Implantation des thermocouples et des détecteurs de température à résistance (RTD)

Sommaire

1. Introduction
2. Principes clés pour un positionnement précis des capteurs
3. Mécanismes de transfert de chaleur - conduction, convection et rayonnement
4. Température de stagnation dans les écoulements gazeux à grande vitesse
5. Résumé

Une mesure de température précise dépend du placement du capteur de manière à ce qu'il atteigne la même température que le milieu mesuré. En d'autres termes, un bon contact thermique et des pertes de chaleur minimales le long du tube de protection, des supports ou du câblage interne sont essentiels (voir Figure 4.1 ).

Principes clés pour un positionnement précis des capteurs

Pour obtenir des mesures de température fiables, suivez ces trois principes essentiels :

1. Assurez un bon couplage thermique
   Pour les fluides :
   
   • Placez le capteur dans la zone de vitesse d'écoulement la plus élevée .
   • Préférez l'écoulement transversal comme orientation pour une meilleure réactivité.
   • Dans les fluides à faible vitesse, envisagez des ailettes externes pour améliorer le transfert thermique.
   Pour les solides :
   
   • Insérez les capteurs dans des alésages ajustés.
   • Utilisez des composés thermiques tels que des ciments, des mastics, de la graisse thermique ou des liquides à haute conductivité thermique.
   Pour les surfaces :
   • Utilisez des pads thermiques, des pâtes conductrices , ou des attaches soudées pour un meilleur contact thermique.
2. Minimisez les erreurs de conduction thermique

   Évitez le flux de chaleur le long des supports et des fils en :

   • Maximiser la profondeur d’immersion du capteur (voir Figure 4.2).
   • Utiliser des doigts de gant ou des supports en acier inoxydable à paroi mince, présentant une forte résistance thermique axiale.
   • Choisir des fils de connexion de petit diamètre et à faible conductivité thermique.
   • Faire courir les fils le long de la surface sur une certaine distance avant de les dévier, afin de réduire la conduction.

Figure 4.2 : Importance de la profondeur d’immersion du capteur


3. Minimisez les perturbations de température induites par le capteur

   Dans certains cas, le capteur lui-même peut perturber la distribution naturelle de température du milieu

   • Gardez le capteur de petite taille par rapport à la zone de mesure.
   • Adaptez la forme du capteur à la géométrie de la surface.
   • Utilisez une isolation ou un blindage pour isoler le capteur des influences externes.

   Exemple :

   Pour des mesures de surface sur un tuyau, si le tuyau est :
   • À paroi mince et conductrice
   • Transportant un fluide avec un différentiel de température suffisant et un débit stable
   ...alors un capteur monté en surface avec isolation peut fournir des mesures précises.

   ⚠️ Remarque : Les RTD peuvent subir des contraintes dues aux écarts de dilatation thermique entre le capteur et la surface de montage. Cela peut entraîner des variations de résistance et des erreurs de mesure.

Mécanismes de transfert de chaleur

Comprendre comment la chaleur se déplace aide à concevoir de meilleures installations. Les trois modes fondamentaux de transfert de chaleur sont :

Conduction

La conduction est le transfert de chaleur par le mouvement moléculaire au sein d’un matériau.

• Les métaux comme l’argent et le cuivre  conduisent très bien la chaleur.
• L’air et les autres gaz sont de mauvais conducteurs.
• Les éléments de mesure des capteurs et leurs gaines de protection transmettent la chaleur principalement par conduction .

Convection

La convection se produit lorsque la chaleur se transfère entre un corps et un fluide en mouvement (liquide ou gaz).

• Convection forcée utilise des pompes, des ventilateurs ou des agitateurs.
• Convection naturelle repose sur la poussée d’Archimède due aux variations de densité induites par la température.

Rayonnement

Tous les corps au-dessus du zéro absolu émettent un rayonnement thermique.

• L’énergie rayonnée augmente à la quatrième puissance de la température (si la Temp. triple , l'energie  rayonnée est multiplié par 3⁴=81).
• L’effet devient prépondérant à des températures élevées , par exemple dans les fours.

Le rayonnement dépend de :

• Température de surface et de l'émissivité 
• Distance et l’angle entre les surfaces
• Obstacles et écrans de protection

Effets indésirables du rayonnement :
Dans des flux de gaz chauds à faible vitesse, les capteurs peuvent perdre de la chaleur vers l’environnement et indiquer une température du gaz inférieure à la réalité. À l’inverse, dans des flux plus frais entourés de parois plus chaudes, les capteurs peuvent surestimer la température.

Solutions :

• Utiliser des capteurs avec des enveloppes à faible émissivité
• Ajouter  écrans thermiques pour isoler le capteur de son environnement

Température de stagnation dans des écoulements gazeux à grande vitesse

Dans les gaz à grande vitesse, le capteur peut enregistrer un échauffement dynamique dû à la vitesse de l’écoulement gazeux.

Il existe deux types de températures :

• Température statique (T _s ) : la température réelle du gaz
• Température totale (de stagnation) (T _t ) : inclut l’échauffement dû à la vitesse du gaz

Des sondes de stagnation spéciales peuvent être utilisées pour mesurer Tt, à partir de laquelle Ts est calculée comme suit :

où :

• γ = rapport des chaleurs spécifiques (Cp/Cv)
• M = nombre de Mach du gaz

Exemples d’échauffement dans l’air (pression atmosphérique) :

Résumé

Une mesure de température précise dépend d’un bon contact thermique et d’une installation appropriée. Les capteurs doivent être placés dans des zones où le fluide s’écoule rapidement ou être intégrés dans des matériaux solides à l’aide de composés conducteurs. Il est important de minimiser les pertes de chaleur le long des supports et des fils en utilisant des conducteurs à faible conductivité et en assurant une profondeur d’immersion suffisante. La présence du capteur peut aussi perturber la température mesurée, en particulier sur les surfaces ; des capteurs petits, bien ajustés et isolés sont donc préférables.

Le transfert de chaleur vers le capteur s’effectue par conduction , convection , et rayonnement  . Chaque mode affecte différemment la précision selon les conditions d’installation. Dans les écoulements gazeux rapides, les effets de la température de stagnation peuvent augmenter la température mesurée.

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