Applications de mesure de température utilisant des conditionneurs de signal

La température est l’une des grandeurs les plus couramment mesurées dans l’industrie. Il est essentiel de mesurer, de réguler et de surveiller la température pour garantir la qualité, la sécurité et le bon fonctionnement des différents processus. Pour atteindre ces résultats, certains facteurs doivent être pris en compte lors de l’élaboration d’un système de mesurage de température.

La non-linéarité des capteurs ou la précision et la stabilité nécessaires pour assurer une plus grande fiabilité en sont de bons exemples. D’autres variables, telles que les coûts de maintenance et de câblage, doivent également être prises en compte pour rendre la solution plus rentable.

De nombreux systèmes de mesurage de température ont été développés par de bons experts au fil des ans. Cependant, des doutes subsistent lorsqu’il s’agit de choisir le type de capteur à utiliser dans une application. Le choix entre la connexion directe du capteur à un appareil de régulation et l’utilisation d’un transmetteur de température pour mesurer et transmettre le signal est également une question fréquente.

Voici quelques notions de base sur la température et les variables à prendre en compte pour choisir la meilleure option de mesure de température.

 

Capteurs de température

Les capteurs les plus courants dans l’industrie sont les sondes à résistance et les thermocouples. Il est important de les identifier pour pouvoir les comparer.

• Sondes à résistance

Fondamentalement, une sonde à résistance est une résistance qui varie en fonction de la température à laquelle elle est exposée. Cette résistance peut être mesurée pour déterminer la température de l’élément. Les sondes à résistance les plus couramment utilisées dans l’industrie sont celles en platine. Les plus connues sont les Pt100, Pt1000, mais il en existe d’autres.

Les sondes à résistance sont fragiles et sensibles aux vibrations, de sorte qu’elles sont généralement encapsulées pour obtenir une plus grande résistance mécanique. Elles offrent une plus grande précision et une plus grande cohérence des résultats que les thermocouples, et sont donc largement utilisées lorsqu’une mesure plus fiable est requise.

 

• Thermocouples

Les thermocouples sont constitués de deux différents conducteurs métalliques assemblés à l’une des extrémités, ce qui crée une jonction connue sous le nom de soudure chaude. Lorsqu’il y a une variation de température, une différence de potentiel est mesurée entre les deux conducteurs à l’autre extrémité, qui est connue comme une soudure froide. Cette différence de potentiel dans l’ordre des millivolts est mesurée et interprétée en fonction des conducteurs utilisés pour la fabrication du capteur. Le résultat obtenu avec les linéarisations et les compensations est la température de la soudure chaude du thermocouple.

Plusieurs types de thermocouples sont disponibles sur le marché, les types K, J, E, T et N étant les plus courants en raison de leur faible coût par rapport aux thermocouples en métaux nobles tels que les types B, R et S, utilisés dans des applications plus spécifiques et généralement à haute température.

Les thermocouples sont particulièrement idéaux pour les applications à haute température, sont moins chers que les sondes à résistance et peuvent être fabriqués dans des dimensions plus réduites. Ils réagissent également plus rapidement aux variations de température et sont plus durables lorsqu’ils sont exposés aux vibrations et aux chocs.

 

Raccordement direct ou via un transmetteur ?

Normalement, deux possibilités de connexion sont envisagées lors du développement d’un système de mesure de température. L’une consiste à connecter directement le capteur à un instrument de mesure. L’autre est d’utiliser un transmetteur de température pour convertir le signal du capteur en un signal plus robuste, comme un signal de courant (4-20 mA) par exemple.

Certains ingénieurs de terrain pensent à tort que la connexion directe du capteur à un équipement réduit les coûts et n’a aucun impact sur la qualité de la mesure. Cependant, il y a des raisons de prendre en compte d’autres variables lorsqu’il s’agit de décider s’il convient de raccorder le capteur directement ou à l’aide d’un transmetteur.

