Types RTD
L'invention du thermomètre à résistance a été rendue possible par la découverte que la conductivité des métaux diminue de manière prévisible lorsque leur température augmente. Le tout premier thermomètre à résistance a été assemblé à partir d'un fil de cuivre isolé, d'une batterie et d'un galvanomètre en 1860. Cependant, son inventeur, C.W. Siemens, a rapidement découvert qu'un élément en platine donnait des mesures plus précises sur une plage de températures beaucoup plus large. Les RTD disponibles aujourd'hui peuvent généralement être classés en deux types de base, selon la conception de leur élément de détection de température. Un type de RTD contient des éléments bobinés et l'autre type de RTD contient des éléments à couche mince. Chaque type est mieux adapté à certains environnements et applications.
RTD à fil bobiné
Dans le type de RTD à fil bobiné, l'élément de détection est constitué d'une petite bobine de fil ultra-fin (généralement en platine). Cette bobine de fil peut être encapsulée dans un tube en céramique ou en verre (construction la plus courante) ou le fil peut être enroulé autour de l'extérieur d'un boîtier en céramique ou en verre. Les éléments de détection des RTD à fil enroulé peuvent facilement être transformés en sondes Pt100 par leur montage à l'intérieur de tubes ou de gaines métalliques. Cela les protège de leur environnement et augmente leur durabilité. Ils peuvent également être installés dans des boîtiers personnalisés.Les RTD à fil bobiné (en particulier ceux à bobine interne) sont les plus précis. Ceux qui ont un noyau en verre peuvent être facilement immergés dans de nombreux liquides, tandis que ceux qui ont un noyau en céramique peuvent être utilisés pour mesurer avec précision des températures extrêmement élevées. Cependant, leur fabrication est plus coûteuse que celle des types à couche mince, car elle nécessite une main-d'œuvre qualifiée et des installations d'assemblage avancées. Ils ont également tendance à être plus sensibles aux vibrations.
RTD à couche mince
Les éléments RTD à couche mince sont fabriqués en déposant une très fine couche de métal (généralement du platine) sur un substrat en céramique. La couche métallique est découpée au laser ou gravée pour former un circuit électrique qui fournit la résistance spécifiée.Des fils conducteurs sont ensuite fixés et un mince revêtement protecteur en verre est appliqué sur l'ensemble de l'élément.
Ce type de RTD est très apprécié pour sa robustesse, sa fiabilité et son faible coût. Les éléments à couche mince sont plus résistants aux dommages causés par les chocs ou les vibrations que les autres types de RTD. Leur profil plat offre une grande flexibilité de conception, ce qui permet de les utiliser dans de nombreuses applications industrielles de contrôle et d'instrumentation. Plusieurs options de résistance, de tolérance, de taille et de forme sont également disponibles.
Dans ces types de RTD, un film de platine ou de métal-verre est déposé ou sérigraphié sur un petit substrat céramique plat, gravé à l'aide d'un système de découpe laser, puis scellé. Le RTD à film permet de réduire considérablement le temps d'assemblage et présente l'avantage supplémentaire d'offrir une résistance accrue pour une taille donnée. Grâce à la technologie de fabrication utilisée, la taille du dispositif est réduite, ce qui lui permet de réagir rapidement aux changements brusques de température. Les RTD à film sont actuellement moins stables que leurs homologues fabriqués à la main, mais ils sont de plus en plus populaires en raison de leurs avantages indéniables en termes de taille et de coût de production. Ces avantages devraient donner l'impulsion nécessaire à la recherche future visant à améliorer leur stabilité.
