Température : sondes RTD et thermocouples
Les deux capteurs de température de référence : leur comparaison, ce que permettent leurs spécifications et la manière dont chacun est étalonné. Les calculateurs ci-dessous transforment les spécifications en chiffres utilisables.
Côte à côte
| Propriété | Sonde RTD (platine) | Thermocouple |
|---|---|---|
| Principe | La résistance d'un fil ou d'une couche de platine augmente avec la température. | Deux métaux différents joints à l'extrémité de mesure produisent une petite tension qui dépend de l'écart de température avec une jonction de référence. |
| Étendue typique | -200 à 850 °C pour les bobinées. Les couches minces sont en général limitées à environ -50 à 500 °C. | -270 à 1820 °C selon le type. |
| Exactitude | Classe A industrielle : ±0,15 °C à 0 °C. Les thermomètres à résistance de platine étalons (SPRT) atteignent le millikelvin dans les bons laboratoires. | Classe 2 industrielle, type K : ±2,5 °C ou 0,75 %. Les types à métaux nobles étalonnés peuvent atteindre quelques dixièmes de degré près de 1000 °C. |
| Stabilité | Bonne. En général quelques centièmes de degré par an. Les chocs et les vibrations peuvent la déplacer. | Moyenne. Les types à métaux de base dérivent avec le temps à haute température, et le type K présente une hystérésis entre environ 250 et 600 °C. |
| Signal | Pt100 : environ 0,39 Ω par °C à 0 °C, et 0,385 Ω par °C en moyenne entre 0 et 100 °C. Nécessite un petit courant stable. | Environ 6 µV par °C (types B, R, S) à environ 68 µV par °C (type E). Nécessite un voltmètre à faible bruit. |
| Linéarité | Régulière et presque linéaire, décrite par l'équation de Callendar–Van Dusen. | Non linéaire. Nécessite la fonction de référence de son type. |
| Temps de réponse | Plus lent, car l'élément sensible est à l'intérieur d'une gaine. | Plus rapide, surtout avec un fil fin et une jonction exposée. |
| Jonction de référence | Aucune. | Obligatoire. Utiliser un point de glace ou une compensation électronique. |
| Câblage | 2, 3 ou 4 fils. Le montage 4 fils supprime la résistance des fils. | Fil ou câble de compensation du type correspondant jusqu'à l'instrument. Des métaux différents aux connecteurs ajoutent des erreurs. |
| Principales sources d'erreur | Auto-échauffement, profondeur d'immersion, hystérésis, résistance des fils. | Fil inhomogène, erreur de jonction de référence, dérive, contamination. |
Types de sondes RTD
| Type | Élément | α (Ω/Ω/°C) | R at 0 °C | Étendue typique | Étalon | Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pt100 (385) | Platine | 0.00385 | 100 Ω | -200 à 850 °C bobinée, environ -50 à 500 °C couche mince | CEI 60751, ASTM E1137 | Le capteur industriel le plus répandu dans le monde. |
| Pt500, Pt1000 (385) | Platine | 0.00385 | 500 Ω, 1000 Ω | Surtout en couche mince, -50 à 500 °C | CEI 60751 | Signal plus grand et moins d'erreur de résistance des fils. Courant en CVC et en électronique. |
| Pt100 (3916, 3902) | Platine | 0.003916, 0.003902 | 100 Ω | Similaire au Pt100 (385) | Anciennes courbes JIS et américaines | Présent sur d'anciens équipements. Utilisez les coefficients correspondants, pas ceux du 385. |
| SPRT | Platine de haute pureté sans contrainte | environ 0,003925 | 25,5 Ω (aussi 0,25 et 2,5 Ω) | -259 à 962 °C selon plusieurs conceptions | Instrument d'interpolation de l'EIT-90 | La référence des meilleurs étalonnages. Fragile et facilement déplacé par les chocs. |
| Ni100, Ni120 | Nickel | 0.00618, 0.00672 | 100 Ω, 120 Ω | Environ -60 à 180 °C | DIN 43760 et courbes constructeur | Grande sensibilité et faible coût. Plage limitée et moins stable. |
| Cu10 | Cuivre | 0.00427 | 10 Ω (at 25 °C) | Jusqu'à environ 260 °C | Courbes constructeur | Linéaire, utilisé dans les bobinages de moteurs. Faible résistance : la résistance des fils compte donc beaucoup. |
La CEI 60751 ne définit des classes de tolérance que pour les sondes en platine avec α = 0,00385. Consultez l'édition en vigueur de chaque norme pour les détails complets.
