Quels sont les types de capteurs de température couramment utilisés

Les capteurs de température sont des outils importants dans l’ingénierie moderne, la recherche scientifique et la vie quotidienne. Ils vous permettent de surveiller et de contrôler les conditions thermiques dans une large gamme de paramètres. Les thermocouples, les détecteurs de température à résistance (RTD), les thermistances (versions NTC et PTC) et les capteurs de température à circuit intégré (IC) sont les types les plus populaires. Les thermocouples et les RTD sont les types de capteurs les plus couramment utilisés dans les usines car ils sont fiables, flexibles et peuvent fonctionner dans des environnements difficiles. Chaque type de capteur fonctionne selon des principes différents, ce qui signifie qu'ils présentent des avantages différents en termes de plage de température, de précision, de temps de réponse, de coût et d'adaptabilité à différents environnements. Cela permet aux ingénieurs de choisir la meilleure solution pour une situation donnée, comme le contrôle des processus, les systèmes CVC, les équipements médicaux, les applications automobiles et les appareils IoT.




Thermocouples



Les thermocouples fonctionnent grâce à l'effet Seebeck (effet thermoélectrique), qui se produit lorsque deux conducteurs métalliques différents sont connectés à une extrémité pour former une jonction de mesure. Une force électromotrice mineure (tension) est créée lorsqu'il existe une différence de température entre la jonction chaude (de mesure) et la jonction froide (de référence). Cette tension est directement liée à la différence. Il est possible de trouver la température exacte en mesurant cette tension et en effectuant les bons ajustements pour la température de la jonction de référence.



Les thermocouples peuvent mesurer une très large plage de températures, allant de -200 degrés à bien plus de 2 000 degrés, selon les matériaux utilisés. Cela les rend parfaits pour les endroits très chauds ou très froids. Ils ont une conception simple et solide qui les rend très durables et capables de résister aux chocs, aux vibrations et aux situations difficiles. Les thermocouples sont également bon marché, n'ont pas besoin d'une source d'alimentation externe pour fonctionner et ont des temps de réponse thermique rapides, ce qui est important dans les processus qui évoluent rapidement. Mais leur signal de sortie est plutôt faible (généralement de l’ordre du microvolt), ils ont donc besoin de circuits d’amplification et d’un ajustement de soudure froide pour rester précis. Certaines catégories courantes sont :



Type K (nickel-chrome/nickel-silicium) : le type le plus courant, il fonctionne bien de -200 degrés à +1260 degrés et est d'un prix raisonnable et résistant à l'oxydation.



Type J (fer/cuivre-nickel) : fonctionne bien à des températures plus basses, jusqu'à environ 750 degrés, et est largement utilisé dans les atmosphères réductrices.



Type S (platine-rhodium/platine) : il s'agit d'un type de métal noble utilisé dans des applications de haute-précision et haute-température allant jusqu'à 1 600 degrés ou plus. Il est utilisé dans les fours et les avions.



Les thermocouples sont très importants dans les industries qui travaillent à des températures élevées, comme la métallurgie (fonte d'acier), la transformation chimique, la production d'électricité (chaudières et turbines) et la fabrication du verre.







II. Détecteurs de température à résistance (RTD)



Les RTD dépendent du fait que la résistance électrique des métaux purs, comme le platine, change de manière prévisible lorsque la température change. La résistance augmente en ligne droite à mesure que la température augmente, en suivant des règles telles que l'équation de Callendar-Van Dusen. Le capteur Pt100 (100 ohms à 0 degré) et le Pt1000 sont les deux types les plus courants.



Les RTD sont excellents car ils sont très précis (généralement ±0,1 degré ou mieux), stables dans le temps et ont une réponse linéaire sur une large plage de températures (généralement -200 degrés à +660 degrés, mais certaines conceptions peuvent aller beaucoup plus haut). Pour cette raison, ils conviennent mieux aux tâches qui nécessitent beaucoup de précision, comme l’étalonnage des laboratoires, la transformation des aliments, la fabrication de médicaments et le contrôle des systèmes CVC. Leurs principaux problèmes sont qu'ils mettent plus de temps à répondre car ils ont plus de masse thermique, ils coûtent plus cher que les thermocouples et ils ont besoin d'un courant d'excitation externe (source de courant constant) pour mesurer la résistance sans commettre d'erreurs d'auto-échauffement. L'utilisation de configurations à trois- ou quatre fils est un avantage considérable car elles compensent la résistance des fils conducteurs et améliorent considérablement la précision globale du système, en particulier sur de longues distances.







