Sondes à résistance

Les sondes de température à résistance, aussi appelées RTD (Resistant Temperature Detector), sont constitués d'un élément métallique dont on mesure la résistance. Celle-ci varie avec la température.
La sondes de ce type les plus courantes utilisent du platine (Pt).
D'autres métaux peuvent être utilisés tels que le cuivre (Cu), le nickel (Ni).
Les sondes nickel sont moins coûteuses et présentent une bonne résistance à la corrosion. Cependant, le nickel vieillit plus rapidement et perd de sa précision à des températures plus élevées. Son utilisation est limitée à une plage de mesure de -80°C à +260°C.
Les sondes en cuivre sont celles dont la résistance est la plus linéaire en fonction de la température. De plus, le cuivre est un matériau peu coûteux. Cependant, sa sensibilité à l'oxydation limite son utilisation aux hautes températures. Le cuivre est limité à une plage de mesure de -200°C à +260°C.

Sondes platine

Du platine pur (Pt), dont la résistance est connue et documentée pour différentes températures, est utilisé pour la fabrication de l'élément à résistance. Le moindre changement de température entraîne une variation de la résistance définie et reproductible; la mesure de cette résistance permet de déterminer la température.
Le capteur Pt100 utilise le platine (Pt) et a une résistance de 100 ohms à 0 °C. Il est de loin le capteur le plus utilisé. Le capteur Pt500 a une résistance de 500 ohms à 0 °C, et le capteur Pt1000 a une résistance de 1000 ohms à 0 °C.
Ces capteurs sont équipés d'une gaine de protection ou de montage pour former une sonde de température, et ceux-ci sont couramment appelés des PRT (Platinium Resistance Thermometer).
Comparativement aux thermocouples, ils présentent les avantages suivants :

• Grande plage de températures de -200 °C à 850 °C
• Courbe caractéristique quasi linéaire
• Précision élevée
• Bonne interchangeabilité
  

Il existe deux types principales technologies: à fil bobiné et à couche mince.

Capteurs de température bobinés

C'est la technologie traditionnelle. Les éléments bobinés sont composés d'une longueur de fil en platine enroulée en spirale. Deux variantes:

• à fil enroulé autour d'un noyau en céramique ou en verre. Ces types d'éléments Pt100 ont typiquement un diamétre de 1 à 5 mm et une longueur de 10 à 50mm. Le noyau en céramique ou en verre peut rendre l'élément fragile et sensible aux vibrations.
• à fil spiralé; le fil de résistance est enroulé en petites bobines qui s’insèrent librement dans une forme céramique et qui est ensuite remplie de poudre non conductrice. Le fil de résistance peut se détendre et se contracter en fonction des variations de température, minimisant ainsi les erreurs causées par les contraintes mécaniques. La poudre augmente le taux de transfert de chaleur dans les bobines, améliorant ainsi le temps de réponse.

Éléments à couches minces

La sonde se présente sous forme d’un film de platine déposé sur une substrat céramique puis gravé. C'est une technologie récente qui a permis une forte miniaturisation des sondes.

Précision des sondes Pt100

La norme européenne DIN EN 60751 (ou IEC 751) définit la résistance électrique pour un capteur à résistance Pt100 comme suit :

1. Pt100 à 0 °C = 100,00 Ω
2. Pt100 de 0 à 100 °C = coefficient de température à résistance (TCR) de 0,00385 Ω/Ω/ °C

La norme DIN IEC 751 spécifie quatre classes de tolérances de température :

• Classe AA: ±δ = ± (0,1 + 0,0017 × | t |) °C  ou:  100,00 Ω ± 0,04 Ω  à  0 °C  de -50 °C  à  +250 °C
• Classe A: ±δ = ± (0,15 + 0,002 × | t |) °C  ou:  100,00 Ω ± 0,06 Ω  à  0 °C  de -100°C  à  +450°C
• Classe B: ±δ = ± (0,3 + 0,005 × | t |) °C  ou:  100,00 Ω ± 0,12 Ω  à  0 °C  de -196°C  à  600°C
• Classe C: ±δ = ± (0,6 + 0,01 × | t |) °C  ou : 100,00 Ω ± 0,23 Ω  à  0 °C  de -196°C  à  600°C

