Présentation des capteurs de température

Contenu

Présentation

Il existe une grande variété de capteurs pour traduire les phénomènes de température en des signaux mesurables. Les capteurs les plus courants sont au nombre de 3 : les thermocouples, les capteurs de température à résistance (RTD) et les thermistances. Chacun a ses propres caractéristiques de fonctionnement, avantages et inconvénients. Ce document présente le contexte et les informations nécessaires pour vous aider à sélectionner le meilleur capteur de température susceptible de répondre au mieux aux besoins de votre application.

En plus des fonctionnalités inhérentes aux capteurs (gamme de fonctionnement, sensibilité, linéarité, temps de réponse, etc.), vous devez prendre en compte les exigences auxquelles sont soumises le matériel de mesure en fonction du capteur. Par exemple, les thermocouples ne requièrent aucun courant d'excitation (au contraire des thermistances) mais ont besoin d'une compensation de soudure froide qui n'est disponible que sur certains matériels de mesure. Pour vous familiariser avec le matériel de mesure nécessaire pour effectuer des mesures de températures, téléchargez le Guide de l'ingénieur pour des mesures de capteurs précises.

Le tableau 1 compare les types de capteurs de température :

Tableau 1 : Avantages et inconvénients des types de capteurs de température

Remarque : Vous pouvez utiliser d'autres types de capteurs de mesure de la température comme les CI ou Bragg sur fibre (FBG), deux types de capteurs qui ne sont pas décrits dans cet article.

Le tableau 2 répertorie les différentes fonctionnalités des trois capteurs les plus communs que nous examinons tout au long de ce livre blanc.

Fonctionnalités

Thermocouple

RTD

Thermistance

Gamme de températures

Excellente

de -210 °C à 1760 °C

Très bonne

de -240 °C à 650 °C

Bonne

de -40 °C à 250 °C

Linéarité

Acceptable

Bonne

Faible

Sensibilité

Basse

Moyenne

Très élevée

Temps de réponse

Moyen à rapide

Moyen

Moyen à rapide

Stabilité

Acceptable

Bonne

Faible

Précision

Moyen

Élevée

Moyenne

Susceptibilité à l'auto-échauffement

Non

Oui, minimale

Oui, élevée

Durabilité

Excellente

Bonne

Faible

Coût

Le plus faible

Élevé

Basse

Exigences pour le conditionnement des signaux

Compensation de soudure froide

Amplification

Détection de thermocouple ouvert

Mise à l'échelle

Excitation

Correction de la résistance de fil

Mise à l'échelle

Excitation

Mise à l'échelle

Tableau 2 : Comparaison des types de capteurs de température

Étapes pour sélectionner un capteur de température

  1. Comprenez bien l'application de mesure et ses exigences.
    • À quelle vitesse la température change-t-elle ? Déterminez un temps de réponse approprié
    • Quel est le temps de déploiement ? Les capteurs sont-ils facilement accessibles pour réaliser une maintenance ? Choisissez un capteur suffisamment robuste pour réduire l'entretien.
    • Quel est la précision requise ? Quel est l'impact de la précision du capteur sur la précision de mesure globale.
  2. Déterminez la gamme de températures à mesurer.
    • Sélectionnez un type de capteur qui fonctionne au-delà de la gamme des températures possibles.
    • Prenez en considération la linéarité de chaque type de capteur qui répond à vos exigences ; sélectionnez le type ayant la réponse la plus linéaire sur la gamme à mesurer pour améliorer la précision de conversion tension-température ou résistance-température
  3. Prenez en compte l'environnement où les capteurs sont déployés.
    • Choisissez un matériau de revêtement résistant aux expositions chimiques.
    • Déterminez si vous avez besoin d'une isolation pour éviter des boucles de masse ou du bruit de masse.
    • Assurez-vous que vos capteurs sont conçus pour supporter les vibrations ou l'abrasion s'ils y sont exposés.
  4. Pensez à la manière dont vous montez vos capteurs et choisissez un style de montage qui permet de maximiser la connexion thermale.
  5. Sélectionnez le matériel de mesure nécessaire pour conditionner, acquérir, analyser et afficher/enregistrer les signaux de température. En savoir plus avec le Guide de l'ingénieur pour des mesures de capteurs précises.
 

Fonctionnalités des capteurs de température

Utilisez les fonctionnalités suivantes pour définir les capacités et performances de votre capteur de température. Elles s'appliquent à tous les types de capteurs de températures avec quelques exceptions et réserves. Lors de la sélection d'un capteur, pensez à l'impact que chacune des fonctionnalités a sur vos mesures et faites attention de sélectionner le capteur dont les fonctionnalités correspondent le mieux aux exigences de votre projet.

Gamme de températures

La gamme de températures d'un capteur définit les températures auxquelles le capteur fonctionne en toute sécurité et fournit des mesures précises. Chaque type de thermocouple a une gamme de températures spécifiée selon les propriétés des métaux utilisés lors de la création de ce thermocouple. Les RTD offrent une gamme de températures moins importante en échange d'une meilleure linéarité et précision. Les thermistances fournissent la plus petite gamme de températures mais une sensibilité excellente. Comprendre la gamme de températures à laquelle votre capteur peut être exposée peut vous éviter de l'endommager tout en vous assurant de meilleures mesures.

