Qu’est-ce qu’une sonde RTD (Resistance Temperature Detector) – Pt100?
Il existe trois grands types de sondes de température: les thermocouples, les thermistors et les RTD. RTD veut dire Resistance Temperature Detector, ce qui signifie que la température est mesurée à l’aide d’une propriété qu’ont les métaux. Ils changent de résistance électrique en fonction de la température. Pour qu’une sonde RTD fonctionne, elle nécessite une source de courant et elle doit être assemblée sur un ohmmètre.
Le matériau le plus utilisé pour construire une sonde de température RTD, parce qu’il est stable, est le platine. C’est son symbole chimique, Pt, qui est retrouvé dans la nomenclature de la sonde. La résistance nominale du platine à 0 °C peut varier, par exemple 100 Ω, 200 Ω, 500 Ω ou 1000 Ω. La sonde Pt100 signifie qu’elle est faite de platine ayant une résistance de 100 Ω à 0 °C.
L’utilisation d’un capteur de température RTD sera optimale dans des conditions où la température est relativement stable et où l’usager souhaite avoir une bonne précision (fidélité de mesure).
Normes pour les sondes Pt100
Afin de garantir une uniformité dans les sondes Pt100, l’International Electrotechnical Commission a émis la norme IEC 60751.
Plusieurs aspects font partie de cette norme. Le premier est le coefficient de température, aussi appelé coefficient ɑ. Ce coefficient sert à déterminer la qualité du platine qui est utilisé pour construire une sonde aux normes. Avec une sonde Pt100, nous savons que la résistance du platine à 0 °C est de 100 Ω. Afin d’utiliser du platine qui se comportera selon la norme IEC 60751, la résistance à 100 °C doit être de 138.50 Ω.
Ainsi, le platine utilisé dans la norme IEC 60751 doit avoir un coefficient ɑ de 0.00385 Ω/Ω/°C.
Aux États-Unis, la norme utilisée est l’ASTM E-1137. Le coefficient de température selon la norme américaine est légèrement différent (0.003902 Ω/Ω/°C) de celui de l’IEC 60751.
Le deuxième aspect qui fait partie de cette norme IEC 60751 est la courbe de tolérance d’une sonde RTD Pt100. La courbe de tolérance est utilisée pour corréler la résistance à la température, avec une précision définie qui varie selon la température.
Anciennement, il y avait deux associations européennes qui avaient établi des tableaux qui prédisaient le comportement de changement de résistance en fonction de la température d’une sonde “aux normes”: la British Standards Association et la Fachnormenausschuß Elektrotechnik im Deutschen Normenausschuß. L’association allemande avait créé la norme DIN 43760, où la courbe de tolérance qui y était définie (en tableau) est essentiellement celle qui a été conservée lors de la création de l’IEC.
Une autre entité, l’International Temperature Standard 90 (ITS-90), utilise l’équation de Callendar-Van Dusen pour définir la relation entre la température et la résistance d’une sonde Pt100. Cette équation consiste en deux parties: une équation de degré 3 pour les températures inférieures à 0°C et une équation de degré 2 pour les températures supérieures à 0°C. L’équation de Callendar-Van Dusen comprend des constantes A, B et C, qui sont dérivées des paramètres ɑ, β, δ utilisant des mesures de résistance à trois températures définies, 0 °C, 100 °C et 260 °C.
Depuis la mise à jour de 2022 de la norme IEC 60751, la relation entre la température et la résistance doit être calculée en utilisant les équations polynomiales définies par l'ITS-90. Aujourd'hui, les courbes de tolérance d'une sonde RTD Pt100 sont spécifiées dans l'IEC 60751 ou DIN EN 60751. Plusieurs classes de tolérance existent pour les sondes Pt100, telles que la classe A et la classe B. Selon la construction et la classe, le comportement de la sonde RTD à différentes températures peut varier.
Classes de sondes RTD Pt100
Les classes de sondes RTD déterminent la précision de la sonde Pt100 à différentes températures et l’intervalle de température pour lequel cette précision est valide. Il s’agit de classes de tolérance.
Dans les classes IEC, il y a maintenant une distinction entre les sondes RTD en couche mince et celles à fils quant à l’intervalle de température où la précision est valide. Cette précision est d’ailleurs appelée tolérance.