Réduire les coûts de câblage  

Lorsque le signal d’un thermocouple doit être mesuré loin de la soudure chaude, ce signal doit être pris par des rallonge ou des câbles de compensation pour assurer sa fiabilité. Les rallonges ou les câbles de compensation sont chers et souvent trop fragiles. Une paire de ces câbles spéciaux peut coûter 5 à 10 fois plus cher qu’une paire de fils de cuivre de même longueur. Par conséquent, l’économie augmente proportionnellement à la distance de transmission du signal.

Lors de la mesure d’une sonde à résistance à quatre fils avec un transmetteur de température, une seule paire de fils est nécessaire pour transmettre le signal sur de longues distances, au lieu de quatre fils comme dans le cas d’une mesure directe. De plus, étant donné que les sondes à résistance varient en fonction de leur résistance à la température, l’impact sur la qualité de la mesure augmente avec la longueur du câble du capteur, en raison de la résistance électrique du conducteur. Les transmetteurs de température compensent généralement la résistance électrique des conducteurs à l’aide d’un algorithme.

Économie sur l’investissement dans le système

La plupart des appareils disponibles sur le marché peuvent mesurer des signaux analogiques standard en courant et/ou en tension. Des modules d’extension capables de lire des capteurs spécifiques sont largement disponibles, mais ils sont coûteux. Outre le coût élevé, un système utilisant un module d’extension nécessiterait également une connexion directe du capteur au module, ce qui n’est pas recommandé pour toutes les autres raisons déjà mentionnées dans cet article.

Protéger le mesurage des bruits extérieurs

Les signaux des thermocouples et des sondes à résistance sont sensibles au bruit dans les installations industrielles en raison de leur faible amplitude. Les interférences électromagnétiques sont présentes dans pratiquement tous les environnements industriels et peuvent affecter le signal mesuré lorsqu’une connexion directe est utilisée entre le capteur et l’appareil de mesure. Les transmetteurs sont soumis à des tests de compatibilité électromagnétique pour s’assurer qu’ils sont en mesure d’éliminer toute interférence susceptible d’affecter le signal mesuré.

Maintenance et mise en service

Les transmetteurs de température permettent une configuration et un diagnostic plus rapides et pratiques. Ces installations rendent le travail de l’ingénieur de terrain plus efficace dans le dépannage d’un système de mesure de température. En outre, les transmetteurs de température génèrent des signaux de sortie spécifiques lorsque le capteur présente un défaut ou un problème de connexion. Plusieurs transmetteurs sont proposés avec des protocoles spécifiques tels que HART®, IO-Link® ou même un port de configuration USB.

Flexibilité dans le choix du capteur  

Les transmetteurs de température ont généralement une entrée universelle, ce qui signifie qu’ils peuvent être configurés pour lire une grande variété de capteurs de température. Cela facilite le remplacement du capteur et finit par réduire le niveau de stock de distributeurs et d’intégrateurs. Si, par exemple, il est nécessaire de modifier la plage de mesurage du système, le capteur peut être remplacé et le transmetteur uniquement reconfiguré pour couvrir la nouvelle plage.

 

Comment éviter les boucles de masse ?

Les boucles de masse sont une cause fréquente de bruit et d’interférences dans les systèmes de mesurage de température. Une boucle de masse se produit lorsque deux points mis à la terre sur le même circuit ont des potentiels différents. Cet effet est généralement observé dans les applications de thermocouple mis à la terre, où une réponse rapide à la variation de température est requise.

Les boucles de masse peuvent être évitées en utilisant des transmetteurs de température isolés. Ce type spécifique de transmetteur possède une isolation galvanique entre l’entrée du capteur et sa sortie analogique. Cette isolation empêche le courant de circuler entre les deux côtés du circuit, éliminant ainsi les boucles de masse.

 

Résumé  

De nos jours, l’utilisation de transmetteurs dans les systèmes de mesurage de température devient de plus en plus courante et, dans certains cas, obligatoire. Ces dispositifs, qui existent dans différents types d’assemblage, sont des solutions très rentables grâce aux dernières technologies à microprocesseurs. Les avantages ne sont pas seulement liés à la réduction des coûts, mais aussi au gain d’efficacité dans la maintenance, le câblage, le diagnostic et la meilleure qualité de mesure.

 

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