Types de capteurs de température | Fonctionnement et applications

La mesure de la température est l’une des exigences les plus courantes dans le domaine de l’ingénierie et de la science, ainsi que dans les applications industrielles. La température d’un procédé est mesurée afin de contrôler et de garantir son bon fonctionnement. Une variété de capteurs de température est utilisée à ces fins ; cependant, tous ces capteurs fonctionnent différemment en raison de leur construction et de leurs mécanismes de fonctionnement.

Il est important d’utiliser le type de capteur approprié pour mesurer une température donnée. Dans le cas contraire, des résultats erronés peuvent être obtenus, voire des situations dangereuses peuvent survenir. L’article suivant décrit quelques catégories principales de capteurs de température, ainsi que leur principe de fonctionnement de base et leurs usages pratiques.

Types de capteurs de températur

Thermocouples: large plage, robustesse industrielle

Les thermocouples pourraient être considérés comme l’un des dispositifs de mesure de température les plus courants dans l’industrie, et ce pour de bonnes raisons. Ces dispositifs sont simples dans leur conception et leur fonctionnement, durables et peu coûteux, tout en étant capables de mesurer les plages de température les plus larges, d’environ -200 °C à 2300 °C, selon le type de thermocouple.

Le principe de fonctionnement repose sur l’effet Seebeck. Si deux métaux différents sont reliés à une extrémité (jonction de mesure) et que les autres extrémités sont connectées à un dispositif mesurant la tension (jonction de référence), une tension est générée. Celle-ci est proportionnelle à l’écart de température entre les deux jonctions. En connaissant la température de la jonction de référence, il est possible de calculer la température au point de mesure en mesurant la tension générée.

Il existe plusieurs types standard de thermocouples, mais le plus utilisé dans l’industrie générale est le type K, composé d’un alliage chromel-alumel, couvrant la plage de température approximative de moins 200 °C à 1260 °C. Les thermocouples de types R, S et B sont utilisés à des températures plus élevées, notamment dans la production de métaux précieux et de verre.

Applications:

• Fours de fabrication de métaux et d’acier
• Surveillance des gaz d’échappement des turbines à gaz
• Mesure de la température des gaz de combustion des chaudières
• Essais de moteurs automobiles
• Fours de l’industrie alimentaire

L’un des principaux inconvénients du capteur thermocouple est la production limitée d’électricité, ce qui le rend très vulnérable aux perturbations électriques externes. L’autre inconvénient associé aux thermocouples est la nécessité d’une correction de la jonction de référence.

Sondes à résistance (RTD): la précision avant tout

Contrairement au thermocouple, la sonde RTD fonctionne selon des principes complètement différents, en s’appuyant sur les variations de la valeur de résistance à différentes températures. Les matériaux couramment utilisés dans la plupart des sondes RTD sont à base de platine comme élément de détection, en raison de sa propriété résistive prévisible. Le standard de sonde RTD le plus courant est la Pt100, qui mesure 100 ohms à 0 °C.

À mesure que la température augmente, la résistance du platine augmente linéairement. Cette augmentation est enregistrée, convertie, puis lue comme valeur de température. En raison de la haute stabilité du platine, les sondes RTD sont plus précises, avec une précision allant de ±0,1 °C à ±0,5 °C, et ce niveau de précision reste constant pendant une période considérable.

Cependant, les sondes RTD ont des coûts plus élevés et sont plus fragiles que les thermocouples, et leur plage de fonctionnement maximale ne peut atteindre que 600 °C.

Applications:

• Procédés de production pharmaceutique nécessitant une précision réglementaire
• Fabrication alimentaire et de boissons
• Systèmes de contrôle de la température de l’air et de l’eau en CVC
• Instruments de laboratoire et équipements d’étalonnage
• Centrales de production d’énergie

Les sondes RTD sont le capteur de choix partout où la précision importe davantage que le coût, et partout où la température du procédé reste dans leur plage de fonctionnement.

Thermistances: une grande sensibilité dans un format compact

Tout comme les sondes RTD, les thermistances sont également des capteurs de type résistif, bien que leur comportement ne soit pas tout à fait semblable à celui de ces dernières. Alors que la résistance d’une sonde RTD augmente progressivement avec la température, les résistances des thermistances présentent des fluctuations considérables sur la plage de température de –50 °C à +150 °C. Les thermistances sont composées de céramiques semi-conductrices.

Les thermistances se présentent sous deux formes. Une thermistance CTN (à coefficient de température négatif) présente une baisse de résistance lorsque la température augmente, tandis qu’une thermistance CTP (à coefficient de température positif) montre une hausse soudaine de la résistance à un certain point de température. Bien que les thermistances CTP soient moins courantes, les thermistances CTN sont plus souvent privilégiées en raison de leur grande sensibilité.

L’élément à prendre en compte lors de la conception d’un circuit utilisant une thermistance est l’auto-échauffement. Cela signifie que, puisque les thermistances fonctionnent sur la base de mesures de résistance, un certain flux de courant doit circuler pour mesurer la température. Si l’excitation de courant est trop élevée, la thermistance mesurera des valeurs de température erronées en raison des effets de chauffage causés par le flux de courant.

