Comment mesurer la température ?

La température est, après le temps, la grandeur physique la plus souvent mesurée. Que serait la météo sans indication des températures ?

Outre la température ambiante, la température est aussi mesurée dans beaucoup d'autres milieux. Qu'il s'agisse de la température de service d'une installation industrielle, de la température des canalisations montantes et descendantes de radiateurs, de la température de stockage de médicaments ou de la température à cœur d'un yaourt : contrairement aux prévisions météo, les valeurs de température doivent être précises et correctes dans ces domaines. Ce n'est qu'ainsi que la conformité aux normes est garantie et qu'on peut éviter des dommages aux biens précieux.

Les connaissances de base adéquates et les conseils pratiques vous préparent bien à vos tâches de mesure.

Bases physiques de la température comme grandeur de mesure

Lorsqu'un physicien parle de température, il désigne une grandeur qui mesure l'énergie inhérente aux corps. Un corps possède cette énergie en raison des mouvements aléatoires de ses atomes ou molécules. Lorsque les particules s'agitent plus vite, la température augmente. La température est donc une grandeur d'état. En commun avec d'autres grandeurs telles que la masse, la capacité thermique et autres, la température décrit l'énergie contenue dans un corps, ou, comme on dit souvent en physique, un système.

Ou tout brièvement :

L'apport d'énergie thermique provoque une augmentation de la vitesse des particules : la température monte

L'extraction d'énergie thermique provoque une diminution de la vitesse des particules : la température baisse

Si un corps ne possède plus d'énergie thermique, ses molécules sont à l'état de repos. Cet état est impossible à atteindre dans la réalité. Il est désigné comme zéro absolu car il n'existe pas d'état plus pauvre en énergie. On lui attribue la valeur de 0 K (Kelvin). C'est pourquoi la température en Kelvin est toujours une grandeur positive.

On pourrait tout à fait mesurer la température directement en unités d'énergie. Mais l'indication de la température en degrés repose sur une longue tradition et est fermement ancrée dans la physique. C'est pourquoi on a gardé cette tradition jusqu'à aujourd'hui pour des raisons pratiques.

A noter:

La température est indiquée en Kelvin (K) et mesurée en degrés Celsius (°C) ou Fahrenheit (°F) (aux Etats-Unis et dans d'autres pays) pour les utilisations quotidiennes.

Les différences de température sont toujours indiquées en Kelvin par les experts.

• Conversion : 1 K º 1 °C = 9/5 °F
• Formules de conversion selon DIN 1345 :
• tC = 5/9 (tF - 32) = TK - 273,15
• TK = 273,15 + tC
• tF = 1,8 tC + 32

Comment mesurer?

Quelle est la structure générale d'une unité de mesure?

1. La sonde : abrite le capteur. Il existe différentes formes de capteurs pour différentes applications.
2. Le tube de la sonde avec le capteur : convertit la valeur de mesure physique en signal électrique.
3. La ligne de raccordement : relie l'appareil de mesure à la sonde (capteur).
4. L'appareil de mesure : convertit les signaux de la sonde en valeurs affichées (conversion A/N).
5. La résolution : la plus petite subdivision encore lisible de l'unité de mesure.

La résolution

Dans cet exemple, l'affichage montre 22,3 °C, la résolution est donc de 0,1 °C. Si l'affichage montrait 22,34 °C, la résolution serait de 0,01 °C. Dans les appareils numériques, le dernier chiffre de l'affichage peut sauter de +/- 1 > unité. La plus petite unité est appelée digit.

Ex. : Affichage de 22,3 °C

Affichage -1 digit 22,2 °C ; affichage +1 digit 22,4 °C.

Plus la résolution d'un appareil de mesure est mauvaise, plus un saut de digit peut influencer la précision de l'appareil de mesure.

Capteurs : fonctionnement

Le choix du bon capteur est déterminant pour la précision du résultat de mesure. Mais il n'existe pas de capteur idéal pour toutes les applications :

Une large étendue de mesure signifie généralement une précision limitée.

Des sondes extrêmement rapides ne conviennent généralement pas pour les mesures dans le travail quotidien exigeant un appareil robuste.

La forme de construction détermine quelle sonde convient de manière optimale pour une tâche de mesure déterminée.

Capteurs thermocouples

Tension électrique jonction de mesure / jonction de référence.
La valeur de mesure de la jonction de référence est convertie par rapport à 0 °C.
Un temps de réponse suffisant doit être respecté.

Capteurs à résistance de platine

Principe de mesure : coefficient de température positif des métaux.