Linéarité

Un capteur idéal aurait une réponse parfaitement linéaire ; un même delta de température d'entrée résulterait en un même delta de sortie de tension sur toute la gamme de températures du capteur. En réalité, cependant, aucun capteur ne possède une linéarité parfaite. La figure 1 propose une idée de la réponse température-tension des trois capteurs que ce white paper examine.

Figure 1 : Réponse température-sortie des capteurs

Sensibilité

La sensibilité d'un capteur donné indique le pourcentage de changement de sortie pour une modification de température donnée. Un capteur plus sensible, comme une thermistance, peut plus facilement détecter un changement mineur de température, contrairement à un capteur moins sensible, tel qu'un thermocouple. Cette sensibilité, cependant, est obtenue au détriment de la linéarité. Cela peut être un facteur important lors du choix du capteur idéal pour votre application de mesure. Si vous avez l'intention de capturer des changements de fraction de degré sur une gamme de températures limitée, une thermistance ou un RTD est un choix plus judicieux. Pour capturer des changements de températures plus importants sur une plus grande gamme de températures, un thermocouple peut suffire. La figure 2 donne une idée relative de la tension.

Figure 2 : Sensibilité des différents types de capteurs de température.

Temps de réponse

Le temps de réponse est la mesure du temps qu'un capteur prend pour répondre à un changement de température. De nombreux facteurs peuvent augmenter ou diminuer le temps de réponse. Par exemple, plus la taille d'un RTD ou d'une thermistance augmente, plus leur temps de réponse est long. En contre partie de cela et d'un shunt thermique moindre, un RTD ou une thermistance de plus grande taille est moins susceptible aux erreurs d'auto-échauffement. De même, les jonctions de thermocouple non à la masse fournissent un temps de réponse plus lent en échange d'une isolation électrique. La figure 3 montre la différence relative des temps de réponse pour les thermocouples à la masse et non à la masse.

Figure 3 : Temps de réponse des thermocouples à la masse et pas à la masse

Stabilité

La stabilité du capteur de température est une indication de sa capacité à maintenir une sortie constante pour une température donnée. Le matériau joue un rôle clé dans la stabilité d'un capteur donné. Les RTD sont souvent faits en platine pour cette raison, ainsi que pour assurer une réactivité faible. Le substrat auquel le platine est collé, cependant, peut se déformer après une exposition prolongée à des températures élevées, ce qui peut ajouter une contrainte supplémentaire et inattendue, modifiant ainsi la résistance mesurée.

Précision

Comme pour toute application de mesure, comprendre les besoins en précision est critique pour obtenir des résultats fiables. Vos choix en matière de capteur et de matériel jouent un rôle important dans la précision de mesure absolue, mais d'autres détails moins importants comme le câblage, la proximité d'autres équipements, le blindage, la mise à la masse et autres peuvent également affecter la précision. Lors du choix d'un capteur, tenez compte des tolérances spécifiées et de tous les facteurs qui peuvent affecter cette spécification (par exemple l'exposition prolongée à des températures élevées). Aussi, veuillez soigneusement choisir un capteur et un périphérique de mesure avec des précisions similaires. Un RTD avec une tolérance stricte coûte plus cher, mais vous ne pouvez pas atteindre une haute précision si vous utilisez un capteur de mesure de moindre qualité.

Durabilité

Pour vous assurer que votre capteur de température reste opérationnel pour la durée de votre application, vous avez besoin de comprendre l'environnement dans lequel vous le déployez. Certains capteurs (les thermocouples, par exemple) sont par nature d'une construction plus robuste. Cependant, les métaux sélectionnés pour un thermocouple donné ont différents niveaux de résistance à la corrosion. De plus, un capteur encapsulé dans un minéral isolant et recouvert d'une gaine métallique est plus résistant à l'usure et à la corrosion dans le temps, mais il coûte plus cher et est moins sensible. Vous devez aussi tenir compte du fait que différentes configurations de capteur peuvent avoir des exigences de montage spécifiques pour assurer un contact physique et thermique solide.

Coût

Comme pour tout aspect d'un projet, le coût peut être un facteur déterminant. Par exemple, dans les applications avec un nombre élevé de voies, le coût plus élevé des RTD par rapport aux thermocouples peut être rédhibitoire malgré leur meilleure linéarité. Vous devez aussi tenir compte du coût additionnel du câblage, du montage et du conditionnement du signal dans le coût total du système.

Exigences du conditionnement de signaux

Chaque type de capteur de température exige un conditionnement du signal pour adéquatement acquérir et numériser le signal mesuré pour le traitement. Le matériel de mesure que vous sélectionnez peut être tout aussi important pour assurer des mesures précises que le capteur et peut atténuer ou exacerber les lacunes de chaque type de capteur. Types de conditionnement à considérer:

  • Amplification
  • Compensation de soudure froide (thermocouples uniquement)
  • Filtrage
  • Excitation (RTD et thermistances uniquement)
  • Ajustement d'erreur d'offset
  • Mise à l'échelle des unités de température
  • Correction de la résistance de fil
  • Isolation voie à voie
  • Détection de thermocouple ouvert (thermocouples uniquement)

 

Étapes suivantes

Pour des informations spécifiques sur la théorie de fonctionnement et les variantes de chaque type de capteur, veuillez consulter les white papers ci-dessous concernant des capteurs spécifiques :

 

Références

http://www.omega.co.uk/temperature/Z/pdf/z019-020.pdf

http://www.engineeringtoolbox.com/temperature-sensors-d_448.html

http://www.itsirl.com/admin/pdfmanual/1420797923pt100acc.pdf