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Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
i
Projet interne
Thème
Présenté par :
CHIGBLO Arnaud, COULIBALY Bakary & SENE Sérigne Fallou
Encadreur Pédagogique
République de Côte d’Ivoire
Union-Discipline-Travail
Ministère de l’enseignement supérieur
et de la recherche scientifique
Centre Régional de Formation
Supérieure en Métrologie
CAPTEURS DE TEMPERATURE :
TECHNOLOGIE, PROCEDURE D’ETALONNAGE
ET ESTIMATION DES INCERTITUDES
Prof. KOFFI Ekoun Paul Magloire
Enseignant-chercheur
Année académique : 2016-2017
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
i
REPUBLIQUE DE CÔTE D’IVOIRE
********
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA
RECHERCHE SCIENTIFIQUE
*******
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE
Félix HOUPHOUËT BOIGNY
*******
CENTRE REGIONAL DE FORMATION SUPERIEURE EN
METROLOGIE
*******
DIRECTEUR : DIRECTEUR DES ETUDES :
Ing. Modeste N’Guetta ASSEMIEN
Enseignant-chercheur
DFR GME INP-HB
Prof. Georges LOUM
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
i
DEDICACE
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
ii
A nos familles respectives, qui nous ont appris que la réussite est au bout de
l’effort.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
iii
REMERCIEMENTS
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
iv
 A Mr le Directeur de CREFSEM, Prof. Georges LOUM par sa clairvoyance.
 A Mr Modeste N’Guetta ASSEMIEN, Directeur des études du CREFSEM par
ses efforts quotidiens pour la réussite de notre formation.
 A tous les autres membres de l’administration pour leur dévouement au travail.
 Au Prof KOFFI Ekoun Paul Magloire, notre superviseur ! Votre sens du travail
bien fait et votre rigueur ont permis la réalisation de ce travail. Malgré vos
multiples occupations, vous avez été toujours présent et disponible.
 A tous les auditeurs de la 1ère
promotion du Centre Régional de Formation
Supérieure en Métrologie (CREFSEM). Chers collègues, votre
compagnonnage nous a été utile.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
v
LISTE DE SIGLES ET
ABREVIATIONS
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
vi
SI : Système International d’unités
RTD : Resistance Temperature Detector/ Capteur à résistance de température
f.é.m. : force électromotrice
IR : Infrarouge
K : Kelvin
°C : Degré Celsius
CEI : Commission Electrotechnique Internationale
Pt100 : Sonde de platine à une résistance de 100Ω à la température de 0°C
NF : Norme Française
ISO : International Organization for Standardization/ Organisation Internationale
de Normalisation
EIT-90 : Echelle Internationale de Température de 1990
FD : Fascicule de Documentation
EN : European Norm
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
vii
LISTE DES TABLEAUX ET
FIGURES
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
viii
I. LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Tableau synthétique des thermocouples ...........................................14
Tableau 2: Milieu de comparaison avec leur domaine de température .............25
Tableau 3: Différents points de changement d’état de l’EIT-90 avec leur
température en Kelvin et en degré Celsius..........................................................32
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ix
II. LISTE DES FIGURES
Figure 1: Schéma bloc d'un système de mesure numérique .................................6
Figure 2: Photo d'un capteur de température à résistance métallique...................8
Figure 3: Photo d'une thermistance à coefficient négatif....................................10
Figure 4: Photo d'un thermocouple de type K.....................................................12
Figure 5: Schéma du principe de fonctionnement de thermocouple...................13
Figure 6: Variation de la f.é.m. des différents thermocouples en fonction de la
température..........................................................................................................15
Figure 7: Photo d'un pyromètre optique..............................................................16
Figure 8: Méthode d’étalonnage par comparaison à un étalon de référence. .....28
Figure 9: Etalonnage d’un thermomètre à capteur infrarouge au moyen d’un
calibreur IR. .......................................................................................................29
Figure 10 : Schéma d’une cellule scellée point fixe ..........................................34
Figure 11 : Schéma d’un four moyenne température..........................................35
Figure 12: Inventaire de l’ensemble des causes d’incertitude sur la mesure de
température .........................................................................................................43
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
x
SOMMAIRE
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
xi
INTRODUCTION …………………………………………................................1
I. GENERALITES ………………………………………………….………3
1. Température………………………………………………………………4
2. Capteur……………………………………………………………………5
II. TECHNOLOGIE………………………………………………………….7
1. Capteur de température à contact………………………………………….8
2. Capteur de température à distance……………………………………….16
III. PROCEDURE D’ETALONNAGE………………………………...……19
1. Etalonnage par comparaison à un capteur de référence dans un milieu
d’étalonnage…………………………………………………………..…20
2. Etalonnage par comparaison aux points fixes de l’EIT-90…………….…30
IV. ESTIMATION DES INCERTITUDES………………………………….37
1. Sources d’incertitudes de mesure………………………………………...38
2. Méthodes de calcul d’incertitude………………………………...………39
CONCLUSION………………………………………………………………...44
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
1
INTRODUCTION
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
2
Le mot température est perçu comme étant la sensation de chaud et de
froid. C’est une grandeur intensive différente de certaines grandeurs physiques
qui sont des grandeurs extensives.
Pour mesurer la température, il est nécessaire de mesurer une grandeur
physique dépendant de la température telles que la résistance, la tension, le
rayonnement etc. Cela sous-entend qu’il existe une relation mathématique qui
relie une grandeur G à la température et qui incombe forcement l’utilisation
d’instruments de mesure appropriés que sont les capteurs de température. Ces
derniers sont des éléments qui transforment la grandeur physique d’entrée en une
autre grandeur physique de nature électrique. Cette grandeur électrique varie
proportionnellement avec la température.
Les capteurs de température sont susceptibles de donner des résultats
exacts (résultats justes et fidèles) afin de permettre de bonnes prises de décisions.
Il est alors important que ces capteurs soient soumis aux étalonnages pour la
détermination de l’incertitude associée à chaque résultat de mesure. D’où le sujet
soumis à notre réflexion : « capteurs de température : technologie, procédure
d’étalonnage et estimation des incertitudes »
Cependant, on peut se poser la question de savoir comment les capteurs
interviennent- ils dans le processus de mesurage des températures ? Pour répondre
à cette interrogation nous nous limiterons à parler de façon générale de la
température et des capteurs tout en citant les différentes technologies des capteurs
de température ainsi que les procédures d’étalonnage et le calcul d’incertitude.
Eu égard à toutes ces considérations, nous ferons une brève généralité sur
la température et les capteurs, ensuite citer les différentes technologies des
capteurs utilisés pour la mesure de température et enfin nous allons décrire la
procédure d’étalonnage de ces capteurs et les méthodes utilisées pour estimer les
incertitudes de mesure.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
3
Première partie
GENERALITES
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
4
Les capteurs de température sont des instruments de mesure utilisés pour
mesurer la température d’un matériau.
1- TEMPERATURE
La température est une variable d'état intensive. Au sens propre du terme,
elle n’est pas directement mesurable. Une grandeur est mesurable quand nous
pouvons la comparer à une autre grandeur connue de même nature, l’étalon. Nous
mesurerons donc la température grâce à son influence sur une autre grandeur
physique tout en connaissant la loi de cette variation. Les deux principales
grandeurs physiques mesurées en milieu industriel pour exprimer une température
sont :
 la résistance électrique, grâce aux sondes à résistance,
 la f.é.m. grâce aux thermocouples.
D’autres solutions existent, comme les thermomètres bimétalliques et le
thermomètre à bulbe basé sur les phénomènes de dilatation, ou encore la
pyrométrie infrarouge fonctionnant sur la mesure du rayonnement. A l'échelle
moléculaire, elle est liée à l'énergie cinétique moyenne des constituants de la
matière. Cependant, à l'échelle macroscopique, certaines propriétés des corps
dépendent de la température (volume massique, résistivité électrique, ...). La
mesure de la température se fait dans plusieurs domaines tels que : génie
chimique, industrie agro-alimentaire, analyse de fonctionnement : moteurs,
navettes spatiales, gestion de bains de peinture, etc. [15]
La mesure d'une température est calibrée dans l'une des différentes
échelles des températures : degrés Celsius, degrés Fahrenheit, Kelvin, etc. L'unité
S.I. de température est le Kelvin (K). Le degré Celsius (°C, ou "degré centigrade")
est couramment utilisé. Le degré Fahrenheit (°F) est également une échelle de
température de même que l'échelle Rankine (°R). La relation entre les différentes
échelles de température s’exprime de la façon suivante :
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
5
𝛉(°𝐑) = 𝟏, 𝟖 𝛉(°𝐊) = 𝟒𝟗𝟐 + 𝟏, 𝟖 𝛉(°𝐂) = 𝟒𝟔𝟎 + 𝛉(°𝐅) (1)
Une échelle de température a été mise au point, c’est l’« EIT-90 » (Echelle
Internationale de Température) qui a défini des points de référence fixes de
température basés sur des phénomènes physiques de changement d’état d’un
corps. Ces points sont plus particulièrement des points triples, des points de fusion
d’un corps et des points de congélation.
2- CAPTEURS
Un capteur est un élément de collecte d’information capable de
transformer une grandeur physique en une autre grandeur physique de nature
différente, généralement électrique, qui peut être interprétée par un dispositif de
contrôle commande.
Dans le capteur, on retrouve un premier élément appelé corps d'épreuve.
Cet élément mécanique réagit sélectivement à la grandeur physique à mesurer. La
réaction d'un corps d'épreuve peut être sous forme électrique ou non. Dans la
plupart des cas, il faut convertir la réaction du corps d'épreuve en un signal
électrique via l'élément de transduction. L'élément de transduction est important,
car c'est lui qui assure qu'en bout de ligne le signal de sortie soit de nature
électrique. L'élément de transduction peut générer l'un des types de signaux
suivants : une tension électrique, un courant électrique, des charges électriques ou
finalement des variations d'impédance. Le signal de sortie du capteur peut être
directement exploitable ou non. S'il n'est pas directement exploitable, il faut alors
recourir à un élément nommé module électronique de conditionnement.
La figure 1 indique les différents éléments intervenant dans la constitution
interne d’un capteur.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
6
Figure 1: Schéma bloc d'un système de mesure numérique
Les capteurs peuvent être classés en deux catégories que sont les capteurs
actifs et les capteurs passifs.
