Cours 4: Mesure de la température Flashcards
Définitions Méthodes de mesure
Température: grandeur repérable qui permet d’évaluer le degré d’agitation des atomes et des molécules. Grandeur intensive
Instruments: Un thermomètre est utilisé pour repérer « mesurer » une température.
Un pyromètre est un thermomètre destiné à mesurer des températures élevées. > 1000 °C
Thermomètres à contact
Thermomètres sans contact
Échelle conventionnelle usuelles Méthodes de mesure
Échelle Kelvin
Convention :
* Point zéro de l’échelle : zéro absolu (-273,15 °C)
* Point 273,15 de l’échelle : température du point triple de l’eau à 0,01 °C
* Chaque 1/273 de l’échelle ainsi définie est appelé Kelvin (K)
𝑇 ℃ = 𝑇 𝐾 − 273,15
Échelle Celsius
Convention :
* Point zéro de l’échelle : température de la glace fondante (0 °C)
* Point 100 de l’échelle : température de l’ébullition de l’eau sous 1 atm
* Chaque 1/100 de l’échelle ainsi définie est appelé degré Celsius (°C)
Échelle la plus utilisée comme
unités de température, appelée
aussi échelle centésimale.
Échelle Fahrenheit:
𝑇 ℃ = 𝑇 °𝐹 − 32/ 1,8
Température de référence
Température de référence
Repères faciles à utiliser pour l’étalonnage :
* Glace fondante (0 °C) et eau à l’ébullition (100 °C)
Échelle internationale de température (EIT):
Afin de disposer de valeurs étalons de part et d’autre de l’échelle 0-100 °C, une échelle internationale de
température (International Temperature Scale ITS-90) a été proposée :
* Établie sur 17 références reproductibles (éléments tels que He, H2, Ne, Hg, H2O et autres).
* Basée sur des propriétés de corps purs telles que la tension de vapeur, point de fusion ou point de solidification.
L’échelle EIT 90 stipule les méthodes physiques de mesure et les formules d’interpolation à utiliser dans les
intervalles entre points fixes ou à leur extérieur afin de définir la température dite 𝑇90.
La 𝑇90 est extrêmement proche de la température thermodynamique T correspondante.
Effet thermique sur des corps :
Solides, Liquides, Gaz: Déformation
Dilatation / Pression vapeur
Pression
Principe électrique: * Thermoélectrique
* Résistance métallique
Principe optique:
À radiation
Mesure sans contact
Sans besoin de mise en équilibre
Les propriétés physiques de toutes les
matières varient avec la température. On
peut donc mesurer ces propriétés pour en
déduire la température des matières.
Contact entre le corps dont on
mesure la température et
l’élément sensible à cette
température.
Mise en équilibre thermique
entre le corps et l’élément sensible.
Thermomètres à dilatation et à variation de pression
Thermomètres à dilatation
- Leur principe de fonctionnement est basé sur le fait général que tous les corps* tendent à se dilater lorsque leur
température augmente et qu’ils subissent une contraction lorsque leur température diminue. - La dilatation de l’élément sensible doit être réversible. Il ne doit pas changer d’état physique sur toute l’étendue
d’échelle de température qu’il sert à mesurer. - L’élément sensible doit avoir un coefficient de dilatation élevé et une faible chaleur massique afin que l’instrument
soit plus sensible et de court temps de réponse.
Grandeur thermométrique = longueur
Deux métaux avec des coefficients de dilatation différents sont collés ensemble.
Un changement de température va alors induire une déformation.
Thermomètre bilame
-50 °C à 500 °C
Simple, robuste, de volume relativement réduit
Précision de ±1 % de l’étendue d’échelle
Indication locale
Avec un contacteur électrique, ils peuvent être
utilisés comme thermostat
- Leur principe de fonctionnement est basé sur la variation de volume engendrée par
toute variation de température. - Lorsque la température s’élève, le liquide qui se dilate beaucoup plus que le verre monte
dans le capillaire. Le niveau atteint représente la température du milieu. - L’échelle n’est toutefois linéaire que sur de faibles étendues de mesure car le coefficient
de dilatation d’un liquide n’est constant que dans un intervalle restreint de températures. - Liquides usuellement utilisés : mercure, alcool, pentane et xylène.
