Principe de fonctionnement du capteur de température

Principe de fonctionnement des capteurs de température :

Un capteur de température est un dispositif qui détecte la température et la convertit en un signal mesurable. Son principe de fonctionnement repose sur divers effets physiques, notamment les effets thermoélectriques, résistifs, de thermistance, de thermocouple, de dilatation thermique, de semi-conducteur et d'absorption infrarouge. Voici une explication détaillée de ces principes :

1. Effet thermoélectrique

L'effet thermoélectrique est à la base des capteurs de température à thermocouple. Un thermocouple est constitué de deux matériaux conducteurs différents formant une boucle fermée. Lorsqu'un gradient de température existe entre les deux extrémités, un courant traverse la boucle, créant alors un potentiel électrique entre les deux extrémités : la force électromotrice thermique. Ce phénomène de potentiel électrique dû à une différence de température est appelé effet Seebeck. La mesure de cette force électromotrice permet de mesurer la température. Les thermocouples offrent l'avantage d'une large plage de mesure et d'une grande précision, et sont largement utilisés dans diverses situations de mesure de température.

   - Un thermocouple est un capteur formé en soudant ensemble deux conducteurs métalliques différents.

   - Lorsque les soudures du capteur sont à des températures différentes, une différence de température se forme, ce qui génère un petit potentiel électrique (signal de tension).

   - L'amplitude de cette force électromotrice est liée à la différence de température, et la température peut être mesurée par une courbe tension-température calibrée.

2. Effets résistifs et thermistances

L'effet de résistance et l'effet de thermistance sont les principes de fonctionnement des capteurs de température à thermistance. La thermistance est un élément dont la valeur de résistance varie avec la température. Selon la loi de variation de la valeur de résistance avec la température, les thermistances peuvent être divisées en deux types : les matériaux à coefficient de température positif (CTP) et les matériaux à coefficient de température négatif (CTN). La valeur de résistance des matériaux à coefficient de température positif augmente avec la température, tandis que celle des matériaux à coefficient de température négatif diminue avec la température. La mesure de la température peut être réalisée en mesurant la valeur de résistance de la thermistance. Les capteurs à thermistance offrent une grande précision sur une plage de températures limitée (par exemple, de -90 °C à 130 °C).

2.1 Effet thermistance :

   Les thermistances sont des résistances dont la valeur varie avec la température. Elles sont généralement divisées en deux types : à coefficient de température négatif (CTN) et à coefficient de température positif (CTP).

   - La valeur de résistance des thermistances NTC diminue avec l'augmentation de la température, tandis que celle des PTC augmente avec l'augmentation de la température.

   En mesurant la variation de la valeur de résistance, on peut déduire la variation de température. Il existe généralement une relation non linéaire spécifique entre la valeur de résistance et la température, qui nécessite un étalonnage et un circuit spécifique pour la conversion en valeur de température.

2.2 Effet de résistance :

   - Un RTD est un capteur qui utilise un fil ou un film en métal pur (généralement du platine) comme élément de détection.

   - Lorsque la température change, la valeur de résistance de la résistance métallique change, et ce changement est linéairement lié à la température.

   - En mesurant le changement de valeur de résistance, la valeur de la température peut être calculée.

3. Effet d'absorption infrarouge

Les capteurs de température infrarouges reposent sur le principe selon lequel le mouvement thermique interne d'un objet émet des ondes électromagnétiques (contenant des rayons infrarouges d'une longueur d'onde de 0,75 à 100 μm) dans toutes les directions. Ces capteurs ne nécessitent pas de contact direct avec l'objet à mesurer et mesurent indirectement la température en mesurant l'énergie infrarouge rayonnée par celui-ci. Ils sont donc particulièrement adaptés à la mesure de la température de surface d'objets en mouvement, de petites cibles et d'objets à faible capacité thermique ou à variations rapides de température (transitoires).

   - Les capteurs infrarouges mesurent la température de surface d'un objet en recevant le rayonnement infrarouge qu'il émet.

   - Le rayonnement thermique d'un objet est proportionnel à sa température de surface, et le capteur peut déterminer la température de l'objet en mesurant l'intensité du rayonnement reçu.

4. Effet de dilatation thermique : 

Un capteur de dilatation thermique utilise des matériaux présentant des variations de température et des caractéristiques de dilatation volumique pour mesurer la température. Lorsque la température varie, la longueur du matériau dans le capteur change, et la mesure de cette variation permet d'obtenir des informations sur la température.

5. Effet semi-conducteur : 

Les matériaux semi-conducteurs présentent une variation de résistance plus élevée avec la température que les métaux, ce qui permet de les transformer en capteurs de température. Lorsque la température augmente, la résistance du semi-conducteur diminue rapidement, et cette caractéristique permet de mesurer la température avec précision.

Dans les applications pratiques, le capteur de température approprié doit être sélectionné en fonction de la plage de mesure spécifique, des exigences de précision, des conditions environnementales et d'autres facteurs.

1. Thermocouples : Les thermocouples offrent généralement une plage de mesure étendue et une précision satisfaisante, mais leur linéarité et leur stabilité peuvent être affectées par la température et le type de matériau. À des températures extrêmes, leurs performances peuvent se dégrader, affectant ainsi leur précision.

2. Capteurs de coefficient de dilatation thermique (dilateurs) : Les dilatomètres sont moins précis et sont généralement utilisés pour des mesures de température relativement approximatives. Ils sont plus adaptés à la mesure des variations de température qu'à des valeurs de température précises.

3. Détecteurs de température à résistance (RTD) : Les RTD offrent une bonne précision et une bonne stabilité, notamment à température constante. Leur plage de mesure est large, mais leur temps de réponse est lent et ils ne conviennent pas à la surveillance de variations rapides de température.

4. Thermistances (capteurs de température à semi-conducteurs) : Les thermistances sont très sensibles et peuvent réagir très rapidement aux variations de température. Cependant, leur stabilité à long terme peut être inférieure à celle des RTD, et des dégradations de performances peuvent survenir à des températures extrêmes.

Pour résumer

Les capteurs de température fonctionnent selon divers principes, basés sur différents effets physiques, pour mesurer la température. Les capteurs à thermocouple utilisent l'effet thermoélectrique ; les capteurs à thermistance utilisent les effets résistif et thermistance ; et les capteurs infrarouges utilisent l'effet d'absorption infrarouge. Ces capteurs présentent leurs avantages et leurs inconvénients, et sont adaptés à différentes situations et besoins de mesure. Par exemple, pour des exigences de précision accrue, on utilise couramment des thermocouples ou des sondes à résistance (RTD) ; pour des exigences de temps de réponse rapide, on utilise couramment des capteurs à effet thermoélectrique ou à effet semi-conducteur ; et pour des exigences de faible coût, on utilise couramment des capteurs à effet de dilatation thermique.

Globalement, aucun capteur de température n'est le plus précis dans toutes les conditions. Le choix du capteur dépend des exigences spécifiques de l'application, notamment la plage de mesure souhaitée, la précision, le temps de réponse, le coût et les conditions environnementales. Lors de la sélection d'un capteur de température, des compromis doivent généralement être faits en fonction de ces facteurs.