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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.

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 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).

Métaux Utilisés dans les Eléments Sensibles

Plusieurs métaux s’offrent au choix du fabricant pour la réalisation de sondes à résistances : le cuivre, l’or, le nickel, le platine et l’argent. Parmi ceux-ci, le cuivre, l’or et l’argent ont la particularité d’avoir des valeurs de résistivité assez faibles, peu recommandées pour la thermométrie par résistance.

Le cuivre possède toutefois une très belle courbe résistance / température, très linéaire. Comme d'autre part son coût est raisonnable il est utilisé pour certaines applications, non sans inconvénients : il est sujet à l’oxydation et pas extrêmement stable. Il convient particulièrement bien dans le cas particulier où l'on doit relever une température moyenne sur une grande longueur. On veillera à ne pas sortir du domaine -100 / +150°C.

Le nickel et ses alliages sont eux aussi relativement peu onéreux. En raison d'une résistivité élevée et d'un coefficient de température supérieur au platine, la sensibilité des éléments réalisés en nickel est plus grande que celle des éléments en platine. Mais les éléments nickel manquent de linéarité et ils sont sensibles aux contraintes mécaniques. Une inflexion indésirable vers le point de Curie (358°C) complique le calcul des valeurs de correspondance résistance / température. On cite comme domaine de température pour le nickel et ses alliages la plage -100 à +180°C.

Le platine est certes un matériau coûteux, mais seules de petites quantités entrent dans la fabrication d’une sonde, sans répercussion significative sur le coût global. Le platine rassemble toutes les caractéristiques essentielles pour permettre la réalisation de thermomètres à résistance : Il possède une large plage de température, une résistivité plus de six fois supérieure à celle du cuivre et une courbe résistance / température acceptable bien que non linéaire. Il s’étire en fils ou en bandes fines et on sait le produire à un état très pur. Produit en quantités, il permet de faire face à la nécessité d’interchangeabilité qui caractérise le marché industriel. Toutefois, comme le platine est facilement contaminé par de nombreux matériaux (surtout à chaud), il est obligatoire de sélectionner avec soin les différents matériaux utilisés dans la fabrication du capteur pour le gainage et l'isolation. Enfin, il est nécessaire de veiller à la conservation de l’état de recuit, ce traitement thermique ayant pour fonction de prévenir les défauts de structure.

Les résistances réalisées à partir de fil de molybdène se distinguent par leur stabilité sur le domaine de température -50 / +200°C. Les semi-conducteurs, comme les thermistances (composées d’oxydes métalliques) couvrent une importante étendue de mesure. Les procédés utilisés pour leur fabrication ont progressé. Les modules électroniques chargés sur les cartes d'entrée de linéariser les signaux émis par les thermistances ont évolué. Ces capteurs peu standardisés sortent toutefois du cadre de cette étude.

Les sondes au germanium s’emploient en dessous de 100 K et sont particulièrement appréciées à 10 K où le platine est inutilisable en raison de sa faible résistivité. Mais leur courbe résistance / température est difficile à exploiter et leur étalonnage mal maîtrisé. Les sondes carbone-verre se caractérisent par leur coefficient de température négatif et leur grande sensibilité à basse température. Enfin l’alliage rhodium-fer permet la mesure de températures proches de 0,5 K.

Sondes à Résistances : Composants

Comme nous l’avons vu en théorie au premier chapitre (section 4), le platine utilisé dans la fabrication d’un élément sensible doit être à l’état de recuit et demeurer dans cet état ; ces conditions garantissent une bonne stabilité. Il doit par ailleurs être tenu à l'abri de toute contamination. Enfin les matériaux du support et de la gaine doivent être travaillés avec soin et être très propres pour éviter tout risque de pollution et d’écrouissage.

En dessous de 250°C la pollution par contamination est rare ; au-dessus de cette température les matériaux de construction et d’isolation (en particulier les métaux de base, certains micas et le verre de borosilicate) réagissent avec le platine ou le dissolvent. On fait donc appel à des méthodes de montage particulières. Les éléments sensibles à résistance qui sont scellés hermétiquement contiennent une part d’oxygène dans le gaz de remplissage. Cette part d’oxygène maintient les particules polluantes à l’état inoffensif d’oxyde et prévient tout risque de réduction des impuretés.

Le coefficient α définit la pureté du platine. Celui du fil de platine utilisé pour la fabrication des sondes PT100 ohms est inférieur à celui des étalons primaires et secondaires. Parce qu'il est moins pur, le platine industriel garantit une plus grande robustesse de l’élément et il résiste mieux à l’oxydation.

De nombreux autres points nécessitent une attention toute particulière de la part du constructeur. Les métaux de câblage, tous différents du platine pour des raisons de coût, menacent de générer des forces électromotrices parasites si les points de connexion ne se trouvent pas exactement dans le même gradient. Le fabricant doit aussi contrôler la résistance d’isolement entre l’élément sensible, l'isolant de ses fils de connexion et la gaine de protection. L’enroulement ne doit pas être inductif. Le courant de mesure ne doit pas générer d’auto-échauffement sensible. Enfin la sonde doit accepter d'être alimentée tant en courant continu qu'en courant alternatif (500 Hz max.) sans que ses caractéristiques s'en trouvent modifiées.