Grandeur thermométrique = volume
Thermomètre en verre
Correction de
colonne émergente
re
-200°C à 500 °C (selon le liquide)
Échelle fractionnée
Simple, durée de vie élevée
Imprécision de ±1 % de l’étendue d’échelle
(0,1 % pour ceux de laboratoire)
Fragiles, difficulté de lecture, impossibilité de
transmettre à distance les mesures (pas dans les
boucles de contrôle)
Thermomètres à dilatation et à variation de pression
Thermomètres à variation de pression
Leur principe de fonctionnement est basé sur la variation de pression qui résulte de la variation de la
température d’un volume de fluide constant.
* L’ensemble du système étanche peut être rempli de :
o Liquide
o Gaz
o Liquide en équilibre avec sa vapeur
- Fluide manométrique : mercure, xylène, benzène
- Besoin d’une compensation due à la température ambiante
Grandeur thermométrique = pression
Thermomètres à variation de résistance
RTD (Resistance Temperature Detector)
Le capteur est un conducteur métallique, généralement en forme de fil, parcouru par un courant électrique. Sa
résistance augmente, lorsque la température du milieu dans lequel il est plongé s’élève, selon la loi simplifiée* suivante :
𝑅𝑇2 = 𝑅𝑇1 1+ ∝ 𝑇2− 𝑇 1
𝑅𝑇1 𝑒𝑡 𝑅𝑇2sont les résistances à 𝑇 1 𝑒𝑡 𝑇2
est le coefficient positif de température spécifique au conducteur utilisé. Elle varie avec la température.
Variation moyenne de la variation de
la résistance entre 0 °C et 100 °C
Pt 100
Résistance nominale
100 à 0 °C
Sonde en platine – Pt – (meilleure stabilité)
Standard international : -200 ° C à 650 ° C
Norme internationale de référence IEC 60751
Platine (650 °C), nickel (-180 °C, meilleure
sensibilité ) et cuivre (meilleure linéarité)
Le raccordement électrique d’une sonde
RTD est fait généralement par un pont de
Wheatstone.
Importance du circuit de mesure
a précision de cette mesure
dépend surtout de la méthode
utilisée pour faire la compensation
de la variation de résistance des
connexions qui relient la sonde au
pont de Wheatstone, variation
attribuable aux fluctuations de la
température de l’environnement.
La méthode la plus utilisée est celle
à trois fils.
Fil fin enroulé sur une tige isolante,
en fibre de verre par exemple, et
placé dans une gaine protectrice
métallique en cuivre ou en acier
inoxydable.
Caractéristiques recherchées pour le fil
utilisé :
La méthode la plus utilisée est celle
à trois fils.
* Coefficient de température élevé
(grande sensibilité)
* Résistivité élevée
inter
* Respect satisfaisant de la loi générale
Bsata, 1994
FEFE
de linéarité
* Bonne stabilité dans le temps
GCH2565-Méthodes expérimentales, instrumentation et acquisition de données t.E.ms I HiEEE IAN(meilleure reproductibilité
Thermocouples
Principe de fonctionnement
Effet Seebeck
Thomas A. Seebeck a découvert qu’une force électromotrice (F .E.M.) peut être développée dans un circuit fermé
composé de deux conducteurs métalliques différents reliés en série par deux jonctions si ces dernières sont portées à
températures différentes.
- Les deux métaux forment le thermocouple (TC)
- La force électromotrice (F .E.M.) développée est appelée aussi effet Seebeck
La F .E.M. développée est fonction de la différence entre les températures de
la jonction chaude et celle de la jonction froide.
𝐹. 𝐸. 𝑀. = 𝐾 (𝑇 1− 𝑇2 )
SC : Jonction chaude ou jonction de mesure (𝑇 1)
SF : Jonction froide ou jonction de référence (𝑇2)
Un thermocouple est un ensemble constitué par deux fils métalliques conducteurs
homogènes et différents, réunis à leurs extrémités.
La densité des électrons libres est différente d’un métal à autre et elle est, dans un métal donné, fonction de la température.
Effet Pelletier
Jean Pelletier a découvert que lorsqu’un courant continue traverse un circuit formé de deux métaux de nature
différente reliés par deux soudures S1 et S2 (jonctions) initialement à la même température, l’une des deux se
refroidit tandis que la température de l’autre augmente.