Les capteurs actifs sont des capteurs qui fonctionnent en générateur. Le
corps d'épreuve ou l'élément de transduction utilise un principe physique qui
assure la conversion en énergie électrique, l'énergie propre au mesurande. Quant
aux capteurs passifs, ils utilisent les variations d'impédance. L'impédance présente
dans l'élément de transduction réagit aux variations du mesurande aux travers des
effets du mesurande sur le corps d'épreuve. L'impédance peut être résistive,
capacitive ou inductive. Par ailleurs, il existe une autre catégorie de
capteurs appelés capteurs intégrés. Ce dernier est un composant réalisé par les
techniques de la micro-électronique.
La thermométrie par contact utilise ces trois familles de capteurs qui
possèdent donc des caractéristiques différentes et permettent ainsi d’avoir une
multitude de capteurs pour des applications variées. La thermométrie par
résistance utilise des capteurs passifs alors que les thermocouples sont des
capteurs actifs et bien évidemment la thermométrie par diode et transistor utilise
des capteurs intégrés.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
7
Deuxième partie
TECHNOLOGIE
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
8
La technologie d’un capteur est l’ensemble des techniques ayant trait à la
nature des composants des différents organes du capteur et de ses périphériques.
Plusieurs technologies de capteurs sont utilisées pour la mesure de la température.
Nous avons les capteurs de température à contact et les capteurs de température à
distance.
1. CAPTEURS DE TEMPERATURE A CONTACT
Les capteurs de température à contact nécessitent un contact physique
avec la matière ou l’objet. Ils se basent sur le principe d’échange de chaleur entre
l'objet et le capteur jusqu'à l'équilibre. Au nombre des capteurs de température à
contact, nous pouvons citer : les capteurs à résistance métalliques, les
thermistances et les thermocouples.
1.1.Capteurs à résistance métalliques
Ils sont des capteurs ayant un conducteur métallique dont la résistance
varie en fonction de la température.
La figure n°2 ci-dessous montre un capteur à résistance métallique.
Figure 2: Photo d'un capteur de température à résistance métallique
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
9
1.1.1 Principe de fonctionnement
Les capteurs à résistance métalliques fonctionnent sur le principe des
variations de résistance électrique des métaux purs et se caractérisent par une
modification positive linéaire de la résistance en fonction de la température. Une
fois chauffée, la résistance du métal augmente et inversement une fois refroidie,
elle diminue.
Les éléments types utilisés pour les capteurs à résistance métallique
incluent le tungstène (W), le nickel (Ni), le cuivre (Cu) et le platine (Pt). Le platine
est de loin le plus courant, en raison de l’étendue de sa gamme de températures
(-200°C à 600°C), de sa précision et de sa stabilité.
Faire passer le courant à travers une sonde RTD, génère une tension à
travers celle-ci. En mesurant cette tension, on peut déterminer sa résistance et
ainsi, sa température.
1.1.2 Caractéristiques
Les capteurs à résistance de température sont habituellement classés par
leur résistance nominale à 0°C. Les valeurs de résistance nominale types pour les
RTD à film fin en platine sont comprises entre 100 et 1000 Ω. La relation entre la
résistance et la température est presque linéaire et respecte l’équation suivante :
Pour T > 0 °C, 𝐑(𝐓) = 𝐑 𝟎 [𝟏 + 𝐚𝐓 + 𝐛𝐓 𝟐
] (2)
Avec: R(T) = Résistance à la température T,
R0 est la résistance nominale,
a et b sont des constantes utilisées pour mettre à l’échelle le capteur de
température à résistance métallique.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
10
1.1.3 Avantages et inconvénients
Populaires pour leur stabilité, leur bonne reproductibilité et leur temps de
réponse allant de 0,5 à 5 secondes, les capteurs de température à résistance sont
très précis et présentent un signal le plus linéaire de tous les capteurs en matière
de température. C’est un capteur simple à mettre en œuvre.
Cependant, ils sont sensibles à l’auto-échauffement et à la résistance des
fils de connexions et perturbables par l’effet joule. Du point de vue de leur
construction, ils sont encombrants et coûtent généralement plus chers que leurs
équivalents à cause de leur construction plus délicate et le recours au platine [15].
Ils sont aussi influencés par l’humidité et les gaz corrosifs.
1.2.Thermistances
Une thermistance est un agglomérat d’oxydes métalliques frittés, rendus
compacts par haute pression (150 bar environ) exercée à une température élevée
1000°C). [6]
La figure n°3 ci-dessous montre la photo d’une thermistance.
Figure 3: Photo d'une thermistance à coefficient négatif
1.2.1 Principe de fonctionnement
Les thermistances, comme les capteurs à résistance métalliques, sont des
conducteurs thermosensibles dont la résistance varie avec la température. Les
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
11
thermistances sont constituées d’un matériau semi-conducteur d’oxyde
métallique encapsulé dans une petite bille d’époxy ou de verre.
En outre, les thermistances présentent généralement des valeurs de
résistance nominale plus élevées que les RTD (de 2 000 à 10 000 Ω) et peuvent
être utilisées pour de plus faibles courants.
1.2.2 Caractéristiques
Les thermistances sont des capteurs à base d’oxydes métalliques frittés et
rendus compacts. Il existe deux grandes sortes de thermistances : celles à
Coefficients de Température Négatif (CTN) et celles à Coefficients de
Température Positif (CTP). Ce qui veut dire que leur résistance augmente ou
diminue lorsque la température augmente. Les CTN ont la particularité de voir
leur résistance diminuer de façon uniforme quand la température augmente ; ce
qui en fait une des thermistances les plus utilisés. Les CTN peuvent se trouver
sous diverses formes : perles de verre, disques, pastilles, rondelles, puces etc. [15]
La relation résistance-température des CTN est la suivante :
𝑹 = 𝑹 𝟎 𝒆−𝑩𝑻
(3)
Avec R0 la résistance à 0°C et B un coefficient.
1.2.3 Avantages et inconvénients
Bien qu’elles soient moins chères, les thermistances ont un temps de
réponse rapide. Malgré ce temps de réponse de l'ordre de la seconde, elles ne
peuvent être utilisées que dans une gamme de températures ne dépassant pas 300
°C. Les thermistances ont une sensibilité de mesure très élevée (~200 Ω/°C), ce
qui les rend très sensibles aux variations de températures et à l’auto-échauffement.
Leur non-linéarité peut parfois être un frein à leur utilisation ainsi que leur étendue
réduite (de -110 °C à 250 °C) et leur faible interchangeabilité. [15]
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
12
1.3 Thermocouples
Ils sont des couples de matériaux dont l’effet Seebeck est utilisé pour la
mesure de température.
La figure 4 ci-dessous montre la photo d’un thermocouple de type K.
Figure 4: Photo d'un thermocouple de type K
1.3.1. Principe de fonctionnement
Les thermocouples sont de capteurs actifs qui délivrent une f.é.m. lorsque
ceux-ci sont soumis à une modification de la température. Le principe de
fonctionnement est basé sur l’effet Seebeck qui, lorsque deux conducteurs
métalliques sont reliés par deux jonctions soumises à des températures différentes,
crée une différence de potentiel aux bornes du circuit. La nature des matériaux
conducteurs utilisés définit le type du thermocouple. Le principe utilisé nécessite
que la température de référence soit connue [14 ; 15].
La figure 5 ci-dessous illustre le principe de fonctionnement.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
13
Figure 5: Schéma du principe de fonctionnement de thermocouple.
1.3.2. Caractéristiques
Un certain nombre de conducteurs peuvent être associés pour former des
thermocouples. Au fil du temps, une sélection de combinaisons s’est imposée
formant les gammes de thermocouples utilisés actuellement et identifiés par un
symbole [14].
Une des normalisations, la CEI 584.1, est une table de référence de huit
(8) produits classés dans deux catégories, ceux à base de métaux précieux,
habituellement plus stables et couvrant une plage de mesure plus étendue, et ceux
à base de métaux plus communs qui ont par contre une force électromotrice
(f.é.m.) plus élevée (figure 6). Un type de thermocouple est généralement désigné
par une lettre. Parmi les types de thermocouples courants, on peut citer les B, E,
J, K, N, R, S et T comme l’indique le tableau 1 suivant :
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
14
Tableau 1: Tableau synthétique des thermocouples
(*) Les températures indiquées sont des valeurs de domaine et ne peuvent pas être
considérées comme des limites réelles.
La tension délivrée par un thermocouple n’est pas linéaire par rapport à la
température. La variation de la f.é.m. des différents types de thermocouple en
fonction de la température est présentée dans la figure 6 ci-dessous.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
15
Figure 6: Variation de la f.é.m. des différents thermocouples en fonction de la
température.
1.3.3. Avantages et inconvénients
Les différents types de thermocouples présentent des avantages et
inconvénients en fonction de la combinaison des métaux constitutifs.
Les thermocouples sont les capteurs les plus souvent utilisés pour la
mesure de températures, car ils sont relativement peu onéreux, tout en étant précis
(une précision de l’ordre de ±0,2%,) et peuvent fonctionner sur une large gamme
de températures (-270°C à 2700°C). Ils sont robustes (résistent aux chocs et aux
vibrations) avec un temps de réponse rapide (de l'ordre de la milliseconde). Ils
n’exigent pas une alimentation extérieure. Leur non-linéarité peut être un frein à
leur utilisation.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
16
2. CAPTEURS DE TEMPERATURE A DISTANCE
Les pyromètres optiques sont des capteurs utilisés pour la mesure de la
température sans être en contact avec l’objet dont on veut déterminer la
température. La figure 7 ci-après présente la photo d’un pyromètre optique.
Figure 7: Photo d'un pyromètre optique
2.1. Principe de fonctionnement
La pyrométrie optique est une méthode de mesure de la température basée
sur la relation entre la température d’un corps et le rayonnement optique
(infrarouge ou visible) que ce corps émet. Elle permet la détermination de la
température sans contact avec l’objet.
2.2. Caractéristiques
Les pyromètres optiques peuvent être caractérisés par le fait que
l’utilisation des grandeurs spectrales à une longueur d’onde donnée ou sur
l’ensemble du spectre visible et infrarouge donne des résultats qui n'ont pas la
même signification. [4]
Cependant, on distingue :
 le pyromètre monochromatique à disparition de filament ;
 le pyromètre bichromatique ;
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
17
 le pyromètre mesurant une énergie.
Ces trois pyromètres ont le même principe de base : un dispositif optique
forme l'image de la source à analyser sur un récepteur qui compare ensuite la
valeur donnée avec une source de référence.
 Pyrométrie monochromatique à disparition de filament
Un filament de tungstène ayant une longueur d’onde de λ=0,65 μm sert de
référence dans ce montage. L'image de ce filament est superposée à l'image de la
source à analyser. Dès qu’on superpose les deux éléments et connaissant le
comportement du filament, il sera possible dans déduire la température de la
source.
