Un guide des technologies de détection thermique

Les méthodes de mesure de la température sont nombreuses. La sélection d'un type de détecteur ou capteur thermique est évidemment déterminée par les exigences de l'application en termes de gamme thermique, de précision, de rapidité, de taille et de coût. Nous présentons ici quelques-uns des types de détecteurs les plus courants et leurs différences.

 

Thermocouples

Les thermocouples utilisent le principe de la thermoélectricité, selon lequel tout conducteur exposé à une hausse de température produira une tension, dont le niveau est une caractéristique du matériau utilisé. Dans sa forme la plus simple, un thermocouple se compose de deux fils fabriqués dans deux matériaux différents, dont les extrémités sont dénudées et torsadées ensemble. Les fils ne doivent pas être fabriqués dans le même matériau, puisque dans ce cas les niveaux de tension produits s'annuleraient mutuellement. Avec deux matériaux différents, la différence nette de tension peut être mesurée.

Diverses combinaisons de métaux sont utilisées, les plus courantes étant identifiées par une lettre. Différents types offrent différentes propriétés, que ce soit l'adaptation à certaines gammes de températures, de sensibilités, de résistances à la corrosion ou de coûts. Le type K est une des combinaisons les plus utilisées pour tous les usages généraux, et il est assez économique. Dans ce type de thermocouple, les fils sont en chromel (un alliage de nickel et de chrome) et en alumel (un alliage de nickel et d'aluminium). Outre les conventions de nommage par lettre, des combinaisons très spécialisées répondent aux exigences d'applications extrêmes, telle que le froid spatial ou la chaleur des réacteurs nucléaires.

Il n'est pas nécessaire de connaître les types pour choisir un thermocouple. Il peut être choisi en fonction de la gamme thermique, du temps de réponse, de la taille/ type de la sonde. La tolérance n'est pas aussi bonne que celle d'autres types. Les caractéristiques de dérive des thermocouples ne sont pas nécessairement excellentes. Certains thermocouples sont largement utilisés dans l'industrie pour mesurer des températures supérieures à 600 °C, ou dans des applications nécessitant une très grande réactivité.

Le thermocouple K de RS est un exemple typique du format de base à fil torsadé. Ils sont aussi intégrés dans des sondes, comme celle-ci, , et équipés de différentes prises ou connecteurs pour différentes applications. Voir la gamme entière ici.

 

 

Figure 1 : Exemple de thermocouple de type K de marque RS dans une sonde de 150 mm.

 

Détecteurs de température à résistance (DTR)

Les détecteurs de température à résistance sont souvent préférés aux thermocouples pour les applications inférieures à 500 °C, parce qu'ils offrent une plus grande précision et une meilleure stabilité. Mais contrairement au thermocouple, ils ont besoin d'une alimentation électrique. Ils ne conviennent pas lorsqu'une sensibilité élevée ou un temps de réponse très rapide est nécessaire. En outre, les sondes sont volumineuses.

Ce type de capteur mesure la variation de la résistance du matériau, normalement du titane, pendant la variation de la température. Le platine offre une relation très stable entre la résistance et la température dans une gamme thermique étendue, autorisant des mesures précises et reproductibles. Le titane a aussi l'avantage d'être chimiquement inerte et a une longue durée de vie.

Le type d'élément le plus précis utilise un bobinage de fil mince inséré dans de la céramique, qui se dilate avec la chaleur. Certains utilisent des éléments en film mince, principalement en platine sur une pièce en céramique. Ils sont plus petits mais moins stables que le type à bobinage, et leur gamme thermique est souvent limitée.

Le type le plus couramment utilisé actuellement est le PT100, un capteur en platine avec une résistance de 100 Ω à 0 °C, comme celui-ci, un capteur bobiné PT100 disponible dans des configurations doubles ou simples.

Voir la gamme des détecteurs à résistance en platine ici.