Effet Thompson
W. Thompson a découvert en 1850 un effet thermoélectrique secondaire qui se produit lorsque deux points d’un
même conducteur sont maintenus à deux températures différentes.
Effet thermoélectrique faible (V) généralement négligeable devant les effets Seebeck et Pelletier.
Effet thermoélectrique global qui est exploité
pour la mesure de température par TC
Grandeur thermométrique = F.E.M. (micro V)
Thermocouples
Couples utilisés
Si l’on maintient la jonction de référence à 0 °C, par exemple, la F .E.M. mesurée par un galvanomètre est fonction
de la température de la jonction chaude (jonction de mesure).
* La relation température-F .E.M. n’est pas parfaitement linéaire que sur une étendue plus ou moins restreinte.
* La réponse du TC peut être calculée à l’aide des polynômes d’ordre n :
𝑇0 = 𝑎0 + 𝑎1𝑉 + 𝑎1𝑉2 + 𝑎1𝑉3 + ⋯ + 𝑎𝑛𝑉𝑛
- Tout couple de métaux différents présente un effet Seebeck
- Le choix des métaux dépend de la linéarité de la réponse, la sensibilité et la stabilité chimique des métaux
lorsqu’ils sont soumis à de nombreux cycles thermiques
Sensibilité Coefficient de Seebeck (V/°C)
Thermocouples
Influence de la température de référence
Dans les publications techniques, on trouve les tensions
générées (mV) pour diverses températures et c’est
généralement le 0 °C qui est pris comme référence
(jonction froide).
* Les tables sont disponibles à
14ᵉˢ
https://srdata.nist.gov/its90/download/download.html
Thermocouples
Influence de la température de référence
- S’il n’est pas possible de maintenir la température à 0 °C, une correction (compensation de soudure froide) doit
être faite afin de connaître avec précision la température de la jonction chaude (de mesure).
1. Mesurer la tension aux bornes du TC
2. Mesurer la température de la jonction froide à l’aide d’un thermomètre réputé précis
3. À l’aide de la table de données pour le TC correspondant, lire la tension (mV) qui correspond à la
température mesurée au point 2.
4. Calculer la somme des tensions 1 et 3 et en déduire, à l’aide de la table de données, la température
réelle de la jonction chaude.
Exemple
- Pour une tension lue (TC) de 3,115 mV, une température de 59,98 °C est correspondante selon la table
- Pour une température de 20,0 °C mesurée à la jonction froide, on a un équivalent de 1,019 mV
- Avec cette information, la somme des tensions peut être calculée, donc (3,115 + 1,019) mV = 4,134 mV
- À l’aide de la table, on trouve que cette tension correspond à une valeur de température réelle corrigée de 79,02 °C
Thermocouples
Dans la pratique …
Parallèle
en série
- Très court temps de réponse. Risques de corrosion.
- Protège le signal des interférences provenant de la
gaine. Temps de réponse légèrement plus long. - Temps de réponse court avec une bonne protection.
4.5 – Thermomètres optiques (généralités)
- Lorsque les conditions du milieu à l’étude ne permettent pas un contact direct entre les capteurs et le corps à
l’étude, on utilise des thermomètres optiques. - L’application d’origine de ce thermomètre est évidement la mesure de températures élevées (pyrométrie).
- Ils conviennent particulièrement :
o Si la température est très élevée 2000 °C, mesures à grand distance
o Si le milieu risque d’endommager le capteur (environnement agressif) ou le fondre
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o S’il s’agit de mesurer la température d’une grande surface ou de très petites surfaces, celles d’objets mobiles
ou d’endroits peu accessibles
o Corps mauvais conducteur de la chaleur
o Pièces en mouvement - Leur principe de fonctionnement est basé sur la relation entre la température d’un corps
et le rayonnement optique (IR ou visible) que ce corps émet.
Rayonnement infrarouge (IR)
4.5 – Thermomètres optiques Généralités
Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu émet spontanément et en permanence un
rayonnement électromagnétique. Le spectre continu de ce rayonnement a une répartition énergétique fonction de
la température : c’est le rayonnement thermique.
* Ce rayonnement a pour origine des transitions radiatives provoquées dans les atomes et les molécules par
l’agitation thermique. Les lois de cette émission sont d’abord établies pour un corps idéal, le corps noir, caractérisé
par une absorption totale de tout rayonnement incident. Le rayonnement thermique d’un corps réel, selon son
pouvoir absorbant, se rapproche plus ou moins de celui du corps noir.
