Ces types de capteurs de température varient des appareils thermodynamiques simples ON/OFF qui contrôlent un système de chauffage d’eau domestique à des types de semiconducteurs hautement sensibles capables de contrôler des usines de traitement complexes.

Nous nous rappelons de nos cours de sciences à l’école que le mouvement des molécules et des atomes produit de la chaleur (énergie cinétique) et que plus le mouvement est important, plus la chaleur générée est élevée. Les capteurs de température mesurent la quantité d’énergie thermique ou même de froid générée par un objet ou un système, nous permettant de “sensibiliser” ou de détecter tout changement physique de cette température produisant soit une sortie analogique, soit numérique.

Il existe de nombreux types différents de capteurs de température, chacun ayant des caractéristiques différentes selon leur application réelle. Un capteur de température se compose de deux types physiques de base :

• Types de capteurs de température à contact – Ces types de capteurs de température doivent être en contact physique avec l’objet à mesurer et utilisent la conduction pour surveiller les changements de température. Ils peuvent être utilisés pour détecter des solides, des liquides ou des gaz sur une large gamme de températures.
• Types de capteurs de température sans contact – Ces types de capteurs de température utilisent la convection et le rayonnement pour surveiller les changements de température. Ils peuvent être utilisés pour détecter des liquides et des gaz qui émettent de l’énergie rayonnante à mesure que la chaleur monte et que le froid se dépose au fond dans les courants de convection, ou détecter l’énergie rayonnante émise par un objet sous forme de rayonnement infrarouge (comme le soleil).

Ces deux types de capteurs de température à contact ou sans contact peuvent également être subdivisés en trois groupes de capteurs suivants : électro-mécanique, résistif et électronique, et tous trois types sont abordés ci-dessous.

Le Thermostat Comme Capteur de Température

Le thermostat est un capteur de température électromécanique de type contact, qui se compose essentiellement de deux métaux différents tels que le nickel, le cuivre, le tungstène ou l’aluminium, qui sont soudés ensemble pour former une banderole bimétallique. Les différents taux d’expansion linéaire des deux métaux dissemblables produisent un mouvement de flexion mécanique lorsque la bande est soumise à de la chaleur.

La bande bimétallique peut être utilisée elle-même comme un interrupteur électrique ou comme une méthode mécanique d’actionner un interrupteur électrique dans des contrôles thermostatiques et est utilisée de manière extensive pour contrôler les éléments de chauffage d’eau chaude dans les chaudières, les fours, les réservoirs de stockage d’eau chaude ainsi que dans les systèmes de refroidissement de radiateurs de véhicule.

Le Thermostat Bimétallique

Le thermostat se compose de deux métaux thermiquement différents collés ensemble dos à dos. Lorsqu’il fait froid, les contacts sont fermés et le courant passe dans le thermostat. Lorsqu’il fait chaud, un métal se dilate plus que l’autre et la bande bimétallique liée se courbe vers le haut (ou vers le bas) ouvrant les contacts, empêchant le courant de circuler.

Thermostat ON/OFF

Il existe deux types principaux de bandes bimétalliques principalement basés sur leur mouvement lors des variations de température. Il y a les types « à action instantanée » qui produisent une action « ON/OFF » ou « OFF/ON » instantanée sur les contacts électriques à un point de température défini, et les types « à action lente » qui modifient progressivement leur position à mesure que la température change.

Les thermostats à action instantanée sont couramment utilisés dans nos maisons pour réguler le point de consigne de température des fours, des fers, des chauffe-eaux immersifs et se trouvent également sur les murs pour contrôler le système de chauffage domestique.

Les types à action lente consistent généralement en une spirale ou en une bobine bimétallique qui se déroule lentement ou s’enroule à mesure que la température change. En général, les bandes bimétalliques à action lente sont plus sensibles aux variations de température que les types standard ON/OFF, car la bande est plus longue et plus fine, ce qui les rend idéales pour une utilisation dans des instruments de mesure de température et des cadrans, etc.

Bien qu’ils soient très bon marché et disponibles sur une large plage de fonctionnement, un inconvénient majeur des thermostats à action instantanée standard lors de leur utilisation comme capteur de température est qu’ils ont une grande plage d’hystérésis entre l’ouverture et la fermeture des contacts électriques. Par exemple, ils peuvent être réglés sur 20^oC mais ne s’ouvriront pas avant 22^oC ou ne se fermeront à nouveau qu’à 18^oC.

Ainsi, la plage de variation de température peut être assez élevée. Les thermostats bimétalliques disponibles dans le commerce pour un usage domestique possèdent des vis de réglage de température permettant de définir plus précisément le point ou le niveau d’hystérésis souhaité.

Le Thermistor Comme Capteur de Température

Le thermistor est un autre type de capteur de température, dont le nom est une combinaison des mots THERM-iquement sensible et res-ISTOR. Un thermistor est un type spécial de résistor qui change sa résistance physique lorsqu’il est exposé à des variations de température.

