Capteur RTD : PT100, PT500 et PT1000
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Les RTD sont généralement construits en platine, nickel ou cuivre. Les spécifications de RTD incluent une valeur de résistance de base et un coefficient de température de résistance (ou CTR). La valeur de la résistance de base indique la résistance nominale du RTD à 0 ° C pour le nickel et le platine ou à 25 ° C pour les constructions en cuivre. Elle varie généralement entre 10 et plusieurs milliers d’Ohms (Ω) en fonction du matériau utilisé. 100 ohms étant la valeur la plus commune, les sondes sont appelées PT100.
Le coefficient de résistance est important pour l’appareil de mesure qui calcule les variations de température. La valeur de la résistance se rapportera à une valeur de la température, basée sur l’augmentation de la résistance (ohms), le TCR est utilisé pour déterminer l’augmentation de la température (C).
Qu’est-ce qu’une sonde RTD en platine ?
La sonde RTD (à résistance de platine, ou Resistance Temperature Detector en Anglais) fonctionne sur le principe de la variation de résistance du matériau (platine) en fonction de la température, suivant le courant électrique introduit dans la sonde.
Caractéristiques mécaniques et électriques propres au platine :
- stabilité sur une large plage de température,
- bonne résistivité électrique
- facilité de linéarisation
Ces avantages permettent au platine l’obtention d’un rapport résistance / température R/T prévisible, régulier et sable (plus de détails dans les paragraphes suivant). De plus, le platine est un matériau qui peut être tréfilé en fils très fin sans que sa pureté soit altérée, cela explique son utilisation comme moyen de mesure des températures.
En effet, un élément PT100 se compose d’une bobine de fil (très fin comme indiqué plus haut) ou d’un film déposé de métal pur. La résistance de l’élément augmente avec la température d’une manière connue et répétable. Les PT100 présentent une excellente précision sur une large plage de température. Plus large que les sondes NTC.
- Plage de température : -200 à 700ºC
- Sensibilité : la chute de tension à travers un RTD fournit une sortie beaucoup plus grande qu’un thermocouple.
- Linéarité : les RTD en platine et en cuivre produisent une réponse plus linéaire que les thermocouples ou les thermistances NTC. Les non-linéarités de RTD peuvent être corrigées grâce à la conception appropriée de réseaux de ponts résistifs.
Le matériau le plus couramment utilisé est le platine avec une résistance de 100 ohms à 0ºC et un coefficient de température (α) de 0,00385 ohms par degré.
α = (R100 - R0) / (R0 * 100°C)
D’autres matériaux élémentaires peuvent être utilisés sont le cuivre, le nickel et le nickel-fer. Les éléments de platine prédominent en raison de leur plus large gamme, et parce que le platine est le plus répétable et stable de tous les métaux.
En raison de leur faible résistivité, l’or et l’argent sont rarement employés pour la fabrication des sondes RTD.
Le tungstène a une résistivité relativement élevée, mais est réservé pour des applications à très hautes températures parce qu’il est extrêmement fragile et difficile à travailler.
Le cuivre est employé de temps en temps comme élément de RTD, sa basse résistivité nécessite une plus grande longueur qu’un élément de platine, mais sa linéarité et son prix réduit en font une alternative low-cost. Sa limite supérieure de température est seulement d’environ 120 °C.
| Métal | Symbole | Résistivité Ω·cm/f |
Résistivité Ω·mm²/m |
Résistivité siemens |
|---|---|---|---|---|
| Or | Au | 13,00 | 2,1612e-2 | 4,6272e+7 |
| Argent | Ag | 8,80 | 1,4629e-2 | 6,8356e+7 |
| Cuivre | Cu | 9,26 | 1,5394e-2 | 6,496e+7 |
| Platine | Pt | 59,00 | 9,8083e-2 | 1,0195e+7 |
| Tungstène | W | 30,00 | 4,9873e-2 | 2,0051e+7 |
| Nickel | Ni | 36,00 | 5,9847e-2 | 1,6709e+7 |
La gamme Variohm utilise donc principalement le platine dans ces RDT, mais aussi le nickel (choix du matériau lors de la construction de la référence).
Variation de la résistance en fonction de la température.
La courbe de variation de la résistance en fonction de la température est beaucoup plus linéaire que sur une thermistance NTC.
La normes européenne DIN IEC751 définit les valeurs nominales des capteurs à résistance de platine ainsi que les écarts admissibles par rapport à ces valeurs : les classes de tolérances ou classes d’interchangeabilité.
