valeurs W sont utilisées pour définir et sélectionner les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT). Ces critères garantissent que seuls les thermomètres les plus précis sont utilisés pour des mesures de température précises conformément aux normes ITS-90.

Un SPRT doit répondre à des rapports de résistance spécifiques, ou valeurs W, pour être classé comme tel. Les critères sont les suivants :

A une température de 29,7646°C, la valeur W doit être d’au moins 1,11807.

Ou ou et à une température de -38,8344°C, la valeur W doit être au maximum de 0,844235.

Si un thermomètre à résistance en platine est utilisé jusqu’au point de solidification de l’argent, les points suivants s’appliquent également :

Pour les thermomètres utilisés jusqu’au point de solidification de l’argent (961,78°C), un autre critère est que la valeur W doit être d’au moins 4,2844. Ces exigences spécifiques garantissent que les SPRT ont une linéarité suffisante sur toute la plage de température.

Fonctions de référence et d’inversion SPRT

L’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) utilise des fonctions de référence et d’inversion spécifiques pour garantir les mesures de température avec des thermomètres à résistance de platine standard (SPRT). Ces fonctions sont définies pour deux plages de températures principales :

Plage de température de 13,8033 K à 273,16 K

Pour cette plage de température, l’ITS-90 définit une fonction de référence qui décrit la relation mathématiquement idéale entre la valeur W et la température T90.

Afin de déterminer la température correspondante à partir d’une valeur W mesurée, une fonction inverse est utilisée qui permet un écart maximum de seulement 0,1 mK par rapport à la fonction de référence.

Les coefficients A0, B0, Ai et Bi, nécessaires à l’application de ces fonctions, se retrouvent dans l’ITS-90.

Plage de température de 0°C à 961,78°C :

Des fonctions spécifiques de référence et d’inversion sont également fournies dans cette large plage de températures.

La fonction de référence définit à son tour le rapport idéal pour des mesures précises de température, tandis que la fonction inverse avec un faible écart maximum de 0,13 mK permet de déterminer avec précision la température T90 sur la base d’une valeur W donnée.

Pour mettre en œuvre ces fonctions, les coefficients C0, D0, Ci et Di sont nécessaires, qui sont également spécifiés dans l’ITS-90.

Fonctions d’écart SPRT

Les fonctions de déviation sont un outil essentiel de l’Échelle internationale de température de 1990 (ITS-90). Ces fonctions permettent de calculer avec précision les températures correspondantes à partir des valeurs de résistance mesurées des thermomètres à résistance de platine standards (SPRT). De manière analogue aux fonctions de référence, les fonctions d’écart sont divisées en trois plages de température principales :

Plage de température de 13,8033 K à 273,16 K

Plage de température de 83,8058 K à 273,16 K

Plage de température de -38,8344°C à 961,78°C

Les fonctions d’écart reflètent la relation réelle entre les valeurs de résistance mesurées et les températures ITS-90, permettant des calculs de température directs et précis.

Un élément clé de ces fonctions sont les coefficients individuels a, b, c et d, qui doivent être calculés spécifiquement pour chaque thermomètre. Ces coefficients garantissent que la fonction d’écart prend en compte les caractéristiques individuelles de chaque thermomètre, nécessitant un étalonnage individuel.

Cette adaptation est essentielle à la précision des mesures de température et met en évidence la nécessité d’ un étalonnage précis et individuel de chaque SPRT conformément à l’ITS-90.

Avantages et limites des SPRT

Les SPRT offrent une précision et une répétabilité exceptionnelles dans les mesures de température, soutenues par leur rôle fondamental dans l’ITS-90. Les limites incluent des coûts élevés, une certaine sensibilité aux influences mécaniques et chimiques et une utilisation limitée dans des plages de températures extrêmes ou des environnements difficiles.

Avantages des SPRT par rapport aux autres types de thermomètres

Les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) offrent une précision et une répétabilité exceptionnelles dans la mesure de la température, ce qui les distingue des autres types de thermomètres. Leur précision est due au changement stable et prévisible de la résistance électrique du platine en fonction de la température, ce qui en fait des instruments privilégiés pour les mesures de référence primaires et l’étalonnage d’autres thermomètres. De plus, la stabilité chimique élevée du platine et sa faible sensibilité aux processus de vieillissement permettent une cohérence à long terme des valeurs de mesure, ce qui est essentiel pour les applications où une grande précision sur de longues périodes est cruciale.

Comparés à d’autres types de thermomètres, tels que les thermistances, les thermocouples ou les thermomètres à liquide en verre, les SPRT offrent une précision et une stabilité nettement supérieures. Ces propriétés en font le premier choix pour les applications de recherche scientifique et de métrologie où la précision est primordiale. Bien que d’autres types de thermomètres puissent être préférés pour certaines applications en raison de leur simplicité, de leur robustesse ou de leurs plages de température spécifiques, la précision et la fiabilité inégalées des SPRT restent inégalées pour les étalons de température fondamentaux et les tâches de mesure de haute précision.