 

 

Thermistances

Une thermistance est fondamentalement une résistance dont la résistance électrique varie avec la température. Contrairement aux détecteurs de température à résistance, elles sont en céramique ou en polymère, offrant un plus haut niveau de précision dans un produit plus petit, mais dans une gamme thermique moins étendue que celle des DTR.

En termes généraux, il existe deux types de thermistances. D'une part, les thermistances ayant un coefficient thermique positif (posisteurs ou thermistances CTP) dont la résistance électrique augmente avec la température. La plupart des thermistances CTP sont conçues pour que leur résistance augmente soudainement lorsque leur température arrive à un niveau prédéterminé, pouvant donc fonctionner comme un indicateur. D'autre part, la résistance des thermistances à coefficient thermique négatif baisse brutalement lorsque leur température augmente.

Outre les principales fonctions de détection thermique dans les grille-pain, machines à café, réfrigérateurs, etc. elles peuvent aussi contrôler des circuits imprimés et d'autres composants électroniques pour éviter des points chauds.

Les thermistances sont largement utilisées comme dispositifs de limitation du courant pour protéger les circuits (à la place des fusibles), grâce à l'échauffement naturel que provoque le courant en traversant une thermistance. Quand le courant augmente, la thermistance chauffe, la résistance augmente et coupe le courant. Par exemple, la thermistance pour puce Murata CTP peut servir de détecteur de courant ou de résistance limiteur de courant. Voir la gamme des thermistances disponibles sur le site RS ici.

 

Infrarouge

Un détecteur infrarouge mesure le rayonnement infrarouge d'un objet et en détermine ainsi la température. La puissance incidente est convertie en signal électrique mesurable. Par conséquent, cette méthode permet de mesurer les températures à distance sans contact physique. Elle est donc fréquemment utilisée dans divers dispositifs manuels que l'utilisateur pointe sur un objet. Il lui suffit d'appuyer sur un déclencheur pour mesurer la température. Un thermomètre à infrarouge peut servir à mesurer la température d'un objet mobile, dans le vide ou autre type d'atmosphère contrôlée. L'absence de contact est un avantage évident dans divers environnements exigeant une propreté et une hygiène contrôlées. Cette technologie sans contact est aussi très utilisée pour mesurer des températures extrêmes, par exemple des chaudières. Ces solutions infrarouge offrent une performance réduite lorsqu'il s'agit de mesurer des températures très basses.

Comme avec la plupart des détecteurs, leur sélection est basée sur des critères spécifiques, comme la précision, la gamme thermique et le temps de réponse. Ils se différencient aussi par la distance optimale entre le détecteur et l'objet mesuré.

Ce détecteur infrarouge de Calex Electronics offre une gamme de mesure de 0 à +250 °C et un temps de réponse de 250 ms. Le signal de sortie est compris entre 4 et 20 mA. Différents modèles sont disponibles selon la distance de mesure. Voir la gamme des détecteurs infrarouges disponibles sur le site RS ici.

 

Détecteurs intégrés au silicium

Les capteurs de température sont aussi fabriqués dans du silicium. Ce sont des capteurs de température à bande interdite (« band-gap »), qui peuvent être intégrés dans des circuits imprimés modernes. Un détecteur thermique à bande interdite est basé sur le principe que la tension directe d'une diode au silicium (dans ce cas, le transistor bipolaire de jonction ou BJT) dépend de la température.

Ils sont disponibles dans tous les types et tailles de packages avec cadre en plomb pour circuits imprimés habituels, vous pouvez donc choisir le modèle le mieux adapté à votre application. Vous devez aussi choisir une sortie analogique ou numérique, la tension d'utilisation, l'interface série/ I2C, etc.

Le modèle ADT75 d'Analog Devices est un capteur thermique à bande interdite ADC 12 bits dans un package MSOP ou SOIC à 8 fils, offrant une précision de ±1 °C et une gamme des températures de -55 à +125 °C. La gamme des circuits capteurs de température et d'humidité est disponible sur le site RS ici.