L’autre aspect de la mise à jour de la norme IEC est que, maintenant, les classes de tolérance sont établies selon que la validité doit être sur le thermomètre entier ou seulement l’élément résistif.
Voici donc les classes pour les thermomètres à RTD.
| Élément de résistance à fil | Élément de résistance en couche mince | |||
| Classe | Intervalle de validité (°C) | Classe | Intervalle de validité (°C) | Tolérance de la classe (°C) |
| AA | -50 à 250 | AA | 0 à 150 | ± (0.1 + 0.0017t) |
| A | -100 à 450 | A | -30 à 300 | ± (0.15 + 0.002t) |
| B | -196 à 600 | B | -50 à 500 | ± (0.3 + 0.005t) |
| C | -196 à 600 | C | -50 à 600 | ± (0.6 + 0.01t) |
t: température
La classe C n’est pas souvent utilisée en industrie puisqu’elle est la moins précise.
La classe B possède un autre nom: DIN. Avec cette autre nomenclature, nous comprenons donc que “la” courbe de tolérance usuelle était jadis celle de la classe B. En utilisant la nomenclature DIN il est fréquent de retrouver des noms de classes qui sont des fractions de la tolérance usuelle DIN. Les plus communes sont 1/3 DIN, 1/5 DIN et 1/10 DIN. Seule la classe 1/3 DIN a été normalisée avec l’IEC 60751. Il s’agit de la classe AA.
Pourquoi s’appelle-t-elle 1/3 DIN? Parce que sa tolérance est ⅓ de celle de la tolérance de la classe “DIN”. Cela implique que la précision de cette sonde, à l’intérieur de son intervalle de validité, sera très grande. Il s’agit d’ailleurs du type de sonde RTD que nous offrons chez Dracal.
Pour une extrême précision, la classe 1/10 DIN a une tolérance de ± (0.03 + 0.0005t). Par contre, son intervalle de température d’utilisation est plus restreint.
Électronique d’un capteur RTD
Tel que mentionné dans l’introduction, pour qu’un capteur RTD rende une température, l’élément résistif doit être branché sur une source de courant à l’aide de fils de métal isolés. Il doit aussi y avoir un ohmmètre dans le circuit. Lorsque nous parlons d’une sonde Pt100, rappelons que l’élément résistif est constitué de platine ayant une résistance de 100 ohms à 0°C.
Sonde RTD à 2 fils
Il existe plusieurs configurations possibles pour le circuit électrique d’un capteur RTD. Celui de base comprend 2 fils conducteurs rattachés d’une part à l’élément résistif, d’autre part à un ohmmètre.
R1: résistance du fil conducteur 1
RE: résistance de l’élément résistif (par exemple Pt100)
R2: résistance du fil conducteur 2
La résistance mesurée par le ohmmètre A est donc R1+RE+R2. Avec un capteur RTD à 2 fils, il est nécessaire d’avoir une table d’étalonnage pour soustraire la résistance des fils. Cette table doit être mise à jour chaque fois que les conditions de température changent.
Sonde RTD à 3 fils
Plus communément, il y a des sondes RTD à 3 fils. Elles permettent de compenser pour la résistance des fils, et offrent donc une mesure de température plus exacte.
R1: résistance du fil conducteur 1
RE: résistance de l’élément résistif (par exemple Pt100)
R2: résistance du fil conducteur 2
R3: résistance du fil conducteur 3
Voici comment la résistance de l’élément Pt100 (RE) est calculée à l’aide d’une sonde à 3 fils.
Ohmmètre A mesure: R1+RE+R2
Ohmmètre B mesure: R2+R3
Si R1=R2=R3, (trois fils identiques, que l’on suppose à la même température)
Alors, Ohmmètre A - Ohmmètre B = RE
C’est pourquoi la sonde RTD à 3 fils est plus robuste qu’une sonde RTD à 2 fils: aucun besoin d’une table d’étalonnage, le système permet le calcul de la résistance de l’élément de platine seulement. Il y a donc une moins grande erreur de mesure possible.
Sonde RTD à 4 fils
Il existe une autre version du circuit électrique d’un capteur RTD: celle à 4 fils. Ce capteur est plus exact et plus robuste, mais aussi plus coûteux. Il n’est donc pas nécessairement recommandé lorsque les fils doivent être très longs.
