Conceptions des éléments Pt100

Sommaire

1. Conceptions Pt100 de laboratoire
2. Conceptions Pt100 industrielles
3. Elements à dépot en couche de platine 
4. Résumé : choisir la bonne conception d’élément RTD

Les capteurs de température à résistance (Pt100) peuvent être réalisés de diverses façons selon l’environnement de mesure. Des dispositifs de laboratoire de précision aux assemblages industriels robustes, les choix de conception influent sur la précision, la durabilité, la stabilité et le coût. Voici un résumé des constructions d’éléments résistifs les plus répandus, en commençant par les conceptions de qualité laboratoire.

Conceptions des Pt100 de laboratoire

Les sondes Pt100 de laboratoire privilégient la précision et la stabilité. Ces éléments sont soigneusement construits afin de minimiser les contraintes sur l’élément sensible et de maintenir un excellent étalonnage au fil du temps.

Conceptions des éléments de précision bobinés 

Dans les laboratoires de référence modernes, les éléments Pt100 les plus précis sont réalisés en utilisant :

• Fil de platine fin (généralement 0,07 mm de diamètre).
• enroulé en hélice et  maintenus par contact frictionnel à l’intérieur de tubes en silice, en verre ou en alumine.
• Configurations à quatre fils pour des mesures de résistance de haute précision (voir la figure 6.1).
• Scellés hermétiquement et remplis avec de l’argon ou de l’air/oxygène afin d’assurer un environnement oxydant pour le platine.
• Les fils de connexion sont soigneusement isolés avec du mica, de la silice ou du saphir afin de maintenir une résistance d’isolement élevée et de minimiser les fuites.

Ces assemblages permettent au platine de se dilater et de se contracter librement, garantissant une stabilité à long terme au-dessus de –189 °C.

Figure 6.1 : Capteur RTD traditionnel de laboratoire

Capsules cryogéniques

À très basses températures, les éléments Pt100 à enroulement de fil platine sont privilégiés. Ces conceptions compactes :

• Utilisent des tubes en platine à paroi mince remplis d’hélium pour une excellente conductivité thermique.
• Mesurent généralement environ 50 mm de longueur et 5 mm de diamètre.
• Sont hermétiques et robustes, avec une très faible masse thermique (voir Figure 6.2).

De telles conceptions sont idéales pour l’étalonnage cryogénique et les environnements de mesure à très basse température.

Figure 6.2  : Pt100 en platine de type capsule

Éléments de référence haute température

Pour des températures supérieures à 660 °C, les Pt100 en platine rencontrent des problèmes de résistance d’isolement et de dérive. Pour y remédier :

• Pt100 à faible résistance sont construits à l’aide de plusieurs brins de platine en parallèle.
• Des éléments de conception en « cage d'oiseaux » conçu par le National Bureau of Standard (NITS actuel) réduisent les contraintes de dilatation sur les fils suspendus sans support solide (voir Figure 6.3).
• La résistance plus faible (p. ex. 0,2 Ω à 0 °C) les rend moins sensibles aux courants de fuite, améliorant la précision à des températures élevées.

Figure 6.3  : Sondes à résistance pour haute température 

Conceptions des Pt100 industriels

Les élément Pt100 industriels sont conçus pour survivre dans des environnements plus sévères, où vibrations, chocs thermiques et contraintes mécaniques sont fréquents. Ces conceptions équilibrent robustesse et stabilité de mesure.

Éléments céramiques à fil bobiné

Les capteurs à résistance industriels traditionnels utilisent des bobines en céramique ou en verre autour desquelles un fil de platine est enroulé :

• Le bobinage est scellé avec du ciment céramique ou du verre pour le maintenir en place (voir Figure 6.4).
• Les tiges en céramique avec des rainures hélicoïdales constituent une autre option, où le fil est protégé des vibrations (voir Figure 6.5).

Ces conceptions sont robustes mais peuvent sacrifier une certaine liberté de dilatation de l’élément en platine, ce qui peut affecter la stabilité à long terme.

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

Figure 6.5 :  Elément cylindrique à mandrin hélicoïdal  

Elements bobinés avec technique de maintien partiel

Une conception plus avancée utilise des bobines de platine avec maintien partiel :

• La bobine hélicoïdale est insérée dans un tube en alumine .
• Seuls certains points de contact sont fixés avec du verre, permettant au reste du fil de se déplacer librement (voir Figure 6.6).
• Cette conception améliore grandement la résistance aux vibrations tout en minimisant la contrainte.

Figure 6.6 : Technique de maintien partiel du bobinage

Les éléments typiques mesurent 25 mm de long et environ 3 mm de diamètre. Ils sont soigneusement ajustés pour obtenir 100 Ω à 0 °C , garantissant la conformité aux normes CEI.

Ils comptent parmi les éléments industriels les plus stables disponibles, avec une dérive aussi faible que quelques centièmes de degré sur la plage de –200 °C à +850 °C.

Sondes à dépot en couche de platine

Les élément à dépot en couche représentent une évolution moderne de la conception des capteurs. Au lieu d’utiliser un fil, ces éléments reposent sur des couches minces ou épaisses de platine déposées sur un substrat.

Méthode de conception des sondes à couches minces

• Une très fine couche de platine est déposée sous vide sur un substrat céramique. 
• Idéal pour les mesures de température de surface ou d’air jusqu’à environ 500 °C.
• Temps de réponse rapide grâce à une faible masse thermique et une excellente résistance aux vibrations (voir figure 6.7).

Méthodes de comception des sondes à couches épaisses

• Cette méthode se base sur le dépôt par procédé photochimique d’une pâte faite de verre et de platine.
• Plus courantes dans des environnements à moindre coût ou de production par lots.

Avantages et limites

Avantages :

• Production par lots hautement reproductible.
• Idéal pour une réponse thermique rapide.
• Bonne tolérance aux vibrations.

Limites :

• Moins de stabilité à long terme que les types à fil bobiné.
• La couche de platine est de faible épaisseur et sujette à la contamination.
• Les contraintes mécaniques lors des cycles thermiques peuvent affecter la précision.
• La variabilité entre lots peut limiter l’interchangeabilité.

Alors que les Pt100 à fil bobiné haut de gamme peuvent atteindre une stabilité de ±0,005 % , les éléments à film offrent généralement ±0,05 % - toujours suffisant pour de nombreuses applications industrielles.

Résumé : choisir la bonne conception d’élément RTD

Type de RTD	Plage de température	Stabilité	Résistance mécanique	Utilisation typique
Bobine en tube de laboratoire	–189 °C à +660 °C	Excellent	Faible	Laboratoires d’étalonnage, normes
Capsule cryogénique	< –150 °C	Excellent	Moyen	Mesure cryogénique
Haute température, faible résistance	jusqu’à 1 000 °C	Élevé	Moyen	Référence industrielle haute température
Céramique à fil bobiné	–200 °C à +600 °C	Bon	Élevé	Usage industriel général
Bobine à maintien partiel	–200 °C à +850 °C	Très élevé	Élevé	Environnements industriels sévères
dépot en couche mince/épais	–50 °C à +500 °C	Modéré	Très élevé	CVC, appareils électroménagers, détection de surface

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