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Sondes thermométrique à résistance Pt100 - Information de référence



Qu'est-ce qu'une sonde thermométrique à résistance Pt100?

Une sonde Pt100 est un type de capteur de température à résistance utilisé pour une grande variété d'applications de mesure de température. Il existe de nombreux types de sonde à résistance, mais les plus courantes sont les Pt100, disponible dans une large gamme de conceptions et de constructions, ce qui en fait un choix pratique pour une mesure de température précise dans l'industrie, les applications scientifique et de recherche.

Free Guide à Thermocouple and Resistance Thermometry
 Sonde Pt100

Thermométrie par sonde à Résistance de Platine

La résistance que présente un conducteur électrique vis-à-vis d’un courant électrique est fonction de sa température. Cette loi se base sur la théorie selon laquelle en présence de vibrations atomiques structurelles, les électrons gagnent de l'énergie. Sous l’effet de la température, les électrons libres voyagent dans le métal sous la forme d’ondes planes ; ces ondes sont modifiées par une fonction qui a la périodicité du réseau cristallin. La théorie quantique des solides permet de calculer la variation de la résistivité d'un cristal métallique de dimensions infinies en fonction de la température thermodynamique T. La résistance du conducteur croît avec la température ; cette variation est parfaitement réversible.

Le concept de mesure de température au moyen d’une résistance est en réalité considérablement plus facile à appliquer que la thermométrie par thermocouple. En premier lieu, la mesure est absolue et ne fait appel ni à une jonction de référence, ni à une compensation de soudure froide. Deuxième avantage, il suffit d’employer des conducteurs cuivre entre la sonde et l’instrument. En dehors de leur simplicité de mise en œuvre, les thermomètres à résistance présentent d'autres attraits par rapport aux thermocouples : on trouvera une comparaison détaillée chapitre 3, section 1.

C’est William Siemens qui, en 1861, proposa le premier l’idée d’utiliser la relation résistance / température pour faire une mesure et plusieurs thermomètres fonctionnant sur ce principe furent fabriqués dès 1871. Malheureusement, malgré l'emploi du platine, (le matériau aujourd’hui le plus utilisé en thermométrie par sonde à résistance), les formules d’interpolation associées étaient inadéquates et insuffisantes. Il fallait aussi faire face à des problèmes d’instabilité. Ces difficultés étaient essentiellement dues aux méthodes de construction (Siemens plaçait un calibre réfractaire sous un tube de fer, ce qui entraînait d'une part des problèmes d’écrouissage du platine en raison des différences de dilatation et d'autre part des problèmes de contamination). Callender reprit les rênes en 1887, mais ces difficultés ne s’aplanirent qu’en 1899, date à partir de laquelle l’usage du thermomètre à résistance de platine prit de l’expansion.

Pour l’essentiel, il est aujourd’hui admis que la relation résistance / température est suffisamment prévisible, régulière et stable pour qu’on l’utilise en thermométrie. Pour en arriver là, il a toutefois fallu maîtriser deux effets indésirables. Il a fallu en premier lieu réduire les effets résistifs liés aux impuretés, car toute addition d'impureté à un métal pur accroît sa résistivité. Ainsi la composition chimique du conducteur doit être et demeurer constante. Les scientifiques ont ensuite fait face au deuxième phénomène, produit par l'écrouissage : toute déformation d'un corps métallique accroît sa résistivité. C'est pourquoi le conducteur doit être et rester à l’état de recuit obtenu par traitement thermique.

Dès lors, la difficulté consiste pour le fabricant à maintenir le fil de platine dans un milieu exempt d'impuretés, sans le contraindre, en veillant aux coefficients de dilatation du conducteur et de son support.

La relation décrivant la sortie d’une sonde à résistance de platine en fonction de la température s’établit selon les lois suivantes :

Pour les températures au-dessus de 0°C :

Rt /R0 = 1 + At + Bt2
et, de -200 à 0°C
Rt /R0 = 1 + At + Bt2 + Ct3(t-100)

où Rt est la résistance du thermomètre à la température t ; R0 la résistance du thermomètre à 0°C. Les valeurs des constantes A, B et C sont, dans le cas des thermomètres industriels :

A = 3,9083 x 10-3 °C-1
B = -5,775 x 10-7 °C-2
C = -4,183 x 10-12 °C-4

On écrit, pour A, B et C :

A = α (1 + δ/100) °C-1
B = α x δ x 10-4 °C-2
C = α x β x 10-8 °C-4

Le coefficient de température α, pente moyenne de la courbe résistance / température obtenue en mesurant la résistance du thermomètre à 0°C et à 100°C, caractérise la pureté et l’état de recuit du platine utilisé. Il a pour valeur dans le cas d'un thermomètre réalisé industriellement :

α = (R100 - R0)/100 x R0 = 0,00385 °C-1

Le platine pur est dans ce cas dopé avec un autre métal pour le rendre plus robuste et plus résistant à l'oxydation. Pour un thermomètre de laboratoire réalisé à l'aide de platine très pur à l’état de recuit parfait, la valeur de ce coefficient se situerait entre 0,003925 et 0,003928°C-1.

Le coefficient δ est lié à la théorie quantique des cristaux métalliques, il décrit l’écart de linéarité (ou concavité). On obtient sa valeur par étalonnage à haute température. Tant α que δ dépendent de la pureté du fil de platine.

Enfin la valeur du coefficient β est obtenue par étalonnage à température négative.

Exprimée à l'aide des coefficients α, β et δ, la relation résistance / température prend la forme suivante :

Rt / R0 = 1 + α [ t - δ(t/100) (t/100 -1) - β (1/100)3 (t/100 -1) ] (remarque : pour t supérieur ou égal à 0, β = 0).

Tolérances d'interchangeabilité pour Sonde à Résistance


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