Dans l'industrie, la surveillance de la température des machines et des équipements informatiques permet de détecter rapidement les pannes ou d'allonger leur durée de vie en maintenant des températures optimales. Il existe plusieurs méthodes de mesure de la température, chacune présentant des avantages différents et adaptée à divers contextes d'application. Cet article examine trois des méthodes les plus courantes : l'utilisation de thermistances, de thermocouples et de la technologie infrarouge (IR).
thermistances
Une thermistance est une résistance dont la valeur varie en fonction de la température à laquelle elle est exposée, que ce soit par l'air ambiant ou par contact avec une surface (ou même lorsqu'elle y est intégrée). Ces composants simples sont constitués d'oxydes métalliques pressés en forme de perle, de disque ou de cylindre, selon les besoins, puis encapsulés dans de la résine époxy ou du verre. Selon les matériaux utilisés, la résistance augmente avec la température (coefficient de température positif, CTP) ou diminue (coefficient de température négatif, CTN). Les thermistances CTN sont généralement les plus courantes pour la mesure thermique, tandis que les thermistances CTP sont plus fréquemment utilisées comme fusibles thermiques.
Les thermistances présentent l'avantage d'être très faciles à utiliser, peu coûteuses, intrinsèquement robustes et de réagir de manière prévisible aux variations de température. Bien que la variation de résistance ne soit pas linéaire, elle suit une courbe prédéfinie pour un modèle de thermistance donné. De plus, les thermistances sont très sensibles, précises et possèdent une excellente stabilité. Cependant, elles ne conviennent pas à la mesure de fortes variations de température et fonctionnent généralement uniquement dans une plage assez étroite autour d'une température de base. Ceci, combiné à leur temps de réponse relativement long, peut limiter leurs applications.
Image 1 : Exemple de courbe de thermistance NTC montrant la relation entre la résistance et la température.
Les thermistances sont polyvalentes et peuvent mesurer la température ambiante, mais aussi être fixées à une surface ou insérées dans un objet (comme un dissipateur thermique) pour mesurer sa température interne. Fixées à une surface ou insérées, les thermistances constituent une méthode de mesure intrusive, car leur présence peut influencer la température mesurée. En pratique, les thermistances sont très petites et leur masse thermique est minimale, ce qui ne pose généralement pas de problème dans la plupart des cas d'utilisation.
Les thermistances peuvent être des composants à broches ou, plus couramment, des composants à montage en surface (CMS), comme la NCU15XH103D60RC , une thermistance NTC de 1,0 mm x 0,5 mm. Cette thermistance présente une résistance nominale de 10 kΩ et fonctionne à des températures comprises entre -40 et +125 °C. Bien qu'adaptée à une large gamme d'applications, elle est particulièrement bien adaptée à la compensation de température dans les circuits électriques/électroniques et les composants sensibles à la température tels que les transistors, les circuits intégrés et les oscillateurs. Avec l'essor des technologies basées sur les batteries, ces types de thermistances sont utilisés pour surveiller la température des batteries rechargeables pendant leur utilisation et leur recharge.
Image 2 : La thermistance NTC Murata NCU15XH103D60RC.
Thermocouples
En résumé, un thermocouple est constitué de deux fils de métaux différents, reliés à une extrémité et séparés à l'autre. Les variations de température à l'extrémité reliée (appelée « jonction chaude ») génèrent une faible tension à l'extrémité séparée (la « jonction froide »), proportionnelle à la différence de température entre les deux jonctions. Les thermocouples effectuent une mesure différentielle ; par conséquent, pour calculer la température de la jonction chaude, il est nécessaire de connaître celle de la jonction froide. De plus, bien que l'utilisation des termes « chaud » et « froid » soit une terminologie standard, la température de la jonction chaude peut en réalité être inférieure à celle de la jonction froide. Afin d'éviter toute confusion, certains préfèrent parler de jonctions « de mesure » et « de référence ».
Les thermocouples sont caractérisés par les fils conducteurs utilisés, plus précisément par les matériaux qui les composent. Chaque thermocouple est désigné par une lettre, les plus courantes étant J, K et T. Le thermocouple de type K est composé de deux alliages de nickel – le chromel et l'alumel – contenant du chrome, de l'aluminium, du manganèse et du silicium. La relation entre la température (différentielle) et la tension à la jonction froide est définie par le coefficient Seebeck, exprimé en V/K. Les coefficients Seebeck des types R et S sont faibles (< 10), tandis que ceux des types les plus utilisés (J, K, T et E) sont plus élevés (> 40).
