Les principes de base des capteurs de températures RTD

 

L’acronyme « RTD » signifie « Resistance Temperature Detector » (capteur de températures à résistance). En général, les RTD contiennent des fils de platine, de nickel ou de cuivre, car ces matériaux ont un coefficient de température positif. Cela signifie qu’une augmentation de la température entraîne une augmentation de la résistance ; ce changement de résistance est ensuite utilisé pour détecter et mesurer les changements de températures.

 

RTD en platine

Les RTD en platine sont le type de RTD le plus couramment utilisé dans les applications industrielles. En effet, le platine possède une excellente résistance à la corrosion, une excellente stabilité à long terme et mesure une large gamme de températures (-200...+850°C).

 

RTD en nickel

Les RDT en nickel sont moins chers que ceux en platine et présentent une bonne résistance à la corrosion. Cependant, le nickel vieillit plus rapidement avec le temps et perd de sa précision à des températures plus élevées. Le nickel est limité à une plage de mesure de -80...+260°C.

 

RTD en cuivre

Les RTD en cuivre ont la meilleure résistance à la linéarité de températures parmi les trois types de RTD. De plus, le cuivre est un matériau peu coûteux. Cependant, le cuivre s’oxyde à des températures plus élevées. Le cuivre est limité à une plage de mesure de -200...+260°C.

 

 

La conception des RTD

La plupart des RTD ont l’une des conceptions suivantes : RTD à fil enroulé, RTD à élément spiralé et RTD à couche mince.

 

 

RTD à fil enroulé

 

 

Dans un RTD à fil enroulé, un fil de résistance est enroulé autour d’un noyau non conducteur, qui est généralement en céramique. Le fabricant du capteur coupe soigneusement la longueur du fil de résistance pour obtenir la résistance spécifiée à 0°C. Celle-ci est appelée résistance “R₀”.

 

Ensuite, des fils conducteurs sont attachés au fil de résistance, puis un revêtement de verre ou de céramique est appliqué sur le fil pour le protéger. Lorsque la température augmente, la longueur du fil de résistance augmente légèrement. Lors de la conception, il faut veiller à ce que le fil de résistance ne se torde ou ne se déforme pas à mesure que la température augmente. Cela s’explique par le fait que la contrainte mécanique entraîne une modification de la résistance du fil.

 

Les RTD utilisés par les laboratoires d’étalonnage et de normalisation éliminent cette source d’erreur en enroulant de façon lâche un fil de résistance autour d’une structure de support non conductrice. Ce type de RTD peut être extrêmement précis, mais il est fragile et ne convient pas à la plupart des applications industrielles.

 

 

RTD à élément spiralé 

 

 

Dans un RTD à élément 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. Les RTD à élément spiralé sont généralement protégés par une gaine métallique et sont utilisés dans des applications industrielles.

 

 

RDT à couche mince

 

 

 

Les RTD à couche mince sont produits en série et coûtent moins cher que les autres types de RTD. Ils sont plus petits et ont un temps de réponse plus rapide que les autres, ce qui est souhaitable dans de nombreuses applications. Ils sont réalisés en déposant une fine couche de platine sur une base céramique.

 

Le fabricant ajuste la résistance à 0°C en ouvrant des shunts parallèles dans la trajectoire à l’aide d’un faisceau laser. Plus le nombre de shunts ouverts est grand, plus la résistance à 0°C est élevée. Les RTD à couche mince ne sont pas aussi précis que les autres types, car :

 

• La résistance R₀ne peut pas être réglée aussi précisément que dans les autres types.
• La base en céramique et le revêtement en platine ont des taux de dilatation légèrement différents. Cela engendre une erreur de déformation à des températures plus élevées.
• Comme les RTD à couche mince sont plus petites, le courant d’excitation du RTD provoque une erreur légèrement plus élevée en raison de l’auto-échauffement du RTD.

 

 

Rapport de résistance TD

Le terme « rapport de résistance » décrit la pente moyenne de la température par rapport à la résistance lorsque la température du RTD varie de 0°C à +100°C. L’expression pour le rapport de résistance est :

 

(R₁₀₀-R₀) / R₀

 

Où :

R₁₀₀ = résistance RTD à 100°C.

R₀ = résistance RTD à 0°C.

 

Le rapport de résistance dépend du type et de la pureté du métal utilisé pour fabriquer le RTD. En général, les RTD qui ont une résistance R₀ élevée et combinée à un rapport de résistance élevé sont plus faciles à mesurer avec précision, mais les autres caractéristiques du métal utilisé dans le fil de résistance affectent toujours la précision inhérente au RTD.