 Pyrométrie bichromatique
Ce pyromètre est un double pyromètre monochromatique qui exploite
deux plages voisines du rayonnement thermique centrés sur deux longueurs
d'onde voisines de même largeur. Le rapport des signaux délivré par le détecteur
ne dépend que de la température de la cible. Il est indépendant de l'émissivité de
la cible ce qui est très utile lorsque l’on ne connait pas l'émissivité de la source.
 Pyrométrie mesurant une énergie
L'ensemble du spectre de rayonnement thermique de la cible (en fait une
grande partie) est reçu par un détecteur à large bande, de type thermique. La
différence de température entre l'élément thermosensible et la température
ambiante est mesurée le plus souvent avec des thermocouples qui fournissent une
f.é.m. Un étalonnage en se servant du corps noir permet de relier la f.é.m. aux
températures d'un corps noir.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
18
2.3. Avantages et inconvénients
Les pyromètres ont un avantage indéniable sur les autres capteurs car ils
mesurent des températures à distance. En outre, d'autres caractéristiques peuvent
être intéressantes à savoir, comme le fait que ces capteurs ont une grande étendue
de mesure (400 à 6000°C) ayant aussi une précision allant de 0,5% de la valeur
mesurée quand l’on mesure des températures inférieures à 1500°C et à 1% de la
valeur mesurée si l’on mesure des températures supérieures à 1500°C. Ces
pyromètres ont un temps de réponse très court (environ 10 ms). Les pyromètres
sont capables de faire des mesures sur les matériaux à mauvaise conductivité
thermique comme le plastique et le bois. Ils permettent également d’effectuer des
mesures hygiéniques et sans action mécanique sur la surface à mesurer.
Les inconvénients sont évidemment d'ordre technique avec des
performances optiques assez médiocres : diamètre de mesure très large, effet de
taille de source très important, bande spectrale de réponse parfois étendue,
pouvant inclureun domaine de faible transmission atmosphérique. Ils ne mesurent
pas la température des gaz.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
19
Troisième partie
PROCEDURE D’ETALONNAGE
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
20
L’étalonnage est une opération qui, dans des conditions spécifiées, établit
en une première étape une relation entre les valeurs et les incertitudes de mesure
associées qui sont fournies par des étalons et les indications correspondantes avec
les incertitudes associées, puis utilise en une seconde étape cette information pour
établir une relation permettant d'obtenir un résultat de mesure à partir d'une
indication. [9]
La procédure d’étalonnage comprend les points suivants :
 objet et domaine d’application ;
 principe de la méthode ;
 références normatives ;
 termes et définition ;
 méthode d’étalonnage ;
 conditions d’environnement ;
 moyens d’étalonnage ;
 opérations préliminaires ;
 mode opératoire ;
 traitement des résultats et calcul d’incertitude.
On distingue deux méthodes d’étalonnage à savoir la méthode
d'étalonnage par comparaison avec un capteur de référence et la méthode par
comparaison aux points fixes de l'Echelle Internationale de Température de 1990
(EIT-90).
1. ETALONNAGE PAR COMPARAISON A UN CAPTEUR DE
REFERENCE DANS UN MILIEU D’ETALONNAGE
1.1.Objet et domaine d'application
La présente partie a pour objet de définir des méthodes pratiques et
reproductibles destinées à la rédaction d’une procédure d’étalonnage des capteurs
à résistance de température, des thermocouples et des pyromètres optiques.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
21
1.2. Principe de la méthode
Etalonner un capteur par comparaison consiste à le placer dans un milieu
dont la température uniforme et stable est mesurée à l’aide d’un capteur étalon,
pris comme référence.
1.3.Références normatives
- NF ENV 13005 :1999, Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure ;
- NF X 07-001 :1994, Norme fondamentales — Vocabulaire international des
termes fondamentaux et généraux de Métrologie ;
- FD X 07-012 :1995, Métrologie — Métrologie dans l’entreprise — Certificat
d'étalonnage des moyens de mesure ;
- FD X 07-029-1, Métrologie — Procédure d’étalonnage et de vérification des
thermomètres – Partie 1 : Procédure d’étalonnage et de vérification des
thermomètres à résistance.
1.4.Termes et définitions
Étalon de référence : étalon conçu pour l’étalonnage d’autres étalons de
grandeurs de même nature dans une organisation donnée ou en un lieu donné [9],
Générateur de température : dispositif qui permet de matérialiser les différents
points de mesure nécessaires à l’étalonnage. Il peut être constitué d’un four, d’un
bain thermostaté, d’un cryostat, etc.
1.5.Méthode
Elle consiste à comparer les indications données par un instrument de
mesure aux valeurs fournies par un étalon, tous placés dans un même milieu stable
et homogène. [2]
Il est évident que, dans cette méthode d’étalonnage, on fait l’hypothèse
que les éléments sensibles de la sonde étalon et de la sonde en étalonnage sont à
la même température.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
22
Cette hypothèse ne sera jamais parfaitement satisfaite. La différence de
température dépendra :
 de l’uniformité en température du milieu de comparaison ;
 de la différence de technologie entre les sondes étalon et en étalonnage
(longueur de l’élément sensible, temps de réponse, nature de la gaine…).
La chaîne de mesure de température utilisée comme étalon doit être
traçable (raccordée par une chaîne ininterrompue) aux étalons nationaux ou
internationaux.
1.6.Conditions d’environnement
Dans la mesure du possible, les conditions d’environnement de
l’étalonnage seront proches de celles du lieu habituel d’utilisation du thermomètre
à étalonner. L’étalonnage doit être réalisé dans les mêmes conditions que celles
de l’utilisation habituelle. Ces conditions dépendent de :
 Température ambiante : Ce paramètre est souvent une grandeur
d’influence des chaînes de mesure de température. L’utilisateur doit alors
utiliser l’instrument dans les mêmes conditions de température que lors de
son étalonnage.
 Humidité relative : Ce paramètre peut altérer les caractéristiques
métrologiques d’un instrument de mesure (possibilité de condensation).
 Rayonnement solaire : Des précautions doivent être prises afin de protéger
les étalons contre l’effet de ce paramètre (orientation des fenêtres vers le
nord, protection par des stores ou films thermiques, positionnement des
étalons loin des vitres).
 Pression : L’étalonnage doit être effectué à la pression atmosphérique.
Lorsque les conditions d’environnement ne sont pas maîtrisées, il est
nécessaire d’évaluer l’influence des paramètres (température, humidité relative,
pression atmosphérique, rayonnement) sur les bilans d’incertitudes et les
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
23
paramètres susceptibles de perturber les mesures (réseau électrique, compatibilité
électromagnétique, vibrations, etc.) [5 ; 12].
1.7.Moyens d’étalonnage
Le choix du milieu de comparaison dépend de différents facteurs tels que
le domaine de température, l’incertitude finale recherchée, les conditions
spécifiques de l’étalonnage. La chaîne étalon doit faire l’objet d’un contrôle
régulier de sa stabilité et être périodiquement raccordée aux étalons nationaux ou
internationaux [2].
Pour un bon étalonnage, un dispositif d’étalonnage approprié doit être mis
en place tout en tenant compte des conditions environnementales (température,
humidité relative, rayonnement solaire, pression…) du laboratoire.
1.7.1. Etalon
Tout thermomètre dont l’étalonnage est traçable à des étalons nationaux
ou internationaux peut être utilisé comme étalon. Son choix dépend de différents
facteurs tels que :
 le domaine de température ;
 l’incertitude finale recherchée : compatibilité avec les composantes
d’incertitude de l’étalon (incertitude d’étalonnage, dérive, fidélité,
conditions d’utilisation, modélisation de la correction, conditions
d’environnement, résolution…) ;
 les conditions spécifiques de l’étalonnage (utilisation dans un bain
liquide par exemple,…);
 la fonctionnalité de l’instrument (mémorisation, liaison PC,…) etc.
Le choix d’un étalon doit être accompagné de l’identification d’un
prestataire d’étalonnage pour son raccordement aux étalons nationaux. Celui-ci
doit posséder une chaîne d’étalonnage dont :
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
24
o le domaine de température correspond à celle couverte lors de
l’utilisation de l’étalon,
o l’incertitude d’étalonnage est compatible avec l’incertitude finale
recherchée [2 ; 7 ; 12].
1.7.2. Milieu de comparaison
La qualité de la méthode par comparaison dépend fortement de la capacité
à amener et à maintenir le thermomètre à étalonner et le capteur étalon à la même
température. Le laboratoire vérifie une fois par an que la caractéristique de ces
milieux n’a pas évolué. Les thermomètres ne doivent pas être insérés directement
dans les bains de sel et les bains à lit fluidisé. Ils doivent être protégés de la
corrosion par une gaine métallique.
Les milieux de comparaison généralement utilisés sont résumés dans le
tableau 2 suivant : [5]
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
25
Tableau 2: Milieu de comparaison avec leur domaine de température
Domaine de température Milieu et dispositif de comparaison
-160°C 0°C
-70°C à 0°C
-50°C à 20°C
2°C à 95°C
-60°C à 280°C
Iso-pentane
Alcool éthylique
Eau + Ethylène glycol
Eau
Huile silicone
Bain liquide à circulation
200°C à 550°C Sel Bain de sel de nitrite
200°C à 700°C Alumine Bain à lit fluidisé
-170°C à -120°C
-40°C à 60°C
30°C à 140°C
130°C à 300°C
400°C à 700°C
500°C à 800°C
600°C à 970°C
Méthane
Ammoniaque
Eau
Fluides organiques
Césium
Potassium
Sodium
Four à caloducs
-40°C à 200°C Air Enceinte climatique a)
200°C à 1000°C Air Fours à résistance électrique
a) Dispositif à réserver de préférence pour l’étalonnage des instruments non immergeables.
1.8.Opérations préliminaires
Avant l’étalonnage, un examen visuel est réalisé ainsi qu’un nettoyage du
capteur. Le temps de préchauffage des instruments électroniques doit être
respecté. Dans les conditions d’étalonnage, il est important de prendre en compte
la température ambiante, le fluide utilisé et la tension d’alimentation des différents
moyens de mesure. Pour l’examen visuel, il faut :
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
26
 s’assurer de l’identification du thermomètre à étalonner ;
 s’assurer de l’absence de défaut mécanique ;
 dans le cas d’un thermocouple, s’assurer de l’absence de trace d’oxydation
ou d’humidité autour des connexions des fils d’extension ou de
compensation (par des mesures de résistance d’isolement par exemple) ;
 s’assurer de la validité du certificat d’étalonnage et vérifier que l’étalon ne
présente pas de défaut mécanique.
