Temperature Icon

Mesurer des températures avec précision : Les différents types de capteurs et les exigences pour les systèmes d'acquisition de données

La grandeur la plus fréquemment mesurée dans le monde de la technique de mesure est la température. Il existe divers capteurs et méthodes pour effectuer cette tâche. L'une des méthodes les plus couramment utilisées est la mesure de température au moyen d'un thermocouple. Dans cet article, nous allons vous fournir une vue d'ensemble sur ce sujet. 

Dans le monde entier, la température est la grandeur la plus fréquemment mesurée. L'acquisition précise des variations de température joue un rôle crucial dans les mesures structurelles et dans le fonctionnement dynamique de toutes sortes de systèmes.

De nombreux facteurs peuvent engendrer des variations thermiques. Cela comprend notamment les influences environnementales (chaud, froid), le réchauffement des capteurs, les processus de combustion ou d'explosion, le débit, ainsi que les pièces mécaniques en mouvement qui génèrent une friction ou un courant électrique.

Les variations de température ont souvent à leur tour un impact sur d'autres grandeurs physiques, comme la valeur du courant électrique, l'allongement, le débit ou la pression. Dans l'idéal, ces dépendances thermiques sont prises en compte et compensées en cours de fonctionnement. Dans ce cas, il est absolument crucial que la température soit acquise avec précision afin de réduire l'incertitude de mesure due aux variations de température.

Les profils de température obtenus durant les essais ou dans une configuration d'essai « type » peuvent être utilisés pour analyser et optimiser un système. Il est possible d'en tirer profit pour les circuits de chauffage et de refroidissement, la conception de matériaux ou la détermination de la section des conducteurs électriques.


Les différentes méthodes de mesure de la température

En supposant que nous souhaitions comparer des températures par voie numérique, en même temps que d’autres grandeurs, nous disposons des possibilités suivantes pour mesurer la température :

  • Capteurs dont la résistance change, comme les thermistances CTN (à coefficient de température négatif) qui abaissent leur résistance lorsque la température augmente ou encore les thermistances CTP (à coefficient de température positif) qui augmentent leur résistance lorsque la température augmente (par ex. sondes de température résistives en platine ou silicone ou thermistances CTP en céramique).
  • Capteurs qui délivrent un signal électrique, comme les sondes de température IC (à circuit intégré), qui font varier le courant ou la tension lorsque la température change.
  • Capteurs de température utilisant un oscillateur à quartz. Ici, la fréquence de résonance varie en fonction de la température.
  • Les pyromètres et les caméras thermiques sont des instruments sans contact qui mesurent le rayonnement thermique.
  • Les capteurs de température à fibre optique mesurent le profil de température le long d'une fibre optique. Ils fonctionnent sur le principe de l'effet Raman ; en d'autres termes, ils mesurent la modification de l'indice de réfraction dans les réseaux de Bragg induite par la température.
  • Enfin, l'une des méthodes de mesure de la température les plus courantes, aujourd'hui plus que jamais, est représentée par les thermocouples. Ces derniers convertissent les différences de température en une tension électrique en appliquant l'effet Seebeck. Les thermocouples sont constitués de deux métaux différents qui sont soudés ensemble à une extrémité. Lorsque ce point de jonction devient chaud, une tension non linéaire est générée en fonction de la température.
Type-K insulated thermocouple for the QuantumX MX809B module.
Thermocouple isolé de type K pour le module QuantumX MX809B.
Fiber optic temperature sensors
Capteurs de température à fibre optique tels que ceux de la série FS63 de HBM.
Thomas Johann Seebeck (1770-1831)
Thomas Johann Seebeck (1770–1831), physicien allemand. Source de l'image : Wikipédia

L'effet Seebeck pour déterminer la température

Les thermocouples mesurent la température en se basant sur l'effet Seebeck. La relation entre la chaleur et l'électricité – la thermoélectricité – a été découverte par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck. Ainsi, si le point de jonction entre deux métaux différents est chauffé, cela produit une tension qui dépend de la température.

