Qu'est-ce qu'un thermomètre à résistance Pt100 (RTD) ?

Sonde à résistance pt100 :

Une Pt100 est un thermomètre à résistance dépendant de la température dont la valeur augmente avec la température. C'est ce qu'on appelle un coefficient de température positif. Le nom Pt100 provient du matériau platine (Pt) utilisé et de la valeur de résistance de 100 Ω à 0°C. Le principe de fonctionnement des thermomètres à résistance métallique, généralement appelés thermorésistances, est basé sur la variation de la résistance électrique d'un métal en fonction des changements de la température environnante.

Le platine et le nickel sont principalement utilisés dans le secteur industriel. Leur résistivité élevée et leur stabilité permettent de produire des thermocouples hautement reproductibles, de petite taille et dotés d'excellentes propriétés dynamiques.

Les mesures de température effectuées avec des thermorésistances sont beaucoup plus précises et fiables que celles effectuées avec d'autres types de capteurs tels que les thermocouples.

Normalement, les thermomètres à résistance sont identifiés par le code du matériau avec lequel ils sont fabriqués (platine = Pt, nickel = Ni, etc.) suivi de leur résistance nominale à une température de 0°C.

Une Pt100 est un capteur à couche mince constitué d'un substrat céramique rectangulaire sur lequel du platine est appliqué en forme de méandre. Les deux extrémités de la résistance sont munies de fils et l'ensemble du capteur est recouvert d'une couche protectrice en verre. Inconvénient : les éléments à couche mince comme la Pt100 sont sensibles aux chocs en raison de la couche de protection en verre. Les éléments à couche mince sont utilisés pour les mesures de température jusqu'à 400°C.

Les capteurs céramiques à enroulement filaire sont constitués d'une base en céramique sur laquelle est appliqué un fil de platine. La deuxième couche externe de protection en céramique rend le capteur mécaniquement sûr et chimiquement résistant. Grâce à cette construction, les capteurs céramiques peuvent être utilisés dans la plage de mesure comprise entre -200 et 600°C. Cependant, même une base en céramique présente des faiblesses en cas de vibrations. Les capteurs à fil avec une base en céramique sont utilisés partout où des températures plus élevées doivent être mesurées, car ils peuvent être utilisés jusqu'à 600°C.

Il existe plusieurs méthodes pour relier les thermomètres à résistance aux appareils de mesure. Le choix d'une méthode par rapport à une autre dépend principalement de la précision requise pour la mesure.

Techniques de raccordement des thermomètres à résistance :

A) 2 fils
B) 3 fils
C) 4 fils

Connexion à 2 fils

 

La technique bifilaire est la moins précise et n'est utilisée que dans les cas où la connexion de la thermorésistance est réalisée avec des fils courts et de faible résistance. Lors du test du circuit électrique équivalent, on peut noter que la résistance électrique mesurée est la somme de celle de l'élément sensible (et dépend donc de la température à mesurer) et de la résistance des conducteurs utilisés pour la connexion. L'erreur introduite dans ce type de mesure n'est pas constante : elle dépend de la température.

Connexion à 3 fils

Grâce à la bonne précision des mesures, la technique à trois fils est la plus utilisée dans le secteur industriel. Dans cette technique de mesure, les erreurs dues à la résistance des conducteurs utilisés pour connecter la thermistance sont éliminées ; à la sortie du pont de mesure, la tension présente dépend entièrement de la variation de la résistance de la sonde à résistance et donc uniquement de la température.

Connexion à 4 fils

La technique du volt-ampèremètre à quatre fils offre la plus grande précision ; elle est peu utilisée dans le secteur industriel et presque exclusivement appliquée en laboratoire. Dans un circuit électrique équivalent, on constate que la tension mesurée dépend uniquement de la résistance du thermocouple ; la précision de la mesure dépend uniquement de la stabilité du courant de mesure et de l'exactitude de la mesure de la tension aux bornes du thermocouple.

Thermocouples :

Application à des charges vibratoires élevées et à des plages de températures plus élevées à partir de 400°C.

Un thermocouple se compose de deux matériaux électroconducteurs différents occupant des positions différentes sur la chaîne thermoélectrique. Lorsque ces matériaux sont connectés en un point et que ce point a une température différente de celle du point de connexion, une tension est générée qui dépend de la différence de température.

Conclusion : bien que les thermocouples soient le meilleur choix en cas de vibrations, les Pt100 ont une plus grande précision absolue et une meilleure stabilité à long terme.

Principales causes d'erreurs dans les mesures effectuées avec des thermorésistances :

La mesure de la température avec des thermorésistances est assez simple par rapport à d'autres types de capteurs, mais certaines mesures doivent être prises pour corriger les éventuelles erreurs de mesure. Il existe trois causes principales d'erreurs introduites dans les mesures de température avec des thermorésistances :

• Défaut dû à l'auto-échauffement de l'élément sensible
• Défaut dû à une mauvaise isolation électrique de l'élément sensible
• Erreur due à une immersion insuffisante de l'élément sensible

L'élément sensible s'échauffe pendant la mesure lorsqu'il est traversé par un courant excessif, ce qui augmente la température de l'élément par effet Joule. L'échauffement dépend à la fois du type d'élément sensible utilisé et des conditions de mesure. À température égale, la même thermorésistance s'échauffera moins si elle est placée dans l'eau plutôt que dans l'air, car l'eau a un coefficient de dispersion plus élevé que l'air. Normalement, tous les appareils de mesure qui utilisent des thermorésistances comme capteurs ont un courant de mesure extrêmement faible, mais il est conseillé de ne jamais dépasser un courant de mesure de 1 mA (EN 60751).

Pour effectuer des mesures correctes avec des thermorésistances, il est très important que l'isolation électrique entre les conducteurs et la gaine extérieure soit suffisamment importante, en particulier à haute température. La résistance d'isolation peut être considérée comme une résistance électrique parallèle à celle de l'élément sensible. Il est donc évident qu'à température constante, si l'isolation électrique diminue, la tension mesurée aux bornes de l'élément sensible diminuera également, ce qui introduira une erreur dans la mesure. La résistance d'isolement peut diminuer lorsque la sonde est utilisée à des températures trop élevées, en présence de fortes vibrations ou sous l'influence d'agents physiques ou chimiques.

La profondeur d'immersion de l'élément sensible est également très importante pour des mesures correctes ; contrairement aux thermocouples où les mesures peuvent être considérées comme ponctuelles, une profondeur insuffisante peut entraîner des erreurs de mesure allant jusqu'à plusieurs degrés Celsius. En effet, la gaine, généralement métallique, qui protège l'élément sensible, dissipe la chaleur proportionnellement à la différence de température entre la zone chaude et la zone froide ; on a donc un gradient thermique sur une partie de la longueur de la gaine. La profondeur d'immersion doit donc être suffisante pour que l'élément sensible à l'intérieur de la gaine ne soit pas exposé à ce gradient thermique. La profondeur minimale dépendra des conditions physiques de mesure et des dimensions de la thermorésistance (longueur de l'élément, etc.).