le Thermomètre à résistance (Dispositif thermique de résistance ou RTD) est un instrument qui tire parti d'une propriété des objets - la résistance électrique - pour mesurer la température. Cette procédure est appelée mesure par résistance thermique.
La résistance électrique est un paramètre très approprié, car dans de nombreux cas, elle a tendance à augmenter linéairement avec la température. On dit qu'une certaine propriété X est thermométrique, c'est-à-dire qu'elle peut être utilisée pour mesurer la température T, lorsque la relation entre X et T est linéaire:
X = k ∙ΔT
Où k est une constante de proportionnalité à déterminer.
Une propriété thermométrique bien connue est l'expansion du mercure lors du chauffage, utilisé dans un thermomètre clinique. D'autres thermomètres utilisent du gaz, des feuilles de métal qui se dilatent avec l'augmentation de la température, de la résistance ou utilisent la brillance d'un filament, entre autres propriétés..
Il est pratique d'avoir cette gamme de possibilités car la température est l'une des quantités les plus caractéristiques de tout système, qu'il soit biologique ou inanimé. C'est pourquoi c'est la grandeur qui est la plus mesurée dans les procédés industriels, et pour les gammes traitées dans chacun d'entre eux, certaines propriétés thermométriques sont préférables à d'autres..
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Les thermomètres à résistance ont les caractéristiques suivantes:
-Ils sont très simples à utiliser. L'élément capteur est constitué d'un fil en métal, le platine, le nickel, le tungstène et le cuivre étant les plus utilisés..
-Ils offrent une lecture rapide.
-Haute précision.
-Fonctionne dans une large gamme de températures.
Les matériaux utilisés pour fabriquer les thermomètres à résistance sont des conducteurs dont résistivité augmente presque toujours avec la température. La résistance et la résistivité ne sont pas synonymes, mais elles sont étroitement liées.
La résistivité C'est la relation entre le champ électrique créé à l'intérieur du matériau lors de la circulation du courant et la densité dudit courant. C'est donc une propriété du matériau.
Pour certains matériaux, appelés ohmique, la relation entre le champ électrique et la densité de courant est linéaire. Au fur et à mesure que la température monte, les ions du conducteur augmentent leurs vibrations et avec elle l'opposition au passage du courant.
Au lieu de cela, la résistance est une propriété du conducteur, déterminée non seulement par la résistivité du matériau, mais par la géométrie: longueur et section transversale.
Si la section efficace est maintenue constante, la relation entre ces grandeurs est:
L'unité de résistance électrique dans le système international est l'ohm (Ω), tandis que la résistivité est en Ω ∙ m, bien qu'il soit courant de trouver Ω ∙ mm.
Dans les métaux, la résistivité augmente avec la température de manière linéaire:
ρ (T) = ρou alors (1 + α ∙ ΔT)
Où ρ est la résistivité du matériau à une température donnée, ρou alors est la résistivité à la température de référence, généralement 0ºC ou 20 ºC, α est le coefficient thermique du matériau et ΔT est la variation de température.
Puisque la résistance dépend de la résistivité du matériau, si la différence de température n'est pas très importante, il est vrai que:
R (T) = Rou alors (1+ α ∙ ΔT)
La résistance est facile à mesurer, et comme la relation avec la température est linéaire, c'est une bonne propriété thermométrique..
L'élément central du thermomètre à résistance est un fil métallique qui est enroulé autour d'un support isolant, généralement en mica, en céramique ou en verre. Il est enfermé dans un tube rempli de poudre isolante et enveloppé de couches isolantes, scellées contre l'humidité..
La pression à l'intérieur du tube est maintenue basse, pour éviter la formation d'oxydes qui provoquent des erreurs dans les lectures. L'ensemble est petit: entre 1-5 mm de diamètre et 10-50 mm de long, recouvert à son tour par une enveloppe extérieure qui sert à le protéger, car l'appareil est délicat et doit être manipulé avec précaution.
Le platine, métal précieux, est le matériau le plus utilisé pour fabriquer la résistance, car il est très stable sur une large gamme de températures et fournit des mesures extrêmement précises, au point de servir de norme internationale pour les températures dans la gamme -260 ° C - 630 ° C Cependant, les thermomètres à résistance en platine peuvent être fabriqués avec une gamme beaucoup plus large..