Exactitude des sondes RTD : sans et avec coefficients
« Sans coefficients » signifie que vous lisez le capteur avec la courbe normalisée et vous appuyez sur sa classe de tolérance : n'importe quel capteur de ce type peut donc être remplacé par un autre. « Avec coefficients » signifie que le capteur a été étalonné et que vous utilisez ses propres constantes : l'exactitude est alors fixée par l'étalonnage et non par la classe.
| Type | Sans coefficients (courbe normalisée) | Avec coefficients (étalonnage individuel) | Les coefficients |
|---|---|---|---|
| Pt100 (385) | Tolérance CEI 60751. Classe AA : ±(0,10 + 0,0017|t|) °C. Classe A : ±(0,15 + 0,002|t|). Classe B : ±(0,30 + 0,005|t|). Classe C : ±(0,60 + 0,01|t|). At 100 °C: ±0.27, ±0.35, ±0.80, ±1.6 °C | Typiquement environ ±0,02 à ±0,05 °C (k = 2) pour un étalonnage par comparaison en bain, plus la dérive entre étalonnages. Fixée par la référence, le bain et la chaîne de lecture. | Constantes de Callendar–Van Dusen R0, A et B, plus C sous 0 °C. Au moins 3 points d'étalonnage au-dessus de 0 °C sont nécessaires pour résoudre R0, A et B. |
| Pt500, Pt1000 (385) | Les mêmes classes et la même tolérance en °C que le Pt100, car la CEI 60751 s'applique à toute résistance nominale avec α = 0,00385. | Similaire au Pt100. Les éléments en couche mince montrent un peu plus d'hystérésis : prévoir une marge un peu plus grande. | Les mêmes constantes, avec R0 proche de 500 Ω ou 1000 Ω. |
| Pt100 (3916, 3902) | Non couvert par les classes de la CEI 60751. Fixé par la norme historique ou la fiche technique. Lire un tel capteur avec la courbe 385 donne une erreur qui croît avec la température : environ +1,7 °C à 100 °C pour un capteur 3916 et environ +1,4 °C pour un 3902. | À peu près le même que le Pt100 une fois ses propres constantes utilisées. Cela supprime aussi l'écart de courbe. | R0, A, B et C résolus pour ce capteur. |
| SPRT | Sans objet. Il n'existe pas de courbe normalisée sur laquelle s'appuyer : chaque SPRT doit être utilisé avec ses propres constantes. | Typiquement environ ±0,001 à ±0,005 °C (1 à 5 mK) dans un bon laboratoire, et meilleur près du point triple de l'eau. | Constantes de la fonction d'écart de l'EIT-90 (a, b, et d'autres pour des plages plus larges) à partir des points fixes, plus R au point triple de l'eau. |
| Ni100, Ni120 | Fixé par la DIN 43760 ou la fiche technique du fabricant, la CEI 60751 ne couvrant pas le nickel. Généralement quelques dixièmes de degré à 0 °C : consultez la fiche technique. | Limité par la stabilité. Grosso modo quelques centièmes à environ un dixième de degré ; étalonner plus souvent que le platine. | R0 et les constantes de la courbe du nickel. Pour la DIN 43760 : R = R0(1 + At + Bt² + Dt⁴ + Ft⁶), avec A = 5,485e-3, B = 6,65e-6, D = 2,805e-11, F = -2,0e-17. |
| Cu10 | Fixé par la fiche technique du fabricant. Il n'existe pas de classe CEI. | Limité par le faible signal et la résistance des fils. L'usage étalonné permet d'atteindre quelques centièmes de degré. | R0 (10 Ω à 25 °C) et α, la courbe étant proche de la linéarité. Certains fabricants donnent des termes supplémentaires. |
Ce sont des valeurs typiques pour montrer l'ordre de grandeur de l'écart. Utilisez l'incertitude de votre propre certificat d'étalonnage et la tolérance de votre propre fiche technique.
