Les thermomètres à résistance Pt100 sont des capteurs de température précis largement utilisés dans diverses applications industrielles et scientifiques. Son principe repose sur la variation de la résistance électrique d’un fil de platine en fonction de la température. Le « Pt » dans Pt100 signifie platine, le matériau dont est fait le fil, et le « 100 » indique que la résistance à 0°C est exactement de 100 ohms.
Les thermomètres à résistance Pt100 offrent une large plage de température de -200°C à +850°C et se caractérisent par leur grande précision. Leur courbe résistance-température est presque linéaire, ce qui facilite l’étalonnage et l’interprétation des valeurs mesurées.
Ces capteurs modifient leur résistance électrique proportionnellement au changement de température. Le coefficient de température est d’environ 0,385 ohms/°C à 0°C. Les capteurs Pt100 ont généralement deux, trois ou quatre connexions. En conséquence, ils peuvent être utilisés dans diverses configurations de circuits, notamment des circuits à 2, 3 et 4 fils.
Pour garantir des mesures précises, les thermomètres à résistance Pt100 doivent être protégés des influences extérieures telles que l’humidité et les contraintes mécaniques. Cela se fait souvent grâce à l’utilisation de tubes de protection. De plus, ils doivent être étalonnés régulièrement, soit dans des laboratoires spécialisés, soit à l’aide de thermomètres de référence.
Les capteurs Pt100 sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment l’industrie agroalimentaire, les laboratoires, la climatisation, l’automobile et l’ingénierie chimique.
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Comment fonctionnent les thermomètres à résistance ?
Les thermomètres à résistance sont souvent utilisés pour des mesures précises de température. La plage de température habituelle se situe entre -50°C et 600°C environ, bien qu’il existe des applications spécialisées utilisant des thermomètres à résistance de -200°C à plus de 1 000°C. Le thermomètre à résistance Pt100 présenté provient du laboratoire d’étalonnage Klasmeier.
Le principe de mesure de ces thermomètres est basé sur la mesure de la résistance électrique des résistances de mesure, pour laquelle la loi d’Ohm est fondamentale :
U = R ⋅ I = constante
où:
U = tension,
R = résistance,
je = courant
Dans les cours scolaires, la loi d’Ohm est souvent représentée comme un triangle qui illustre la relation entre le courant, la tension et la résistance.
Si deux de ces quantités sont connues, la troisième peut être calculée. Dans le schéma de circuit, la loi d’Ohm est représentée comme dans le graphique suivant.
Les relations entre la mesure de résistance et donc les thermomètres à résistance peuvent également être représentées graphiquement dans un diagramme.
Ici, le « VOLT man » (U – tension) est poussé à travers un tube par le « AMP man » (I – courant), tandis que le « OHM man » (R – résistance) tente d’empêcher cela par un tuyau rétréci. Le succès du « OHM mâle » dépend de la température : plus il fait chaud, plus il est difficile pour le « VOLT mâle » de déplacer le « AMP mâle ». Cet effet dépendant de la température étant reproductible, le principe de la mesure de la résistance électrique peut être utilisé pour mesurer la température. Une résistance mesurée R en ohms est convertie en une température T en °C ou K en utilisant une relation connue.
En principe, tout conducteur électrique auquel s’applique la loi d’Ohm peut être utilisé comme thermomètre. La résistance spécifique est la constante physique qui décrit cette propriété. Un aperçu dans montre les différentes résistances spécifiques des matériaux à 20 °C.
Bien que tous les matériaux mentionnés puissent en principe être utilisés pour mesurer la température, il existe certains critères de sélection pour le choix des matériaux des thermomètres. Le matériau doit avoir une résistance spécifique élevée et être fondamentalement adapté. Par exemple, le sang humain a une excellente résistivité à 1,6 × 106 Ω⋅mm2 /m, mais ne convient pas à la production de thermomètres industriels. Les métaux conviennent mieux à cet effet.
Outre la résistance spécifique, le coefficient linéaire résistance-température est également important. Ceci décrit la variation de résistance d’un matériau par degré Celsius et est exprimé en 1/K. On peut également parler de sensibilité. Afin de minimiser les exigences en matière de technologie de mesure, ce coefficient doit être aussi grand que possible. Il est donc important de trouver le meilleur compromis entre coûts, aptitude de base du matériau, résistance spécifique et coefficients résistance-température.
