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Le concept de température
D'un point de vue physique, la chaleur est une mesure de l'énergie contenue dans un corps en raison du mouvement irrégulier de ses molécules ou atomes. De la même manière que les balles de tennis ont plus d'énergie à mesure que leur vitesse augmente, l'énergie interne du corps ou du gaz augmente lorsque la température augmente. La température est une variable qui, avec d'autres paramètres tels que la masse et la chaleur spécifique, décrit le contenu énergétique du corps.
L'unité de mesure de base de la température est le degré Kelvin. À 0 ° K (Elvin), chaque molécule du corps est au repos et il n'y a plus de chaleur. Par conséquent, il n'est pas possible d'avoir une température négative car il n'existe aucun état d'énergie inférieur.
Dans l'utilisation quotidienne, il est courant d'utiliser le centigrade (anciennement appelé centigrade). Son point zéro correspond au point de congélation de l'eau, qui peut être facilement reproduit en pratique. Maintenant, 0 ° C n'est absolument pas la plus basse température, car tout le monde connaît cela d'après l'expérience. En étendant l'échelle centigrade jusqu'à la plus basse température à laquelle tout mouvement moléculaire s'arrête, nous atteignons – 273,15 degrés.
L'homme a la capacité de mesurer la température à travers ses sens dans une plage limitée. Cependant, il était incapable de reproduire précisément des mesures quantitatives. La première forme de mesure quantitative de la température a été développée à Florence au début du XVIIe siècle et reposait sur l'expansion de l'alcool. L'échelle est basée sur les températures les plus élevées en été et en hiver. Cent ans plus tard, l'astronome suédois Celsius l'a remplacée par les points de fusion et d'ébullition de l'eau. Cela donne au thermomètre la possibilité de zoomer et de reproduire les relevés ultérieurement.
Mesure électrique de la température
La mesure de la température est importante dans de nombreuses applications, telles que le contrôle des bâtiments, le traitement alimentaire et la fabrication d'acier et de produits pétrochimiques. Ces applications très différentes nécessitent des capteurs de température avec des structures physiques différentes et souvent des technologies différentes.
Dans les applications industrielles et commerciales, les points de mesure sont généralement éloignés des points d'indication ou de contrôle. Un traitement ultérieur des mesures est généralement nécessaire dans des contrôleurs, enregistreurs ou ordinateurs. Ces applications ne conviennent pas à l'indication directe des thermomètres, car nous les connaissons de l'usage quotidien, mais nous avons besoin de convertir la température en une autre forme d'appareil, le signal électrique. Pour fournir ce signal électrique à distance, on utilise habituellement la RDT. Les thermistors et les thermocouples.
La RDT adopte la caractéristique de la résistance métallique qui change avec la température. Il s'agit de capteurs à coefficient de température positif (PTC) dont la résistance augmente avec la température. Les métaux principaux utilisés sont le platine et le nickel. Les capteurs les plus utilisés sont les thermomètres RTDS 100 ohm ou 1000 ohm ou les thermomètres à résistance en platine.
Le RTD est le capteur le plus précis pour les applications industrielles et offre également la meilleure stabilité à long terme. La valeur représentative de la précision de la résistance en platine est de ± 0,5 % de la température mesurée. Après un an, il peut y avoir une variation de ± 0,05 °C due au vieillissement. Les thermomètres à résistance en platine ont une plage de température de – 200 à 800 °C.
Variation de la résistance avec la température
La conductivité d'un métal dépend de la mobilité des électrons de conduction. Si une tension est appliquée à l'extrémité du fil, les électrons se déplacent vers le pôle positif. Les défauts dans le réseau cristallin interfèrent avec ce mouvement. Ils incluent des atomes externes ou manquants dans le réseau, des atomes aux limites de grains et entre les positions du réseau. Comme ces sites de défaut sont indépendants de la température, ils produisent une résistance constante. Avec l'augmentation de la température, les atomes dans le réseau métallique montrent des oscillations accrues autour de leurs positions stationnaires, ce qui entrave ainsi le mouvement des électrons de conduction. Comme les oscillations augmentent linéairement avec la température, l'augmentation de la résistance causée par les oscillations dépend directement de la température.
