Mesures de température

Les sondes de température sont utilisées pour mesurer la température aux éléments de mesure installés ou aux éléments de construction. Les résultats permettent des correc­tions à faire en réponse aux changements de température. Ces changements de tem­pérature à des extensomètres p. ex. peuvent provoquer des allongements ou des rac­courcissements de la tige de mesure.

Les principes suivants sont utilisés pour la mesure de température par contact, avec traitement électrique ultérieur des données:

• Thermomètres à résistance électrique (Pt 100, NTC, ...), i. e.:
  Résistance en fonction de la température (R = f (T))
• Couples thermoélectriques (NiCr - Ni, PtRh-Pt, ...), i. e.:
  Tension en fonction de la température (U = f(T))
• Palpeurs de cristal oscillateur, i. e.:
  Fréquence en fonction de la température (F = F(T))

Un thermomètre à résistance électrique se compose

• de la résistance de précision et
• des éléments d’installation et de raccordement nécessaires, p. ex. le tube protecteur.

Il utilise la relation de la résistance électrique d’un conducteur métallique et sa tempé­rature. Dans la majorité des cas les thermomètres à résistance électrique sont soit en platine; nickel, cuivre et nouvellement iridium sont aussi utilisés.

Les résistances de précision sont alignées de 0 ° C à 100 W ± 0,1 W. La résistance augmente en général si la température augmente. Elle change d’après une série spéci­fiée de valeurs fondamentales reproductible. Les séries de valeurs fondamentales pour platine et nickel sont spécifiées d’après IEC 751 du décembre 1990 et mentionnées dans des tables. Les gammes sont:

nickel  100 (Ni 100):  -   60 ° jusqu’à + 180 ° C
platine 100 (Pt 100): - 200 ° jusqu’à + 850 ° C

Les changements de résistance sont transmis comme changements de tension par des câbles en cuivre soit directement soit par transducteur de mesure. Il y a une certaine erreur par la résistance de la conduite d’alimentation. Selon les exigences de la préci­sion de mesure on distingue le circuit à deux, trois, ou quatre conducteurs dans le type de connexion utilisé dans le circuit d’entrée du transducteur de mesure (fig 1).

En cas du circuit à deux conducteurs la connexion au transducteur est constituée de deux brins seulement. Leur résistance est en série avec la résistance de précision et doit être alignée (en général à 10 W). Les changements de résistance des conduites d’alimentation interviennent dans la mesure comme erreur.

 

Fig 1         Mesure de température avec le thermomètre à résistance électrique

1 Résistance de précision
2 Bornes
3 Elément de mesure
4 Conducteurs internes
5 Conduites d’alimentation
6 Unité de sortie

 

La figure 1a) montre en dessin schématique un circuit à deux conducteurs avec pont de Wheatstone et élément à cadre mobile (méthode de déflexion), 1b) un circuit à trois conducteurs avec circuit à pont avec équilibrage automatique d’après la méthode pont - zéro, 1c) un circuit à pont avec équilibrage automatique d’après la méthode pont - zéro avec circuit à deux conducteurs et une boucle de conducteur additionnelle, et 1d) la méthode de compensation de tension avec équilibrage automatique et circuit à quatre conducteurs.

Avec le circuit à trois conducteurs les erreurs par suite de changements de température des conducteurs ne sont que de 1/10ème de celles avec le circuit à deux conducteurs.

En cas du circuit à quatre conducteurs la mesure est largement indépendante de la ré­sistivité, un équilibrage n’est pas nécessaire.

Un couple thermoélectrique est constitué

• d’une paire de palpeurs et
• des éléments d’installation et de raccordement nécessaires, p. ex. le tube protecteur.

Un couple thermoélectrique se compose de deux fils de métaux ou d’alliages de métaux différents qui sont brasés ou soudés par points à une extrémité - le point de mesure.