Le nickel et le platine se sont révélés être des matériaux appropriés. Initialement, les résistances de mesure en nickel, telles que le Ni100, étaient considérées comme préférées car elles avaient une sensibilité plus élevée que les résistances de mesure en platine. Cependant, ils présentaient des écarts limites plus élevés et une plage de température limitée. La norme pour les thermomètres au nickel, DIN 43760, a été retirée dans les années 1990. Depuis lors, les résistances de mesure au nickel sont principalement utilisées dans des applications techniques spéciales.
Au fil du temps, les résistances de mesure en platine, comme par exemple Pt100, se sont imposées. Ils sont largement utilisés dans la technique de mesure industrielle et représentent aujourd’hui la norme en matière de mesure électrique de la température avec des thermomètres à résistance.
La courbe caractéristique Pt100 pour les thermomètres à résistance expliquée simplement
Les capteurs en platine se sont imposés comme des thermomètres à résistance. La relation entre la température et la résistance dans les thermomètres en platine n’est pas décrite proportionnellement, mais plutôt avec un polynôme d’ordre supérieur :
Cela signifie:
R(T) = résistance du thermomètre
R0 = résistance du thermomètre à 0 °C
A, B, C, … = Paramètres individuels du thermomètre ou de l’étalon
T = température
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Étalonnage des thermomètres à résistance
La société Klasmeier propose des étalonnages accrédités selon la norme DIN EN ISO/IEC 17025 (DAkkS) pour les thermomètres à résistance (par exemple Pt100, Pt25). L’étalonnage est effectué à des points de température fixes ou à l’aide de la méthode de comparaison basée sur la directive DKD-R 5-1. La plage d’étalonnage s’étend de -196 °C à 962 °C et des incertitudes de mesure allant jusqu’à la plage du millikelvin sont atteintes.
Équation de Callendar-Van Dusen
L’équation de Callendar-Van Dusen est une formule utilisée pour décrire cette relation entre la température et la résistance électrique d’un capteur de température à résistance en platine.
L’équation de Callendar-Van Dusen est également connue sous le nom de « CVD » et est utilisée depuis les années 1920. La courbe caractéristique est normalisée dans la norme DIN EN 60751, qui décrit les thermomètres à résistance industriels en platine et les capteurs de température en platine. Elle a été publiée pour la première fois dans les années 1990 et est toujours valable dans sa dernière révision sous la référence DIN EN 60751:2009-05.
L’équation de Callendar-Van Dusen elle-même peut être formulée en deux parties, pour des températures supérieures et inférieures à 0 °C :
Pour des températures T > 0 °C :
Pour des températures T < 0 °C :
Voici:
- R(T) est la résistance à la température (T)
- R0 est la résistance à 0 °C
- A, B et C sont des coefficients qui dépendent du thermomètre à résistance en platine
Les coefficients de l’équation de Callendar-Van Dusen sont normalisés dans la norme DIN EN 60751:2009-05 :
A=3,9083×10 −3 °C-1
B=−5,775×10 −7 °C-2
C=−4,183×10 −12 °C-4
Mais il est également possible de calibrer des thermomètres individuels et de calculer des coefficients individuels. Cela présente l’avantage que le thermomètre ne doit plus être évalué sur la base des écarts limites par rapport à la norme, mais peut être adapté individuellement à sa propre courbe caractéristique.
L’équation de Callendar-Van Dusen permet de réaliser des mesures de température très précises en substituant la résistance mesurée du thermomètre dans l’équation de Callendar-Van Dusen et en calculant la température.
Le graphique suivant montre les deux plages de température de l’équation de Callendar-Van Dusen. La plage de température de -200 °C à 0 °C est représentée en bleu et la plage de température de 0 °C à 850 °C est représentée en rouge.
La résistance nominale R0 des thermomètres à résistance
Afin de mieux classer les résistances de mesure, la résistance dite nominale R0 a été introduite dans la norme DIN EN 60751. Ceci décrit la résistance électrique du capteur de température à 0 °C. Par exemple, un capteur de température Pt100 a une résistance de 100 ohms à 0°C. Les résistances nominales suivantes sont répertoriées dans la norme :
- Pt 10 = 10 ohms à 0 °C
- Pt 100 = 100 ohms à 0 °C
- Pt 500 = 500 ohms à 0 °C
- Pt 1 000 = 1 000 ohms à 0 °C
Différentes résistances nominales telles que Pt 25, Pt 2,5 ou Pt 0,25 sont utilisées dans les thermomètres de précision et répondent souvent aux exigences de l’ITS-90 . Ceux-ci sont alors appelés thermomètres SPRT ou standards . Pour les applications en laboratoire, les thermomètres Pt 25 sont souvent privilégiés car ils offrent un bon compromis entre stabilité, sensibilité et auto-échauffement.