Le platine est largement accepté dans les mesures industrielles. Ses avantages incluent une stabilité chimique, une fabrication relativement facile (surtout pour la production de fils), la possibilité de l'obtenir sous forme très pure, et des propriétés électriques reproductibles. Ces caractéristiques font du capteur de résistance en platine le capteur de température le plus interchangeable.
Les thermistors sont fabriqués à partir d'oxydes métalliques et leur résistance diminue avec l'augmentation de la température. Comme la caractéristique de résistance diminue avec l'augmentation de la température, on l'appelle capteur à coefficient de température négatif (NTC).
En raison de la nature du processus de base, le nombre d'électrons conducteurs augmente exponentiellement avec la température ; par conséquent, la caractéristique montre une augmentation importante. Cette non-linéarité évidente est un inconvénient des résistances NTC et limite leur plage de température effective à environ 100 °C. Elles peuvent bien sûr être linéarisées par des ordinateurs automatisés. Cependant, la précision et la linéarité ne peuvent pas répondre aux exigences d'une grande étendue de mesure. Leur dérive à des températures alternées est également plus importante que celle des RTD. Leur utilisation est limitée aux applications de surveillance et d'indication où la température n'excède pas 200 °C. Dans cette application simple, elles sont en réalité supérieures aux thermocouples et aux RTD plus coûteux, compte tenu de leur faible coût et des circuits électroniques relativement simples requis.
Le principe du thermocouple repose sur la connexion entre deux métaux différents, thermistance. La tension générée par le thermocouple et le RTD augmente avec la température. Comparés aux thermomètres à résistance, ils ont une limite supérieure de température plus élevée, avec un avantage significatif de plusieurs milliers de degrés Celsius. Leur stabilité à long terme est légèrement inférieure (quelques degrés après un an), et la précision de mesure est légèrement moins bonne (en moyenne + 0,75 % de l'échelle de mesure). Ils sont souvent utilisés dans les fours, les fours, la mesure des gaz de combustion et d'autres domaines où les températures dépassent 250 °C.
Effet thermoélectrique
Lorsque deux métaux sont connectés ensemble, une tension thermoélectrique est produite en raison de la différence d'énergie de liaison entre les électrons et les ions métalliques. La tension dépend du métal lui-même et de la température. Pour que cette tension thermique génère un courant, les deux métaux doivent bien sûr être connectés à l'autre extrémité pour former un circuit fermé. De cette manière, une tension thermique est générée au second point de jonction. L'effet thermoélectrique a été découvert par Seebeck en 1822. Dès 1828, Becquerel avait suggéré l'utilisation d'un thermocouple platine-palladium pour la mesure de température.
S'il y a la même température aux deux jonctions, il n'y a pas de courant car les pressions partielles générées aux deux points s'annulent mutuellement. Lorsque la température aux jonctions est différente, la tension générée est différente et le courant circule. Par conséquent, un thermocouple ne peut mesurer que la différence de température.
Le point de mesure est une jonction exposée à la température mesurée. La jonction de référence est une jonction à une température connue. Comme la température connue est généralement plus basse que la température mesurée, la jonction de référence est souvent appelée jonction froide. Pour calculer la température réelle du point de mesure, il faut connaître la température de l'extrémité froide.
Les instruments anciens utilisent des boîtes de contrôle thermostatiques pour maintenir la température de la jonction froide à des valeurs connues comme 50 °C. Les instruments modernes utilisent une RTD à film mince à l'extrémité froide pour déterminer sa température et calculer celle du point de mesure.
La tension produite par l'effet thermoelectrique est très faible et ne représente que quelques microvolts par degré Celsius. Par conséquent, les thermocouples ne sont généralement pas utilisés dans la plage de -30 à +50 °C, car la différence entre la température de la jonction de référence et celle de la jonction froide est trop petite pour produire un signal non interférent.
Câblage RTD
Dans un thermomètre à résistance, la résistance varie en fonction de la température. Pour évaluer le signal de sortie, un courant constant passe par celui-ci et la chute de tension est mesurée. Pour cette chute de tension, la loi d'Ohm est respectée, v = IR.