Résistance éléctrique (suivant DIN EN 60751) :
- Pt100 à 0 °C = 100 Ω
- Pt100 de 0 à 100 °C = coefficient de température à résistance (TCR) de 0,00385 Ω/Ω/ °C
Classes de tolérances de température (suivant DIN EN 60751) :
La norme DIN IEC 751 spécifie deux classes de tolérances de température :
- Classe A = ±(0,15 + 0,002*t) °C ou 100,00 ±0,06 Ω à 0 °C
- Classe B = ±(0,3 + 0,005*t) °C ou 100,00 ±0,12 Ω à 0 °C
3 classes de tolérances de température sont en vigueur dans l’industrie :
- 2B = ±2* (0,3 + 0,005*t) °C ou 100,00 ±0,10 Ω à 0 °C
- 1/3 DIN = ±1/3* (0,3 + 0,005*t) °C ou 100,00 ±0,10 Ω à 0 °C
- 1/10 DIN = ±1/10* (0,3 + 0,005*t) °C ou 100,00 ±0,03 Ω à 0 °C
Le ratio dR/dT est appelé coefficient de température. Sa valeur nominale selon la norme est de 0.385ohm/K.
La relation existante entre la résistance de la sonde et de la température peut être donnée par l’équation de linéarisation suivante avec suffisamment de précision :
L’équation de linéarisation est la suivante :
Rt = R0 * (1 + A * t + B * t2 + C * (t-100) * t3) Où : Rt est la résistance à la température t, R0 est la résistance à 0 ° C et A = 3,9083 E-3 B = -5,775 E-7 C = -4,183 E-12 (inférieure à 0 ° C) ou C = 0 ( au-dessus de 0 ° C)
Pour un capteur PT100, un changement de température de 1 ° C provoquera un changement de résistance de 0,384 ohm. Même une petite erreur de mesure de la résistance (par exemple, la résistance des fils menant au capteur) peut provoquer une erreur importante dans la mesure de la température. Pour un travail de précision, les capteurs ont quatre fils: deux pour transporter le courant de détection et deux pour mesurer la tension aux bornes de l’élément de capteur. Il est également possible d’obtenir des capteurs à trois fils, bien que ceux-ci fonctionnent sur l’hypothèse (pas nécessairement valide) que la résistance de chacun des trois fils est la même.
Câblage de la sonde Pt100
L’élément capteur à résistance pt100 doit être raccordé à un dispositif de surveillance ou régulateur afin de pouvoir mesurer une température. Comme la mesure de température s’effectue par le biais de la résistance de l’élément RTD, les autres résistances (câbles de raccordement, connexions, etc.) existants dans le circuit de mesure entraînent des erreurs de mesure. Tous les schémas de câblage, à l’exception de la configuration à 2 fils, permettent à l’électronique une interprétation et donc de compenser les résistances indésirables existantes dans le circuit.
La configuration de la sonde Pt100 à 3 fils est la plus courante, et est adaptée aux applications industrielles de fabrication et de veille. Une compensation de la résistance du câble de raccordement est possible mais ils faut que tous les câbles de connexion aient la même résistance, ce qui n’est pas toujours le cas.
Avantages de la résistance RTD
Les capteurs RTD présentent de nombreux avantages.
- Large gamme de température : les sondes platine couvrent des températures de – 200°c à + 1 200°c.
- Répétitivité et stabilité : les sondes platine Pt100 sont les éléments les plus utilisés dans les laboratoires. Les sondes de précision peuvent atteindre une stabilité de 0,0025°C par an, quand les modèles industriels dérivent d’environ 0,1°C par an.
- Signal élevé : l’amplitude du signal d’une sonde platine est supérieure à celle d’un thermocouple.
- Linéarité : les éléments en platine et en cuivre suivent une courbe plus linéaire que les thermocouples et que la plupart des thermistances NTC.
- Coût de câblage : contrairement au thermocouple, une sonde platine utilise des fils ordinaires en cuivre pour le raccordement et ne nécessite pas de compensation de soudure froide.
- Zone de mesure : une mesure ponctuelle, bien que souvent souhaitée peut provoquer des erreurs. Une sonde platine peut couvrir une zone plus large et améliorer ainsi la qualité de la mesure, ce qui est impossible avec un thermocouple.
Le temps de réponse typique est compris entre 0,5 et 5 secondes, ce qui n’est pas considéré comme une réponse immédiate, mais de nombreuses applications ne nécessiteront pas nécessairement de réponse immédiate, ce qui fait des RTD une solution idéale. De nombreuses industries appropriées pour les RDT incluent: automobile, marine, appareils électroménagers, HVACR et autres applications industrielles.