Linéarisation des thermocouples et des RTD

La linéarisation est un défi plus important pour les thermocouples que pour les sondes de température à résistance (PT100). Les thermocouples présentent une relation non linéaire entre leur sortie thermoélectrique (f.é.m.) et la température — sauf sur des plages très étroites. Pour cette raison, la réponse f.é.m.–température doit être corrigée afin d'obtenir des mesures exactes.

La norme IEC 60584-1 fournit des tableaux complets de f.é.m.en fonction de la température pour tous les types de thermocouples normalisés, en supposant une jonction de référence à 0 °C. Elle présente également des approximations mathématiques de ces relations. Par exemple pour le thermocouple de type K sur la plage de 0°C à 1372°C, il faut utiliser un polynôme du 9ème ordre et une exponentielle (tableau 3.5). Le type R procède de la même logique : 3 polynômes du 4ème au 9ème ordre sont nécessaires au calcul de la valeur pour la plage -50°C à +1768,1°C. 

Les Pt100, à l'inverse, ont une réponse résistance–température beaucoup plus prévisible. Les capteur RTD au platine normalisés suivent une équation relativement simple, définie dans la norme IEC 60751. Dans la plupart des cas, cela peut être modélisé par un polynôme du second degré; au plus, un terme d'ordre trois peut être nécessaire. D'autres matériaux de RTD, comme le cuivre, présentent une variation de résistance presque linéaire sur leur plage de fonctionnement, ce qui rend la linéarisation encore plus simple.

Cependant, les RTD peuvent encore être affectés par des non-linéarités, non pas du capteur lui-même, mais du système de mesure. Si le RTD est mesuré au moyen d'un pont à équilibre nul ou d'un système potentiométrique, il n'y a pas d'erreur ajoutée. Mais dans les ponts fixes, une certaine non-linéarité peut apparaître en raison de la consommation de puissance constante du pont. Si le système utilise un amplificateur à haute impédance ou un affichage numérique, ce n'est généralement pas un problème. En revanche, lorsque des dispositifs à faible impédance comme les galvanomètres sont utilisés, ces effets doivent être corrigés.

Aujourd’hui, la linéarisation des fonctions f.é.m. = f(t) ou R = f(t) est confiée aux microprocesseurs. Une première méthode utilise une loi discontinue dans laquelle se succèdent des segments de droites tangents à la courbe ; c’est le nombre de segments utilisés qui détermine la qualité de la linéarisation. Comme les appareils numériques récents disposent de beaucoup de mémoire et d’une grande puissance de calcul, le nombre de segments peut être très important. De nombreux appareils reconfigurables basés sur cette technique ont vu le jour. Ils sont capables de suivre de très près les valeurs de la table de référence du thermocouple sélectionné ou la table de correspondance résistance / température d’une sonde à résistance. Par échange d’eprom ou par l’utilisation d’une nouvelle zone mémoire, l’utilisateur choisit entre différents types de thermocouples ou de sondes à résistance. 

Une autre méthode de linéarisation fait appel à une fonction continue polynomiale représentant fidèlement les courbes de thermocouples ou de sondes à résistance. Une électronique analogique combine logarithmes, exponentielles, puissances et racines ; mais la précision dépasse rarement 0,2 % dans l’exemple d’une plage de quelques centaines de degrés. 

En pratique, la plupart des instruments numériques modernes utilisent une linéarisation numérique en temps réel immédiatement après la conversion analogique-numérique. Ces systèmes modélisent la réponse du thermocouple ou de la sonde Pt100 à l'aide de coefficients stockés en mémoire, supprimant les discontinuités des approches segmentées et permettant une très grande précision de mesure.