Limites ou défis liés à l’utilisation des SPRT

Malgré leur précision et leur reproductibilité exceptionnelles, les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) présentent également des limites et des défis dont il faut tenir compte lors de leur utilisation. L’une des principales limites des SPRT réside dans leur prix d’acquisition et leurs coûts d’étalonnage relativement élevés, ce qui les rend moins pratiques pour les applications quotidiennes ou industrielles où de gros volumes ou des solutions rentables sont nécessaires. De plus, les SPRT sont sensibles aux contraintes mécaniques et à la contamination, ce qui signifie qu’ils doivent être manipulés et stockés avec soin pour conserver leur précision et leur longévité.

Un autre défi réside dans la plage de températures dans laquelle les SPRT peuvent être utilisés. Bien qu’ils soient adaptés à une large plage de températures, ils ne sont pas optimaux pour les températures extrêmement élevées ou les conditions très difficiles, où d’autres types de thermomètres tels que les thermocouples peuvent être plus adaptés. De plus, pour exploiter toute la précision des SPRT, il faut utiliser des équipements de mesure spécialisés et une expertise pour effectuer des mesures précises et interpréter correctement les données. Ces exigences limitent généralement leur utilisation aux environnements de laboratoire ou aux applications industrielles spécialisées où les ressources et l’expertise nécessaires sont disponibles.

Applications des SPRT dans la pratique

Les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) et l’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) trouvent une utilisation pratique dans une variété d’applications où la précision et la fiabilité des mesures de température sont requises. Une application clé des SPRT réside dans l’étalonnage d’autres thermomètres et en métrologie, où ils servent de thermomètres de référence primaires. Les SPRT sont utilisés dans les instituts nationaux de métrologie pour mettre en œuvre les étalons de température nécessaires à la traçabilité des mesures de température dans l’industrie, la recherche et l’assurance qualité.

En outre, les SPRT jouent un rôle important dans la recherche et le développement, en particulier dans les sciences physiques et des matériaux, où un contrôle et une mesure précis de la température sont cruciaux pour comprendre les propriétés et les phénomènes thermiques. Dans l’industrie pharmaceutique et la biotechnologie, les SPRT et l’ITS-90 sont utilisés pour des contrôles précis de la température dans la production et le stockage de produits sensibles à la température tels que les vaccins et les médicaments. Les SPRT et l’ITS-90 revêtent également une grande importance dans la surveillance et la recherche environnementales, où des données précises sur la température sont nécessaires pour les modèles climatiques et les études écologiques.

Le strict respect de la norme ITS-90 permet des mesures de température comparables dans le monde entier, ce qui est essentiel pour les relations commerciales internationales, les normes de qualité et les réglementations de sécurité. Qu’il s’agisse de l’assurance qualité des aliments, de la surveillance des processus industriels ou de l’étalonnage des dispositifs médicaux, la précision et la fiabilité des SPRT et la conformité ITS-90 garantissent la confiance et la sécurité dans de nombreux aspects de la vie quotidienne et de la science.

Comment refroidir un thermomètre à résistance de platine standard (SPRT) ?

Une discussion courante qui revient toujours est la question suivante : comment les thermomètres de précision tels que les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) doivent-ils être correctement refroidis ? Les avis divergent souvent quant à savoir s’ils doivent être refroidis rapidement, lentement ou avec des rampes de température.

Outre les effets thermiques et mécaniques pouvant survenir lors du chauffage et du refroidissement, l’oxydation tridimensionnelle du platine joue également un rôle important. Il est intéressant de noter qu’il n’existe pas de réponse universelle à cette question. Cependant, il existe deux très bonnes publications qui peuvent vous aider :

Publication spéciale NIST 250-81 : « Étalonnages standard du thermomètre à résistance platine de l’Ar TP à l’Ag FP » par GF Strouse

Cette publication du National Institute of Standards and Technology (NIST) décrit une procédure détaillée pour refroidir les SPRT utilisés à des températures allant jusqu’à 675°C . Le processus est le suivant :

• Le SPRT est chauffé de 475°C à 675°C sur une période de 30 minutes.
• Il est ensuite maintenu à 675 °C pendant 2,5 heures .
• Le refroidissement s’effectue lentement en réduisant la température de 675°C à 475°C sur trois heures .
• Enfin, le HTSPRT est retiré du four à 475 °C .