Thermistor

Les thermistors sont généralement fabriqués à partir de matériaux céramiques tels que les oxydes de nickel, de manganèse ou de cobalt, recouverts de verre, ce qui les rend facilement endommagés. Leur principal avantage par rapport aux types à action instantanée est leur rapidité de réponse à tout changement de température, leur précision et leur répétabilité.

La plupart des types de thermistors ont un coefficients de température négatif de résistance (NTC), c’est-à-dire que leur valeur de résistance diminue avec une augmentation de la température, mais bien sûr, certains possèdent un coefficient de température positif (PTC), dont la valeur de résistance augmente avec une augmentation de la température.

Les thermistors sont construits à partir d’un matériau semi-conducteur de type céramique utilisant la technologie des oxydes métalliques tels que le manganèse, le cobalt et le nickel, etc. Le matériel semi-conducteur est généralement formé sous forme de petits disques ou billes pressés hermétiquement scellés pour donner une réponse relativement rapide à tout changement de température.

Les thermistors sont notés par leur valeur de résistance à température ambiante (généralement à 25^oC), leur constante temporelle (le temps pour réagir au changement de température) et leur puissance en rapport avec le courant qui les traverse. Comme les résistors, les thermistors sont disponibles avec des valeurs de résistance à température ambiante allant de dizaines de MΩ à quelques Ohms, mais pour des applications de détection, ceux avec des valeurs en kilo-ohms sont généralement utilisés.

Les thermistors sont des dispositifs passifs résistifs, ce qui signifie que nous devons faire passer un courant à travers eux pour produire une sortie de tension mesurable. Les thermistors sont généralement connectés en série avec une résistancz de polarisation appropriée pour former un réseau de diviseur de potentiel et le choix de la résistance donne une sortie de tension à un point ou valeur de température prédéterminée, par exemple :

Exemple de Capteur de Température N°1

Le thermistor suivant a une valeur de résistance de 10KΩ à 25^oC et une valeur de résistance de 100Ω à 100^oC. Calculez la chute de tension à travers le thermistor et par conséquent sa tension de sortie (Vout) pour les deux températures lorsqu’il est connecté en série avec un résistor de 1kΩ sur une alimentation de 12v.

À 25^oC

À 100^oC

En changeant la valeur de résistance du R2 (dans notre exemple 1kΩ) pour un potentiomètre ou un préréglage, une sortie de tension peut être obtenue à un point de consigne de température prédéterminé, par exemple, sortie 5v à 60^oC et en variant le potentiomètre, un niveau de tension de sortie particulier peut être obtenu sur une plus large plage de températures.

Il convient cependant de noter que les thermistors sont des dispositifs non linéaires et que leurs valeurs de résistance standard à température ambiante diffèrent entre les différents thermistors, ce qui est principalement dû aux matériaux semi-conducteurs dont ils sont faits. Le thermistor présente un changement exponentiel avec la température et a donc une constante de température bêta ( β ) qui peut être utilisée pour calculer sa résistance pour un point de température donné.

Cependant, lorsqu’ils sont utilisés avec un résistor de série tel qu’un réseau de diviseur de tension ou un arrangement de pont de Wheatstone, le courant obtenu en réponse à une tension appliquée au réseau diviseur/pont est linéaire avec la température. Dans ce cas, la tension de sortie à travers le résistor devient linéaire avec la température.

Détecteurs de Température Résistifs (RTD)

Un autre type de capteur de température basé sur la résistance électrique est le Détecteur de Température par Résistance ou RTD. Les RTD sont des capteurs de température de précision fabriqués à partir de métaux conducteurs d’une très haute pureté tels que le platine, le cuivre ou le nickel enroulés en bobine, et dont la résistance électrique change en fonction de la température, similaire à celle du thermistor. On trouve également des RTD à film mince. Ces appareils disposent d’une fine couche de pâte de platine déposée sur un substrat en céramique blanche.

Un RTD Résistif

Les détecteurs de température résistifs ont des coefficients de température positifs (PTC) mais, contrairement au thermistor, leur sortie est extrêmement linéaire, produisant des mesures de température très précises.

Cependant, ils ont une très faible sensibilité thermique, c’est-à-dire qu’un changement de température ne produit qu’un très faible changement de sortie par exemple, 1Ω/^oC.

Les types de RTD les plus courants sont fabriqués en platine et sont appelés Thermomètre à Résistance en Platine ou PRT avec le plus couramment utilisé d’entre eux, le capteur Pt100, qui a une valeur de résistance standard de 100Ω à 0^oC. L’inconvénient est que le platine est onéreux, et l’un des principaux inconvénients de ce type de dispositif est son coût.

