ENLa notion de température
D’un point de vue physique, la chaleur est une mesure de l’énergie contenue dans le corps en raison du mouvement irrégulier de ses molécules ou atomes. Tout comme les balles de tennis ont plus d’énergie avec l’augmentation de la vitesse, l’énergie interne du corps ou du gaz augmente à mesure que 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.
La 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’y a pas de possibilité de température négative car il n’y a pas d’état d’énergie inférieure.
Dans l’utilisation quotidienne, la pratique habituelle est d’utiliser centigrade (anciennement centigrade). Son point zéro se situe au point de congélation de l’eau, qui peut être facilement reproduit en pratique. Maintenant, 0 ° C n’est en aucun cas la température la plus basse, car tout le monde le sait par expérience. En étendant l’échelle centigrade à la température la plus basse 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 n’a pas été en mesure de reproduire avec précision les 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. Le détartrage est basé sur les températures les plus élevées en été et en hiver. Cent ans plus tard, l’astronome suédois Celsius l’a remplacé par les points de fusion et d’ébullition de l’eau. Cela donne au thermomètre la possibilité de zoomer et de dézoomer à tout moment et de reproduire les lectures plus tard.
Mesure électrique de la température
La mesure de la température est importante dans de nombreuses applications, telles que le contrôle des bâtiments, la transformation des aliments et la fabrication d’acier et de produits pétrochimiques. Ces applications très différentes nécessitent des capteurs de température avec des structures physiques différentes et généralement 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 supplémentaire des mesures est généralement nécessaire dans les contrôleurs, les enregistreurs ou les ordinateurs. Ces applications ne conviennent pas à l’indication directe des thermomètres car nous les connaissons de l’utilisation quotidienne, mais doivent convertir la température en une autre forme de dispositif, le signal électrique. Afin de fournir ce signal électrique à distance, le RTD est généralement utilisé. Thermistances et thermocouples.
RTD adopte la caractéristique de la résistance du métal changeant avec la température. Ce sont des capteurs à coefficient de température positif (PTC) dont la résistance augmente avec la température. Les principaux métaux utilisés sont le platine et le nickel. Les capteurs les plus utilisés sont les thermomètres RTDS de 100 ohms ou 1000 ohms ou à résistance de 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 du platine est de + 0,5 % de la température mesurée. Après un an, il peut y avoir un changement de + 0,05 ° C par vieillissement. Les thermomètres à résistance en platine ont une plage de température de – 200 à 800 ° C.
Changement de résistance avec la température
La conductivité d’un métal dépend de la mobilité des électrons conducteurs. Si une tension est appliquée à l’extrémité du fil, les électrons se déplacent vers le pôle positif. Les défauts du réseau interfèrent avec ce mouvement. Ils comprennent les atomes de réseau externes ou manquants, les atomes aux joints de grains et entre les positions du réseau. Étant donné que ces emplacements de défaut sont indépendants de la température, ils produisent une résistance constante. Avec l’augmentation de la température, les atomes du réseau métallique présentent des oscillations accrues près de leurs positions stationnaires, entravant ainsi le mouvement des électrons conducteurs. Étant donné que l’oscillation augmente linéairement avec la température, l’augmentation de la résistance causée par l’oscillation dépend directement de la température.
Le platine a été largement accepté dans la mesure industrielle. Ses avantages comprennent la stabilité chimique, une fabrication relativement facile (en particulier pour la fabrication de fils), la possibilité de l’obtenir sous une forme de haute pureté et des propriétés électriques reproductibles. Ces caractéristiques font du capteur à résistance en platine le capteur de température le plus largement interchangeable.
Les thermistances sont constituées d’oxydes métalliques et leur résistance diminue avec l’augmentation de la température. Étant donné que 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 de façon exponentielle avec la température ; Par conséquent, la caractéristique montre une forte augmentation. Cette non-linéarité évidente est un inconvénient des résistances NTC et limite sa plage de température effective à environ 100°C. Ils peuvent, bien sûr, être linéarisés par des ordinateurs automatisés. Cependant, la précision et la linéarité ne peuvent pas répondre aux exigences d’une grande portée de mesure. Leur dérive à températures alternées est également plus importante que celle du RTD. Leur utilisation est limitée aux applications de surveillance et d’indication où la température ne dépasse pas 200 ° C. Dans cette application simple, ils sont en fait supérieurs aux thermocouples et RTD plus coûteux, compte tenu de leur faible coût et des circuits électroniques relativement simples requis.
La base du thermocouple est la connexion entre deux métaux différents, la thermistance. La tension générée par le thermocouple et le RTD augmente avec la température. Par rapport 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 médiocre (plusieurs degrés après un an), et la précision de mesure est légèrement médiocre (moyenne + 0,75% de la plage de mesure). Ils sont souvent utilisés dans les fours, les fours, la mesure des gaz de combustion et d’autres zones où les températures sont supérieures à 250 ° C.
Effet thermoélectrique
Lorsque deux métaux sont connectés ensemble, une tension thermoélectrique est produite en raison de l’énergie de liaison différente des électrons et des ions métalliques. La tension dépend du métal lui-même et de la température. Pour que cette tension thermique génère du courant, les deux métaux doivent bien sûr être reliés entre eux à l’autre extrémité pour former un circuit fermé. De cette façon, une tension thermique est générée à la deuxième jonction. L’effet thermoélectrique a été découvert par Seebeck en 1822. Dès 1828, Becquerel suggère l’utilisation d’un thermocouple platine-palladium pour la mesure de la température.