Essayez : calculez vos propres coefficients
Saisissez des points d'étalonnage au-dessus de 0 °C sous forme de température de référence et de résistance mesurée. Le calculateur résout R0, A et B, puis compare la lecture du capteur avec la courbe normalisée et avec ses propres constantes. L'exemple est un Pt100 de classe A dans la tolérance mais pas parfait.
- R0 (résistance à 0 °C)
- A
- B
- Pire erreur, sans coefficients
- Pire résidu d'ajustement, avec coefficients propres
- Exactitude indicative avec coefficients
| Température (°C) | Résistance (Ω) | Erreur, sans coefficients (°C) | Classe respectée | Erreur, coefficients propres (°C) |
|---|
L'erreur est la température lue à partir de la résistance moins la température de référence. La classe est la classe CEI 60751 la plus serrée (AA, A, B ou C) dont la limite à cette température couvre l'erreur. L'exactitude indicative combine U et le pire résidu d'ajustement en quadrature ; c'est une estimation rapide et non un bilan d'incertitude complet. Ce solveur utilise l'équation valable à 0 °C et au-dessus. Sous 0 °C, la constante C supplémentaire est nécessaire.
Types de thermocouples
| Type | Métaux (+ / -) | Plage (°C) | FEM à 100 °C | CEI classe 1 | CEI classe 2 | Norme ASTM | Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K | Chromel / Alumel (Ni-Cr / Ni-Al) | -270 to 1372 | 4.096 mV | ±1.5 °C or 0.4 % | ±2.5 °C or 0.75 % | ±2.2 °C or 0.75 % | Usage général en air oxydant. L'alumel est magnétique. Hystérésis vers 250 à 600 °C. |
| N | Nicrosil / Nisil | -270 to 1300 | 2.774 mV | ±1.5 °C or 0.4 % | ±2.5 °C or 0.75 % | ±2.2 °C or 0.75 % | Plus stable que le K au-dessus d'environ 1000 °C et résiste mieux à l'oxydation. |
| J | Fer / Constantan | -210 to 1200 | 5.269 mV | ±1.5 °C or 0.4 % | ±2.5 °C or 0.75 % | ±2.2 °C or 0.75 % | Utilisable en atmosphère réductrice. Le fer rouille : il est donc normalement limité à environ 750 °C. |
| T | Cuivre / Constantan | -270 to 400 | 4.279 mV | ±0.5 °C or 0.4 % | ±1.0 °C or 0.75 % | ±1.0 °C or 0.75 % | Meilleur choix en métaux de base sous la température ambiante. Le cuivre s'oxyde au-dessus d'environ 370 °C. |
| E | Chromel / Constantan | -270 to 1000 | 6.319 mV | ±1.5 °C or 0.4 % | ±2.5 °C or 0.75 % | ±1.7 °C or 0.5 % | Signal le plus élevé des types normalisés. Non magnétique. Bon pour les basses températures. |
| R | Pt-13 %Rh / Pt | -50 to 1768 | 0.647 mV | ±1,0 °C jusqu'à 1100 °C, puis ±[1 + 0,003(t - 1100)] °C | ±1.5 °C or 0.25 % | ±1.5 °C or 0.25 % | Haute température en air oxydant. Facilement contaminé par les vapeurs métalliques ou le silicium. |
| S | Pt-10 %Rh / Pt | -50 to 1768 | 0.646 mV | Identique au R | Identique au R | ±1.5 °C or 0.25 % | Semblable au R. Très utilisé comme thermocouple de référence pour l'étalonnage des fours. |
| B | Pt-30 %Rh / Pt-6 %Rh | 0 to 1820 | 0.033 mV | Non défini | ±0.25 % (600 to 1700 °C) | ±0.5 % (870 to 1700 °C) | Signal infime sous environ 50 °C : les erreurs de jonction de référence comptent donc peu. Meilleur au-dessus de 1000 °C. |
« Ou » signifie la plus grande des deux valeurs, appliquée à la lecture en °C. La plage est le maximum du fil et n'est pas la même que la plage de chaque classe (utilisez la recherche ci-dessous). La FEM est donnée par rapport à une jonction de référence à 0 °C. D'autres types existent, par exemple tungstène-rhénium (C, D, G) pour le vide ou les atmosphères inertes jusqu'à environ 2300 °C, et or-platine ou platine-palladium pour les travaux de référence. La CEI 60584-1 et l'ASTM E230 sont les sources habituelles.