Coefficient de température pour les thermomètres à résistance
La différence entre les thermomètres normalisés et les thermomètres normaux selon l’ITS-90 peut être constatée dans ce que l’on appelle le coefficient de température, qui est défini dans la norme par une mesure de résistance à 0 °C et 100 °C :
Cela signifie:
alpha = augmentation du thermomètre en 1/K
R100 = résistance à 100 °C en ohms
R0 = résistance à 0 °C en ohms
La valeur alpha des capteurs de température industriels standard est de 3,85 10^-3/K, tandis que la valeur alpha des thermomètres standard selon ITS-90 est de 3,92875 10^-3/K. Cette valeur correspond à la sensibilité du platine spectralement pur dans cette plage de température.
Sensibilité des thermomètres à résistance
La sensibilité d’un thermomètre à résistance décrit dans quelle mesure la résistance du capteur change en fonction d’un changement de température. Il s’agit d’une mesure de la précision avec laquelle le capteur réagit aux changements de température. Avec le Pt100, la résistance change d’environ 0,385 ohms pour chaque changement de température de degré Celsius. Ce taux de variation, appelé coefficient de température, est une mesure directe de la sensibilité du capteur. La sensibilité est cruciale pour la précision et la résolution du capteur. Un capteur doté d’une sensibilité plus élevée peut détecter des changements de température plus faibles et permettre des mesures de température plus précises. Ceci est particulièrement important dans les applications où un contrôle précis de la température est requis, comme dans les laboratoires ou le contrôle des processus industriels.
Cependant, il convient également de noter que les capteurs de température à haute sensibilité présentent souvent un niveau d’auto-échauffement élevé et sont moins stables à long terme. C’est pourquoi la relation entre la valeur nominale et la sensibilité d’un capteur de température doit être choisie avec beaucoup de soin.
Afin d’obtenir une résistance nominale définie, la longueur ou le diamètre du fil de platine dans la résistance de mesure est ajusté. Cela modifie non seulement la résistance, mais aussi la sensibilité des capteurs à env.
- Pt 10 = 0,04 Ohm/K
- Pt 100 = 0,4 Ohm/K
- Pt 500 = 2 ohms/K
- Pt 1 000 = 4 ohms / K
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Thermomètre de précision eXacal
Les thermomètres de précision eXacal de Klasmeier sont conçus pour des mesures et des étalonnages précis de la température dans une large plage de températures allant de -200 °C à 1 200 °C. Disponibles sous forme de thermomètres à résistance et de thermocouples en métaux précieux, ils offrent des alternatives robustes aux thermomètres standard ITS-90. Ils conviennent aussi bien aux applications industrielles qu’aux étalonnages en laboratoire et sont fabriqués à la main dans notre usine interne.
Technologies de connexion pour thermomètres à résistance
Les thermomètres à résistance peuvent être connectés à des appareils de mesure, à des enregistreurs de données ou à des ponts de mesure. Il existe différentes techniques à cet effet.
- Technologie à deux fils
- Technologie à trois fils
- Technologie à quatre fils
Technologie à deux fils
La technique à deux fils montre comment connecter un capteur de température à un appareil de mesure, comme le montre l’image. Il est important que la résistance des câbles de connexion soit prise en compte car elle est connectée en série avec la résistance de mesure.
La mesure résultante provient de la somme de la résistance de la ligne 1, de la résistance de mesure (le capteur de température réel) et de la ligne 2, ce qui entraîne une augmentation de la mesure. Il est donc essentiel de corriger le résultat de la mesure afin d’éliminer les erreurs de mesure.
Un exemple de calcul exemplaire démontre l’étendue de l’écart de mesure dans certaines conditions d’application. Supposons qu’un capteur de température soit connecté à l’aide d’un fil de cuivre dans les conditions spécifiées suivantes :
- Résistance spécifique de la ligne de cuivre à température ambiante : 0,017
- Section transversale du câble : 0,5 mm^2
- Longueur du câble : environ 50 m
L’écart de mesure dû au câble de connexion peut être déterminé à l’aide de l’équation
être déterminé, par lequel :
- R est la résistance du conducteur,
- \rho la résistance spécifique,
- L est la longueur du conducteur et
- A représente l’aire de la section transversale.