Pour mesurer les changements de résistance du fil, il doit être incorporé dans un circuit spécial appelé Pont de Wheatstone, utilisé pour mesurer des résistances ou impédances inconnues.
Cela se fait à l'aide de fils de cuivre fins (deux, trois ou quatre fils de cuivre, plus il y a de fils, plus le thermomètre est précis, ceux de trois sont les plus courants).
Pour que l'appareil fonctionne, il faut fournir un petit courant de mesure dont la valeur est proche de 1 mA (le plus bas est le mieux pour éviter un échauffement excessif) et la chute de tension produite est mesurée. Connaissant le courant et la tension, la résistance du capteur est déterminée avec la loi d'Ohm et à travers elle la température.
La linéarité de la relation entre la résistance et la température n'est pas toujours remplie avec une précision totale dans toutes les plages de température, cela dépend beaucoup du matériau du fil.
Le problème de non-linéarité peut être surmonté en employant un circuit supplémentaire ou simplement en utilisant le graphique de résistance en fonction de la température, appelé courbe caractéristique, comme celui montré:
Courbe caractéristique du thermomètre à résistance platine Pt-100 ou 100 Ω. Source: Wikimedia Commons.
Les thermomètres à résistance platine sont fabriqués en fonction de la résistance de la bobine: Pt-25, Pt-100 et Pt-1000 sont les plus utilisés.
Les lettres «Pt» se réfèrent au symbole chimique du platine, et le nombre est la résistance du fil à la température de référence 0 ° C. Plus la résistance est élevée, plus le thermomètre est sensible, car il offre une plus grande variation de résistance avec le même changement de température. Cependant, le Pt-100 est le plus utilisé industriellement, avec une résolution d'un dixième de degré..
Au lieu d'enroulements de fil ou de bobine, certains fabricants utilisent une fine couche de platine déposée sur un substrat céramique isolant. Cela réduit la taille de l'appareil et le rend encore plus précis et plus rapide..
Le thermomètre à résistance est de préférence utilisé dans les industries chimique, pharmaceutique et alimentaire, ainsi que dans les domaines où une haute précision dans la mesure de la température est requise pour garantir des produits de qualité.
Le fabricant de l'instrument indique la plage de températures qu'il peut mesurer avec précision. Hors de leur portée, les thermomètres ne donnent pas des mesures précises et dans le pire des cas, l'élément sensible est endommagé.
La mesure précise de la température ambiante est importante dans l'industrie automobile, dont les processus d'assemblage, de soudage et de test des moteurs produisent beaucoup de chaleur dans l'environnement. Dans ces cas, le thermomètre à résistance en cuivre est généralement préféré..
Pour mesurer la température d'un moteur de voiture, une résistance électrique est utilisée comme élément thermométrique.
Pour déterminer la température des fours de fusion industriels, des chaudières, des réfrigérateurs et des réacteurs nucléaires.
En outre, un contrôle précis de la température est très important pour l'industrie alimentaire, car il les garde au frais et sans germes plus longtemps..
Les thermomètres à résistance en platine sont utilisés pour détecter les ondes gravitationnelles. L'appareil créé à cet effet se compose de deux interféromètres, qui sont des instruments optiques pour mesurer les interférences de la lumière..
Les interféromètres utilisent des miroirs pour diriger correctement les faisceaux laser, et leur température est surveillée en permanence pour s'assurer qu'ils maintiennent la bonne courbure et assurent des mesures précises..
Les avantages comprennent:
-Haute précision.
-Variété d'utilisations.
-Large plage de mesure qui leur permet d'être utilisés dans diverses industries.
-Ils restent stables pendant longtemps.
-Ils sont linéaires ou très proches de la linéarité sur une large plage de températures.
Bien que les limitations incluent:
-Ils ne sont pas utilisés pour des températures supérieures à 660 ° C.
-Ni en dessous de -270 ºC.
-Ils doivent être manipulés avec précaution.
-Ils sont moins sensibles que les appareils moins chers tels que les thermistances, et dans certaines applications, leur temps de réponse est plus long que ceux-ci..
-Les thermomètres en platine sont chers.
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