L'extrémité des thermocouples est constituée de fils soudés qui sont reliés à un appareil de mesure électronique. Si la température diffère en différents points de ces fils, il y a alors un déplacement de charges. Le matériau et la conductivité des fils déterminent le niveau d'activité des électrons, c'est-à-dire l'ampleur de ce déplacement de charges. Si le point de jonction soudé des deux métaux chauffe, les électrons passent alors d'un matériau à l'autre. La différence de température qui en résulte entre les extrémités reliées et les extrémités non reliées des fils génère une tension thermoélectrique. Celle-ci peut alors être mesurée au niveau des extrémités libres des fils. Une fois que nous avons mesuré la température à l'extrémité libre du fil et que nous avons mesuré la tension, nous pouvons calculer la température au point de jonction des deux fils. La tension mesurée est très basse dans ce cas, quelques dizaines de microvolts seulement pour chaque degré Celsius d'écart de température. Cependant, cela est parfait pour déterminer la température avec précision.

Types de thermocouples

Il existe différents types de thermocouples. Ils diffèrent en fonction des matériaux utilisés et de leurs propriétés, et couvrent diverses plages de température. Les différents types existants, leurs plages de tension, les forces électromotrices et la limite admissible de l'écart de température sont précisés dans la norme EN 60584.

Le thermocouple de type K est très utilisé. Il s'agit d'un thermocouple pour tous usages présentant une jonction entre les alliages nickel-chrome et nickel-aluminium. Il offre une sensibilité d'environ 41 μV/°C (microvolts par degré Celsius), est peu onéreux et présente une très large plage de température s'étendant généralement de -200 à +1 100 °C.

D'autres types courants de thermocouples sont les E, T, J, N (successeur du type K), C et S.

Connector for Type-K thermocouple (green)
Connecteur pour thermocouple de type K (vert)
Connector for Type-K thermocouple (yellow)
Connecteur pour thermocouple de type K (jaune)
Connector for Type-T thermocouple (blue)
Connecteur pour thermocouple de type T (bleu)
Connector for Type-J thermocouple (black)
Connecteur pour thermocouple de type J (noir)

Utilisation des thermocouples

Les thermocouples peuvent être utilisés pour des applications très variées dans la recherche et le développement. Ils peuvent ainsi faciliter la vérification et l'amélioration de modèles climatiques complexes pour les habitacles de véhicules, par exemple, afin d'amener les dispositifs de stockage d'énergie jusqu'aux conditions thermiques optimales ou d'éviter la démagnétisation de moteurs électriques.

Avantages des thermocouples

  • Ils sont de conception robuste.

  • Ils peuvent être fabriqués ultra-minces assurant ainsi un temps de réponse rapide (jusqu'à 0,1 seconde/10 Hz) tout en pouvant être intégrés quasiment partout.

  • Ils sont peu onéreux.

  • Ils peuvent être utilisés pour une large plage de température.

Inconvénients des thermocouples

  • Il est nécessaire d'installer des fils de compensation dans le même matériau (fils thermoélectriques).
  • Des points de contact avec le cuivre dans l'instrument de mesure créent des thermocouples supplémentaires, par ex. nickel-chrome (NiCr) dans le thermocouple de type K, ce qui génère des tensions thermoélectriques qui doivent être compensées (compensation de soudure froide).
  • Classe de précision
  • Ils ont une caractéristique non linéaire.
  • Il y a de nombreux facteurs d'incertitude.
  • Les températures doivent souvent être mesurées dans des environnements soumis à de fortes interférences électromagnétiques.

Les systèmes testés, par exemple des moteurs à combustion interne, des compresseurs ou des entraînements électriques, génèrent leur propre bruit électrique. Les environnements bruyants sont notamment dus à des objets déchargeant de hautes tensions comme les bougies d'allumage, ainsi qu'à la présence de courants et de tensions élevés à proximité du point de mesure.

Le système d'acquisition de données optimal pour la mesure de températures au moyen de thermocouples

Un système d'acquisition de données optimal doit détecter même les tout petits signaux, relever tous les défis en cas de conditions ambiantes changeantes et éliminer en plus les perturbations comme le bruit du signal.

Avec QuantumX, HBM propose un système d'acquisition de données convenant pour toutes les principales grandeurs physiques mesurables et offre en outre une analyse simple des données de mesure avec le logiciel catman.