1.9.Mode opératoire
1.9.1. Cas général
Il doit être établi afin de réaliser des étalonnages d’une manière
reproductible.
Les différents éléments permettant d’élaborer le mode opératoire sont
énumérés ci-dessous.
- le nombre de points d’étalonnage est fonction des conditions d’utilisation.
L’étalonnage est effectué à un ou plusieurs points de température en fonction
des conditions d’utilisation. Le nombre de points d’étalonnage est fixé, soit
par l’utilisateur, soit par le laboratoire d’étalonnage après accord de
l’utilisateur.
- la profondeur d’immersion du capteur dans le milieu : Elle doit être adaptée à
la longueur de l’élément sensible et aux caractéristiques thermiques du milieu
de comparaison (profil thermique dans les puits des fours d’étalonnage par
exemple). La différence des dimensions des éléments sensibles du
thermomètre étalon et du capteur à étalonner peut entraîner des erreurs
importantes (en particulier si le milieu de comparaison est un four). Afin de
s’assurer que la profondeur d’immersion est suffisante, celle-ci doit être
modifiée d’une longueur au moins égale à l’élément sensible. La variation de
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
27
température entraînée doit rester nettement inférieure à l’incertitude finale
recherchée. Dans la mesure du possible, la sonde doit être immergée d’une
profondeur d’au moins 10 fois son diamètre (règle empirique).
- les perturbations thermiques liées au capteur à étalonner : Les caractéristiques
thermiques du milieu de comparaison peuvent dépendre du nombre de
capteurs présents. Ceux-ci ne doivent pas modifier la répartition des
températures (perturbation de l’écoulement du fluide) afin de correspondre
aux conditions dans lesquelles le milieu a été caractérisé.
- le temps de stabilisation : Un temps de stabilisation minimum doit être
déterminé en fonction des caractéristiques du milieu de comparaison (temps
de réponse). La température du milieu est considérée comme stable lorsque
les variations locales de la température mesurée par le thermomètre étalon
sont inférieures au critère de stabilité recherché. Il est alors important de
respecter un temps d’attente avant de réaliser les relevés de mesure. Ce temps
permet de s’assurer que les différents capteurs en présence sont à la même
température.
- la vitesse d’acquisition des mesures : La recherche d’une meilleure exactitude
de mesure impose plusieurs acquisitions de l’étalon et de l’instrument de
mesure sur une durée compatible avec la dynamique du système (régulation
du milieu de comparaison). Les relevés de mesure sont réalisés en fonction du
temps de réponse des capteurs.
- après la stabilisation du milieu de comparaison, un relevé de température par
minute est effectué pendant 10 minutes. Les valeurs affichées par la sonde de
référence et le (ou les) thermomètre(s) à étalonner sont notées simultanément
par un appareil électronique ou par l’opérateur.
- le traitement des données brutes : Pour chaque point d’étalonnage, on calcule
la moyenne pour chaque série de mesures et l’incertitude de mesure associée
[5 ; 12].
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
28
La figure 8 résume la technique d’étalonnage par comparaison à une
chaine de référence.
Figure 8: Etalonnage d’une chaine de température par comparaison à une chaine
de référence.
1.9.2. Cas particuliers : pyromètres optiques
Outre les méthodes de comparaison par rapport à un étalon de référence
(pyromètre étalon, de préférence à réponse spectrale plate et de même bande
spectrale que celle de l’instrument ; ceci suppose évidemment que le pyromètre a
été raccordé à un corps noir au préalable), il existe une autre méthode visant un
corps noir de référence à température connue dans la bande spectrale de réponse
de l'instrument à étalonner [3].
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
29
Le capteur infrarouge du thermomètre à contrôler est pointé sur un disque
noir du calibreur. Ce disque est chauffé à une température donnée et les
températures, aussi bien celles mesurées par les thermomètres à étalonner que
celle du disque, sont suivies durant 10 minutes. La figure 9 ci-dessous montre la
technique d’étalonnage d’un pyromètre optique.
Figure 9: Etalonnage d’un thermomètre à capteur infrarouge au moyen d’un
calibreur IR.
1.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude
Se référer à la partie estimation des incertitudes de mesure.
1.11. Présentation des résultats
1.11.1. Feuille de mesure
Une feuille de mesure est un document à usage interne, archivé pour
assurer la traçabilité des mesures. La feuille de mesure contient au moins les
informations suivantes :
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
30
 identification permettant de remonter au demandeur;
 identification des éléments composant l’instrument à étalonner
(constructeur, type, numéro de série, etc.) pour le capteur et pour
l’indicateur;
 date des mesures;
 identification de l’opérateur;
 référence de la procédure utilisée;
 identification des étalons utilisés et des cellules points fixes utilisées (cas
de l’étalonnage aux points fixes de l’EIT-90;
 identification des générateurs de température utilisés;
 niveau d’immersion des capteurs étalonnés;
 conditions d’environnement (température du local au moment des mesures,
si nécessaire humidité, etc.); etc.
1.11.2. Certificat d’étalonnage
Le certificat d’étalonnage éventuellement émis, est établi suivant les
informations contenues dans le fascicule de documentation FD X 07-012.
2. ETALONNAGE PAR COMPARAISON AUX POINTS FIXES DE L’EIT-
90
Il se repose sur l’étalonnage aux points fixes de l’EIT-90. Ces points fixes
correspondent à des changements d’états de corps purs (point de fusion, de
congélation, de vaporisation ou point triple) pour lesquels la température est
invariable selon l’échelle de température établie.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
31
2.1.Objet et domaine d'application
La présente partie a pour objet de définir des méthodes pratiques et
reproductibles destinées à la rédaction d’une procédure d’étalonnage aux points
fixes de l’EIT-90 des différents types des capteurs de température de référence
ayant une meilleure exactitude de mesure.
2.2.Principe de la méthode
Etalonner un capteur par la méthode des cellules points fixes consiste à le
placer dans un milieu dont la température uniforme et constante est définie par
l’équilibre thermodynamique entre différentes phases (point triple, point de fusion
et point de congélation) d’un corps pur.
Les différents points fixes de l’EIT-90 sont résumés dans le tableau 3
suivant :
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
32
Tableau 3: Différents points de changement d’état de l’EIT-90 avec leur
température en Kelvin et en degré Celsius
Etat T 90 / K t 90 / °C
Point triple de l'hydrogène 13,8033 -259,3467
Point d'ébullition de l'hydrogène à la pression de 33321,3 Pa 17,035 -256,115
Point d'ébullition de l'hydrogène à la pression de 101292 Pa 20,27 -252,88
Point triple du néon 24,5561 -248,5939
Point triple de l'oxygène 54,3584 -218,7916
Point triple de l'argon 83,8058 -189,3442
Point triple du mercure 234,3156 -38,8344
Point triple de l'eau 273,16 0,01
Point de fusion du galium 302,9146 29,7646
Point de congélation de l'indium 429,7485 156,5985
Point de congélation de l'étain 505,078 231,928
Point de congélation du zinc 692,677 419,527
Point de congélation de l'aluminium 933,473 660,323
Point de congélation de l'argent 1234,93 961,78
Point de congélation de l'or 1337,33 1064,18
Point de congélation du cuivre 1357,77 1084,62
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
33
2.3.Références normatives
- NF ENV 13005 :1999, Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure ;
- NF X 07-001 :1994, Norme fondamentales — Vocabulaire international des
termes fondamentaux et généraux de Métrologie ;
- FD X 07-012 :1995 : Métrologie — Métrologie dans l’entreprise — Certificat
d'étalonnage des moyens de mesure ;
- FD X 07-029-1 : Métrologie — Procédure d’étalonnage et de vérification des
thermomètres – Partie 1 : Procédure d’étalonnage et de vérification des
thermomètres à résistance.
2.4.Termes et définitions
Cellule point fixe : C’est une cellule conventionnelle qui comprend un métal pur
(généralement de 500 g à 1 kg) conditionné dans un creuset en graphite (de 220
mm de hauteur et 45 mm de diamètre). Celui-ci est placé dans une cellule en
quartz (matière inerte qui supporte les hautes températures) à l’intérieur de
laquelle un puits est aménagé pour insérer le capteur à étalonner.
Point triple : C’est un point du diagramme de phase pour lequel les trois états de
la matière que sont l’état liquide, l’état solide et l’état gazeux, coexistent en
équilibre.
Point de fusion : C’est la température à une pression donnée, à laquelle un
élément pur ou un composé chimique passe de l’état solide à l’état liquide.
Point de congélation : C’est la température à une pression donnée, à laquelle un
corps pur passe de l’état liquide à l’état solide.
2.5.Méthode
L’étalonnage consiste à comparer les indications données par un
instrument de mesure (capteur à étalonner) aux points fixes de l’EIT-90,
matérialisés par les cellules. Cette méthode est utilisée par les laboratoires
spécialisés et réservée à l’étalonnage des instruments de mesure de référence.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
34
2.6.Conditions d’environnement
Dans la mesure du possible, les conditions d’environnement de
l’étalonnage seront proches de celles du lieu habituel d’utilisation du thermomètre
à étalonner. L’étalonnage doit être réalisé dans les mêmes conditions que celles
de l’utilisation habituelle. Ces conditions doivent respectées celles des
laboratoires accrédités pour l’étalonnage aux points fixes de l’EIT-90.
2.7.Moyens d’étalonnage
En fonction de la gamme d’instruments de mesure et des points
d’utilisation, on choisit les cellules points fixes correspondantes. Il s’agit de :
Cellule Argent, cellule Aluminium, cellule Zinc, cellule Etain, cellule Indium,
cellule Mercure, cellule Gallium, etc. La figure n°10 montre la photo d’une cellule
scellée point fixe. [1]
Figure 10 : Schéma d’une cellule scellée point fixe
Les dispositifs de maintien (par exemple bains et fours) doivent être
adaptés à la réalisation de ces points fixes de l’EIT-90. Un four est illustré par la
figure 11 ci-dessous.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
35
Figure 11 : Schéma d’un four moyenne température
2.8.Opérations préliminaires
Avant l’étalonnage, certaines opérations préliminaires sont réalisées. Il
s’agit :
 d’examen visuel du capteur à étalonner,
 de s’assurer que le point d’étalonnage correspond à la température du point
de changement d’état du métal choisi (cellule choisie),
 de prendre en compte ou définir dans les conditions spécifiées les
caractéristiques suivantes : température ambiante, tension d’alimentation
réseau, etc.