Comme le thermistor, les RTD sont des dispositifs passifs résistifs et en faisant passer un courant constant à travers le capteur de température, il est possible d’obtenir une tension de sortie qui augmente linéairement avec la température. Un RTD typique a une résistance de base d’environ 100Ω à 0^oC, augmentant jusqu’à environ 140Ω à 100^oC, avec une plage de température de fonctionnement comprise entre -200 et +600^oC.

Parce que le RTD est un dispositif résistif, nous devons y faire passer un courant et surveiller la tension résultante. Cependant, toute variation de la résistance due à la chaleur propre des fils résistifs, lorsque le courant passe à travers,  I²R , (loi d’Ohm) provoque une erreur dans les lectures. Pour éviter cela, le RTD est généralement connecté dans un réseau de pont de Wheatstone qui possède des fils de connexion supplémentaires pour la compensation des connexions et/ou pour la connexion à une source de courant constant.

Le Thermocouple Comme Capteur de Température

Le thermocouple est de loin le type de capteur de température le plus couramment utilisé. Les thermocouples sont populaires en raison de leur simplicité, de leur facilité d’utilisation et de leur rapidité de réponse aux variations de température, principalement en raison de leur petite taille. Les thermocouples ont également la plage de température la plus large de tous les capteurs de température, allant de moins de -200^oC à plus de 2000^oC.

Les thermocouples sont des capteurs thermoélectriques qui se composent essentiellement de deux jonctions de métaux dissemblables, tels que le cuivre et le constantan, qui sont soudés ou sertis ensemble. Une jonction est maintenue à une température constante appelée jonction de référence (froide), tandis que l’autre est la jonction de mesure (chaude). Lorsque les deux jonctions sont à des températures différentes, une tension se développe aux bornes de la jonction qui est utilisée pour mesurer la température du capteur, comme indiqué ci-dessous.

Construction du Thermocouple

Le principe de fonctionnement d’un thermocouple est très simple et basique. Lorsque les jonctions des deux métaux dissemblables tels que le cuivre et le constantan sont fusionnées, il se produit un effet « thermoélectrique » qui donne une différence de potentiel constante de seulement quelques millivolts (mV) entre elles. La différence de tension entre les deux jonctions est appelée « effet Seebeck », car un gradient de température est généré le long des fils conducteurs produisant un emf. Ensuite, la tension de sortie d’un thermocouple dépend des variations de température.

Si les deux jonctions sont à la même température, la différence de potentiel entre les deux jonctions est nulle, en d’autres termes, aucune tension de sortie, car V₁ = V₂. Cependant, lorsque les jonctions sont connectées dans un circuit et sont à des températures différentes, une tension de sortie sera détectée par rapport à la différence de température entre les deux jonctions, V₁ – V₂. Cette différence de tension augmentera avec la température jusqu’à ce que le niveau de tension maximal des jonctions soit atteint, déterminé par les caractéristiques des deux métaux dissemblables utilisés.

Les thermocouples peuvent être fabriqués à partir d’une variété de matériaux différents permettant de mesurer des températures extrêmes allant de -200^oC à plus de +2000^oC. Avec un choix aussi vaste de matériaux et une large gamme de températures, des normes reconnues internationalement ont été développées, complètes avec des codes couleur pour les thermocouples permettant à l’utilisateur de choisir le capteur thermocouple correct pour une application particulière. Le code couleur britannique pour les thermocouples standard est donné ci-dessous.

Codes Couleur des Thermocouples

Codes Couleur des Capteurs de ThermocoupleFils d’Extension et de Compensation
Type de Code	Conducteurs (+/-)	Sensibilité	Britannique BS 1843:1952
E	Nickel Chrome / Constantan	-200 à 900oC
J	Fer / Constantan	0 à 750oC
K	Nickel Chrome / Nickel Aluminium	-200 à 1250oC
N	Nicrosil / Nisil	0 à 1250oC
T	Cuivre / Constantan	-200 à 350oC
U	Cuivre / Cuivre Nickel compensé pour « S » et « R »	0 à 1450oC

Les trois matériaux de thermocouple les plus courants utilisés ci-dessus pour la mesure de la température sont Fer-Constantan (Type J), Cuivre-Constantan (Type T), et Nickel-Chrome (Type K). La tension de sortie d’un thermocouple est très faible, seulement quelques millivolts (mV) pour une variation de température de 10^oC et à cause de cette petite tension de sortie, une forme d’amplification est généralement requise.

Amplification du Thermocouple

Le type d’amplificateur, soit discret soit sous la forme d’un amplificateur opérationnel, doit être soigneusement sélectionné, car une bonne stabilité de dérive est nécessaire pour éviter la recalibration fréquente du thermocouple. Cela rend le type de pont et d’instrumentation de l’amplificateur préférable pour la plupart des applications de détection de température.

D’autres types de capteurs de température non mentionnés ici comprennent, les capteurs de jonction semi-conducteurs, les capteurs infrarouges et de rayonnement thermique, les thermomètres de type médical, les indicateurs et les encres ou colorants changeant de couleur.