Rapport : température et résistance électrique.

Valeur de référence 0 °C à une résistance de 100 ohms par un fil de platine enroulé.

Capteurs à thermistance

Capteurs de température sur la base de céramique de mélange d'oxydes.

Coefficient de température négatif : CTN.

Sans compensation de soudure froide - idéal pour les chambres froides et de congélation.

Types de sondes 

Quelle est la tâche d'une sonde ?

Les sondes de température captent la température d'un milieu et la transmettent au capteur. A cette fin, le matériau de la sonde doit d'abord s'adapter à la température extérieure. C'est pourquoi ce n'est jamais la température du milieu qui est mesurée, mais seulement la température de la sonde ou du capteur.

La sonde a besoin d'un certain temps pour s'harmoniser avec la matière mesurée. Une sonde a adopté la température de la matière mesurée lorsque sa température est identique à 99% à la température extérieure. Ce laps de temps est appelé temps t99.

Quelles formes de construction des sondes y a-t-il ?

On distingue différentes formes de construction des sondes en fonction de l'application prévue. Tout comme on utilise p.ex. un autre couteau pour couper du pain que pour couper de la viande ; il existe aussi différentes sondes pour mesurer la température.

Sonde d'immersion / de pénétration

Harmonisation des températures de la sonde et du liquide.

Réduction du temps de réponse par agitation.

t99 env. 0,5 sec dans le cas idéal.

Sonde d'ambiance

Transfert de chaleur réduit entre l'air et le capteur.

Le capteur est libre; bon pour l'impact du flux d'air.

t99 idéalement env. 7 s.

Sonde de contact

Fort saut de température, comme l'air a un effet isolant.

Elimination de l'isolation par l'air par le thermomètre de contact.

t99 env. 3 sec dans le cas idéal.

Eviter les erreurs de mesure – Conseils pour mesurer correctement

Mesures de pénétration et d'immersion

Lors des mesures de pénétration ou d'immersion, la sonde de température est directement introduite dans l'objet de mesure. La mesure est terminée lorsque le temps t99 est atteint.

Les erreurs de mesure les plus fréquentes

Si la sonde de température est plus froide que l'objet de mesure, de l'énergie sous forme de chaleur est retirée à l'objet de mesure dans l'environnement du capteur. Si elle est plus chaude que l'objet de mesure, l'objet reçoit un apport de chaleur. Il faut aussi veiller au rapport massique de la sonde et du milieu : plus le rapport est grand, plus la quantité d'énergie retirée à l'objet est importante. Comme cette extraction d'énergie ne permet plus de mesurer la température réelle de l'objet, une masse trop importante de la sonde peut provoquer des erreurs de mesure.

Conseils pour une mesure de pénétration correcte

• La profondeur de pénétration ou d'immersion devrait s'élever à 10 à 15 fois le diamètre de la sonde.
• Lors des mesures d'immersion dans des liquides, il faudra maintenir le liquide en mouvement.
• Dans le cas idéal, t99 est atteint au bout de 0,5 secondes environ.

Mesure de contact

Dans les mesures de surface, la tête de sonde est placée verticalement sur la surface. Ici, il est important de s'assurer que ni la surface de contact de la tête de sonde, ni l'objet de mesure ne sont inégaux, car cela peut fausser la mesure.

Conseils pour mesurer la température superficielle

• Tenir la sonde perpendiculairement à la surface pour que sa pointe y repose entièrement.
• Ne pas déplacer la sonde pendant la mesure.
• Exercer une force d'appui constante et suffisante.
• Utiliser des sondes de contact de faible masse.
• Dans le cas idéal, t99 est atteint au bout de 3 secondes environ.

Mesure de la température ambiante

Pour mesurer la température de l'air en mouvement, la sonde de mesure est tout simplement tenue dans l'environnement à mesurer. Utiliser idéalement une sonde d'ambiance avec un capteur libre pour obtenir un bref temps de réaction. Le résultat de mesure peut être optimisé en déplaçant la sonde dans l'air à une vitesse de 2 m/s pendant la mesure.

Conseils pour mesurer la température ambiante

• Utiliser une sonde d'ambiance avec un capteur libre (pas de sonde de pénétration ou de contact).
• Déplacer la sonde pendant la mesure à une vitesse de 2 m/s.
• Tenir la sonde éloignée de votre corps.
• Utiliser une sonde protégée contre les radiations.
• Dans le cas idéal, t99 est atteint au bout de 7 secondes environ.