S’il y a la même température aux deux jonctions, il n’y a pas de flux de courant car les pressions partielles générées aux deux points s’annulent. Lorsque la température à la jonction est différente, la tension générée est différente et le courant circule. Par conséquent, le 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. Étant donné que la température connue est généralement inférieure à la température mesurée, la jonction de référence est généralement appelée jonction froide. Afin de calculer la température réelle du point de mesure, il faut connaître la température finale froide.
Les instruments plus anciens utilisent des boîtes de jonction de commande thermostatique pour contrôler la température de soudure froide à des valeurs connues telles que 50 ° C. Les instruments modernes utilisent un RTD à couche mince à l’extrémité froide pour déterminer sa température et calculer la température du point de mesure.
La tension produite par l’effet thermoélectrique est très faible et n’est que de quelques microvolts par degré centigrade. Par conséquent, les thermocouples ne sont normalement pas utilisés dans la plage de – 30 à + 50 ° C, car la différence entre la température de jonction de référence et la température de jonction de référence est trop faible pour produire un signal de non-interférence.
Câblage RTD
Dans un thermomètre à résistance, la résistance varie avec la température. Pour évaluer le signal de sortie, un courant constant le traverse et la chute de tension qui le traverse 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 l’échauffement du capteur. On peut considérer que le courant de mesure de 1mA n’introduira pas d’erreur évidente. Le courant produit une chute de tension de 0,1 V dans PT 100 à 0 °C. Cette tension de signal doit maintenant être transmise via le câble de connexion au point d’indication ou au point d’évaluation avec une modification minimale. Il existe quatre types différents de circuits de connexion :
Circuit à 2 fils
Un câble à 2 conducteurs est utilisé pour la connexion entre le thermomètre et l’électronique d’évaluation. Comme tout autre conducteur électrique, le câble possède une résistance en série avec un thermomètre à résistance. En conséquence, les deux résistances sont additionnées et l’électronique l’interprète comme une élévation de température. Pour de plus longues distances, la résistance de ligne 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 sa fluctuation en fonction de la température, un circuit à trois fils est généralement utilisé. Il comprend l’installation de fils supplémentaires sur l’un des contacts du RTD. Il en résulte deux circuits de mesure, dont l’un sert de référence. Le circuit à 3 fils peut compenser la résistance de ligne en termes de nombre et de variation de température. Cependant, les trois conducteurs doivent avoir les mêmes caractéristiques et être exposés à la même température. Ceci est généralement appliqué dans une mesure suffisante pour faire des circuits à 3 fils la méthode la plus largement utilisée aujourd’hui. Aucun équilibrage de ligne n’est nécessaire.
Circuit à 4 fils
La meilleure forme de connexion du thermomètre à résistance est un circuit à 4 fils. La mesure ne dépend ni de la résistance de la ligne ni des changements induits par la température. Aucun équilibrage de ligne n’est nécessaire. Le thermomètre fournit le 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 plusieurs fois supérieure à la résistance de ligne, cette dernière peut être ignorée. La chute de tension ainsi déterminée est indépendante des caractéristiques du fil de connexion. Cette technique n’est généralement utilisée que pour les instruments scientifiques qui nécessitent une précision de mesure d’un centième.
Émetteur à 2 fils
En utilisant un émetteur à 2 fils au lieu d’un câble multifilaire, 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 à 20 mA, qui est proportionnel à la température. L’alimentation électrique de l’émetteur fonctionne également via les deux mêmes connexions, en utilisant un courant de base de 4 mA. L’émetteur à 2 fils offre un avantage supplémentaire, c’est-à-dire que l’amplification du signal réduit considérablement l’impact des interférences externes. Il existe deux dispositions pour positionner l’émetteur. Étant donné que la distance entre les signaux non amplifiés doit être aussi courte que possible, l’amplificateur peut être installé directement sur le thermomètre dans sa tête terminale. Cette meilleure solution n’est parfois pas possible pour des raisons structurelles ou des considérations selon lesquelles l’émetteur peut être difficile à atteindre en cas de panne. Dans ce cas, l’émetteur monté sur rail est installé dans l’armoire de commande. L’avantage d’un accès amélioré est qu’il est acheté au prix d’une distance plus longue que le signal non amplifié doit parcourir.
Câblage de la thermistance
La résistance d’une thermistance est généralement supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle de n’importe quel fil conducteur. Par conséquent, l’effet de la résistance du plomb sur les relevés de température est négligeable, tandis que les thermistances sont presque toujours connectées dans une configuration à 2 fils.
Câblage de thermocouple
Contrairement aux RTDS et aux thermistances, les thermocouples ont des pattes positives et négatives, la polarité doit donc être respectée. Ils peuvent être connectés directement à l’émetteur local à 2 fils et le fil de cuivre peut être renvoyé à l’instrument récepteur. Si l’instrument récepteur peut accepter directement l’entrée du thermocouple, le même fil de thermocouple ou fil d’extension de thermocouple doit être utilisé jusqu’à l’instrument récepteur.
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