Matériau de l'élément de résistance
Plusieurs métaux sont couramment utilisés dans les éléments de résistance et la pureté du métal influe sur ses caractéristiques. Le platine est de loin le plus populaire en raison de sa linéarité avec la température. Le nickel et le cuivre sont d'autres matériaux courants, bien qu'ils soient progressivement remplacés par des éléments en platine.Métaux
Tous les métaux produisent une variation positive de la résistance pour une variation positive de la température. Il s'agit bien sûr de la fonction principale d'un capteur RTD. Comme nous le verrons bientôt, l'erreur système est minimisée lorsque la valeur nominale de la résistance RTD est élevée. Cela implique un fil métallique à haute résistivité. Plus la résistivité du métal est basse, plus nous devrons utiliser de matériaux. Le tableau suivant répertorie les résistivités des matériaux courants utilisés pour les thermomètres à résistance.| MÉTAL | RÉSISTIVITÉ | |
| Or | Au | 13,00 |
| Argent | Ag | 8,8 |
| Cuivre | Cu | 9,26 |
| Platine | Pt | 59,00 |
| Tungstène | W | 30,00 |
| Nickel | Ni | 36,00 |
Détecteurs de température à résistance en platine
Le platine est le matériau le plus couramment utilisé pour les éléments de résistance dans les RTD destinés à des applications industrielles en raison de sa précision élevée, de sa linéarité avec la température, de sa stabilité à long terme et de son excellente résistance à la corrosion. De plus, les RTD en platine résistent à la corrosion et à l'oxydation et peuvent mesurer une large plage de températures.Détecteurs de température à résistance (RTD)
Le nickel est également utilisé comme élément de résistance pour les RTD dans les applications industrielles. Les RTD en nickel ont une bonne résistance à la corrosion et sont moins coûteux que les RTD en platine, mais le nickel vieillit rapidement et, avec le temps, ils perdent leur précision.Détecteurs de température à résistance en cuivre
Le cuivre est un matériau très utilisé pour les éléments de résistance dans les RTD destinés à des applications industrielles en raison de sa conductivité électrique supérieure, de sa résistance à la corrosion et de son faible coût de production. Le cuivre offre également une large plage de températures dans laquelle il peut fournir des mesures précises, ce qui le rend idéal pour une variété d'applications industrielles. Cependant, le cuivre est également sensible à l'oxydation et peut devenir cassant lorsqu'il est exposé à des températures extrêmes. De plus, le cuivre est un métal mou, ce qui le rend plus sensible aux dommages causés par les vibrations et les contraintes mécaniques, ce qui peut entraîner des lectures inexactes.Caractéristiques de l'élément résistif
Plusieurs détails très importants doivent être précisés afin d'identifier correctement les caractéristiques du RTD : - Matériau de l'élément résistif (platine, nickel, etc.)
- Coefficient de température
- Résistance nominale
- Plage de température d'application>
- Dimensions physiques ou restrictions de taille
- Précision
Coefficient de température
Le coefficient de température d'un élément est une propriété physique et électrique du matériau. Ce terme décrit la variation moyenne de résistance par unité de température entre le point de congélation et le point d'ébullition de l'eau. Différentes organisations ont adopté différents coefficients de température comme norme. En 1983, la CEI (Commission électrotechnique internationale) a adopté la norme DIN (Deutsche Institute for Normung) de platine 100 ohms à 0 °C avec un coefficient de température de 0,00385 ohms par degré Celsius. Il s'agit désormais de la norme acceptée par l'industrie dans la plupart des pays, bien que d'autres unités soient largement utilisées.Voici une explication rapide de la manière dont le coefficient est calculé :
- Résistance au point d'ébullition (100 °C) = 138,50 ohms Résistance au point de congélation (0 °C) = 100,00 ohms Divisez la différence (38,5) par 100 degrés, puis divisez par la valeur nominale de 100 ohms de l'élément. Le résultat est le coefficient de température moyen (alpha) de 0,00385 ohm par ohm °C.