L’illustration ci-dessus montre qu’il y a une compensation pour chacun des fils. Ici, il n’est donc plus nécessaire de stipuler que les fils sont à la même température, puisque R2 et R3 seront toutes les deux annulées par R1 et R4, pour ne laisser que RE.
Calcul de la température à partir d’un capteur RTD Pt100
Il est recommandé d’envoyer environ 1 mA de courant dans le circuit électrique d’un capteur RTD. Peu importe la constitution (2, 3 ou 4 fils), la résistance de l’élément de platine sera calculée à l’aide de ohmmètres. Avec les équations de Callendar-Van Dusen, mentionnées précédemment, il est ensuite possible de trouver la température associée à la mesure de la résistance d’un capteur RTD Pt100.
Conclusion
Un capteur de température RTD est un circuit électrique où l’élément de résistance sert à mesurer la température, puisque la résistance électrique d’un métal change en fonction de la température. Dans le cas d’une sonde RTD Pt100, l’élément de résistance est fait de platine dont la résistance à 0°C est de 100 Ω. Pour que cette sonde soit aux normes internationales IEC 60751, son coefficient de température doit être de 0.00385 Ω/Ω/°C et sa tolérance doit être dans l’une des 4 classes normalisées, soit AA, A, B ou C. Chacune de ces classes est définie par une courbe de tolérance, où la précision de la sonde et la plage de validité de cette précision sont normalisées.
L’élément de résistance de platine peut faire partie d’un circuit à 2, 3 ou 4 fils. La constitution la plus courante est celle à 3 fils, puisqu’elle permet une compensation de la résistance des fils, donc une meilleure exactitude de mesure, tout en n’étant pas trop onéreuse. Le calcul de la température se fait ensuite à l’aide de l’équation de Callendar-Van Dusen, qui met en relation la résistance et la température d’une sonde de platine ayant un coefficient ɑ de 0.00385 Ω/Ω/°C.
La sonde RTD-PT100-SIL de Dracal Technologies est un capteur RTD de classe AA (ou 1/3 DIN) à 3 fils, permettant une excellente précision et une compensation de la résistance des fils. Elle utilise du platine aux normes IEC 60751. Afin d’obtenir rapidement la lecture d’une température, la sonde peut être branchée à un convertisseur adéquat. Celui-ci calcule la température à l’aide de l’équation de Callendar-Van Dusen, s’il suit les normes ITS-90 ou IEC 60751.
Les convertisseurs USB de Dracal Technologies (RTD_23, RTD223, RTD200 et RTD300) sont compatibles avec des sondes RTD Pt100 à 2 ou à 3 fils, peu importe leur classe IEC, vous permettant d’utiliser instantanément la sonde avec la précision dont vous avez besoin.
Pour plus amples informations sur les produits, cliquez sur l’un des liens suivants:
Sonde RTD Pt100
Convertisseurs USB: RTD_23, RTD223, RTD200 et RTD300
Ou contactez-nous pour toutes questions ou commentaires, il nous fera plaisir de vous répondre.
Références:
iqsdirectory.com. (n.d.) RTD Sensor: What Is It? How Does It Work? Types, Uses. [online] Available at: https://www.iqsdirectory.com/articles/thermocouple/rtd-sensors.html [Accessed 23 Jan. 2023].
Omega.ca. (2021). What is the Difference Between a 2, 3, and 4 Wire RTD? [online] Available at: https://www.omega.ca/en/resources/rtd-2-3-4-wire-connections [Accessed 23 Jan. 2023].
Sachs, R. (2020). Pt100 in class B or F 0.3 according to IEC 60751. [online] WIKA blog. Available at: https://blog.wika.com/knowhow/pt100-in-class-b-oder-f-03-what-does-iec-60751-say/?doing_wp_cron=1673988165.6922709941864013671875 [Accessed 23 Jan. 2023].
Senmatic.com. (2022). IEC 60751:2022 - the main points and updated tolerance classes. [online] Available at: https://www.senmatic.com/sensors/knowledge/iec-60751-sensor-tolerance-classes [Accessed 23 Jan. 2023].
TE Connectivity. (2022). Understanding RTDs. [online] Available at: https://www.te.com/usa-en/industries/sensor-solutions/insights/understanding-rtds.html [Accessed 23 Jan. 2023].