 

 

Les RTD en platine utilisés dans les applications industrielles sont généralement conformes à la norme CEI 60751. Ces RTD ont un rapport de résistance de (138,5 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,385 Ω / °C. Dans une application industrielle typique, ce type de RTD est protégé lorsqu’il est inséré dans une gaine en acier inoxydable.

 

Les étalons RTD de laboratoire utilisent du platine de plus grande pureté avec un rapport de résistance plus élevé : (139,2 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,392 Ω / °C. À des températures supérieures à +670°C, les ions métalliques libérés par la sonde en acier inoxydable contaminent le platine de haute pureté, modifiant son rapport de résistance. Pour cette raison, ces RTD sont protégés par une sonde en verre de silice ou en platine. Ces matériaux restent inertes à haute température, de sorte que le RTD ne soit pas contaminé.

 

Les RTD en nickel conforme à la norme DIN 43760 ont un rapport de résistance de (161,7805 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,618 Ω / °C. Les RDT en nickel couramment utilisés aux États-Unis ont un rapport de résistance de (200,64 Ω - 120 Ω) / 120 Ω = 0,672 Ω / °C  (voir le graphique ci-dessus).

 

Les RTD en cuivre[1] sont disponibles avec une résistance R₀ = 9,035 Ω ou 100 Ω. Les deux types ont un rapport de résistance de 0,427 :

 

(12,897 Ω - 9,035 Ω) / 9,035 Ω = 0,427 Ω / °C.

(142,7 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0,427 Ω / °C.

 

 

Avantages de l’utilisation des RTD en nickel ou en cuivre

Le nickel crée une résistance élevée à 0°C et a un rapport de résistance élevé, ce qui rend ce RTD sensible facile à mesurer. Ces qualités minimisent également les erreurs dues à la résistance du fil conducteur. Pour un RTD, l’erreur approximative due à la résistance du fil conducteur est :

 

Résistance du fil / (R₁₀₀-R₀) x 0,01

 

Par exemple :

un RTD en nickel bifilaire mesure la température d’un conduit d’air. Chaque fil a une résistance de 0,25 Ω, pour une résistance totale de 0,5 Ω.

 

L’erreur due à la résistance du fil conducteur peut donc être calculée comme suit :

0,5 Ω / (161,78 – 100) x 0,01 = 0,81°C. Ce résultat est suffisant pour de nombreuses applications.

 

À titre de comparaison, voici les chiffres pour un RTD en platine bifilaire ayant la même résistance de fil :

0,5 Ω / (138,5 – 100) x 0,01 = 1,3°C.

 

En raison de la sensibilité d’un RTD en nickel, un transmetteur peu coûteux et de faible précision peut mesurer le RTD avec une précision acceptable. On retrouve les RTD en nickel dans les systèmes de CVC et dans d’autres applications sensibles au prix.

 

Les RTD en cuivre ont le même taux de dilatation thermique et la même hystérésis électromagnétique que les enroulements en cuivre utilisés dans les moteurs et générateurs électriques. C’est pourquoi des RTD en cuivre sont parfois utilisés pour mesurer la température de l’enroulement.

 

La courbe d’évolution de la résistivité du cuivre par rapport à la température est extrêmement linéaire. De ce fait, il est possible de mesurer avec précision une plage de température réduite sans linéarisation supplémentaire.

 

Par exemple :

un RTD Cu100 génère une résistance de 100 Ω à 0°C et une résistance de 142,743 Ω à 100°C. Une extrapolation linéaire donne la résistance théorique à 50°C : (R₁₀₀ – R₀)/2 + R₀

 

= (142,743 – 100)/2 + 100 = 121,3715 Ω

 

Selon les tableaux publiés de résistivité par rapport à la température, le RTD génère une résistance de 121,3715 Ω à 50°C, donc le RTD est fonctionnellement linéaire entre 0°C et +100°C.

 

La non-linéarité du cuivre ne devient apparente que si la mesure est réalisée sur une grande portée. Par exemple, pour une plage de températures comprises entre 0°C et +200°C, une extrapolation linéaire donne la résistance théorique à 100°C par l’équation (185,675 - 100) / 2 + 100 = 142,838 Ω. Toutefois, selon les tableaux, la résistance RTD à 100 °C est de 142,743 Ω.