Les éléments sensibles dont nous allons parler dans la section suivante peuvent aussi se concevoir à partir des métaux que nous avons étudiés plus haut, le cuivre, le nickel et l'argent. Pour tous ces métaux comme pour le platine, quelques règles simples doivent être respectées : l’élément doit fournir une résistance électrique adéquate, l'isolant doit résister aux températures élevées et le support du fil doit être propre ; enfin et surtout le métal utilisé doit résister à la contamination. Ces conditions remplies, il reste à définir la forme et les dimensions de l'élément. Pour obtenir un temps de réponse court l'élément doit développer une surface importante proportionnellement au volume qu’il occupe. Pour une mesure ponctuelle la taille de l'élément sensible sera très réduite. Enfin, pour prendre une température moyenne, on pourra préférer un élément large, ou long, selon la surface concernée par le projet de mesure.

Types de Sondes à Résistance

Au cours du siècle dernier de nombreuses méthodes de construction ont préfiguré le développement actuel des sondes à résistance. Les prototypes de Callendar comportaient une structure en croisillon découpée dans du mica autour de laquelle on enroulait le fil de platine. Sur les versions exposées le mica se déshydratait et se fragilisait. Sur les versions scellées, la condensation dégradait le gaz de remplissage. D’autres modèles furent construits en enroulant sur un croisillon en porcelaine le fil de platine préalablement enroulé une première fois sur lui-même en hélice ; mais le montage était lourd et créait des problèmes de temps de réponse. D’autres supports, en silice, avaient une forme hélicoïdale ; on réalisa aussi certains gabarits équipés d’encoches faites pour recevoir l’enroulement de platine.

Sur les sondes étalons utilisées de nos jours dans les laboratoires, l’élément est formé d’un fil (diamètre de l’ordre de 0,07 mm) enroulé en hélice et maintenu par contact frictionnel dans un tube fin en verre, quartz ou alumine. Le montage prend la forme d’un U ou de deux tubes séparés torsadés l’un sur l’autre, chacun contenant une portion hélicoïdale de fil platine, et chacun terminé en sa partie basse par un fil de platine de fort diamètre scellé dans le verre et soudé au fil fin. Quatre fils de connexion en platine sont scellés en sortie de montage (deux par côté) et l’assemblage reçoit une gaine externe en quartz (figure 6.1). Toute la conception vise à obtenir un thermomètre insensible à l’écrouissage qui puisse se dilater et se contracter en chauffe et en refroidissement sans que le conducteur ne frotte ou ne soit abîmé par son support.

Le processus de fabrication des éléments sensibles de précision destinés aux basses températures (-189°C) débute par un nettoyage de l'élément résistif. L'enroulement est ensuite placé dans un tube en verre ou en céramique, les deux extrémités du conducteur sortant à l'arrière à travers un scellement verre. Après un dégazage sous vide, on remplit le tube avec de l’air sec ou de l’argon très pur en mélangeant à ce gaz un peu d’oxygène. Ainsi l’enroulement de platine est placé sous atmosphère oxydante. En milieu oxydant, les agents contaminants retenus dans le fil de platine ne peuvent agir : les métaux contenus par ces particules ne sont libérés qu'en cas de réduction.

Les capteurs illustrés figure 6.2 sont conçus pour la mesure des très basses températures. Un petit tube de platine de diamètre 5 mm, long de 50 mm et terminé par un scellement verre contient l’enroulement de platine monté sur un gabarit. Après dégazage ces sondes sont remplies à l’hélium ; ce gaz de remplissage permet un bon transfert thermique.


Figure 6.1: Sonde à résistance étalon



Figure 6.2: Elément sensible pour très basses températures


La résistance à 0°C de ces trois types d'éléments sensibles est de 25 ohms, le coefficient α de 0,003926°C, la sensibilité de 0,1 ohms par degré C. On utilise pour certains travaux de mesure à température élevée des valeurs de résistance encore plus faibles (moins de 5 ohms à 0°C) pour minimiser les effets de shunt causés par la perte d’isolement à haute température. Plusieurs techniques ont été mises en application pour ce type de mesure, mais on retiendra celle du NBS (Etats-Unis) à la forme typique de cage (figure 6.3). Huit longueurs parallèles de platine sont passées à travers des disques isolants en céramique puis branchées en série, donnant une valeur de résistance d’à peine 0,2 ohms à 0°C et 1 ohm à 1000°C. Les autres techniques passent par différents supports : croisillons crantés en céramique pour double enroulement hélicoïdal ; tige céramique avec sillons hélicoïdaux ; plaquette céramique avec sillons.


