Quel capteur de température est le meilleur, critères de sélection du capteur

Si c'est la première fois que vous rencontrez le problème du choix d'un capteur pour mesurer la température, le choix d'un capteur fiable et peu coûteux peut être un problème réel pour vous.

Tout d'abord, il est nécessaire de connaître les détails suivants: la plage de température attendue des mesures, la précision requise, si le capteur sera situé à l'intérieur du milieu (sinon, un thermomètre à rayonnement sera nécessaire), les conditions sont supposées normales ou agressives, la possibilité d'un démontage périodique du capteur est importante, et enfin, est-ce nécessaire la graduation est en degrés ou il est acceptable de recevoir un signal, qui sera ensuite converti en une valeur de température.

Ce ne sont pas des questions inutiles, répondant à quoi le consommateur a la possibilité de choisir lui-même un capteur de température plus adapté avec lequel son équipement fonctionnera au mieux. Bien sûr, il est impossible de répondre simplement et sans équivoque à la question de savoir quel capteur de température est le meilleur, le choix reste à faire au consommateur, qui s'est d'abord familiarisé avec les caractéristiques de chaque type de capteur.

Nous donnerons ici un bref aperçu des trois principaux types de capteurs de température (les plus courants): thermomètre à résistance, thermistance ou thermocouple. Pendant ce temps, il est important pour le consommateur de comprendre immédiatement que la précision des données de température reçues dépend à la fois du capteur et du convertisseur de signal - le capteur principal et le convertisseur contribuent à l'incertitude.

Parfois, lors du choix des appareils, ils ne font attention qu'aux caractéristiques du convertisseur, oubliant que différents capteurs donneront différents composants supplémentaires (en fonction du type de capteur sélectionné), qui devront être pris en compte lors de la réception des données.

Thermomètres à résistance - si vous avez besoin d'une grande précision

Dans ce cas, l'élément de détection est une résistance à film ou à fil, avec une dépendance connue de la résistance à la température, placée dans un boîtier en céramique ou en métal. Les plus populaires sont le platine (coefficient de température élevé), mais le nickel et le cuivre sont également utilisés. Les plages et tolérances, ainsi que les dépendances standard de la résistance à la température pour les thermomètres à résistance peuvent être trouvées en lisant GOST 6651-2009.

L'avantage de ce type de thermomètres est une large plage de températures, une grande stabilité, une bonne interchangeabilité. Particulièrement résistants aux vibrations, les thermomètres à résistance en film de platine, cependant, ils ont déjà une plage de travail.

Les éléments scellés du TS sont produits en tant qu'éléments sensibles séparés pour les capteurs miniatures, cependant, les thermomètres à résistance et les capteurs sont caractérisés par un inconvénient relatif - ils nécessitent un système à trois ou quatre fils pour fonctionner, puis les mesures seront précises.

Et pourtant, la glaçure du boîtier d'étanchéité doit être adaptée aux conditions sélectionnées afin que les fluctuations de température n'entraînent pas la destruction de la couche d'étanchéité du capteur. La tolérance standard des thermomètres en platine ne dépasse pas 0,1 ° C, mais une graduation individuelle est possible pour atteindre une précision de 0,01 ° C.

Les thermomètres de référence en platine (GOST R 51233-98) ont une précision plus élevée, leur précision atteint 0,002 ° C, mais ils doivent être manipulés avec précaution, car ils ne supportent pas les tremblements. De plus, leur coût est dix fois plus élevé que les thermomètres à résistance standard en platine.

Un thermomètre à résistance fer-rhodium convient aux mesures sous températures cryogéniques. La dépendance anormale à la température de l'alliage et le faible TCR permettent à un tel thermomètre de fonctionner à des températures de 0,5 K à 500 K, et la stabilité à 20 K atteint 0,15 mK / an.

L'élément structurellement sensible du thermomètre à résistance est constitué de quatre morceaux de spirale disposés autour d'un tube d'oxyde d'aluminium, recouverts de poudre d'oxyde d'aluminium pur. Les spires sont isolées les unes des autres et la spirale elle-même est en principe résistante aux vibrations. Scellement avec un émail ou un ciment spécialement sélectionné à base de la même alumine. Une plage typique pour les éléments en fil est de -196 ° C à +660 ° C.