Modèles disponibles actuellement et spécialement conçus pour être raccordés à des thermocouples :

  • MX1609KB: module d'acquisition de données à 16 voies, type K
  • MX1609TB: module d'acquisition de données à 16 voies, type T
  • MX1609KB-R: amplificateur robuste avec 16 voies configurables individuellement pour thermocouples de type K (série SomatXR)
  • MX809B: module d'acquisition de données à 8 voies, tous types (embase femelle en cuivre)
  • MX840B/MX440B: module d'acquisition de données universel à 8/4 voies, tous types

Mesurer la température et de nombreux autres signaux avec QuantumX

HBM propose le système d'acquisition de données QuantumX afin de mesurer des températures avec précision à l'aide de sondes de température résistives ou de thermocouples. La famille QuantumX est modulaire et ajustable, ce qui permet de l'adapter à vos exigences. Elle permet de raccorder n'importe quel signal, élément sensible et capteur, et numérise en même temps des grandeurs physiques, comme la température, l'allongement, la pression, la force, le couple, la vitesse, l'accélération, la position, le débit, la tension et le courant.

QuantumX – le système d'acquisition de données pour des résultats de mesure précis

Le système modulaire d'acquisition de données QuantumX traite les grandeurs mesurables comme la température avec une précision exceptionnelle :

  • Il permet une très large palette d'applications en R&D dans des domaines comme la construction mécanique et les industries de l'automobile, de la technique médicale et de l'aérospatiale.
  • Il mesure les températures avec une extrême précision, jusqu'à 0,1 K.
  • Il est insensible aux influences perturbatrices.
  • Il permet de réaliser des mesures fiables à un potentiel de tension élevé (certifié VDE).
  • Les voies sont paramétrées automatiquement grâce à la technologie TEDS sans fil (RFID).
  • Il s'avère idéal pour les mesures structurelles et hautement dynamiques, tout en offrant la possibilité de choisir la vitesse d'échantillonnage entre 0,1 et 40 000 éch/s.
  • Le transfert de données est optimal grâce à Ethernet. Le système peut en outre être intégré avec le logiciel de votre choix.
 QuantumX MX1609B Thermocouple Module
Module pour thermocouples QuantumX MX1609B
Ultra-rugged SomatXR MX1609KBR Thermocouple Module
Module pour thermocouples ultrarobuste SomatXR MX1609KBR
Module d'acquisition de données MX809B pour la mesure de températures et de tensions
Module d'acquisition de données MX809B pour la mesure de températures et de tensions
Module universel QuantumX MX840B
Module universel QuantumX MX840B

Le QuantumX offre la technologie optimale pour quasiment toutes les applications :

  • Il est fourni avec des entrées universelles ou spéciales – pour tous les types ou des types spécifiques.

  • Il permet une compensation de soudure froide extrêmement précise des voies individuelles à proximité de la jonction avec le cuivre (Pt1000).

     

  • Les voies sont isolées galvaniquement entre elles, ainsi qu'avec l'alimentation en tension et le réseau, ce qui supprime efficacement les perturbations.

  • Les chaînes de mesure sont d'une grande sécurité grâce à un câble à double isolation, un connecteur avec protection contre les contacts accidentels, une grande isolation électrique (voir les catégories de mesure) et une vérification par le VDE.

  • Il intègre une linéarisation polynomiale des courbes conforme aux normes CEI.

  • Une seconde linéarisation spécifique à l'application est réalisée grâce à l'étalonnage thermique de plusieurs points (par ex., eau glacée et 200 °C) afin de corriger le polynôme.

  • Il est robuste et compact, et offre une plage de température étendue.

  • Il est doté de fonctions comme le paramétrage automatique des voies, l'affichage du point de mesure, ainsi que la linéarisation individuelle grâce à TEDS (technologie RFID).

  • Il permet d'avoir des vitesses d'échantillonnage individuelles par voie + un filtre passe-bas.

  • Il offre une conception évolutive, pouvant être librement ajustée.

  • Il permet de réaliser des mesures synchrones.

  • Il peut être aisément intégré avec le logiciel de votre choix. Associé au logiciel Catman de HBM, il offre une solution simple et complète pour l’acquisition et l'analyse de données de mesure.

  • Il peut être intégré en temps réel (EtherCAT, bus CAN).

Contactez-nous Nous sommes à votre écoute pour répondre à toutes vos demandes.