Page mise à jour le 13/11/2019 (Tous droits réservés - TECHNETEA)
La mesure de température avec une sonde Pt100 ou Pt1000
Développements Electroniques
Instrumentation - Systèmes - Logiciels - Bancs de test
Spécialisée en instrumentation, Technetea développe et réalise des capteurs numériques, des matériels d'acquisition de données, des bancs de test, etc ...
Que ce soit pour un besoin ponctuel, un projet industriel, scientifique ou pédagogique, n'hésitez pas à nous contacter, nous avons certainement une solution à vous proposer.
Les sondes de température de type platine (PRTD - Platinum Resistance Temperature Detector) sont des capteurs d'un emploi courant dans l'industrie en raison de leur grande fiabilité. Leur principe repose sur la variation en température de la résistance électrique d'un conducteur de platine (fil ou film) selon des caractéristiques connues et très stables en vieillissement, décrites par les normes IEC 60751, ASTM E1137, ... et par les anciennes normes IEC 751, DIN 43760, ...
Les sondes platine peuvent couvrir des domaines d'utilisation très larges et sont même parfois utilisées dans des gammes de températures allant au-delà de la plage -200°C à +800°C.
Les principaux modèles rencontrés sont référencés Pt100, Pt500, Pt1000, ce qui indique la valeur de la résistance électrique nominale à 0°C. Par exemple pour la référence Pt100 qui est le capteur le plus connu, la résistance électrique est de 100 ohms à 0°C ; pour une Pt500 elle est de 500 ohms à 0°C ; etc ...
La variation de la résistance électrique est quasiment linéaire en fonction de la température, et pour une Pt100 elle peut en première approche être considérée de l'ordre de +0.4 ohm/°C.
Pour une Pt1000, l'allure des courbes est identique mais avec un coefficient 10, c'est à dire que la variation de la résistance est de l'ordre de +4 ohms/°C.
La figure ci-dessous représente le comportement d'une sonde Pt100 dans l'intervalle -200°C à +300°C, telle qu'elle est mathématiquement modélisée dans la norme IEC 60751. La courbe rouge représente la valeur de la résistance, tandis que la courbe bleue est la fonction dérivée représentant la variation de la valeur de la résistance en ohms/°C.
Une droite a été ajoutée (tirets verts) pour bien faire ressortir la quasi linéarité de la courbe de réponse.
Modélisation mathématique d'une Pt100 selon IEC 60751
Exemple d'une sonde Pt100 3 fils
Exemple sonde Pt100 5 mm x 2 mm
Selon le procédé de réalisation employé, les sondes se répartissent en classes de tolérance : (Paragraphe en cours de mise à jour)
classes à -100°C à 0°C à 100°C à 200°C à 300°C
B F(W)0.3 +/- 0.80°C +/- 0.30°C +/- 0.80°C +/- 1.30°C +/- 1.80°C
A F(W)0.15 +/- 0.35°C +/- 0.15°C +/- 0.35°C +/- 0.55°C +/- 0.75°C
AA F(W)0.1 +/- 0.27°C +/- 0.10°C +/- 0.27°C +/- 0.44°C +/- 0.61°C
...
Il faut noter que disposer d'une sonde ultra précise n'est réellement utile qu'à la condition de disposer d'une interface électronique elle-même de précision et de stabilité suffisantes. Mais avant toute chose, il est indispensable de pouvoir garantir 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.
La stabilité d'une sonde platine
Une sonde platine est réputée être un capteur extrêmement stable dans le temps. Néanmoins une dérive peut apparaître d'autant plus vite que :
- la température d'utilisation est élevée
- la sonde subit des cycles en température avec des excursions importantes (ex : +20°C / +300°C)
- la sonde est soumise à des chocs thermiques ou à des chocs mécaniques
Les modes de connexion et les interfaces électroniques
Le choix de la méthode de connexion et donc du type d'interface électronique dépend des facilités d'installation, du coût acceptable et de la précision de mesure attendue pour l'installation. Il n'existe pas de "meilleure solution" dans l'absolu, mais pour une installation donnée il y a la solution la plus appropriée.
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 électrique 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 constante systématique, un câble standard AWG 24 (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 l'ordre de +0.04°C pour une sonde Pt1000.
