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La mesure de température avec
une sonde platine Pt100 (ou Pt1000)

Développements électroniques





Les sondes de température de type platine (PRTD - Platinum Resistance Temperature Detector) sont des capteurs d'un emploi courant dans l'industrie. Leur principe repose sur la variation en température de la résistance électrique d'un conducteur de platine (fil ou feuille) selon des caractéristiques connues et stables en vieillissement, décrites par les normes IEC 751, DIN 43760, ...

Les principaux modèles pouvant être rencontrés sont référencés Pt100, Pt500, Pt1000, ce qui signifie par exemple pour le modèle le plus courant Pt100, que le capteur présente une résistance électrique de 100 ohms à 0°C.

Les sondes platine peuvent être utilisées dans des gammes de températures pouvant parfois même aller au-delà de la plage -200°C à 800°C.

La variation de résistance électrique est quasiment linéaire en fonction de la température : elle est pour une Pt100 de l'ordre de +0.4 ohm/°C à 0°C et de l'ordre de +0.35 ohm/°C à 300°C.

sonde Pt100 - 3 fils

Sonde Pt100   3 fils

Selon la technique de réalisation employée, les sondes se répartissent en classes de précision :

                  à -100°C       à 0°C         à 100°C       à 200°C       à 300°C

classe B	 +/- 0.80°C    +/- 0.30°C    +/- 0.80°C    +/- 1.30°C    +/- 1.80°C
classe A	 +/- 0.35°C    +/- 0.15°C    +/- 0.35°C    +/- 0.55°C    +/- 0.75°C
classe 1/5 DIN   +/- 0.16°C    +/- 0.06°C    +/- 0.16°C    +/- 0.26°C    +/- 0.36°C
...

Mais disposer d'une sonde ultra précise n'est réellement utile qu'à la condition de disposer d'une interface électronique elle-même de précision suffisante, et surtout d'avoir un couplage thermique réellement maîtrisé entre la sonde et le milieu à étudier car il peut introduire à lui seul une erreur de plusieurs degrés.

sonde Pt100

Sonde Pt100   5 mm  x  2 mm



Mode de connexion et interfaces électroniques

Le choix de la méthode de connexion et du type d'interface électronique dépend des facilités d'installation et de la précision de mesure attendue pour l'installation donnée. Une sonde platine peut être utilisée selon 3 modes de connexion : 2 fils, 3 fils, ou 4 fils.

- Le mode "2 fils", le plus simple, n'apporte aucune précision de mesure dès que l'effet induit par la résistance des câbles de connexion devient du même ordre de grandeur que la précision recherchée. A moins d'être pris en compte en tant qu'erreur systématique, un câble standard AWG24 (85 ohms/km) introduit une erreur brute de l'ordre de 0.4°C par mètre de connexion pour une sonde Pt100, mais seulement de 0.04°C pour une sonde Pt1000.

- Le mode "4 fils" représente en toute théorie le montage apportant la meilleure précision, puisque la mesure de tension est réalisée directement au niveau de la partie active de la sonde avec une interface haute impédance, et qu'en conséquence les résistances des câbles de connexion n'interviennent plus dans l'erreur de mesure. Mais dans la pratique, cela ne signifie pas qu'il s'agit là forcément du mode de connexion à privilégier à tout prix.

- Le mode "3 fils" assure très souvent une précision suffisante pour les longues distances de câblage. Le principe de ce mode de connexion repose sur l'hypothèse que les 3 fils de connexion présentent sensiblement la même valeur de résistance électrique, et les interfaces électroniques spécifiques à ce mode de connexion exploitent des méthodes analogiques ou numériques afin de rendre l'erreur de mesure peu dépendante de la longueur du câble.
Par exemple, l'utilisation d'un câble AWG18 (21 ohm/km) est tout à fait adapté pour une connexion moyenne distance, et en fonction de la qualité de l'interface électronique l'erreur est généralement inférieure à 0.4°C d'erreur pour 100 mètres de connexion avec une sonde Pt100.


montage 2 fils montage 3 fils montage 4 fils
Interface 2 fils Interface 3 fils
Une méthode parmi d'autres, ici : VPt = V1 - 2 x V2
Interface 4 fils



Les principales causes d'imprécision de mesure

En dehors du fait que la classe de la sonde platine, son mode de connexion et le diamètre du câble de connexion influent sur la précision de la mesure, d'autres éléments sont également à prendre en considération.

- Le système d'acquisition électronique apporte son erreur propre, qui de plus peut dépendre de la température ambiante de l'emplacement où il est situé. Ce dernier point devient particulièrement critique quand le module d'acquisition est installé en extérieur, dans le froid ou en plein soleil. Le soin apporté à la conception de l'électronique et l'utilisation de composants électroniques de qualité, sont les éléments clés pour assurer la fiabilité des mesures indépendamment des conditions environnementales.

- Afin de minimiser les erreurs, les modules électroniques sont parfois étalonnés au moment de leur fabrication. Dans ce cas, la dérive dans le temps de cet étalonnage devient une caractéristique importante qui ne peut être maîtrisée que par l'utilisation de composants électroniques de haute qualité.