2.9.Mode opératoire
Ce mode opératoire ne permet pas l’étalonnage de plusieurs capteurs à la
fois. Il comprend :
 introduire le capteur à étalonner dans le puits de la cellule,
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
36
 la cellule elle-même est introduite dans un dispositif de maintien adapté à
la cellule qui peut être un bain ou un four,
 chauffer la cellule à l’aide du dispositif de maintien à la température de
changement de phase du métal pur considéré.
 après stabilisation, relever les indications du capteur en étalonnage [1].
2.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude
Se référer à la partie estimation des incertitudes de mesure.
3. CAS PRATIQUE D’UN ETALONNAGE
Etalonnage d’un thermomètre à résistance de gamme de mesure allant de
0°C à 100°C par un thermomètre Pt100 de référence
3.1.Matériel
 Thermomètre Pt100 de référence n° : 123456, d’incertitude élargie Ue = 0,02°C
et de résolution d = 0,01°C ;
 thermomètre à étalonner n° : AZ24587 ; de résolution d = 0,01°C et d’étendue
de mesure égale à 100°C ;
 bain-marie d’homogénéité Δhom = 0,02°C et de stabilité Δst = 0,055°C
3.2.Méthode
Comparer les indications données par le thermomètre en étalonnage aux
valeurs fournies par le thermomètre Pt100 de référence, tous placés dans le bain-
marie stable et homogène.
3.3.Manipulation
 Mettre en place les matériels et les conditions d’étalonnage ;
 placer le thermomètre de référence au centre du milieu à mesurer ;
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
37
 placer ensuite le thermomètre à étalonner à la place préalablement préparé si
possible 10 à 15 minutes avant les mesures ;
 après l’homogénéité et la stabilité du bain, relever 5 mesures indiquées par le
thermomètre de référence et par le thermomètre en étalonnage pendant environ
5 min (soit 1 min par relevé) ;
 reporter les résultats sur la feuille de relevé de mesure ;
 effectuer trois (3) séries de mesurage ;
 faire la même opération sur tous les points d’étalonnage (0°C ; 20°C ;
40°C ;60°C et 80°C).
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
38
3.4.Feuille de mesure et de calcul
Les moyens d’étalonnage
Thermomètre de référence n° 123456
Incertitude élargie Ue : 0,02°C
Résolution d : 0,01°C
Thermomètre à étalonner n° AZ24587
Etendue de mesure : 100°C
Résolution : 0,01°C
Profondeur d’immersion : 200 mm
EMT : ± 0,3°C
Nombre de série de mesure (n) : 3
Les mesures
Points de mesure : 0 20 40 60 80 °C
Série 1
Etalon référence : A1
Correction a1
Etalon référence corrigé : T1
Thermomètre travail : B1
Ecart X = (B1-T1) :
0,00
0,02
0,02
0,00
-0,02
20,00
-0,01
19,99
20,00
0,01
40,00
0,01
40,01
40,00
-0,01
60,00
-0,01
59,99
60,02
0,03
80,00
0,01
80,01
79,96
-0,05
°C
°C
°C
°C
°C
Série 2
Etalon référence : A2
Correction a2
Etalon référence corrigé : T2
Thermomètre travail : B2
Ecart X = (B2-T2) :
0,00
0,02
0,02
0,00
-0,02
20,00
-0,01
19,99
20,00
0,01
40,00
0,01
40,01
40,00
-0,01
60,00
-0,01
59,99
60,02
0,03
80,00
0,01
80,01
79,96
-0,05
°C
°C
°C
°C
°C
Série 3
Etalon référence : A3
Correction a3
Etalon référence corrigé : T3
Thermomètre travail : B3
Ecart X = (B3-T3) :
0,00
0,02
0,02
0,00
-0,02
20,00
-0,01
19,99
20,00
0,01
40,00
0,01
40,01
40,00
-0,01
60,00
-0,01
59,99
60,02
0,03
80,00
0,01
80,01
79,96
-0,05
°C
°C
°C
°C
°C
Les calculs
Moyenne des écarts X =
Etendue des écarts Wmax =
Moyenne des températures lues B =
Correction du thermomètre de travail =
Moyenne des température de référence T =
-0,02
0,00
0,00
0,02
0,02
0,01
0,00
20,00
-0,01
19,99
-0,01
0,00
40,00
0,00
40,01
0,03
0,00
60,02
-0,03
59,99
-0,05
0,00
79,96
0,05
80,01
°C
°C
°C
°C
°C
Composantes d’incertitudes
Répétition ut :
Thermomètre de référence uce :
Pérennité upe :
Résolution du thermomètre référence uréf :
Résolution du thermomètre travail utra :
Homogénéité du générateur uhom :
Stabilité du générateur ust :
Incertitude-type combinée uc :
0,000
0,010
0,010
0,002
0,000
0,000
0,006
0,016
0,000
0,010
0,010
0,002
0,000
0,001
0,006
0,016
0,000
0,010
0,010
0,002
0,000
0,000
0,006
0,016
0,000
0,010
0,010
0,002
0,000
0,000
0,006
0,016
0,000
0,010
0,010
0,002
0,000
0,000
0,006
0,016
°C
°C
°C
°C
°C
°C
°C
°C
Incertitude-type élargie U (±) : 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 °C
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
39
3.5.Exemple d’un certificat d’étalonnage
CERTIFICAT D’ETALONNAGE
N° : XXXXXXX Délivré à : SOCIETE X
Du : XX.XX.20XX
ADRESSE COMPLETE : ....................................
Ce certificat comprend : nombre de pages
Instrument étalonné :
Désignation : Thermomètre résistance métallique
Constructeur : XXXXXX
Type : ATC-156 B
N° de série : AZ24587
Identification interne :
Le responsable service métrologie : ………………… Signature :
Etalonnage effectué par : ……………………………. Signature :
Réalisé le : XX.XX.20XX
Conditions du contrôle :
Température ambiante : 20 ± 1°C
Hygrométrie ambiante : 50.2 % HR ± 10 % HR
Temps de stabilisation thermique avant les mesures : 8 heures
Moyens utilisés pour l’étalonnage
Bain- marie
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
40
Thermomètre Pt100 de référence n° 123456
Procédure d'étalonnage
Etalonnage par comparaison à une sonde à résistance de platine 100 Ohm
étalon associée à un afficheur
Incertitudes de mesure
Les incertitudes mentionnées sont celles correspondant à deux
incertitudes-types. Les incertitudes-types ont été calculées en tenant compte des
différentes composantes d’incertitudes, étalons de référence, moyens
d’étalonnage, conditions d’environnement, contribution de l’instrument étalonné,
répétabilité, etc.
Présentation des résultats
Points de
mesures en
°C
Température
de référence
en °C
Indication de
la chaine de
mesure en °C
Correction à
appliquer à la
chaine de mesure
en °C
Incertitude
de
l’étalonnage
en °C
0 0,02 0,00 0,02 0,03
20 19,99 20,00 -0,01 0,03
40 40,01 40,00 0,01 0,03
60 59,99 60,02 -0,03 0,03
80 80,01 79,96 0,05 0,03
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
41
Quatrième partie
ESTIMATION DES INCERTITUDES
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
42
Plusieurs sources d’erreurs peuvent influencer le résultat de mesure lors
d’un mesurage. Ces différentes sources d’erreurs permettent d’estimer les
incertitudes de mesures.
1. SOURCES D’INCERTITUDES DE MESURE
Les incertitudes de mesure proviennent de plusieurs sources. Elles
peuvent provenir du capteur de température étalon (Moyen), du capteur de
température à étalonner (Matière), de la méthode utilisée (Méthode), de
l’opérateur qui effectue les mesurages (Main d’œuvre) et des conditions dans
lesquelles s’effectue l’étalonnage (Milieu). Il convient de ne pas oublier, lors de
l’établissement des bilans d’incertitudes, les éléments suivants (liste non
exhaustive) :
- les composantes associées à l’instrument en étalonnage, dont la répétabilité,
la résolution (ou le pas de quantification), le phénomène d’hystérésis ;
- les composantes liées au générateur de température (l’homogénéité, la
stabilité, etc.) ;
- les composantes associées à la connaissance de la température de référence,
dont par exemple les incertitudes des corrections apportées pour déterminer
la température de référence, la dérive et la pérennité de l’instrument
étalon… ;
- les composantes associées à la lecture des résultats de mesure par
l’opérateur ;
- les composantes associées à la méthode d’étalonnage ;
- les composantes associées aux fuites thermiques. Pour estimer cette
composante, le laboratoire a le choix entre deux solutions :
 réaliser l’étalonnage avec au minimum deux profondeurs d’immersion
suffisamment différentes, sur au moins un point d’étalonnage (au point
le plus critique) ;
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
43
 proposer une autre méthode validée par le laboratoire (par exemple,
cette composante d’incertitude pourra être déterminée à partir d’essais
de caractérisation réalisés par le laboratoire d'étalonnage sur des
familles représentatives d’instrument de dimensions spécifiées) [7].
Les différentes sources d’influence sur les résultats de mesure sont
résumées dans la figure 12. [10]
Figure 12: Inventaire de l’ensemble des causes d’incertitudes sur la mesure de
température.
2. METHODES DE CALCUL D’INCERTITUDES [7 ; 8 ; 11 ; 13]
2.1.Détermination de l’incertitude-type A
La méthode préconisée est une méthode d'estimation de type A (calcul de
l'écart-type expérimental) : l'incertitude-type est estimée par l'écart-type
expérimental maximal de la valeur moyenne de la correction d'étalonnage. Pour
l'étalonnage des thermomètres, cette méthode présente une qualité acceptable si
le nombre de mesures est supérieur ou égal à 10.
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
44
Si le nombre de mesures est inférieur à 10, une méthode alternative peut
être mise en œuvre sous les hypothèses ci-dessous :
2.1.1. Sous l'hypothèse de normalité
L'incertitude-type est estimée à partir de l'étendue des mesures, selon la
méthode suivante :
𝑢 𝐴 =
𝑊 𝑖
𝑑 𝑛
(4)
avec Wi la différence entre la plus grande et la plus petite des valeurs de
correction et dn un coefficient qui varie en fonction du nombre de mesure.
2.1.2. Sous l'hypothèse d'autres lois de distribution
 Sous l'hypothèse de la loi uniforme, l'incertitude-type est estimée par la
demie étendue des mesures, divisée par √3;
𝑢 𝐴 =
𝑎
√3
Avec « a », la demi-étendue
 sous l'hypothèse de la loi arc-sinus (pour des variations temporelles en
sinusoïde), l'incertitude-type est estimée par la demie étendue des mesures,
divisée par √2 .