Recherche de tolérance
Convertisseur Pt100
Callendar–Van Dusen avec les constantes de la CEI 60751 : R = R0(1 + At + Bt²) à 0 °C et au-dessus, et R = R0[1 + At + Bt² + C(t - 100)t³] sous 0 °C. A = 3,9083e-3, B = -5,775e-7, C = -4,183e-12. Modifiez l'une des cases et l'autre se met à jour.
- Sensibilité
- 1 mΩ de résolution équivaut à
- 0,1 °C équivaut à
Comment chacun est étalonné
Sonde RTD, par comparaison
- Inspecter et vérifier l'isolement. Rechercher dommages et humidité, et mesurer la résistance d'isolement sous une faible tension d'essai. La CEI 60751 fixe un minimum, et 100 MΩ à température ambiante est la valeur usuelle.
- Choisir une référence et des points. Utiliser un PRT ou SPRT étalon avec son propre étalonnage raccordé. Couvrir la plage de travail, par exemple 0, 100 et 200 °C plus les deux extrémités.
- Mettre en place un bain uniforme. Un bain liquide agité ou un bloc sec avec bloc d'égalisation. Placer les éléments sensibles à la même profondeur. Immerger suffisamment, et le confirmer par un profil d'immersion.
- Mesurer en quatre fils. Utiliser un pont étalonné, ou un multimètre de précision avec une résistance étalon. Inverser le courant pour annuler les FEM thermiques.
- Corriger l'auto-échauffement. Mesurer à deux courants (par exemple 1 mA et 1,4 mA) et extrapoler à puissance nulle.
- Attendre, puis lire. Laisser le bain se stabiliser à chaque point, puis prendre au moins 10 lectures en alternant la référence et l'appareil en essai.
- Contrôler R à 0 °C au début et à la fin. Un changement révèle de l'hystérésis ou une contrainte. Un point de glace ou une cellule à point triple de l'eau (0,01 °C) convient.
- Calculer. Prendre la température de référence sur son certificat, puis ajuster les constantes de Callendar–Van Dusen (R0, A, B, et C sous 0 °C) ou rapporter les erreurs à chaque point.
- Établir le bilan d'incertitude. Référence, homogénéité et stabilité du bain, chaîne de lecture, répétabilité, auto-échauffement, immersion et hystérésis.
Simuler le capteur avec une boîte à décades de résistances ne vérifie que la chaîne de lecture. Cela n'étalonne pas le capteur.
Thermocouple, par comparaison ou aux points fixes
- Inspecter et noter l'historique. Vérifier le fil, la jonction et l'isolant. L'étalonnage vaut pour le fil tel qu'utilisé ; le déplacer pour qu'un autre tronçon se trouve dans le gradient change le résultat.
- Choisir une référence. Un thermocouple de type S ou R dans un four, ou un PRT ou SPRT aux températures plus basses. Pour la meilleure incertitude, utiliser des points fixes tels que Zn, Al, Ag, Au et Cu.
- Fixer la jonction de référence. Utiliser un vrai bain de glace à 0 °C, ou une référence électronique étalonnée, et des fils de cuivre jusqu'au voltmètre.
- Utiliser une zone uniforme. Lier les jonctions ensemble dans un bloc d'égalisation métallique, dans un four tubulaire ou un bain.
- Vérifier l'homogénéité. Enfoncer le thermocouple par paliers et surveiller la FEM. Un changement révèle un fil inhomogène, souvent la plus grande erreur.