Guide CCT : « Guide de réalisation de l’ITS-90 : Thermométrie à résistance platine »

Cette publication, qui fait référence à l’ échelle internationale de température (ITS-90) , décrit la procédure de refroidissement des SPRT utilisés jusqu’à 660 °C . Le processus est le suivant :

• Tout d’abord, le SPRT est recuit dans un four de vieillissement entre 480 °C et 500 °C .
• La température est ensuite lentement augmentée jusqu’à environ 675°C sur une période de 45 à 60 minutes .
• Le SPRT est recuit à cette température pendant quatre heures pour réduire les contraintes thermiques.
• Le refroidissement se produit lentement jusqu’à environ 480 °C sur une période de quatre heures avant que le SPRT ne soit amené directement à température ambiante.

Les deux approches sont utiles et fournissent des conseils, mais elles ne sont pas identiques. Une approche uniforme serait certainement souhaitable. Les deux méthodes visent à minimiser les contraintes dans le platine du SPRT, mais diffèrent dans leurs détails. Les deux approches ont fait leurs preuves, mais aucune procédure uniforme n’a été établie. La bonne approche dépend souvent des exigences et des applications spécifiques.

L’avenir des mesures de température et le rôle des SPRT

L’avenir des mesures de température voit une évolution continue vers une précision, une fiabilité et des plages d’application encore plus grandes, les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) devant continuer à jouer un rôle central. Avec la recherche de matériaux améliorés, de méthodes de mesure plus avancées et de l’intégration des technologies numériques, la précision et l’applicabilité des mesures de température devraient continuer à augmenter. Les SPRT, qui constituent déjà la base de la mesure de température de haute précision, pourraient être encore améliorés en termes de performances et de polyvalence grâce à ces innovations.

Dans le même temps, l’importance de l’Échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) sera probablement complétée ou élargie par le développement d’échelles de température nouvelles et révisées qui fourniront des normes de mesure encore plus précises et universelles. La recherche en physique quantique et les nouvelles découvertes en science des matériaux pourraient conduire à des approches entièrement nouvelles de mesure de la température, produisant des SPRT dans de nouvelles configurations ou même des types entièrement nouveaux de thermomètres de référence.

Malgré ces développements futurs, le rôle des SPRT en tant qu’instruments étalons de haute précision pour la mesure de la température est susceptible de se poursuivre, en particulier dans les domaines où la précision et la fiabilité de mesure les plus élevées sont requises. Leur capacité à servir de référence fondamentale pour l’étalonnage et la vérification d’autres thermomètres restera essentielle pour garantir la comparabilité des mesures de température dans le monde entier.

Conclusion

En résumé, les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) et l’échelle internationale de température de 1990 (ITS-90) représentent des composants indispensables dans le domaine des mesures précises de température. Les SPRT offrent, grâce à leurs propriétés uniques, une stabilité chimique élevée et une dépendance précise à la température. de résistance et de stabilité à long terme, d’une précision et d’une reproductibilité exceptionnelles, ce qui en fait des instruments essentiels pour l’étalonnage et dans les applications scientifiques et industrielles. L’ITS-90 définit ces instruments de précision pour permettre une mesure de température cohérente et comparable à l’échelle mondiale, ce qui est fondamental pour la recherche, l’assurance qualité et divers processus industriels.

Le rôle des SPRT et de l’ITS-90 pour garantir l’exactitude des mesures ne peut être sous-estimé, car ils contribuent directement à la sécurité, à l’efficacité et à l’innovation dans de nombreux domaines de la vie quotidienne et de l’économie mondiale. Les développements futurs dans le domaine de la mesure de la température, motivés par les avancées technologiques et la recherche scientifique, promettent des méthodes de mesure encore plus précises et polyvalentes. On s’attend à ce que les SPRT, et potentiellement leurs successeurs avancés, continuent de jouer un rôle central dans l’établissement des normes de précision et de fiabilité.

L’importance de mesures précises de température et le rôle des SPRT et de l’ITS-90 s’étendent bien au-delà du laboratoire. Ils sont essentiels pour faire progresser les connaissances scientifiques, améliorer les processus industriels et garantir la qualité des produits, ce qui contribue à terme à améliorer la qualité de vie et la sécurité environnementale. Le développement et l’adaptation continus de ces normes et technologies de mesure continueront à constituer une tâche importante à l’avenir afin de répondre aux exigences croissantes d’un monde en développement rapide.

Sources

• Walter Blanke : L’échelle internationale de température de 1990 : ITS-90
• Frank Bernhard : Manuel de mesure technique de la température, 2e édition
• Thomas Klasmeier : Livre de table « Température », édition 3
• Strouse, GF Étalonnages du thermomètre à résistance platine standard de l’Ar TP à l’Ag FP . Publication spéciale NIST 250-81, National Institute of Standards and Technology, 2008.
• Comité consultatif de thermométrie. Guide de réalisation de l’ITS-90 : Thermométrie à résistance platine . Bureau International des Poids et Mesures, 2008.