𝑢 𝐴 =
𝑎
√2
Avec « a », la demi-étendue
L'attention est attirée sur le fait que l'étendue des mesures n'est pas
forcément symétrique par rapport à la valeur moyenne ; il est nécessaire de s'en
assurer ou d'en tenir compte dans le calcul de la demi-étendue.
(5)
(6)
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
45
2.2.Détermination de l’incertitude-type B
Dans le cas des méthodes de type B, l’incertitude type est évaluée par un
jugement scientifique basé sur toutes les informations dont on dispose concernant
le phénomène physique considéré.
Les composantes d’incertitudes qu’on peut estimer sont :
 Incertitude liée à l’incertitude d’étalonnage de l’étalon
u1 =
incertitude d′étalonnage
coefficient d′élargissement
 Incertitude liée à la dérive de l’étalon
u2 =
Dérive annuelle 𝑚𝑎𝑥
√3
 Incertitude liée à la résolution de l’étalon
u3 =
résolution du thermomètre étalon
2√3
 Incertitude liée à la résolution de la sonde
u4 =
résolution de la sonde à étalonner
2√3
 Incertitude-type due à la répétabilité de l’instrument de mesure est estimée
à partir de l’écart-type expérimental trouvé sur la série du nombre de
(7)
(8)
(9)
(10)
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
46
mesures effectuées à chaque point d’étalonnage. Elle est prise en compte
par l’incertitude de type A
 Incertitude liée à l’hétérogénéité du bain et aux fuites thermiques (cas des
couples thermoélectriques)
u5 =
Variation de la f. é. m (ΔVE)
√3
 Incertitude liée à l’auto-échauffement d’une sonde à résistance étalonnée
dans un liquide et utilisée dans l’air
u6 =
ΔTauto−échauffement
√3
 Incertitude liée à l’homogénéité du milieu de comparaison
u7 =
homogénéité du milieu
2√3
 Incertitude liée à la stabilité du milieu de comparaison
u8 =
stabilité du comparateur
2√3
2.3.Détermination de l’incertitude-type composée
En faisant l’hypothèse que ces sources sont non corrélées, l’incertitude
composée uc s’obtient en sommant quadratiquement les incertitudes-types des
composantes d’incertitudes.
uc = √∑ (ui
2)n
i=1 (15)
(11)
(12)
(13)
(14)
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
47
Ce qui donne :
𝑢 𝑐 = √ 𝑢 𝐴
2 + 𝑢1
2 + 𝑢2
2+ 𝑢3
2
+ 𝑢4
2 + 𝑢5
2 + 𝑢6
2 + 𝑢7
2+ 𝑢8
2
+ ⋯ 𝑢 𝑛
2
Avec uA l’incertitude de répétabilité.
2.4.Détermination de l’incertitude élargie
L’incertitude élargie U représente l’intervalle autour du résultat de mesure
dans lequel on peut espérer trouver une large fraction des valeurs qui pourraient
être attribuées à la grandeur mesurée. Elle s’obtient en multipliant l’incertitude
composée, par un facteur d’élargissement k généralement pris égal à 2 :
U = k. uc (17)
(16)
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
48
CONCLUSION
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
49
La métrologie des températures fait intervenir plusieurs phénomènes ; un
certain nombre de méthodes et d’éléments tous ayant le même objectif à savoir,
la traçabilité des résultats de mesure. Le présent projet interne a eu pour objectif
de répondre à la question, « comment les capteurs interviennent-ils dans le
processus de mesurage des températures ? ». Pour conclure, on commencera par
l’analyse des différents points qui ont guidés ce travail.
Pour le premier point, la notion de température et de capteur, nous avons
défini d’abord la notion de température ainsi que celle de capteur avec son mode
de fonctionnement.
En ce qui concerne les différentes technologies de capteurs de
température, nous avons identifié deux catégories à savoir, les capteurs de
température à contact et ceux à distance. Dans chaque catégorie, les types de
capteurs de température ont été définis avec leurs principes de fonctionnement,
les caractéristiques ainsi que leurs avantages et inconvénients.
Quant à la procédure d’étalonnage, il est ressorti deux méthodes qui sont
la méthode par comparaison et celle aux points fixes de l’EIT-90. Le principe de
chaque méthode a été expliqué avec les moyens mis en œuvre pour sa réalisation.
Concernant l’estimation des incertitudes, il faut retenir que les erreurs
proviennent de différentes sources. Ces sources d’erreurs interviennent dans le
calcul d’incertitude par la méthode type A et type B.
En somme, il ressort de cette étude qu’un résultat de mesure ne peut être
apprécié qu’à travers son niveau d’incertitude. Il ne serait pas possible de faire
une étude des capteurs de température sans évaluer et calculer leurs incertitudes
par le biais d’un étalonnage. Pour faire des mesures efficientes, les capteurs de
température peuvent être utilisés si on y arrive à associer les différentes
incertitudes liées aux processus de mesurages. Mais, il se pose la question à savoir
« ce qu’en est de l’application des incertitudes aux résultats de mesurages ? ».
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
i
REFERENCES
BIBLIOGRAPHIQUES
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
ii
1) Arnoux C. Pour assurer votre qualité, maîtriser votre température. Pyrocontrol
group.12p
2) Charki A., Louvel D., Renaot E., Michel A., Tiplica T. Incertitudes de mesure :
Applications concrètes pour les étalonnages - Tome 1 22p.
3) De Poorter G. Labinfo. 2ème
numéro. 2009. 34p.
4) Fabian R. Pyromètres optiques : Mesure température sans contact. 2009. 11p.
5) FD X07- 029 - 1 : Métrologie – Procédure d’étalonnage et de vérification des
thermomètres. Partie 1 : Procédure d’étalonnage et de vérification des sondes
et thermomètres à résistance.
6) GIRARDOT J-P. Capteurs et instrumentation utilises en océanographie
physique. 6 avenue Le Gorgeu – 29285 BREST CEDEX. 90p
7) Guide technique d’accréditation en température. Document LAB GTA 08.
Révision 01. 66p.
8) Jacqueline F. Etalonnage des capteurs de température et conductivité, et
détermination des incertitudes de mesure associées. 2007. 29p
9) JCGM 200 : 20012. Vocabulaire international de métrologie – Concepts
fondamentaux et généraux et termes associés.
10) Lavenant N., Ollitrault M., Hamon Y., Gilliet N., Fauvel Y., Faucheux M.
Banc d’étalonnage en température. 18p.
11) Les guides techniques du collège français de métrologie. 27 exemples
d’évaluations des incertitudes d’étalonnage. 247p.
12) Marloie O. Instruction d’étalonnage d’un thermomètre à résistance. Cah.
Tech. I.N.R.A., 2005 56, 45-58
13) NF ENV 13005 : Guide pour l’expression de l’incertitudes de mesure. 2008
14) Thermatec Process Control. Généralités sur la mesure de température. 18p.
15) Toulminet G. Les capteurs de température. 2002-2003. 18p
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
iii
TABLE DES MATIERES
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
iv
Dédicace……………………………………………...………… i
Remerciements ……………………………………………….... iii
Liste des abréviations………….……………………………….. v
Liste des tableaux et figures.…………………………………… vii
I Liste des tableaux………………………………………………. viii
II Liste des figures…..…………………………………………….. ix
Sommaire……..………………………………………………... x
Introduction…………………………………………………….. 1
I Généralités……………...………………………………………. 3
1. Température………………..…………………………………... 4
2. Capteurs………………………………...……………………… 5
II. Technologie……….………………………………………….… 7
1. Capteurs de température à contact…...…………………………. 8
1.1. Capteurs à résistance métalliques…..…………........................... 8
1.1.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 9
1.1.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 9
1.1.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 10
1.2 Thermistances………………………………………………... 10
1.2.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 10
1.2.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 11
1.2.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 11
1.3. Thermocouple…..……………………………………………… 12
1.3.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 12
1.3.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 13
1.3.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 15
2. Capteurs de température à distance…........................................... 16
2.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 16
2.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 16
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
v
2.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 18
III. Procédure d’étalonnage……………………………………….. 19
1. Etalonnage par comparaison a un capteur de référence dans un
milieu d’étalonnage…………………………………………… 20
1.1. Objet et domaine d’application…………………………… 20
1.2. Principe de la méthode………………………………………….. 21
1.3. Références normatives…...…………………………………….. 21
1.4. Termes et définitions…………………………………………… 21
1.5. Méthode………………..………………………………………. 21
1.6 Conditions d’environnement...…………………………………. 22
1.7. Moyens d’étalonnage…..………………………………………. 23
1.7.1. Etalon…………………………………………………………. 23
1.7.2. Milieu de comparaison………………………………….……… 24
1.8 Opérations préliminaires …….…………………………………. 25
1.9. Mode opératoire…..……………………………………………. 26
1.9.1. Cas général…………………………………………................. 26
1.9.2. Cas particuliers : pyromètres optiques………...………………... 28
1.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude…………………. 29
1.11. Présentation des résultats………………………………………. 29
1.11.1. Feuille de mesure…………….....………………………………. 29
1.11.2. Certificat d’étalonnage…………….………………………...…. 30
2. Etalonnage par comparaison aux points fixes de l’eit-90……….. 30
2.1. Objet et domaine d’application…………………………… 31
2.2. Principe de la méthode………………………………………….. 31
2.3. Références normatives…...…………………………………….. 33
2.4. Termes et définitions…………………………………………… 33
2.5. Méthode………………..………………………………………. 33
2.6 Conditions d’environnement...…………………………………. 34
Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes
vi
2.7. Moyens d’étalonnage…..………………………………………. 34
2.8 Opérations préliminaires …….…………………………………. 35
2.9. Mode opératoire…..……………………………………………. 35
2.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude…………………. 36
3. Cas pratique d’un étalonnage………………………………….... 36
3.1. Matériel ………………………………………………………... 36
3.2. Méthode ………………………………………………………... 36
3.3. Manipulation …………………………………………………... 36
3.4. Feuille de mesure et de calcul …………………………………... 38
3.5. Exemple d’un certificat d’étalonnage ………………………….. 39
IV. Estimation des incertitudes………………...…………………… 41
1. Sources d’incertitudes de mesure.……………………………… 42
2. Méthode de calcul d’incertitudes……………...………………... 43
2.1. Détermination de l’incertitude type A...………………………… 43
2.1.1. Sous l’hypothèse de normalité…………………………….......... 44
2.1.2. Sous l’hypothèse d’autres lois de distribution….……………….. 40
2.2. Détermination de l’incertitude-type B…………...……………... 45
2.3. Détermination de l’incertitude-type composée…………………. 46
2.4. Détermination de l’incertitude-type élargie...…………………... 47
Conclusion……………………………………………………... 48
Références bibliographiques…………………………………… i
Table des matières……………………………………………… iii

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Projet interne sur capteurs de température

  • 1. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes i Projet interne Thème Présenté par : CHIGBLO Arnaud, COULIBALY Bakary & SENE Sérigne Fallou Encadreur Pédagogique République de Côte d’Ivoire Union-Discipline-Travail Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Centre Régional de Formation Supérieure en Métrologie CAPTEURS DE TEMPERATURE : TECHNOLOGIE, PROCEDURE D’ETALONNAGE ET ESTIMATION DES INCERTITUDES Prof. KOFFI Ekoun Paul Magloire Enseignant-chercheur Année académique : 2016-2017
  • 2. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes i REPUBLIQUE DE CÔTE D’IVOIRE ******** MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ******* INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE Félix HOUPHOUËT BOIGNY ******* CENTRE REGIONAL DE FORMATION SUPERIEURE EN METROLOGIE ******* DIRECTEUR : DIRECTEUR DES ETUDES : Ing. Modeste N’Guetta ASSEMIEN Enseignant-chercheur DFR GME INP-HB Prof. Georges LOUM
  • 3. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes i DEDICACE
  • 4. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes ii A nos familles respectives, qui nous ont appris que la réussite est au bout de l’effort.