* La loi de Stefan-Boltzmann relie l’émittance totale à la température absolue de la source :
𝐸 = 𝜎𝑇4
ruyanent
E est l’énergie totale émise, est la constante de Stefan-Boltzmann et T est la température absolue
* Les capteurs utilisés sont des capteurs optiques, photoélectriques ou thermiques.
4.6 - Généralités
Température mesurée et température à mesurer
La température mesurée à l’aide d’un thermocouple ou une thermistance est celle du capteur (𝑇 𝑐). Elle dépende de la
température du milieu (𝑇 𝑥) dans lequel il est plongé, mais elle est en fait déterminée par l’ensemble des échanges
d’énergie ayant lieu dans le capteur.
Dans le cas général, les diverses énergies mises en jeu sont les suivantes :
a. b. c. Énergie échangée entre le capteur et le milieu dont on mesure la température;
Énergie échangée entre le capteur et l’environnement externe à la température ambiante;
Énergie dissipée dans le capteur lorsqu’il est parcouru par un courant de mesure.
De (a) et (b), il résulte entre le capteur et le milieu de mesure un écart de température ∆𝑇𝑐1. C’est cet écart de
température qui s’établit dans le cas d’un thermocouple dont on mesure la F .E.M. en circuit ouvert sans énergie
dissipée.
Lorsqu’il y a de l’énergie dissipée, comme cela est le cas des thermistances du fait du courant de mesure qui les
parcourt, cette énergie dissipée provoque un échauffement ∆𝑇𝑐2 du capteur, dit autoéchauffement. Dans ce cas,
l’écart de température ∆𝑇 𝑐 résulte des deux mécanismes précédents : ∆𝑇 𝑐 = ∆𝑇𝑐1 + ∆𝑇𝑐2
4.6 - Généralités
Facteurs a considérer lors de la sélection d’un capteur de température
Mesure de la
température á
l’intérieur d’un
solide
Mesure de la
température des
fluides
Caractéristiques
des fluides
Emplacement du
capteur
Rayonnement
des parois
4.6 - Généralités
Puit thermométrique
Un puit thermométrique (gaine thermométrique) est à prévoir pour tout thermocouple ou résistance thermométrique
mesurant la température d’un produit sous pression ou sous vide et qui nécessite une séparation physique entre le
capteur et le procédé.
Agressions chimiques/physiques
Démonter/remonter l’élément de mesure
* Une tige est un tube métallique fermé qui est installé dans la paroi de la tuyauterie ou du réservoir et dans lequel
est logée la sonde. Ainsi, le capteur peut être retiré du procédé (remplacement ou étalonnage) sans interrompre la
production.
* Les matériaux de fabrication et le design des tiges sont divers (type de connexion selon l’application).
4.6 - Généralités
Transmetteur de température
- Le transmetteur (4-20 mA) est intégré dans la tête du capteur
- Il évite d’avoir à poser des câbles de compensation entre le site et la salle technique
- La majorité des transmetteurs sont intelligents (smart) et présentent les facilités suivantes :
o Module unique configurable pour tous types de sonde à résistance ou thermocouple
o Compensation de soudure froide
o Linéarisation de l’échelle
o Alarme programmée
o Communication numérique
4.6 - Généralités
Temps de réponse
- Le temps de réponse des thermomètres est sensiblement plus long que celui de la plupart des instruments mesurant
d’autres paramètres. Ceci est dû au temps plus ou moins long nécessaire pour atteindre l’équilibre thermique. - Le temps de réponse d’un capteur de température est le temps que met le capteur pour atteindre un certain
pourcentage d’écart de température par rapport à celle à laquelle il est soumis. - Ce temps de montée est dû à l’inertie thermique présentée par la masse du capteur et par sa chemise de
protection.
Temps s’écoulant avant que l’indication corresponde à 63,2
% d’une variation brusque et entretenue de la température
(c’est-à-dire à 36,8 % près) → constante de temps
https://uel.unisciel.fr/
Temps nécessaire pour que l’indication soit égale à 99%,
98%, 95% près (ou autre) de la valeur finale.
Le temps de réponse qui caractérise un thermomètre donné
n’a de signification que pour des conditions d’utilisation
définies de l’instrument dans un milieu déterminé.