La deuxième version de l'élément (plus cher, utilisé dans les installations nucléaires) est une structure creuse, caractérisée par une très grande stabilité des paramètres. Un élément est enroulé sur un cylindre métallique, la surface du cylindre étant recouverte d'une couche d'oxyde d'aluminium. Le cylindre lui-même est fait d'un métal spécial dont le coefficient de dilatation thermique est similaire à celui du platine. Le coût des thermomètres à élément creux est très élevé.

La troisième option est un élément à couche mince. Une fine couche de platine (de l'ordre de 0,01 microns) est appliquée sur le substrat en céramique, qui est recouvert de verre ou d'époxy sur le dessus.

Il s'agit du type d'élément le moins cher pour les thermomètres à résistance. Petite taille et poids léger - le principal avantage d'un élément à film mince. Ces capteurs ont une résistance élevée d'environ 1 kΩ, ce qui élimine le problème de la connexion à deux fils. Cependant, la stabilité des éléments minces est inférieure au fil. Une plage typique pour les éléments de film est de -50 ° C à +600 ° C.

Une spirale en fil de platine recouvert de verre est une option d'un thermomètre à résistance à fil très cher, qui est extrêmement bien scellé, résistant à une humidité élevée, mais la plage de température est relativement étroite.

Thermocouples - pour mesurer des températures élevées

Le principe de fonctionnement du thermocouple a été découvert en 1822 par Thomas Seebeck, il peut être décrit comme suit: dans le conducteur d'un matériau homogène à porteurs de charge gratuits, lorsque l'un des contacts de mesure est chauffé, une fem apparaîtra. Ou alors: dans un circuit fermé de matériaux différents, dans des conditions de différence de température entre les jonctions, un courant se produit.

La seconde formulation permet une compréhension plus précise. principe du thermocouple, tandis que le premier reflète l'essence même de la génération de thermoélectricité et indique les limites de précision associées à l'hétérogénéité thermoélectrique: pour toute la longueur de la thermoélectrode, le facteur décisif est la présence d'un gradient de température, donc l'immersion dans le milieu lors de l'étalonnage doit être la même que pour le futur travail position du capteur.

Les thermocouples offrent la plage de températures de fonctionnement la plus large et, surtout, la température de fonctionnement la plus élevée de tous les types de capteurs de température de contact. La jonction peut être mise à la terre ou mise en contact étroit avec l'objet étudié. Simple, fiable, durable - il s'agit d'un capteur basé sur un thermocouple. Les plages et tolérances, les paramètres thermoélectriques des thermocouples peuvent être trouvés en lisant GOST R 8.585-2001.

Les thermocouples présentent également des inconvénients uniques:

• la puissance thermoélectrique est non linéaire, ce qui crée des difficultés dans le développement de convertisseurs pour eux;

• le matériau des électrodes nécessite une bonne étanchéité du fait de leur inertie chimique, du fait de leur vulnérabilité aux environnements agressifs;

• l'hétérogénéité thermoélectrique due à la corrosion ou à d'autres processus chimiques, à cause de laquelle la composition change légèrement, oblige à changer l'étalonnage; la grande longueur des conducteurs provoque l'effet de l'antenne et rend le thermocouple vulnérable aux champs électromagnétiques;

• La qualité d'isolation du transmetteur devient un aspect très important si une faible inertie est requise d'un thermocouple avec une jonction mise à la terre.

Les thermocouples métalliques nobles (PP-platine-rhodium-platine, PR-platine-rhodium-platine-rhodium) se caractérisent par la plus grande précision, la moindre hétérogénéité thermoélectrique que les thermocouples de métaux communs. Ces thermocouples sont résistants à l'oxydation, ils ont donc une grande stabilité.

À des températures allant jusqu'à 50 ° C, ils donnent pratiquement une sortie de 0, il n'est donc pas nécessaire de surveiller la température des jonctions froides. Le coût est élevé, la sensibilité est faible - 10 μV / K à 1000 ° C. Inhomogénéité à 1100 ° С - de l'ordre de 0,25 ° С. La contamination et l'oxydation des électrodes créent une instabilité (le rhodium s'oxyde à des températures de 500 à 900 ° C), et donc une inhomogénéité électrique apparaît toujours. Les paires de métaux purs (platine-palladium, platine-or) ont une meilleure stabilité.