Une évaluation de l'erreur s'impose au préalable, mais en raison de sa simplicité ce type de connexion reste tout à fait approprié lorsque l'interface électronique se trouve proche du capteur. Le tableau ci-dessous donne une idée de l'erreur en fonction du type de câble utilisé et de la distance entre le capteur et l'électronique.
Nota : l'erreur en °C/m correspond à la longueur aller-retour du fil (longueur d'un câble bifilaire)
- 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 la résistance électrique des câbles de connexion n'intervient plus dans l'erreur de mesure. Néanmoins dans la pratique, cela ne signifie pas qu'il s'agit là forcément du mode de connexion à privilégier à tout prix. L'étage électronique spécifique d'entrée induit un coût supplémentaire et ajoute sa propre erreur dans la chaîne de mesure.
Pour une grande longueur de câblage, ce mode de connexion apporte en terme de précision un intérêt par rapport à une connexion 3 fils. Par contre pour une longueur de câblage courte voire ultra courte, l'électronique ajoutée amène souvent une erreur du même ordre de grandeur que l'erreur qu'elle est destinée à corriger. Néanmoins il arrive de rencontrer ce mode de connexion avec des Pt100 en connexion courte, mais dans ce cas une Pt1000 connectée en 2 fils offre souvent la même précision.
Il existe cependant des cas particuliers avec courtes longueurs de câblage, où ce mode de connexion donne le meilleur résultat, par exemple lorsque des fils de connexion de très faible section sont absolument exigés.
- Le mode "3 fils" assure très souvent une précision largement 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 AWG 18 (21 ohms/km) est tout à fait adaptée pour une connexion moyenne distance. Tout dépend de la qualité de l'interface électronique, mais avec ce type de câble l'erreur est en principe inférieure à 0.4°C pour 100 mètres de connexion sur une sonde Pt100.
Interface 2 fils
Interface 3 fils Une méthode parmi d'autres, ici : VPt = V1 - 2 x V2
Interface 4 fils
Les trois modes de connexion dont il est question ci-dessus représentent seulement la manière de connecter le capteur élémentaire PRTD à une interface électronique. Ces méthodes sont utilisées la plupart du temps lorsque la distance n'excède pas 50 mètres pour relier des sondes sur une centrale d'acquisition. Mais il peut parfois aussi arriver d'utiliser les modes de connexion 3 fils et 4 fils, sur des distances beaucoup plus longues allant jusqu'à plusieurs centaines de mètres lorsqu'il n'y a pas trop de risque de voir les mesures bruitées par des parasites électriques captés le long du chemin de câbles.
Quand la distance de câblage l'impose, par exemple pour des questions de précision de mesure mais il peut y avoir d'autres raisons, l'interface électronique est placée proche du capteur. C'est ainsi qu'existent des transmetteurs analogiques (ex : transmetteur 4/20 mA) faits pour être installés à moins de 2 mètres du capteur, mais également des transmetteurs numériques.qui représentent la solution privilégiée développée par Technetea car elle permet :
- des connexions sûres dont la précision de mesure ne dépend ni de la longueur de câblage ni des parasites électriques le long du chemin de câbles
- une consommation électrique très nettement inférieure aux transmetteurs analogiques de type 4/20mA.
- des regroupements de capteurs par zones
- une réduction des coûts et des temps d'installation lorsque les capteurs sont nombreux
Lorsque la distance entre le senseur PRTD et l'électronique est tellement réduite que les deux parties restent toujours solidaires ou entrent dans le même boîtîer, il est alors question d'un capteur numérique. Ce type de matériel est également développé par Technetea.
Le principal intérêt de cette solution, outre le fait de bénéficier des avantages des transmetteurs numériques énumérés précédemment, est d'embarquer les données d'étalonnage dans la partie électronique. Le résultat est un capteur précis, plug & play, qui supprime les fastidieuses opérations d'étalonnage canal par canal au niveau de l'informatique, de la centrale d'acquisition ou du PLC (Programmable Logic Controller).
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 électrique 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.
Pt100 ou Pt1000 ? Quel type de capteur choisir ?
