Capteur de température

Présentation des capteurs de température

Comme tous les autres capteurs, les capteurs de température convertissent des variations dans un milieu physique en mesure lisible indiquant ce changement. Dans un capteur de température, tel qu'un thermomètre à mercure, les variations de la température extérieure génèrent la dilatation ou la contraction du liquide, ce dernier faisant chuter ou grimper l’échelle de température imprimée sur le tube fin de façon linéaire et proportionnelle aux changements de l’énergie thermique ambiante. L'ampoule contenant le mercure représente le capteur de température du thermomètre, tandis que l'échelle imprimée sur le tube en verre représente la mesure lisible.

Les capteurs de température jouent un rôle vital dans une gamme très vaste de produits domestiques, commerciaux et industriels. Dans les appareils domestiques, ils garantissent le bon fonctionnement des fours, des réfrigérateurs et des thermostats pour chauffage central en maintenant les températures à un certain niveau, activant des composants de refroidissement ou de chauffage lorsque la température de référence est dépassée et ajustant ainsi la température ambiante au niveau homéostatique spécifié.

Dans les applications industrielles telles que l'ingénierie chimique, ces capteurs doivent être suffisamment sensibles pour détecter d'infimes dérives de température afin que les réactions chimiques puissent être contrôlées correctement.

Tous les capteurs de température répondent à des changements thermodynamiques : à mesure que l'énergie thermique augmente, les molécules deviennent plus agitées et mobiles, et les systèmes ou les milieux se dilatent et voient leur température augmenter.

 

Historique

Ce serait une erreur d'imaginer que le capteur de température est né à un moment précis de l'histoire par une invention ponctuelle. Au troisième siècle avant J.C., l'ingénieur Philo de Byzance savait déjà que l'air se dilatait et se contractait en fonction de la chaleur, et avait construit un instrument pour démontrer cette propriété (un tube rempli d'air dont une extrémité se trouvait dans un récipient rempli d'eau). Passons maintenant aux 16e et 17e siècles, lorsque les pionniers de la science comme Galileo Galilei adaptèrent ces instruments primitifs pour créer le précurseur du thermomètre, le « thermoscope », qui démontrait de manière fiable que des variations de chaleur étaient associées à des variations de volume dans un dispositif.

Une avancée majeure dans la technologie des capteurs de température s'est produite en 1665, lorsque le mathématicien et physicien néerlandais Christiaan Huygens créa le premier thermomètre étanche contenant une certaine quantité d'alcool (les anciens thermoscopes étaient ouverts à la pression atmosphérique, ce qui compromettait leur capacité à indiquer des changements de température de manière isolée). L'appareil de Huygen exploitait la volatilité de l'alcool, ce qui signifie qu'il se dilatait et se contractait de manière significative en réponse à des variations de chaleur ambiante. Mais ce n'est qu'en 1724 que la première échelle standard pour mesurer des variations de température a été largement adoptée pour la fabrication des thermomètres. Elle porte le nom de son inventeur, Daniel Gilbert Fahrenheit, et elle est encore utilisée aujourd'hui. Le thermomètre de Fahrenheit utilisait du mercure plutôt que de l'alcool, car ce métal se dilatait et se contractait de façon plus linéaire que l'alcool en réponse à des variations de température.

Aujourd'hui, un grand nombre de capteurs de température sont des appareils électroniques avec des affichages numériques.

 

Aspects techniques

Il existe deux grandes catégories de capteur de température : ceux qui sont en contact direct avec le milieu dont ils mesurent la température, et ceux qui effectuent la mesure à distance (on parle de capteurs par contact et sans contact). Les capteurs de température sans contact (ou pyromètres) mesurent la chaleur rayonnée plutôt que la chaleur transmise par convection ou conduction.

Chaque catégorie inclut des thermomètres, des thermocouples et des détecteurs de température résistifs (Resistance Temperature Detectors, ou RTD), qui mesurent la dilatation ou la contraction d'une substance physique, ou des variations de résistance et de conductivité électriques en réponse à des fluctuations de température.

Les RTD fournissent généralement une mesure de la température de haute précision par voie électrique en exploitant des variations de résistance électrique dans le capteur thermique métallique. Les variations de résistance suivent les variations de température de manière linéaire jusqu'à ce que l'extrémité supérieure de l'échelle de température soit dépassée ; à des températures supérieures à 700 °C, l'élément métallique tend à se dégrader et les mesures deviennent extrêmement imprécises.

Les thermocouples produisent également des mesures par voie électronique de variations de température, bien que leur fonctionnement technique soit différent de celui des RTD. Typiquement, deux fils fins constitués de métaux différents sont revêtus d'une fine gaine cylindrique ou d’un puits thermométrique, qui protège les éléments thermosensibles délicats contre les dommages chimiques ou mécaniques. Les câbles sont attachés à une extrémité du thermocouple, et terminés à l'autre extrémité sur un appareil destiné à mesurer des tensions. L'appareil utilise les différentes conductivités des deux métaux, une différence qui devient plus prononcée à des températures élevées, ce qui produit des différences de tension de plus en plus grandes entre les deux métaux. En conséquence, ces appareils sont souvent utilisés dans des applications qui atteignent des températures exceptionnellement élevées, avec des gammes de température couvertes particulièrement vastes (de -200 °C à 2100 °C).

 

Domaines d'utilisation des capteurs de température en fabrication

Les thermocouples sont largement utilisés dans l'industrie sidérurgique pour contrôler les réactions chimiques et les températures lors de la fabrication de l'acier. Plusieurs thermocouples peuvent être reliés à des programmes informatiques pour contrôler les températures à différentes étapes du traitement dans les raffineries chimiques et les usines de production.

Divers thermomètres, dont des thermomètres à alcool, à mercure dans du verre et à infrarouges, sont utilisés par les climatologues pour mesurer des températures dans différentes positions et profondeurs des océans du monde entier ; ils sont aussi largement utilisés pour mesurer des températures environnementales externes, par exemple pour aider les pouvoirs publics à déterminer si un sablage des routes est nécessaire en cas de gel.

Plus récemment, le domaine émergeant de la nanothermométrie permet de mesurer la température de particules de moins d'un micron, un défi auparavant considéré comme impossible à relever.

 

Différence entre le capteur de température et les autres capteurs

La caractéristique clé commune à tous les capteurs de température est la conversion d'une propriété d'un milieu (par exemple, le volume d'une quantité spécifique de mercure dans un thermomètre étanche, ou la conductivité d'un élément métallique) en une échelle lisible à mesure que le capteur répond aux variations de chaleur transmise par convection, conduction ou rayonnement.