 

La différence de +0,095 Ω en °C : 0,095 Ω / 0,427 Ω par degré = une erreur de +0,222°C.

 

Tolérance RTD

La plupart des fabricants de capteurs fabriquent des RTD en platine avec des niveaux de précision conformes aux normes RTD CEI 60751 ou ASTM E1137.

 

La norme CEI 60751 définit quatre classes de tolérance : les classes AA, A, B et C. La norme ASTM E1137 définit deux catégories de tolérance : les catégories A et B.

 

 

Notez que la norme CEI 60751 spécifie une plage de température maximale pour chaque classe. Par exemple, un capteur de classe A équipé d’un RTD à élément spiralé doit respecter la tolérance spécifiée entre -100°C et +450°C. En cas d’utilisation en dehors de cette plage de température, la précision du capteur peut être considérée de classe B par défaut.

 

Les capteurs conformes à la tolérance de catégorie A ou B de la norme ASTM E1137 doivent maintenir la tolérance spécifiée de -200°C à +650°C.

 

Ce tableau montre la tolérance calculée pour chaque classe et catégorie de RDT. Notez que les RTD de classe C ont une large tolérance de ±6,6°C à 600°C. La plupart des applications industrielles nécessitent des RTD de classe B ou supérieure.

 

 

Le graphique suivant montre la tolérance des RTD conformes à la norme CEI 60751. Nous pouvons constater que les RTD sont plus précis à 0°C et qu’ils présentent une plus grande erreur lorsque la température est supérieure ou inférieure à 0°C.

 

 

 

De nombreux fabricants de capteurs proposent des RTD ayant une tolérance supérieure à celle de la classe AA. La tolérance de ces RTD de haute précision est généralement décrite comme une fraction de la tolérance de la classe B. Dans le graphique ci-dessous, un RTD « 1/5 de classe B » a une tolérance de seulement ± (0,06 + 0,001 ǀ t ǀ) entre -30°C et 150°C. Cette tolérance est cinq fois supérieure à celle d’un RTD de classe B.

 

 

 

Équations de Callendar Van Dusen

Les équations de Callendar Van Dusen décrivent la relation température/résistance des RTD industriels en platine. Il existe deux équations de Callendar van Dusen :

 

Pour des températures < 0°C, la résistance RTD à une température donnée est :

Rt = R₀[1 + At + Bt² + C (t - 100) t³]

 

Pour les températures ≥ 0°C, la résistance RTD à une température donnée est :

Rt = R₀(1 + At + Bt²)

 

Les coefficients A, B, C et α, δ, β sont propres à chaque RTD. Les valeurs suivantes s’appliquent aux RTD conformes aux normes CEI 60751 et ASTM E1137 :

 

A = 3,9083 x 10^-3

B = -5,775 x 10^-7

C = -4,183 x 10^-12

α = 3,85 x 10^-3 *

β = 1,5°C

δ = 0,1086

 

* « α » est la constante « Alpha ». Alpha est le rapport de résistance/100 :

α = (R₁₀₀ – R₀) / (100 x R₀).

L’alpha d’un RTD en platine conforme à la norme CEI 60751 est :

(138,5 – 100) / (100 x 100)

= 0,00385

 

Les RTD en nickel ont un alpha de :

0,672 / 100 = 0,00672.

 

Les RTD en cuivre ont un alpha de :

0,427 / 100 = 0,00427.

 

Caractérisation du RTD

Même les RTD de haute qualité ne concordent pas exactement avec la courbe R:T des normes CEI 60751 et ASTM E1137. Pour améliorer davantage la précision des mesures, un laboratoire d’étalonnage peut « caractériser » un RTD. Pour cela, la résistance du RTD est minutieusement mesurée à différentes températures ; ces données sont ensuite utilisées pour calculer les coefficients α, δ, β et les coefficients A, B et C.

 

Le 5437 transmetteur 2-fils avec protocole HART 7, le 5337 transmetteur 2-fils avec protocole HART, le 6337 transmetteur 2-fils avec protocole HART et le 6437 transmetteur 2-fils avec protocole HART 7 peuvent être programmés avec ces coefficients, ce qui permet d’adapter précisément le transmetteur à une RTD caractérisé pour une précision de mesure exceptionnelle.

 

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[1] NOTE : un RTD Cu100 a une valeur R₁₀₀-R₀ supérieure. Cette valeur est plus facile à mesurer que celle du RTD Cu9.035.