III. Thermistances



Les thermistances sont des capteurs constitués de semi-conducteurs dont la résistance change beaucoup à mesure que la température change. Ils sont divisés en NTC (coefficient de température négatif, ce qui signifie que la résistance diminue à mesure que la température augmente) et PTC (coefficient de température positif, ce qui signifie que la résistance augmente rapidement au-dessus d'un certain point).



Les thermistances NTC sont extrêmement sensibles (bien plus que les RTD ou les thermocouples), réagissent rapidement, sont petites et bon marché. Ils fonctionnent bien dans la plage de -50 à +150 degrés Celsius (avec certaines versions étendues). Ils sont beaucoup utilisés dans les systèmes de gestion de batterie, la climatisation automobile, les appareils électroménagers (tels que les réfrigérateurs et les fours) et l’électronique grand public. Le principal problème est que leur courbe de résistance-température est assez non-linéaire, ce qui signifie que vous devez utiliser des tables mathématiques ou de recherche pour obtenir des lectures précises. De plus, ils ont des problèmes d’interchangeabilité s’ils ne sont pas calibrés. Les thermistances PTC, quant à elles, sont principalement utilisées pour la prévention des surchauffes, la limitation du courant d'appel et l'autorégulation des éléments chauffants au lieu d'une mesure continue exacte.







IV. Capteurs de température pour circuits intégrés (CI) Les capteurs IC combinent l'élément de détection, le conditionnement du signal et parfois la conversion analogique-vers-numérique dans une seule puce de silicium. Ils peuvent envoyer soit une tension analogique (par exemple 10 mV/degré) soit des signaux numériques via des protocoles tels que I²C, SPI ou 1-Wire. Certaines marques bien connues sont les appareils des séries LM35, DS18B20 et TMP.



Ils ont un faible taux d'erreur (± 0,5 degré habituel), réagissent rapidement, nécessitent peu de pièces externes et sont faciles à connecter aux microcontrôleurs. Cela les rend parfaits pour les systèmes embarqués, l’électronique grand public, les nœuds IoT, les PC et les appareils portables. La plage de température de -55 à +150 degrés Celsius limite leur utilisation dans des endroits très chauds ou très froids, mais leur facilité d'utilisation et leur capacité à travailler avec d'autres appareils compensent cela dans de nombreuses applications actuelles.







V. Autres types de suppléments En plus des principaux capteurs de contact, il existe un certain nombre de choix spécialisés répondant à des objectifs spécifiques.



Les capteurs de température infrarouges (-sans contact) peuvent mesurer la température sans toucher l'objet, car ils peuvent voir le rayonnement thermique qui en émane. Ils sont parfaits pour surveiller des températures élevées (comme les métaux en fusion), des cibles en mouvement ou des endroits dangereux. Vous pouvez les trouver dans les thermomètres auriculaires médicaux, les pyromètres industriels et les contrôles de sécurité alimentaire.



Les thermomètres bimétalliques utilisent la dilatation thermique différente de deux métaux liés pour déplacer un pointeur. Cela donne une lecture simple et fiable sans avoir besoin d’énergie. Ils fonctionnent bien avec de simples thermostats domestiques, des fours et des jauges industrielles qui ne sont pas très précises.



Les capteurs de température à fibre optique sont insensibles aux interférences électromagnétiques, résistants à la corrosion et capables de détecter sur de grandes distances car ils utilisent des fonctionnalités optiques telles que la décroissance de la fluorescence ou l'interférométrie. Ils sont très importants dans des endroits tels que les sous-stations à haute tension-, les transformateurs, les appareils IRM et les endroits où des explosifs ou des matières nucléaires sont présents.



En bref, lors du choix d'un capteur de température, vous devez réfléchir à des éléments tels que sa précision, l'étendue de la plage de température, la rapidité avec laquelle il doit répondre, son coût, sa résistance à l'environnement et sa facilité d'installation. Les thermocouples constituent le meilleur choix pour les opérations industrielles à très haute-température, les RTD sont les plus précis dans les environnements contrôlés, les thermistances sont le meilleur choix pour les plages intermédiaires à faible coût et les capteurs IC facilitent la connexion numérique des composants électroniques. L'infrarouge et la fibre optique sont deux exemples d'autres types qui permettent de couvrir toutes les industries, même celles qui ne sont pas accessibles par contact direct ou EMI.