Étude comparative des méthodes de mesure des températures

 

- 1 - LE CHOIX D'UNE MÉTHODE DE MESURE

Le choix du procédé de mesure convenant à chaque cas particulier doit tenir compte de nombreuses considérations. Pour ce faire :

- 1 - 1. A quoi va servir la mesure ?
- 1 - 2. Où sera effectuée la mesure ?
- 1 - 3. La température est-elle variable dans le temps ?
- 1 - 4. Le domaine de la température.
- 1 - 5. Quelle fréquence de contrôle du capteur ?
- 1 - 6. Le budget accordé aux mesures.

- 2 - LES CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES MÉTHODES DE MESURE

- 2 - 1. Domaine de température.
- 2 - 2. Sensibilité.
- 2 - 3. Temps de réponse.
- 2 - 4. Justesse.
- 2 - 5. Précision.
- 2 - 6. Sécurité de l'emploi.
- 2 - 7. Conditions technologiques des mesures.
- 2 - 7.1. Nature du milieu et de l'environnement.
- 2 - 7.2. Accessibilité de la zone de mesure.
- 2 - 7.3. Répartition des mesures dans le temps.

   

- 3 - LES CARACTÉRISTIQUES DES DIFFÉRENTES MÉTHODES DE MESURE

 

- 3 - 1. Généralités.

- 3 - 2. Thermomètre à dilatation de gaz.

P

P = f(T) (Thermomanomètres)

R

bulbes contenant N2 sous pression élevée ; affichage sur manomètre ; liaison par capillaire

C

(- 100, + 600°C) ; précision 2% échelle de mesure (EM)

A

simple ; peu coûteux (achat, entretien) ; échelle linéaire ; précision et sensibilité "convenables" dans l'industrie

I

corrections à apporter pour la liaison par capillaire ; encombrement : grande dimension du bulbe ( f ~15 cm)

- 3 - 3. Thermomètre à dilatation de liquide.

P

variation de volume du liquide dans le contenant (enveloppe)

R

bulbe et liquide : mercure, alcool, toluène, pentane ; transmission par tube capillaire ; lecture sur tige.

C

(200 à + de 600°C ) ; précision 1% EM

A

simple ; peu coûteux ; adaptable en régulation ; sensible

I

fragile ; étendue de mesure restreinte ; corrections à réaliser

Remarque : il existe des thermomètres qui utilisent : P = f(q) (cf thermomanométres) et dont l'enveloppe se déforme (tube de Bourdon) ==> précision 2% EM.

- 3 - 4. Thermomètre à dilatation.

* Thermomètre à tige

P

on mesure la dilatation d'une tige

R

barreau métal de silice ; affichage aiguille

C

jusqu'à 750°C à 1 000°C ; précision 2 à 3% EM

A

échelle linéaire ==> régulation de température

I

assez cher ; fragile

* Thermomètre à bilame

P

la déformation de 2 lames collées

R

deux feuilles de métal collées (droites, parallèles, spirale) ; extrémité mobile

C

maximum 500°C ; généralement [-50, 150] ; précision 1 à 3% EM.

A

simple ; pas cher ; robuste ; linéaire ==>thermostat

I

sensible à la surchauffe (déformation irréversible)

- 3 - 5. Thermomètre à tension de vapeur (thermomanomètre).

P

on exploite P = f(q) ; P tension de vapeur saturante, est indépendante des volumes de liquide et de vapeur en présence

R

bulbe contenant liquide et vapeur ; capillaire de transmission puis manomètre

C

intervalles limités par la température ambiante (- 100, To) et (To, 400°C) ; précision 1,5 % EM

A

cf. thermomètres ; pas de correction de dilatation de l'enveloppe (Pb majeur des thermomètres à dilatation de liquide) donc possibilité de capillaire long

I

échelle non linéaire ; dimension importante du bulbe (diamètre ~15 cm).

- 3 - 6. Thermomètre à résistance.