Dans ce contexte, une résistance de conducteur de 3,4 ohms donne :
En tenant compte d’une sensibilité (E) d’un capteur de température PT 100 d’environ 0,385 Ohm/K, cela donne un écart de mesure de 8,8 K.
La longueur de ligne d’environ 50 m doit être prise en compte deux fois pour le « parcours aller » (ligne 1) et pour le « parcours retour » (ligne 2).
Historiquement, il était assez courant de connecter des thermomètres dans les usines de production à l’aide d’une technologie à deux fils. Avant l’ère de la technologie numérique qui facilitait la correction des erreurs systématiques, des tables de correction étaient utilisées pour obtenir des mesures précises.
Un exemple illustre les valeurs de correction pour un câble de raccordement de 10 m de long en fonction de la section du câble.
Avec un câble de raccordement d’une section de câble de 0,5 mm^2, la résistance dans un circuit bifilaire de 10 m de long est de 0,6 ohm. Cela implique que les valeurs mesurées doivent être corrigées par ce facteur. Pour un Pt100, cela correspond à environ 1,6 °C.
Le graphique suivant montre les valeurs de correction d’un Pt100 par rapport à la section d’un câble en cuivre de 10 m de long en technologie bifilaire.
Technologie à trois fils
La technologie à trois fils représente une optimisation par rapport à la technologie à deux fils, notamment en ce qui concerne la minimisation des erreurs de mesure dues à la résistance de ligne. Dans cette configuration, trois lignes sont utilisées, avec deux lignes connectées en parallèle à la résistance de mesure et une troisième ligne pour compenser la résistance de ligne.
La résistance de ligne est compensée par le pont de mesure, qui prend en compte la résistance de la troisième ligne et soustrait ainsi la résistance totale des lignes de connexion. Cela permet une mesure plus précise de la résistance de mesure réelle, car les influences des câbles de connexion sont minimisées.
Bien que la technologie à trois fils représente une amélioration significative par rapport à la technologie à deux fils, elle reste sensible aux erreurs dues aux changements de température et aux différentes longueurs de ligne, qui peuvent affecter la compensation de la résistance de ligne.
Technologie à quatre fils
La technique à quatre fils, également connue sous le nom de mesure Kelvin à quatre fils, représente une optimisation supplémentaire de la précision de la mesure de résistance, en particulier pour les applications où la plus grande précision est requise. Cette technique utilise deux lignes supplémentaires pour délivrer le courant de mesure et mesurer la chute de tension aux bornes du capteur, éliminant ainsi l’influence de la résistance de ligne.
Dans cette configuration, le courant de mesure circule à travers deux des lignes (lignes électriques), tandis que les deux autres lignes (lignes de tension) sont utilisées pour mesurer la chute de tension directement aux bornes du capteur. Étant donné que le courant de mesure ne circule pas à travers les lignes de tension, la résistance de ligne de ces lignes n’est pas incluse dans la mesure, ce qui conduit à une précision de mesure plus élevée.
La technologie à quatre fils est particulièrement avantageuse pour les applications avec de faibles valeurs de résistance et de grandes longueurs de câble, car elle permet des mesures précises sans influence de la résistance du câble.
En résumé, les techniques à trois et quatre fils offrent une précision et une fiabilité améliorées par rapport à la technique à deux fils en minimisant ou en éliminant l’influence de la résistance de ligne. Le choix de la technologie appropriée dépend des exigences spécifiques de l’application, telles que la précision des mesures, les conditions environnementales et les considérations économiques.
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Thermomètre de précision haute température Pt100 modèle HS (0°C à 850°C)
Le thermomètre de précision haute température Pt100 de Klasmeier convient pour des mesures précises jusqu’à 850 °C. Equipé d’une protection céramique étanche aux gaz et d’une résistance de mesure Pt100 fabriquée à la main, il n’offre que de faibles incertitudes de mesure. Idéal pour une utilisation comme étalon d’étalonnage. Disponible en option avec étalonnage accrédité selon DIN EN ISO/IEC 17025 (DAkkS).
Sources
- Frank Bernhard : Manuel de mesure technique de la température, 2e édition
- Thomas Klasmeier : Livre de table « Température », édition 3
- Thermomètres à résistance industriels en platine et capteurs de température en platine (IEC 60751:2022)
- Thermomètre à pointe de cuivre ISOTECH n° 108462 jusqu’à près de 1100°C.
- Résistance spécifique
- DIN 43760
- La loi d’Ohm