Figure 6.3: Sonde à résistance pour hautes températures


Eléments Sensibles Industriels

Il serait tentant de vouloir utiliser dans le domaine industriel les capteurs que nous venons de décrire pour atteindre les précisions obtenues par les laboratoires. Malheureusement, l’idée n’est pas réaliste. Les prix, la fragilité et la faible résistance aux vibrations de ces sondes sont les principaux obstacles. C'est la raison pour laquelle les constructeurs proposent des sondes industrielles capables de supporter les conditions rencontrées dans les usines. Elles les supportent admirablement bien : la justesse et la stabilité des sondes industrielles actuelles tendent fortement vers les résultats dont sont capables les capteurs de laboratoire. Les céramiques modernes, très pures, les techniques avancées d’enroulement du platine sur support céramique, les procédés spéciaux de recuit, les études poussées faites sur la résistance aux vibrations ou sur la stabilité ont massivement contribué à cette réussite.

Le fil de platine à faible coefficient a est étiré à travers des matrices en saphir ou en diamant réalisées au laser, particulièrement sûres en terme de reproductibilité et de contamination. Les constructeurs soignent le support et trouvent les meilleurs compromis : le fil est maintenu au mieux pour résister aux vibrations et aux chocs, mais il est laissé suffisamment libre pour se dilater et se contracter sans écrouissage afin de préserver la bonne stabilité de l'élément sensible.

La technique classique consiste à enrouler le conducteur autour d’un mandrin de verre ou de céramique dont le coefficient de dilatation est identique à celui du platine. On scelle ensuite l’enroulement dans un revêtement de ciment céramique ou de verre (figure 6.4) ; la longueur des fils de sortie est ensuite finement ajustée pour obtenir une résistance de 100 ohms à 0°C. Les éléments sensibles issus de cette technologie sont solides et conviennent à la plupart des applications.


Figure 6.4: Modèle classique d’élément sensible industriel à enroulement


Certaines techniques de fabrication plus récentes améliorent encore la stabilité, étendent au-delà de 500°C le domaine de température et diminuent l'erreur d'hystérésis. L'une de ces technologies fait appel à des mandrins équipés de sillons en hélice dans lesquels on loge le bobinage (figure 6.5).


Figure 6.5: Elément cylindrique à mandrin hélicoïdal


Une autre construction ne maintient que partiellement le bobinage. La formule offre un excellent compromis entre solidité et stabilité. Le conducteur enroulé en hélice sur lui-même est passé dans les trous d’un tube multicanaux en alumine ; le fil est maintenu par plusieurs petits ancrages de verre, et l’enroulement n’est que très peu immobilisé. Les extrémités du fil sont fixées à des fils de sortie plus robustes.

Une troisième méthode consiste à compacter le bobinage dans l’alumine pour réduire encore les effets dus aux vibrations.


Figure 6.6: Technique de maintien partiel du bobinage


Lorsque ces nouvelles procédures de fabrication sont parfaitement maîtrisées par le fabricant, ces éléments satisfont entièrement les exigences de l'utilisateur, soit qu’il leur demande une très bonne stabilité auquel cas la sonde ne devra pas être exposée aux vibrations, soit qu’il recherche au contraire un bon comportement aux vibrations et dans ce cas la stabilité sera moindre, mais toujours très bonne. Ces éléments sensibles permettent en effet d’accéder à une stabilité de quelques centièmes de degrés sur la plage -200 / +850°C.

Sondes à Couche Mince

Un développement relativement récent des techniques de fabrication sous vide des semi-conducteurs permet désormais de déposer sous la forme d’un film en couche épaisse ou en couche mince un circuit résistif de platine sur le substrat approprié. Dans le processus de fabrication des sondes à couches minces, le platine est déposé par évaporation. La méthode de fabrication des sondes à couches épaisses se base sur le dépôt par procédé photochimique d’une pâte faite de verre et de platine. Les deux techniques impriment en quelque sorte l’élément sur une surface plate, éventuellement montée ensuite dans un logement cylindrique (figure 6.7). Les performances obtenues aujourd’hui égalent presque celles des sondes à enroulement ; elles dépassent probablement celles des modèles à enroulement scellé. Ces bons résultats sont obtenus en particulier avec les sondes à couche mince sur la plage -50 à +500°C. Trois avantages caractérisent cette catégorie d'éléments : rapidité de réponse thermique (la masse est faible et le contact avec le substrat est excellent), insensibilité aux vibrations, coût plus faible que les sondes à enroulement.


Figure 6.7: D’autres éléments sensibles: les sondes à couche mince


Mais leur stabilité est discutée ; particulièrement lorsqu’il s’agit de plages de mesure étendues. Plusieurs arguments sont avancés. D'une part, le platine n’est pas réellement libre de se dilater ou de se contracter comme les techniques de maintien partiel le permettent sur les éléments cylindriques. D'autre part la quantité de platine utilisée est assez faible ; l’élément est donc plus facilement contaminé. Enfin les caractéristiques du dépôt sont amenées à varier d’un lot à l’autre - quoique cet aspect soit de mieux en mieux maîtrisé aujourd’hui. Il reste que les sondes à couche ont toujours un rôle très utile à jouer dans la mesure de température de surfaces ou de gaz, à moindre coût et avec une précision raisonnable, même si leur stabilité d’environ ± 0,05 % sur le domaine de température ne peut se comparer aux ± 0,005 % annoncés pour les sondes à enroulement avec maintien partiel.

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