- Erreur liée au couplage thermique (paragraphe non encore développé)

- La mesure de la résistance électrique de la sonde platine se faisant par l'intermédiaire d'un courant électrique, l'auto-échauffement du capteur par effet Joule est responsable d'une erreur par excès. En effet, un équilibre thermique se crée entre la puissance injectée dans le senseur et la capacité de dissipation de cette puissance dans le milieu environnant.(paragraphe non encore développé)

- La présence du capteur peut modifier localement la température, et ceci est d'autant plus vrai lorsque le milieu ou la pièce sur laquelle se fait la mesure est de faible conductivité thermique ou de petites dimensions.
- Le capteur de température peut mécaniquement constituer un pont thermique entre le point de mesure et son point de fixation.
- Le capteur peut constituer un drain thermique ; si ce n'est par son corps, au moins par ses fils de connexion (ex : mesure sur petite pièce chaude)
- L'auto-échauffement du capteur peut provoquer un apport local d'énergie thermique (ex : mesure sur petite pièce à température très négative).


En conclusion, la chaîne de mesure est un tout qui doit être analysé avec le plus grand soin en fonction de la précision "réaliste" recherchée, de manière à pouvoir relativiser l'importance des erreurs successives et estimer objectivement l'erreur globale de mesure.




Comparaison entre la sonde Pt100 et la sonde Pt1000

Les courbes de réponse en température des sondes Pt100 et Pt1000 ont des allures identiques, mais avec une différence de coefficient de 10 ; ainsi une sonde Pt1000 présente une résistance électrique de 1000 ohms à 0°C, et la variation de résistance est de l'ordre de 4 ohms/°C à 0°C. L'utilitaire de conversion résistance-température proposé sur cette page reste utilisable à condition de multiplier la valeur de la résistance par 10.

En fonction de ce qui est recherché, l'utilisation d'une sonde Pt1000 peut s'avérer très intéressante dans certains cas. En effet, comme une source d'erreur à prendre en compte est l'auto-échauffement de la sonde provoqué par le courant de mesure, si ce courant est divisé par 10, la tension aux bornes de la sonde Pt1000 sera identique à celle d'une configuration avec Pt100 mais la puissance dissipée dans la sonde sera elle divisée par 10, permettant ainsi de minimiser l'erreur due à l'auto-échauffement :   PPt1000   =   (10 x RPt100) x (I / 10)2   =   PPt100 / 10

D'autre part, que ce soit avec le mode de connexion 2 fils ou 3 fils, il est à remarquer que l'influence de la longueur du câble sur l'erreur de mesure est 10 fois inférieure avec une sonde Pt1000 en comparaison d'une sonde Pt100. Mais comme un avantage vient rarement sans un inconvénient, selon la longueur du câble de connexion et le bruit électrique présent dans l'environnement de mesure, une impédance multipliée par 10 favorise l'apparition de bruit sur la mesure, et cette susceptibilité accrue aux perturbations électriques peut annuler l'avantage du choix de la sonde Pt1000.


Il s'en suit que le choix entre une sonde Pt100 ou une sonde Pt1000 dépend avant tout de la configuration de l'installation et de la précision recherchée. Cependant il est à retenir que dans le cas d'une numérisation proche du point de mesure (numérisation en amont), le choix de la sonde Pt1000 est généralement toujours préférable.




Un outil de conversion résistance température


°C
<=>
Ω

Utilisation des techniques Microsoft
Utilisable uniquement avec Internet Explorer ®

Un utilitaire de calcul est toujours le bienvenu pour déterminer la correspondance entre résistance électrique et température, et bien plus rapide que la manipulation de tables de conversion.


Cet utilitaire de conversion est également téléchargeable sous la forme d'un fichier HTA (HTML Application). Il se présente sous la forme d'une petite fenêtre discrète et agréable à utiliser lors de travaux de développement sur des sondes Pt100.




Les modules d'acquisition USB pour la mesure de la température

La température est un paramètre physique important très souvent pris en considération dans les expérimentations et essais divers. Pour ses modules d'acquisition USB destinés aux bancs de test et essais de laboratoire, TECHNETEA fait une large place aux interfaces Pt100 3 fils et Pt1000 2 fils, mais pour des cas spécifiques d'autres modes de connexion peuvent aussi être envisagés (connexion 4 fils, Pt500, etc ...).

courbes de températures

En associant plusieurs types d'interfaces électriques sur le même circuit imprimé, ces modules peuvent permettre non seulement des mesures de températures, mais également des mesures d'autres paramètres physiques, ou le relayage de puissance pour réaliser facilement des asservissements de température. Cette diversité permet d'obtenir des modules d'acquisition spécifiques particulièrement compacts.

Voir : Les interfaces et modules d'acquisition
Voir : Visualisation d'un fichier d'enregistrement de températures

4 x Pt100 3 x Pt100 + 1 x output 16 x Pt1000
4 entrées Pt100 (3 fils) 3 entrées Pt100 (3 fils) + 1 commutateur isolé 16 entrées -40°C/+200°C pour Pt1000 (2 fils)


Analyse température sonde de contact 8 x Pt1000
Analyse thermique avec 8 capteurs Pt1000
Logiciel de visualisation en temps réel
Sonde de contact  Pt1000  Φ10 mm
(câble PTFE 200°C  Φ1.8 mm)
Module 8 entrées Pt1000 (2 fils)
pendant son développement