Deux classes de tolérances de température sont en vigueur dans l'industrie :

1. 1⁄3 B = ± 1⁄3 × (0,3 + 0,005 × | t |) °C  ou:  100,00 Ω ± 0,10 Ω à 0 °C
2. 1⁄10 B = ± 1⁄10 × (0,3 + 0,005 × | t |) °C  ou:  100,00 Ω ± 0,03 Ω à 0 °C

avec | t | : valeur absolue de la température en °C

Méthodes de mesure

Selon les possibilités d'alimentation et la précision recherchée, plusieurs montages sont possibles:

• montage deux fils; le plus simple mais le moins précis; une erreur systématique est introduite par la résistance des connexions et des cables
• montage trois fils "pont de Wheatstone"; l'erreur due aux cables est minimisée
• montage quatre fils "pont de Wheatstone"; seule subsiste l'erreur due aux contacts
• montage quatre fils "Kelvin"; la plus précise

Il faut garder à l'esprit que le courant électrique traversant la résistance provoque un échauffement. On peut agir sur l'intensité utilisée pour minimiser ce phénomène.

Résistances relatives

La variation de résistance en fonction de la température (R_t) est définie par rapport à la résistance à 0°C (R₀). On peut utiliser:

• le ratio R₁₀₀ ⁄ R₀ 
• le ratio (R₁₀₀ - R₀) ⁄ R₀ 

A 100 °C, les ratios R₁₀₀ ⁄ R₀ sont:

• Pt : 1,385 ou 1,391 (selon la pureté du métal employé)
• Cu : 1,426 ou 1,428
• Ni : 1,617 ou 1,618

A 100 °C, les ratios (R₁₀₀ - R₀) ⁄ R₀ sont:

• Pt : 0,385 ou 0,391 (selon la pureté du métal employé)
• Cu : 0,426 ou 0,428
• Ni : 0,617 ou 0,618

Pour d'autres températures, ils peuvent être calculé au moyen des relations suivantes:
source: Recommandation OIML R84-2003

R100 ⁄ R0	Rt ⁄ R0
Pt 1,385	−200 °C à 0 °C: Rt ⁄ R0 = 1 + At + Bt2+ C(t − 100) t3 0 °C à 850 °C: Rt ⁄ R0= 1+ At + Bt2 A = 3,9083 × 10-3 °C-1 B = −5,7750 × 10-7 °C-2 C = −4,1830 × 10-12 °C-4
Cu 1,426	de −50 °C à 200 °C Rt ⁄ R0= 1+ At A = 4,26 ×10-3°C-1
Cu 1,428	de −180 °C à 0 °C Rt ⁄ R0= 1+ At + Bt (t + 6,7) + Ct3 de 0 °C à 200 °C Rt ⁄ R0= 1+ At A = 4,28 ×10-3°C-1 B = −6,2032 ×10-7°C-2 C = −8,5154 ×10-10°C-3
Ni 1,617	de −60 °C à 100 °C Rt ⁄ R0= 1+ At + Bt2 de 100 °C à 180 °C Rt ⁄ R0= 1+ At + Bt2+ C (t – 100) t3 A = 5,4963 ×10-3°C-1 B = 6,7556 ×10-6°C-2 C = 9,2004 ×10-9°C-3

Temps de réponse

Il est défini comme le temps nécessaire pour que l'indication atteigne une certaine fraction d'une variation instantannée de température du milieu à mesurer. On défini habituellement:

• T50: temps pour 50% de la variation instantanée
• T90: temps pour 90% de la variation instantanée