- Mesurer la FEM. Utiliser un nanovoltmètre avec un scrutateur à faible FEM thermique. Lire alternativement la référence et l'appareil, en chauffe et en refroidissement si l'hystérésis compte.
- Convertir. Transformer les lectures en températures avec la fonction de référence du type, y compris la correction de jonction de référence. Calculer l'écart (référence moins appareil) à chaque point.
- Ajuster l'écart. Utiliser un polynôme de bas degré ou une table avec interpolation (voir le calculateur ci-dessous).
- Établir le bilan d'incertitude. Référence, jonction de référence, voltmètre, inhomogénéité, uniformité et stabilité du four, interpolation et dérive.
Les thermocouples à métaux de base évoluent à l'usage : étalonnez avant et après un travail critique, et ne supposez pas qu'un vieux certificat reste valable.
Points de référence utilisés en étalonnage (EIT-90)
| Point fixe | Température (°C) | Usage typique |
|---|---|---|
| Point triple de l'eau | 0.01 | Sondes RTD et SPRT. Le point unique le plus important. Le point de glace (0 °C) en est la version pratique. |
| Point de fusion du gallium | 29.7646 | Sondes RTD |
| Point de congélation de l'indium | 156.5985 | Sondes RTD |
| Point de congélation de l'étain | 231.928 | Sondes RTD et thermocouples |
| Point de congélation du zinc | 419.527 | Sondes RTD et thermocouples |
| Point de congélation de l'aluminium | 660.323 | SPRT haute température et thermocouples |
| Point de congélation de l'argent | 961.78 | SPRT haute température et thermocouples à métaux nobles |
| Point de congélation de l'or | 1064.18 | Thermocouples à métaux nobles |
| Point de congélation du cuivre | 1084.62 | Thermocouples à métaux nobles |
Courbe d'étalonnage : degré 2, 3 ou 4 ?
Une courbe d'étalonnage est généralement un polynôme ajusté à vos points mesurés. Plus de termes ajustent toujours mieux les points dont vous disposez, mais cela ne la rend pas meilleure aux points non mesurés. Ce calculateur ajuste les trois à la fois et vérifie chacun en omettant tour à tour chaque point et en le prédisant.
| Degré | Erreur type | Résidu max. | Validation croisée (un point exclu) | Propriété |
|---|
Le résidu est y mesuré moins y ajusté. L'erreur type est la dispersion des résidus compte tenu du nombre de termes ajustés, et exige plus de points que de termes. La validation « un point exclu » est l'erreur typique de prédiction d'un point écarté, et c'est la comparaison la plus juste. Le degré suggéré est le plus simple à moins de 5 % de la meilleure erreur de validation. Là où les ajustements divergent en un point que vous utiliserez, cet écart fait réellement partie de votre incertitude. Une contribution rectangulaire égale à la moitié de l'écart est une façon courante de l'inclure.
Règles pratiques
- Garder au moins deux points de plus que de termes. Pour une courbe de degré 4, cela fait 7 points ou plus, et 9 vaut mieux.
- Avec exactement autant de points que de termes, la courbe passe par tous les points, ce qui ne prouve rien sur les points intermédiaires.
- Ne pas utiliser l'équation hors de la plage de vos points. Les polynômes divergent vite à cet endroit.
- Ajuster le petit écart par rapport à la courbe normalisée plutôt que la courbe entière. Les fonctions de référence du Pt100 et des thermocouples portent déjà la forme : un ajustement d'écart de degré 1 ou 2 suffit généralement.
À quoi s'attendre
- Pt100, résistance vers température de 0 à 400 °C : le degré 2 laisse environ 0,1 °C, le degré 3 environ 0,004 °C et le degré 4 moins de 0,001 °C. Un degré plus élevé compte ici.
- Type K, FEM vers température de 0 à 1000 °C : même le degré 4 laisse près de 1 °C ; utilisez donc la fonction de référence complète plutôt qu'un seul polynôme.
- Données d'écart dispersées : le degré 2 prédit le mieux, et les termes supplémentaires des degrés 3 et 4 se mettent à ajuster le bruit.