Les paires suivantes d’après DIN 43710 ou IEC 584-1 ont spécialement fait leurs preu­ves dans l’application industrielle:

Type				Gamme d’application de température
Symbole		Signe caractéristique
DIN 43710	IEC584-1	Lettre	Couleur pôle pos.
Cu-CuNi		U	rouge	- 200 à + 900
	Cu-CuNi	T	brun	- 200 à + 350
Fe-CuNi		L	rouge	- 200 à + 600
	Fe-CuNi	J	noir	- 240 à + 750
	NiCr-Ni	K	vert	- 200 à + 1200
	Pt13Rh-Pt	R	orange	0 à + 1600
	Pt10Rh-Pt	S	orange	0 à + 1600
	Pt30Rh-Pt6Rh	B	blanc	+ 600 à + 1700

 

En règle générale les couples thermoélectriques sont plus stables en ce qui concerne la mécanique que les thermomètres à résistance électrique et ils ont un temps de réaction plus court.

Chaque différence de température entre les extrémités libres (point de connexion) d’un couple thermoélectrique et le point de mesure provoque une tension thermoélectrique (effet Seebeck). Car une différence de température est toujours prise, il faut définir un point de référence avec température connue. Les extrémités libres du couple ther­moélectrique (jambe positive et négative) sont jointes dans une connexion bipolaire à un point de raccordement (p. ex. le culot dans la tête de raccordement). On utilise des conducteurs de compensation pour allonger les palpeurs de leur point de raccordement à un point d’une température si constante que possible, le point de référence. Jusqu’à 200 ° C les valeurs fondamentales et les tolérances pour les conducteurs de compen­sation sont les mêmes que pour les couples thermoélectriques respectifs. La structure des conducteurs de compensation est standardisée dans DIN 43714.

L’influence des variations de température au point de référence peut être compensée par un circuit compensateur, p. ex. par une boîte de compensation (fig 2):

Fig 2         Interconnexion d’une boîte de compensation avec un couple thermoélectrique et une boîte de courant

1  Conducteur compensateur, 2  Couple thermoélectrique, 3  Conducteur Cu, 4  Boîte de compensation

 

La boîte de compensation est alimentée d’énergie auxiliaire par un stabilisateur de cou­rant séparé. Elle contient un circuit à pont Wheatstone, qui est aligné pour une tempé­rature de 20 ° ou 0 ° C. Si la température au point de référence dérive de la valeur de référence, la résistance R₃ du pont en fonction de la température change. Dans la dia­gonale du pont se forme une tension positive ou négative, qui est additionnée à la ten­sion thermoélectrique. Pour chaque type de couple thermoélectrique un autre courant du pont est nécessaire.

Pour le circuit de sortie on distingue la méthode de connexion à deux et à quatre conducteurs (fig 3).

 

Fig 3         Mesure de température avec un couple thermoélectrique

a) Méthode de connexion à deux conducteurs
b) Méthode de connexion à quatre conducteurs
I    Entrée
II   Alimentation
III  Sortie

 

Avec la méthode à deux conducteurs le signal transmis par le transducteur de mesure est superposé à la tension d’alimentation. Le signal de sortie est entre 4 et 20 mA.

Avec la méthode de quatre conducteurs le signal de sortie (courant ou tension) est isolé de la tension d’alimentation. Il y a deux conducteurs pour l’énergie auxiliaire et deux conducteurs pour le signal de sortie.

En cas d’un palpeur de cristal oscillateur - une autre possibilité pour mesurer la tem­pérature - il y a un cristal oscillateur sous la forme d’un diapason dans un tube d’un diamètre de quelques millimètres, rempli de gaz et fermé hermétiquement. La fré­quence de résonance du corps du cristal, qui montre une caractéristique de fré­quence / température presque linéaire, est utilisée pour le but de mesure. La gamme de mesure des palpeurs de cristal oscillateur est limitée à – 70 ° C jusqu’à + 300 °  C. Dans cette gamme de température les palpeurs de cristal oscillateur sont supérieurs aux thermomètres à résistance électrique et aux couples thermoélectriques en beau­coup de caractéristiques de puissance, spécialement en la stabilité du zéro, qui peut être supposée de 0,1 ° C / 10 ans. Jusqu’à présent le palpeur de cristal oscillateur est rarement utilisé dans la géotechnique; les thermomètres à résistance électrique et les couples thermoélectriques sont utilisés le plus souvent.

 

La description complète des Mesures de température peut également être téléchargée ici au format pdf.