- Pt TC = 0,003902 (norme industrielle industrielle)
- Pt TC = 0,003920 (ancienne norme américaine)
- Pt TC = 0,003923 (SAMA)
- Pt TC = 0,003916 (JIS)
- Cuivre TC = 0,0042
- Nickel TC = 0,00617 (« DIN »)
- TC du nickel = 0,00672 (de moins en moins courant aux États-Unis)
- TC Balco = 0,0052
- TC du tungstène = 0,0045
Résistance nominale
La résistance nominale est la valeur de résistance prédéfinie à une température donnée. La plupart des normes, y compris la norme CEI-751, utilisent le °C comme point de référence. La norme CEI est de 100 ohms à 0 °C, mais d'autres résistances nominales sont disponibles, telles que 50, 200, 400, 500, 1000 et 2000 ohms.Plage de température d'application
En fonction de la configuration mécanique et des méthodes de fabrication, les RTD peuvent être utilisés entre -270 °C et 850 °C. Les spécifications techniques relatives à la plage de température varient selon les types (c'est-à-dire à couche mince, bobinés et encapsulés dans du verre).Dimensions physiques ou restrictions de taille
La dimension la plus critique de l'élément est son diamètre extérieur (O.D.), car l'élément doit souvent s'insérer dans une gaine de protection. Les éléments de type film n'ont pas de dimension O.D. Pour calculer une dimension équivalente, nous devons trouver la diagonale d'une section transversale d'extrémité (il s'agira de la distance la plus large à travers l'élément lorsqu'il est inséré dans une gaine).Par exemple, en utilisant un élément de 10 x 2 x 1,2 mm, la diagonale peut être trouvée en prenant la racine carrée de (22 + 1,52). Ainsi, l'élément s'insérera dans un trou de 2,5 mm (0,98") de diamètre intérieur. À des fins pratiques, rappelez-vous que tout élément de 2 mm de largeur ou moins s'insérera dans une gaine de 1/8" de diamètre extérieur avec des parois de 0,010", en règle générale. Les éléments de 1,5 mm de largeur s'adaptent généralement à une gaine de 0,084 pouce de diamètre (voir figure 1).
Précision
Les spécifications techniques de la norme CEI 751 pour les thermomètres à résistance en platine ont adopté les exigences de la norme DIN 43760 en matière de précision. Les éléments de classe A et de classe B selon les normes DIN et CEI sont illustrés sur les schémas 2 et 3.Temps de réponse
La réponse à 50 % est le temps nécessaire à l'élément thermométrique pour atteindre 50 % de sa valeur à l'état stable. La réponse à 90 % est définie de manière similaire. Ces temps de réponse des éléments sont indiqués pour de l'eau s'écoulant à une vitesse de 0,2 m/s et de l'air s'écoulant à 1 m/s. Ils peuvent être calculés pour tout autre milieu dont les valeurs de Conductivité thermique sont connues. Dans une gaine de 1/4" de diamètre immergée dans de l'eau s'écoulant à 3 pieds par seconde, le temps de réponse à 63 % d'un changement brusque de température est inférieur à 5,0 secondes.Courant de mesure et Chauffage autonome
La mesure de la température est effectuée presque exclusivement avec du courant continu. Inévitablement, le courant de mesure génère de la chaleur dans le RTD. Les courants de mesure admissibles sont déterminés par l'emplacement de l'élément, le milieu à mesurer et la vitesse des milieux en mouvement. Un facteur de chauffage autonome, « S », donne l'erreur de mesure pour l'élément en °C par milliwatt (mW). Avec une valeur donnée de courant de mesure « I », la valeur en milliwatts « P » peut être calculée à partir de P = I2R, où « R » est la valeur de résistance du RTD. L'erreur de mesure de température Δ T (ºC) peut alors être calculée à partir de Δ T = P x S.Spécifications techniques
- Stabilité : supérieure à 0,2 °C après 10 000 heures à la température maximale (1 an, 51 jours et 16 heures en continu)
- Résistance aux vibrations : 50 g à 500 °C ; 200 g à 20 °C ; à des fréquences comprises entre 20 et 1 000 cps
- Résistance aux chocs thermiques : Dans l'air forcé : sur toute la plage de température Dans un refroidissement à l'eau : de 200 à 20 °C
- Sensibilité à la pression : inférieure à 1,5 x 10-4 C/PSI, réversible Erreurs de chauffage autonome et Temps de réponse : se reporter aux pages spécifiques du manuel des températures pour le type d'élément sélectionné
- Auto-inductance du courant de détection : Peut être considérée comme négligeable pour les éléments à couche mince ; généralement inférieure à 0,02 microhenry pour les éléments bobinés.
- Capacité : Pour les éléments bobinés : calculée à moins de 6 picofarads ; pour les éléments à couche mince : la capacité est trop faible pour être mesurée et est affectée par la connexion du fil conducteur. Les connexions des fils conducteurs avec l'élément peuvent indiquer une capacité d'environ 300 pF.
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