Le principal avantage des thermocouples réside dans leur plage de températures extrêmement étendue (souvent de -200 à +2500 °C), ce qui les rend adaptés à des applications allant de l'avionique à la cryogénie. Ils sont également très robustes et insensibles aux chocs et aux vibrations. En tant que dispositifs passifs, ils sont intrinsèquement sûrs, ce qui permet leur utilisation dans des environnements dangereux contenant des gaz potentiellement explosifs. Les thermocouples ont une faible masse thermique, ce qui signifie qu'ils réagissent aux variations brusques de température, souvent en moins d'une seconde. Cependant, ils ne sont pas idéaux pour toutes les applications : l'un de leurs principaux inconvénients est la très faible amplitude du signal. Un conditionnement de signal avancé peut s'avérer nécessaire pour améliorer le rapport signal/bruit. Du fait de leur longueur, les thermocouples peuvent être sensibles aux interférences, bien que ce risque puisse être réduit en torsadant les fils ou en les gainant avec un tube anti-interférences. Ils peuvent également être sujets à la corrosion. Un autre inconvénient majeur est leur manque de précision (généralement de l'ordre de ±1 °C). Ceci pose problème pour la mesure de températures relativement basses, mais s'avère très pratique pour la mesure de phénomènes tels qu'un moteur à réaction ou une flamme. De plus, la sortie d'un thermocouple n'est pas linéaire, bien que les types J et K aient des régions linéaires (pratiquement) importantes, ce qui est l'une des raisons de leur popularité.
Les ingénieurs concepteurs souhaitant exploiter la flexibilité des thermocouples sans les contraintes d'un traitement du signal complexe peuvent utiliser le MCP9600/L00 de Microchip. Ce dispositif se connecte directement à un thermocouple (type K, J, T, N, S, E, B ou R) et fournit à la tension du thermocouple le conditionnement de signal et la correction de non-linéarité nécessaires, transmettant la valeur de température via un bus I2C à deux fils de 100 kHz. Idéal pour les applications IoT alimentées par batterie, il ne consomme que 300 A en fonctionnement et seulement 2 A en veille. Chaque unité dispose de quatre registres intégrés pour la configuration d'alertes de température personnalisées.
mesure de température infrarouge
Les thermistances et les thermocouples effectuent des mesures par contact, c'est-à-dire qu'ils doivent être en contact avec l'objet mesuré. Dans certains cas, cela peut constituer un inconvénient, et dans d'autres, cela peut affecter les mesures obtenues, la sonde de mesure pouvant agir comme un dissipateur thermique. La détection de température infrarouge (IR) gagne en popularité dans des applications telles que la santé et l'industrie, car elle est précise, fiable et robuste. Son fonctionnement repose sur le principe que tout corps émet un rayonnement thermique et sur la loi de Stefan-Boltzmann (qui stipule que l'énergie émise par un corps noir par unité de surface est proportionnelle à la puissance quatrième de sa température).
Un capteur à thermopile utilise une fine membrane thermiquement isolée, connectée en série à plusieurs microthermocouples miniatures. Grâce à sa faible masse thermique, la membrane chauffe rapidement, permettant ainsi des mesures en continu. Une thermistance de référence détermine la température de la jonction froide afin de générer une mesure de température absolue. Les structures SMEM sont souvent utilisées pour miniaturiser les capteurs et les intégrer dans des appareils portables (tels que les téléphones mobiles).
L'un des dispositifs récemment développés sur ce modèle est le capteur infrarouge miniature sans contact Melexis MLX90632. Il est calibré en usine pour des températures ambiantes comprises entre -20 et 85 °C et des températures d'objets comprises entre -20 et 200 °C. La température mesurée correspond à la moyenne des températures dans le champ de vision de 50° du capteur. Ce dispositif Melexis intègre des algorithmes de compensation sophistiqués afin de garantir la précision des mesures. Ce capteur ultra-compact contient une thermopile pour mesurer l'énergie de l'objet, ainsi qu'un élément sensible qui enregistre sa propre température. Les deux signaux sont amplifiés, numérisés et filtrés numériquement avant d'être stockés en mémoire vive (RAM) puis mis à la disposition du système (par exemple, le microcontrôleur) via l'interface.
Résumé
Bien que la température puisse paraître un paramètre élémentaire, elle n'en demeure pas moins l'un des plus critiques. Elle est essentielle à la surveillance de notre environnement et à l'évaluation des performances des machines, notamment dans le domaine de la santé. Ce bref aperçu des différentes méthodes et dispositifs de régulation thermique (avec leurs avantages et inconvénients respectifs) aidera les ingénieurs à choisir la méthode la plus adaptée à leur application.