  • 5. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes iii REMERCIEMENTS
  • 6. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes iv  A Mr le Directeur de CREFSEM, Prof. Georges LOUM par sa clairvoyance.  A Mr Modeste N’Guetta ASSEMIEN, Directeur des études du CREFSEM par ses efforts quotidiens pour la réussite de notre formation.  A tous les autres membres de l’administration pour leur dévouement au travail.  Au Prof KOFFI Ekoun Paul Magloire, notre superviseur ! Votre sens du travail bien fait et votre rigueur ont permis la réalisation de ce travail. Malgré vos multiples occupations, vous avez été toujours présent et disponible.  A tous les auditeurs de la 1ère promotion du Centre Régional de Formation Supérieure en Métrologie (CREFSEM). Chers collègues, votre compagnonnage nous a été utile.
  • 7. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes v LISTE DE SIGLES ET ABREVIATIONS
  • 8. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes vi SI : Système International d’unités RTD : Resistance Temperature Detector/ Capteur à résistance de température f.é.m. : force électromotrice IR : Infrarouge K : Kelvin °C : Degré Celsius CEI : Commission Electrotechnique Internationale Pt100 : Sonde de platine à une résistance de 100Ω à la température de 0°C NF : Norme Française ISO : International Organization for Standardization/ Organisation Internationale de Normalisation EIT-90 : Echelle Internationale de Température de 1990 FD : Fascicule de Documentation EN : European Norm
  • 9. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes vii LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES
  • 10. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes viii I. LISTE DES TABLEAUX Tableau 1: Tableau synthétique des thermocouples ...........................................14 Tableau 2: Milieu de comparaison avec leur domaine de température .............25 Tableau 3: Différents points de changement d’état de l’EIT-90 avec leur température en Kelvin et en degré Celsius..........................................................32
  • 11. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes ix II. LISTE DES FIGURES Figure 1: Schéma bloc d'un système de mesure numérique .................................6 Figure 2: Photo d'un capteur de température à résistance métallique...................8 Figure 3: Photo d'une thermistance à coefficient négatif....................................10 Figure 4: Photo d'un thermocouple de type K.....................................................12 Figure 5: Schéma du principe de fonctionnement de thermocouple...................13 Figure 6: Variation de la f.é.m. des différents thermocouples en fonction de la température..........................................................................................................15 Figure 7: Photo d'un pyromètre optique..............................................................16 Figure 8: Méthode d’étalonnage par comparaison à un étalon de référence. .....28 Figure 9: Etalonnage d’un thermomètre à capteur infrarouge au moyen d’un calibreur IR. .......................................................................................................29 Figure 10 : Schéma d’une cellule scellée point fixe ..........................................34 Figure 11 : Schéma d’un four moyenne température..........................................35 Figure 12: Inventaire de l’ensemble des causes d’incertitude sur la mesure de température .........................................................................................................43
  • 12. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes x SOMMAIRE
  • 13. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes xi INTRODUCTION …………………………………………................................1 I. GENERALITES ………………………………………………….………3 1. Température………………………………………………………………4 2. Capteur……………………………………………………………………5 II. TECHNOLOGIE………………………………………………………….7 1. Capteur de température à contact………………………………………….8 2. Capteur de température à distance……………………………………….16 III. PROCEDURE D’ETALONNAGE………………………………...……19 1. Etalonnage par comparaison à un capteur de référence dans un milieu d’étalonnage…………………………………………………………..…20 2. Etalonnage par comparaison aux points fixes de l’EIT-90…………….…30 IV. ESTIMATION DES INCERTITUDES………………………………….37 1. Sources d’incertitudes de mesure………………………………………...38 2. Méthodes de calcul d’incertitude………………………………...………39 CONCLUSION………………………………………………………………...44
  • 14. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 1 INTRODUCTION
  • 15. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 2 Le mot température est perçu comme étant la sensation de chaud et de froid. C’est une grandeur intensive différente de certaines grandeurs physiques qui sont des grandeurs extensives. Pour mesurer la température, il est nécessaire de mesurer une grandeur physique dépendant de la température telles que la résistance, la tension, le rayonnement etc. Cela sous-entend qu’il existe une relation mathématique qui relie une grandeur G à la température et qui incombe forcement l’utilisation d’instruments de mesure appropriés que sont les capteurs de température. Ces derniers sont des éléments qui transforment la grandeur physique d’entrée en une autre grandeur physique de nature électrique. Cette grandeur électrique varie proportionnellement avec la température. Les capteurs de température sont susceptibles de donner des résultats exacts (résultats justes et fidèles) afin de permettre de bonnes prises de décisions. Il est alors important que ces capteurs soient soumis aux étalonnages pour la détermination de l’incertitude associée à chaque résultat de mesure. D’où le sujet soumis à notre réflexion : « capteurs de température : technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes » Cependant, on peut se poser la question de savoir comment les capteurs interviennent- ils dans le processus de mesurage des températures ? Pour répondre à cette interrogation nous nous limiterons à parler de façon générale de la température et des capteurs tout en citant les différentes technologies des capteurs de température ainsi que les procédures d’étalonnage et le calcul d’incertitude. Eu égard à toutes ces considérations, nous ferons une brève généralité sur la température et les capteurs, ensuite citer les différentes technologies des capteurs utilisés pour la mesure de température et enfin nous allons décrire la procédure d’étalonnage de ces capteurs et les méthodes utilisées pour estimer les incertitudes de mesure.
  • 16. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 3 Première partie GENERALITES
  • 17. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 4 Les capteurs de température sont des instruments de mesure utilisés pour mesurer la température d’un matériau. 1- TEMPERATURE La température est une variable d'état intensive. Au sens propre du terme, elle n’est pas directement mesurable. Une grandeur est mesurable quand nous pouvons la comparer à une autre grandeur connue de même nature, l’étalon. Nous mesurerons donc la température grâce à son influence sur une autre grandeur physique tout en connaissant la loi de cette variation. Les deux principales grandeurs physiques mesurées en milieu industriel pour exprimer une température sont :  la résistance électrique, grâce aux sondes à résistance,  la f.é.m. grâce aux thermocouples. D’autres solutions existent, comme les thermomètres bimétalliques et le thermomètre à bulbe basé sur les phénomènes de dilatation, ou encore la pyrométrie infrarouge fonctionnant sur la mesure du rayonnement. A l'échelle moléculaire, elle est liée à l'énergie cinétique moyenne des constituants de la matière. Cependant, à l'échelle macroscopique, certaines propriétés des corps dépendent de la température (volume massique, résistivité électrique, ...). La mesure de la température se fait dans plusieurs domaines tels que : génie chimique, industrie agro-alimentaire, analyse de fonctionnement : moteurs, navettes spatiales, gestion de bains de peinture, etc. [15] La mesure d'une température est calibrée dans l'une des différentes échelles des températures : degrés Celsius, degrés Fahrenheit, Kelvin, etc. L'unité S.I. de température est le Kelvin (K). Le degré Celsius (°C, ou "degré centigrade") est couramment utilisé. Le degré Fahrenheit (°F) est également une échelle de température de même que l'échelle Rankine (°R). La relation entre les différentes échelles de température s’exprime de la façon suivante :
  • 18. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 5 𝛉(°𝐑) = 𝟏, 𝟖 𝛉(°𝐊) = 𝟒𝟗𝟐 + 𝟏, 𝟖 𝛉(°𝐂) = 𝟒𝟔𝟎 + 𝛉(°𝐅) (1) Une échelle de température a été mise au point, c’est l’« EIT-90 » (Echelle Internationale de Température) qui a défini des points de référence fixes de température basés sur des phénomènes physiques de changement d’état d’un corps. Ces points sont plus particulièrement des points triples, des points de fusion d’un corps et des points de congélation. 2- CAPTEURS Un capteur est un élément de collecte d’information capable de transformer une grandeur physique en une autre grandeur physique de nature différente, généralement électrique, qui peut être interprétée par un dispositif de contrôle commande. Dans le capteur, on retrouve un premier élément appelé corps d'épreuve. Cet élément mécanique réagit sélectivement à la grandeur physique à mesurer. La réaction d'un corps d'épreuve peut être sous forme électrique ou non. Dans la plupart des cas, il faut convertir la réaction du corps d'épreuve en un signal électrique via l'élément de transduction. L'élément de transduction est important, car c'est lui qui assure qu'en bout de ligne le signal de sortie soit de nature électrique. L'élément de transduction peut générer l'un des types de signaux suivants : une tension électrique, un courant électrique, des charges électriques ou finalement des variations d'impédance. Le signal de sortie du capteur peut être directement exploitable ou non. S'il n'est pas directement exploitable, il faut alors recourir à un élément nommé module électronique de conditionnement. La figure 1 indique les différents éléments intervenant dans la constitution interne d’un capteur.