Les thermocouples largement utilisés dans l'industrie sont souvent en métaux communs. Ils sont peu coûteux et résistants aux vibrations. Les électrodes sont particulièrement pratiques et scellées avec un câble avec une isolation minérale - elles peuvent être installées dans des endroits difficiles. Les thermocouples sont très sensibles, mais l'hétérogénéité thermoélectrique est un inconvénient des modèles bon marché - l'erreur peut atteindre 5 ° C.

L'étalonnage périodique des équipements en laboratoire est inutile; il est plus utile de vérifier le thermocouple sur le lieu d'installation. Les paires les plus thermoélectriquement inhomogènes sont nisil / nichrosil. La principale composante de l'incertitude tient à la température de la jonction froide.

Des températures élevées de l'ordre de 2500 ° C sont mesurées par des thermocouples tungstène-rhénium. Il est important ici d'éliminer les facteurs oxydants, pour lesquels ils ont recours à des couvercles scellés spéciaux pour gaz inerte, ainsi qu'aux couvercles en molybdène et au tantale avec une isolation à l'oxyde de magnésium et à l'oxyde de béryllium. Et bien sûr, le domaine d'application le plus important du tungstène-rhénium est celui des thermocouples pour l'énergie nucléaire dans des conditions de flux neutronique.

Pour les thermocouples, bien sûr, un système à trois ou quatre fils ne sera pas nécessaire, mais il sera nécessaire d'utiliser des câbles de compensation et d'extension, ce qui permettra de transmettre le signal à 100 mètres de l'équipement de mesure avec un minimum d'erreurs.

Les rallonges sont faites du même métal que le thermocouple, et des fils de compensation (cuivre) sont utilisés pour les thermocouples en métaux précieux (pour le platine). Les fils de compensation deviendront une source d'incertitude de l'ordre de 1 à 2 ° C avec une grande différence de température, cependant, il existe une norme CEI 60584-3 pour les fils de compensation.

Thermistances - pour petites plages de température et applications spéciales

Thermistances Ce sont des thermomètres à résistance particuliers, mais pas à fil, mais frittés sous forme de structures polyphasiques, à base d'oxydes de métaux de transition mixtes. Leur principal avantage est leur petite taille, une variété de formes diverses, une faible inertie, un faible coût.

Les thermistances ont un coefficient de température de température négatif (NTC) ou positif (PTC). Les NTC et RTS les plus courants sont utilisés pour des plages de températures très étroites (unités de degrés) dans les systèmes de surveillance et d'alarme. La meilleure stabilité des thermistances se situe entre 0 et 100 ° C.

Les thermistances se présentent sous forme de disque (jusqu'à 18 mm), de perle (jusqu'à 1 mm), de film (épaisseur jusqu'à 0,01 mm), cylindrique (jusqu'à 40 mm). Les petits capteurs à thermistance permettent aux chercheurs de mesurer la température même à l'intérieur des cellules et des vaisseaux sanguins.

Les thermistances sont principalement demandées pour mesurer les basses températures en raison de leur relative insensibilité aux champs magnétiques. Certains types de thermistances ont des températures de fonctionnement jusqu'à moins 100 ° C.

Fondamentalement, les thermistances sont des structures polyphasiques complexes frittées à une température d'environ 1200 ° C dans l'air à partir de nitrates granulaires et d'oxydes métalliques. Les plus stables à des températures inférieures à 250 ° C sont les thermistances NTC en nickel et oxydes de magnésium ou en nickel, magnésium et cobalt.

La conductivité spécifique d'une thermistance dépend de sa composition chimique, du degré d'oxydation, de la présence d'additifs sous forme de métaux comme le sodium ou le lithium.

De minuscules thermistances à billes sont appliquées sur deux bornes en platine, puis recouvertes de verre.Pour les thermistances à disque, les fils sont soudés au revêtement de platine du disque.

La résistance des thermistances est supérieure à celle des thermomètres à résistance, elle se situe généralement dans la plage de 1 à 30 kOhm, donc un système à deux fils convient ici. La dépendance à la température de la résistance est proche de l'exponentielle.

Les thermistances à disque sont les mieux interchangeables pour une plage de 0 à 70 ° C avec une erreur de 0,05 ° C. Perle - nécessite un étalonnage individuel du transducteur pour chaque instance. Les thermistances sont graduées en thermostats liquides, en comparant leurs paramètres avec un thermomètre à résistance de platine idéal par pas de 20 ° C dans la plage de 0 à 100 ° C. Ainsi, une erreur ne dépassant pas 5 mK est obtenue.