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 : UPt1000 = RPt1000 x I Pt1000 = (10 x RPt100) x (I Pt100/ 10) = RPt100 x I Pt100 = UPt100
Mais par contre, la puissance dissipée dans la sonde sera elle divisée par 10, ce qui permet de minimiser l'erreur due à l'auto-échauffement : PPt1000 = RPt1000 x (I Pt1000)2 = (10 x RPt100) x (I Pt100/ 10)2 = ( RPt100 x (I Pt100)2 ) /10 = 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 toutefois 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 beaucoup 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 (moins de 2 mètres), le choix de la sonde Pt1000 est généralement toujours préférable.
Un outil de conversion résistance température
°C
<=>
Ω
Out of range -200°C / 850°C
Lien sur une version réduite de la page pour une utilisation sur écran de smartphone
Un utilitaire de conversion est toujours le bienvenu pour déterminer la correspondance entre résistance électrique et température, et bien plus rapide que la manipulation des tables de conversion.
Cet utilitaire est également téléchargeable sous la forme d'un fichier HTA (HTML Application). Il est agréable à utiliser lors de travaux de développement sur des sondes Pt100, et se présente sous la forme d'une petite fenêtre très discrète sur l'écran.
Développement de modules d'acquisition USB pour la mesure de températures
La température est un paramètre physique important très souvent pris en considération dans les expérimentations et essais divers. Pour ses modules d'acquisition et ses bancs de test, TECHNETEA fait une large place aux interfaces Pt100 3 fils et Pt1000 2 fils, mais d'autres modes de connexion peuvent aussi être envisagés (connexion 4 fils, Pt500, etc ...) pour des demandes plus spécifiques.
Aspect, nombre de voies, plage de mesure, résolution, précision, traitement du bruit, vitesse de réaction, sont des paramètres pris en compte pendant la phase de conception tant au niveau de l'électronique que du firmware, pour pouvoir répondre aux caractéristiques spécifiques demandées par nos clients.
Enregistrement réalisé avec un module TECHNETEA 16x Pt1000 (mode 2 fils).
(Fichier complet de 2 minutes téléchargeable pour visualisation sous Excel ®)
Le traitement temps réel de la donnée après numérisation est toujours adapté à la demande spécifique du client. Dans l'exemple ci-dessous le traitement numérique intégré dans le firmware du module d'acquisition est conçu de manière à favoriser un temps de réponse court, pour ne pas filtrer l'ondulation des températures dans le cadre d'une étude de contrôle de chauffage. Néanmoins le bruit RMS reste extrêment faible, inférieur à +/-0.01°C.
Trace fournie par un module TECHNETEA 10x Pt100 (mode 3 fils).avec 25m de câble jusqu'à la sonde
En associant plusieurs types d'interfaces électriques sur le même circuit imprimé, nos modules d'acquisition peuvent non seulement permettre des mesures de températures, mais également des mesures provenant d'autres types de capteurs ou le relayage de puissance pour réaliser des asservissements de température.
USB - 4 entrées Pt100 (3 fils)
3 entrées Pt100 (3 fils) + 1 commutateur isolé
16 entrées -40°C/+200°C Pt1000 (2 fils) USB
Analyse thermique avec 8 capteurs Pt1000 Logiciel de visualisation en temps réel
Sonde de contact Pt1000 Φ10 mm (Corps en PEEK, câble PTFE 200°C)
Module USB 8 entrées Pt1000 (2 fils) pendant son développement
La grande flexibilité dans nos possibilités de développement en types d'interfaces, en modes de transmission des données ainsi que pour l'aspect physique extérieur (boîtier et connectique), permet d'obtenir des modules d'acquisition et centrales d'acquisition spécifiques à la fois économiques, robustes et compacts, pour en faciliter l'utilisation quelle que soit l'exigence de l'environnement de travail.
Exemple de module spécifique à entrées mixtes Capteurs : Pt100 (3 fils) + 4-20 mA + RS485
L'utilisation de capteurs Pt100 au travers de deux exemples
Les deux exemples animés qui figurent ci-dessous sont destinés à présenter la facilité de mise en oeuvre des modules d'acquisition USB de Technetea. En appuyant sur le bouton "play", la page HTML lit un fichier XML contenant les températures vues par 3 capteurs Pt100 connectés en mode 3-fils. Les données sont issues des enregistrements d'expérimentations réelles réalisées en 2008 uniquement dans le but d'illustrer cette page sur les Pt100 et Pt1000.
Exemple d'un fichier d'enregistrement de températures
