Introduction aux sondes PT100 RTD (capteur à résistance)

Sommaire

1. Fonctionnement
2. Historique
3. Exigences clés pour des RTD précis
4. L’équation de la résistance d’un RTD
5. Le coefficient α et l’intervalle fondamental
6. Résumé

Les capteurs de température à résistance (PT100/RTD) reposent sur le principe selon lequel la résistance électrique d’un conducteur varie avec la température. À mesure que la température augmente, les vibrations atomiques et la diffusion des électrons au sein du métal augmentent, ce qui entraîne une augmentation prévisible de sa résistance. Cette relation peut être utilisée pour mesurer la température avec précision — à condition que le matériau sensible soit stable et pur.

Fonctionnement

En termes simples, les métaux tels que le platine présentent une relation résistance-température fiable. Bien que les impuretés et les défauts du réseau cristallin puissent également affecter la résistance, ces influences sont pour la plupart indépendantes de la température et gérables dans les matériaux de haute pureté.

Les RTD offrent plusieurs avantages pratiques par rapport aux thermocouples :

• Mesure absolue : Pas besoin de jonction de référence ni de compensation de jonction froide.
• Câblage plus simple : Des câbles en cuivre standard peuvent être utilisés entre le capteur et l’instrumentation, ce qui réduit la complexité.

Historique

Le concept remonte aux années 1860, lorsque Sir William Siemens a proposé pour la première fois d’utiliser la résistance dépendante de la température pour la mesure de température. Les premières versions utilisaient le platine, mais la conception souffrait d’une instabilité due aux contraintes mécaniques et à la contamination.

Ce n’est qu’en 1899 que la thermométrie à résistance en platine est devenue fiable, grâce à l’amélioration des matériaux et aux méthodes de construction mises au point par Callendar.

Exigences clés pour des Pt100 précises

Pour obtenir des mesures stables et précises, les éléments Pt100 doivent :

• Utiliser des métaux de haute pureté (généralement du platine).
• Être maintenus dans un état entièrement recuit pour éviter des changements physiques.
• Être protégés de la contamination pour éviter les altérations chimiques.
• Être maintenu mécaniquement pour minimiser les contraintes dues à la dilatation thermique.

La fabrication des RTD nécessite d'équilibrer la sensibilité et la robustesse afin de garantir des performances même dans des environnements industriels difficiles.

L'équation de résistance des RTD

Pour les RTD en platine, la relation résistance–température est prévisible et suit une forme polynomiale :

Au-dessus de 0 °C un polynôme du second ordre (quadratique) suffit :
R _t /R ₀ = 1 + At + Bt ²

En dessous de 0 °C (pour une plus grande précision) on utilise un polynôme du troisième ordre (cubique) plus précis :
R _t /R ₀ = 1 + At + Bt ² + Ct ³ (t-100)

Par conséquent :
t = (1/α)(Rt - R0)/R0 + δ(t/100)(t/100 -1)

Où :

• R _t = Résistance à la température t
• R ₀ = Résistance à 0 °C
• t = Température en °C
• A, B, C = Constantes d'étalonnage

Les constantes A, B et C de ces équations sont généralement déterminées par étalonnage pour les capteurs de haute précision, mais dans les applications industrielles, des valeurs normalisées telles que définies dans IEC 60751 sont couramment utilisées :

• A = 3.90802 × 10 ^-3
• B = –5.802 × 10 ^-7
• C = –4.2735 × 10 ^-12

Le coefficient α et l’intervalle fondamental

Un paramètre clé dans la définition des RTD au platine est le coefficient alpha (α) , qui représente le coefficient moyen de température de la résistance entre 0 °C et 100 °C :

α = (R ₁₀₀ – R ₀ ) / (100 × R ₀ )

Cette équation compare la résistance à 0 °C ( R ₀ ₀ ) et 100 °C ( R ₁₀₀ ) — une différence connue sous le nom d’ intervalle fondamental . Pour les RTD commerciaux, cet intervalle fondamental est généralement 38.5 Ω , ce qui donne une valeur de α de 3.85 × 10 ^-3 /°C .

Le coefficient alpha est influencé à la fois par la pureté et l’état de recuit du fil de détection en platine. Un platine de plus grande pureté, entièrement recuit, peut atteindre des valeurs d’alpha comprises entre 3.925 × 10 ^-3 /° C et 3,928 × 10 ^-3 /°C , offrant une meilleure linéarité et une meilleure précision — bien qu’il soit plus sensible aux contraintes mécaniques et à la contamination.

Pour garantir la cohérence, la norme IEC 60751 définit des tables de valeurs de résistance en fonction de la température pour les RTD, basées sur :

• R ₀ = 100 Ω à 0 °C
• R ₁₀₀ – R ₀ = 38,5 Ω (intervalle fondamental)
• α = 3,85 × 10 ^-3 /°C
• Disponibles en classes de tolérance classe A et classe B

Ces tables constituent l’épine dorsale de l’étalonnage industriel des RTD, permettant des mesures fiables sur une large plage de températures.

Résumé

Les RTD mesurent la température en suivant la variation de la résistance avec la température. Le platine est le matériau le plus utilisé en raison de sa stabilité, de sa pureté et de ses caractéristiques reproductibles. Les capteurs PT100 sont précis, ne nécessitent pas de jonction de référence et utilisent un câblage standard — ce qui les rend idéaux pour de nombreuses applications industrielles.

La relation entre la température et la résistance est décrite par des équations polynomiales et normalisée dans la norme IEC 60751, qui définit les constantes d’étalonnage et les classes de tolérance. Pour des performances précises, l’élément sensible doit rester chimiquement stable, physiquement inchangé et exempt de contraintes ou de contamination.

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