Le courant de mesure doit être aussi faible que possible pour éviter le chauffage du capteur. On peut considérer que le courant de mesure de 1 mA n'introduira aucune erreur évidente. Le courant produit une chute de tension de 0,1 V dans le PT 100 à 0 ℃. Ce voltage de signal doit maintenant être transmis via le câble de connexion au point d'indication ou de traitement avec une modification minimale. Il existe quatre types différents de circuits de connexion :
circuit à 2 fils
Un câble à 2 cœurs est utilisé pour la connexion entre le thermomètre et l'électronique d'évaluation. Comme tout autre conducteur électrique, le câble a une résistance en série avec le thermomètre à résistance. En conséquence, les deux résistances sont additionnées et l'électronique l'interprète comme une augmentation de température. Pour de plus longues distances, la résistance du câble peut atteindre plusieurs ohms et produire un décalage significatif dans la valeur mesurée.
circuit à 3 fils
Afin de minimiser l'influence de la résistance de ligne et ses variations avec la température, un circuit à trois fils est généralement utilisé. Il consiste à ajouter des fils supplémentaires sur l'un des contacts de l'RTD. Cela donne lieu à deux circuits de mesure, l'un desquels est utilisé comme référence. Le circuit à 3 fils peut compenser la résistance de ligne en termes de valeur et de variation de température. Cependant, les trois conducteurs doivent avoir les mêmes caractéristiques et être exposés à la même température. Cela est généralement réalisé de manière suffisante pour rendre les circuits à 3 fils la méthode la plus couramment utilisée aujourd'hui. Aucun équilibrage de ligne n'est nécessaire.
circuit à 4 fils
La meilleure forme de connexion d'un thermomètre à résistance est le circuit à 4 fils. La mesure ne dépend ni de la résistance des câbles, ni des variations de température induites. Aucun équilibrage de ligne n'est nécessaire. Le thermomètre fournit un courant de mesure via une connexion électrique. La chute de tension sur la ligne de mesure est captée par la ligne de mesure. Si la résistance d'entrée d'un appareil électronique est bien supérieure à la résistance de ligne, cette dernière peut être négligée. La chute de tension déterminée de cette manière est indépendante des caractéristiques du fil de connexion. Cette technique est généralement utilisée uniquement pour les instruments scientifiques nécessitant une précision de mesure de centième.
transmetteur à 2 fils
En utilisant un transmetteur à 2 fils au lieu d'un câble à plusieurs fils, le problème d'un circuit à 2 fils tel que décrit ci-dessus peut être évité. Le transmetteur convertit le signal du capteur en un signal de courant normalisé de 4-20 mA, qui est proportionnel à la température. L'alimentation du transmetteur fonctionne également via les mêmes deux connexions, en utilisant un courant de base de 4 mA. Le transmetteur à 2 fils offre un avantage supplémentaire : l'amplification du signal réduit considérablement l'impact des interférences externes. Il existe deux dispositions pour positionner le transmetteur. Étant donné que la distance entre les signaux non amplifiés doit être aussi courte que possible, l'amplificateur peut être directement installé sur le thermomètre dans sa tête terminale. Cette meilleure solution n'est parfois pas possible pour des raisons structurelles ou parce qu'on considère que le transmetteur pourrait être difficile à atteindre en cas de panne. Dans ce cas, le transmetteur monté sur rail est installé dans l'armoire de contrôle. L'avantage d'un accès amélioré est acheté au prix d'une distance plus longue que le signal non amplifié doit parcourir.
Câblage du thermistance
La résistance d'un thermistance est généralement de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle de n'importe quel fil de connexion. Par conséquent, l'effet de la résistance du fil sur les mesures de température est négligeable, et les thermistances sont presque toujours connectées en configuration à 2 fils.
Câblage du couple thermoélectrique
Contrairement aux RTDs et aux thermistances, les couples thermoélectriques ont des jambes positives et négatives, donc la polarité doit être respectée. Ils peuvent être connectés directement au transmetteur local à 2 fils, et le fil en cuivre peut être ramené jusqu'à l'instrument de réception. Si l'instrument de réception peut accepter une entrée de couple thermoélectrique directement, le même fil de couple thermoélectrique ou le fil d'extension de couple thermoélectrique doit être utilisé tout du long jusqu'à l'instrument de réception.
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