P

R = f(q)

R

mesure de la tension aux bornes d'une résistance parcourue par un courant de quelque mA ; mesure au pont de Wheatstone ou par comparaison de fem

* Thermomètre métallique

P

Rq = Ro(1 + a q ) ; variation linéaire avec q

C

[- 200, 400°C] pour Pt ; moins pour Cu et Ni ; précision 0,5 à 1% EM

A

bonne sensibilité ; faible encombrement ; linéarité

I

courant d'alimentation ==> auto échauffement ; i < 10mA ; mesures différentielles difficiles ; prix assez élevé ; attention éviter les déformations de la sonde

* Thermomètre à thermistance

P

RT = A exp( B / T)

C

[-60, 400°C] pour oxyde de Ni, Mn ; Exceptionnellement ==> 1 100°C (Zn, Sn) ; domaine privilégié [-60, 100°C] ; précision ± 1% EM (qq 10K) ou ± 0,1 K

A

grande sensibilité ; on peut déceler facilement qq10-2 K ; encombrement réduit (~ thermocouples) ; pas de Pb de résistance des fils de jonction (RT = qq103W)

I

fidélité assez médiocre (> 100° et pour cycles thermiques) ; (assez) mauvaise interchangeabilité ; non linéaire

Remarque : intérêt essentiel ==> mesure de faible variation de température.

* Thermomètre à Germanium ou Carbone : mesure de basses températures.

C

intervalles [0,1 - 300 K] ; étendues de mesure qqK ; Germanium "étalon" ; précision 1,5 % EM.

A

bonne sensibilité ; faible dimension ; mesures simples pour les basses températures

I

non linéaire ; absence de relation fiable R = f(T) ; peu fidèle pour C (meilleure pour Ge) ; interchangeabilité mauvaise

- 3 - 7. Thermomètre à couples thermoélectriques.

P

f.e.m. thermoélectrique e = f(q)

R

capteur = zone de soudure ; métaux ou alliages homogènes de grande pureté ;

la f.e.m. doit être mesurable ; transmission par fil ==> tension ; câbles de compensation ; affichage/lecture mV ou potentiomètre

C

intervalles de mesure variés [-200, , 2 400°C] ; précision : fonction des précautions prises ; au mieux : 0,1K ; en labo 1 % EM

A

facilité de montage et de remplacement (interchangeabilité) ; sensibilité bonne (si on "multiplie" les soudures) ; mesures ponctuelles ; mesures différentielles faciles

I

nécessité d'une soudure de référence ou de compensation de soudure froide ; influence des gradients de température sur les fils qui ne sont pas toujours homogènes (variation des coefficients avec la température)

- 3 - 8. Thermomètre à rayonnement (pyromètres).

P

M ou Ml fonctions de T ; par mesure ou comparaison on remonte à T

R

  • détermination de MT (pour toutes les l) ==> pyromètre à radiation totale (PRT)
  • détermination de MT pour une partie seulement du spectre (pyromètre à récepteur sélectif PRS) ( cellule photo sensible)
  • détermination de LlT pour une longueur d'onde, par comparaison avec celle d'un filament calibré (PDF)
  • détermination du rapport de deux émittances monochromatiques (couleurs) (P2C)

C

> 800 à 1 000°C pour PDF et P2C ; > ambiante ==> PRT, PRS ; précision PDF : 2 % EM ; qq10K sont courants

A

mesure sans contact ; simple ; automatisation possible pour PRT, PRS, P2C

I

étalonnage délicat ; correction d'émissivité e et possibilité d'erreurs "énormes" (qq 10 K) à cause de e ; dérive des récepteurs photosensibles (PRS)

- 3 - 9. Repères thermométriques.

P

certaines réactions physico-chimiques se produisent à une température critique déterminée

R

capteur ==> matière qui change d'aspect (couleur, forme) ; repérage ==> l'oeil

C

[600, 2 000°C] pour "cônes" de Séger ; [50, 1 400°C] pour peintures ; précision 5 à 50K.

A

simple

I

surveillance permanente car effets irréversibles pour certains ; indication fonction de la vitesse de variation de T.

Remarques : Méthodes de labo