Applications:

• Dispositifs médicaux, y compris les thermomètres numériques et les incubateurs
• Gestion des batteries dans les ordinateurs portables et les appareils mobiles
• Appareils électroménagers tels que les réfrigérateurs, les climatiseurs et les chauffe-eau
• Détection de la température de la cabine dans les véhicules

Capteurs de température infrarouges: la mesure sans contact

Tous les capteurs précédemment décrits nécessitent un contact direct avec l’objet ou le milieu considéré. Les capteurs infrarouges fonctionnent selon un principe totalement différent: ils détectent le rayonnement thermique de l’objet et mesurent la température sans entrer en contact avec lui d’aucune manière.

En effet, tous les objets émettent de l’énergie infrarouge si leur température est supérieure au zéro absolu. La quantité de rayonnement est proportionnelle à la température de l’objet. Le capteur infrarouge capte l’énergie émise par l’objet à travers une lentille et la concentre vers un récepteur, qui mesure la température selon la loi de Stefan-Boltzmann.

Ces capteurs réagissent quasi instantanément, sont sûrs pour une utilisation avec des objets en mouvement ou en rotation, et constituent la seule option pratique lorsqu’une mesure par contact risquerait de perturber ou d’endommager le procédé. L’une de leurs limites est la nécessité de connaître l’émissivité du matériau cible ; les conditions de surface telles que la poussière, l’humidité ou la vapeur entre le capteur et la cible peuvent également introduire une erreur de mesure

Applications:

• Surveillance des machines rotatives et des panneaux électriques
• Fabrication du verre et du papier, où la détection par contact n’est pas pratique
• Dépistage médical de la fièvre
• Contrôles de sécurité alimentaire dans les cuisines commerciales
• Usines métallurgiques où les températures de surface sont extrêmement élevées

Capteurs de température à circuit intégré semi-conducteur: plug-and-play pour l’électronique

Un capteur de température semi-conducteur est un circuit intégré qui produit soit une tension analogique, soit un signal numérique correspondant à la température mesurée. Cette technologie exploite la propriété de la tension directe d’une jonction p-n en silicium, qui varie de manière prévisible avec la température.

Ils sont fabriqués pré-étalonnés et prêts pour une intégration plug-and-play dans les systèmes électroniques, sans traitement supplémentaire. Le LM35 produit une tension analogique linéaire en fonction des variations de température, tandis que le TMP36 et le DS18B20 utilisent une interface numérique pour une communication à un seul fil.

Les inconvénients sont de nature similaire. Par exemple, les plages de température de détection vont de -55 °C à 150 °C ; ils sont moins précis que les sondes RTD dans les applications exigeantes, et leur fragilité les rend inadaptés aux environnements industriels difficiles. Néanmoins, lorsqu’ils sont utilisés dans l’électronique et les plateformes IoT, ils offrent des résultats optimaux.

Applications:

• Biens de consommation tels que les ordinateurs portables, les téléphones mobiles et les tablettes, à des fins de contrôle thermique
• Gestion thermique des cartes de circuits imprimés
• Surveillance météorologique
• Surveillance des paramètres physiologiques dans les dispositifs médicaux portables
• Applications IoT

La clé pour choisir le bon capteur de température

Le choix du capteur de température approprié nécessite de prendre en compte de nombreux aspects dans leur ensemble plutôt qu’isolément. Le premier aspect à examiner est la plage de température, puisqu’un thermocouple fonctionne bien aux extrêmes, une sonde RTD et une thermistance à des températures modérément chaudes, et un capteur à circuit intégré à des températures basses courantes dans les systèmes électroniques.

L’environnement physique joue un rôle important, car les vibrations, l’humidité, les produits chimiques et les perturbations électriques peuvent affecter les performances du capteur. La possibilité d’effectuer une mesure par contact, le temps de réaction requis du capteur, le budget et le format de sortie sont également des aspects importants à cet égard.

Un capteur de température correctement choisi devrait fonctionner efficacement, sans effort notable de votre part, en fournissant des mesures correctes. À l’inverse, un capteur mal choisi deviendra une source fréquente d’erreurs et de remplacements, ainsi que de perturbations du procédé.

Conclusion

La mesure de la température est un domaine qui ne peut être généralisé. L’existence des thermocouples, des sondes RTD, des thermistances, des détecteurs infrarouges, des capteurs semi-conducteurs ou des bilames prouve qu’il existe des situations concrètes où chacun offre de meilleurs résultats que les autres types.

Comprendre le mécanisme de fonctionnement de chaque type facilite grandement le choix du meilleur dispositif pour chaque application spécifique, et c’est précisément cette sélection qui distingue un système performant d’un système peu fiable nécessitant un entretien constant. Avec l’automatisation croissante des procédés dans différentes industries, les capteurs de température se développent également en conséquence, offrant des mesures toujours plus précises.

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