  • 19. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 6 Figure 1: Schéma bloc d'un système de mesure numérique Les capteurs peuvent être classés en deux catégories que sont les capteurs actifs et les capteurs passifs. Les capteurs actifs sont des capteurs qui fonctionnent en générateur. Le corps d'épreuve ou l'élément de transduction utilise un principe physique qui assure la conversion en énergie électrique, l'énergie propre au mesurande. Quant aux capteurs passifs, ils utilisent les variations d'impédance. L'impédance présente dans l'élément de transduction réagit aux variations du mesurande aux travers des effets du mesurande sur le corps d'épreuve. L'impédance peut être résistive, capacitive ou inductive. Par ailleurs, il existe une autre catégorie de capteurs appelés capteurs intégrés. Ce dernier est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique. La thermométrie par contact utilise ces trois familles de capteurs qui possèdent donc des caractéristiques différentes et permettent ainsi d’avoir une multitude de capteurs pour des applications variées. La thermométrie par résistance utilise des capteurs passifs alors que les thermocouples sont des capteurs actifs et bien évidemment la thermométrie par diode et transistor utilise des capteurs intégrés.
  • 20. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 7 Deuxième partie TECHNOLOGIE
  • 21. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 8 La technologie d’un capteur est l’ensemble des techniques ayant trait à la nature des composants des différents organes du capteur et de ses périphériques. Plusieurs technologies de capteurs sont utilisées pour la mesure de la température. Nous avons les capteurs de température à contact et les capteurs de température à distance. 1. CAPTEURS DE TEMPERATURE A CONTACT Les capteurs de température à contact nécessitent un contact physique avec la matière ou l’objet. Ils se basent sur le principe d’échange de chaleur entre l'objet et le capteur jusqu'à l'équilibre. Au nombre des capteurs de température à contact, nous pouvons citer : les capteurs à résistance métalliques, les thermistances et les thermocouples. 1.1.Capteurs à résistance métalliques Ils sont des capteurs ayant un conducteur métallique dont la résistance varie en fonction de la température. La figure n°2 ci-dessous montre un capteur à résistance métallique. Figure 2: Photo d'un capteur de température à résistance métallique
  • 22. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 9 1.1.1 Principe de fonctionnement Les capteurs à résistance métalliques fonctionnent sur le principe des variations de résistance électrique des métaux purs et se caractérisent par une modification positive linéaire de la résistance en fonction de la température. Une fois chauffée, la résistance du métal augmente et inversement une fois refroidie, elle diminue. Les éléments types utilisés pour les capteurs à résistance métallique incluent le tungstène (W), le nickel (Ni), le cuivre (Cu) et le platine (Pt). Le platine est de loin le plus courant, en raison de l’étendue de sa gamme de températures (-200°C à 600°C), de sa précision et de sa stabilité. Faire passer le courant à travers une sonde RTD, génère une tension à travers celle-ci. En mesurant cette tension, on peut déterminer sa résistance et ainsi, sa température. 1.1.2 Caractéristiques Les capteurs à résistance de température sont habituellement classés par leur résistance nominale à 0°C. Les valeurs de résistance nominale types pour les RTD à film fin en platine sont comprises entre 100 et 1000 Ω. La relation entre la résistance et la température est presque linéaire et respecte l’équation suivante : Pour T > 0 °C, 𝐑(𝐓) = 𝐑 𝟎 [𝟏 + 𝐚𝐓 + 𝐛𝐓 𝟐 ] (2) Avec: R(T) = Résistance à la température T, R0 est la résistance nominale, a et b sont des constantes utilisées pour mettre à l’échelle le capteur de température à résistance métallique.
  • 23. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 10 1.1.3 Avantages et inconvénients Populaires pour leur stabilité, leur bonne reproductibilité et leur temps de réponse allant de 0,5 à 5 secondes, les capteurs de température à résistance sont très précis et présentent un signal le plus linéaire de tous les capteurs en matière de température. C’est un capteur simple à mettre en œuvre. Cependant, ils sont sensibles à l’auto-échauffement et à la résistance des fils de connexions et perturbables par l’effet joule. Du point de vue de leur construction, ils sont encombrants et coûtent généralement plus chers que leurs équivalents à cause de leur construction plus délicate et le recours au platine [15]. Ils sont aussi influencés par l’humidité et les gaz corrosifs. 1.2.Thermistances Une thermistance est un agglomérat d’oxydes métalliques frittés, rendus compacts par haute pression (150 bar environ) exercée à une température élevée 1000°C). [6] La figure n°3 ci-dessous montre la photo d’une thermistance. Figure 3: Photo d'une thermistance à coefficient négatif 1.2.1 Principe de fonctionnement Les thermistances, comme les capteurs à résistance métalliques, sont des conducteurs thermosensibles dont la résistance varie avec la température. Les
  • 24. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 11 thermistances sont constituées d’un matériau semi-conducteur d’oxyde métallique encapsulé dans une petite bille d’époxy ou de verre. En outre, les thermistances présentent généralement des valeurs de résistance nominale plus élevées que les RTD (de 2 000 à 10 000 Ω) et peuvent être utilisées pour de plus faibles courants. 1.2.2 Caractéristiques Les thermistances sont des capteurs à base d’oxydes métalliques frittés et rendus compacts. Il existe deux grandes sortes de thermistances : celles à Coefficients de Température Négatif (CTN) et celles à Coefficients de Température Positif (CTP). Ce qui veut dire que leur résistance augmente ou diminue lorsque la température augmente. Les CTN ont la particularité de voir leur résistance diminuer de façon uniforme quand la température augmente ; ce qui en fait une des thermistances les plus utilisés. Les CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques, pastilles, rondelles, puces etc. [15] La relation résistance-température des CTN est la suivante : 𝑹 = 𝑹 𝟎 𝒆−𝑩𝑻 (3) Avec R0 la résistance à 0°C et B un coefficient. 1.2.3 Avantages et inconvénients Bien qu’elles soient moins chères, les thermistances ont un temps de réponse rapide. Malgré ce temps de réponse de l'ordre de la seconde, elles ne peuvent être utilisées que dans une gamme de températures ne dépassant pas 300 °C. Les thermistances ont une sensibilité de mesure très élevée (~200 Ω/°C), ce qui les rend très sensibles aux variations de températures et à l’auto-échauffement. Leur non-linéarité peut parfois être un frein à leur utilisation ainsi que leur étendue réduite (de -110 °C à 250 °C) et leur faible interchangeabilité. [15]
  • 25. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 12 1.3 Thermocouples Ils sont des couples de matériaux dont l’effet Seebeck est utilisé pour la mesure de température. La figure 4 ci-dessous montre la photo d’un thermocouple de type K. Figure 4: Photo d'un thermocouple de type K 1.3.1. Principe de fonctionnement Les thermocouples sont de capteurs actifs qui délivrent une f.é.m. lorsque ceux-ci sont soumis à une modification de la température. Le principe de fonctionnement est basé sur l’effet Seebeck qui, lorsque deux conducteurs métalliques sont reliés par deux jonctions soumises à des températures différentes, crée une différence de potentiel aux bornes du circuit. La nature des matériaux conducteurs utilisés définit le type du thermocouple. Le principe utilisé nécessite que la température de référence soit connue [14 ; 15]. La figure 5 ci-dessous illustre le principe de fonctionnement.
  • 26. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 13 Figure 5: Schéma du principe de fonctionnement de thermocouple. 1.3.2. Caractéristiques Un certain nombre de conducteurs peuvent être associés pour former des thermocouples. Au fil du temps, une sélection de combinaisons s’est imposée formant les gammes de thermocouples utilisés actuellement et identifiés par un symbole [14]. Une des normalisations, la CEI 584.1, est une table de référence de huit (8) produits classés dans deux catégories, ceux à base de métaux précieux, habituellement plus stables et couvrant une plage de mesure plus étendue, et ceux à base de métaux plus communs qui ont par contre une force électromotrice (f.é.m.) plus élevée (figure 6). Un type de thermocouple est généralement désigné par une lettre. Parmi les types de thermocouples courants, on peut citer les B, E, J, K, N, R, S et T comme l’indique le tableau 1 suivant :
  • 27. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 14 Tableau 1: Tableau synthétique des thermocouples (*) Les températures indiquées sont des valeurs de domaine et ne peuvent pas être considérées comme des limites réelles. La tension délivrée par un thermocouple n’est pas linéaire par rapport à la température. La variation de la f.é.m. des différents types de thermocouple en fonction de la température est présentée dans la figure 6 ci-dessous.
  • 28. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 15 Figure 6: Variation de la f.é.m. des différents thermocouples en fonction de la température. 1.3.3. Avantages et inconvénients Les différents types de thermocouples présentent des avantages et inconvénients en fonction de la combinaison des métaux constitutifs. Les thermocouples sont les capteurs les plus souvent utilisés pour la mesure de températures, car ils sont relativement peu onéreux, tout en étant précis (une précision de l’ordre de ±0,2%,) et peuvent fonctionner sur une large gamme de températures (-270°C à 2700°C). Ils sont robustes (résistent aux chocs et aux vibrations) avec un temps de réponse rapide (de l'ordre de la milliseconde). Ils n’exigent pas une alimentation extérieure. Leur non-linéarité peut être un frein à leur utilisation.
  • 29. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 16 2. CAPTEURS DE TEMPERATURE A DISTANCE Les pyromètres optiques sont des capteurs utilisés pour la mesure de la température sans être en contact avec l’objet dont on veut déterminer la température. La figure 7 ci-après présente la photo d’un pyromètre optique. Figure 7: Photo d'un pyromètre optique 2.1. Principe de fonctionnement La pyrométrie optique est une méthode de mesure de la température basée sur la relation entre la température d’un corps et le rayonnement optique (infrarouge ou visible) que ce corps émet. Elle permet la détermination de la température sans contact avec l’objet. 2.2. Caractéristiques Les pyromètres optiques peuvent être caractérisés par le fait que l’utilisation des grandeurs spectrales à une longueur d’onde donnée ou sur l’ensemble du spectre visible et infrarouge donne des résultats qui n'ont pas la même signification. [4] Cependant, on distingue :  le pyromètre monochromatique à disparition de filament ;  le pyromètre bichromatique ;
  • 30. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 17  le pyromètre mesurant une énergie. Ces trois pyromètres ont le même principe de base : un dispositif optique forme l'image de la source à analyser sur un récepteur qui compare ensuite la valeur donnée avec une source de référence.  Pyrométrie monochromatique à disparition de filament Un filament de tungstène ayant une longueur d’onde de λ=0,65 μm sert de référence dans ce montage. L'image de ce filament est superposée à l'image de la source à analyser. Dès qu’on superpose les deux éléments et connaissant le comportement du filament, il sera possible dans déduire la température de la source.  Pyrométrie bichromatique Ce pyromètre est un double pyromètre monochromatique qui exploite deux plages voisines du rayonnement thermique centrés sur deux longueurs d'onde voisines de même largeur. Le rapport des signaux délivré par le détecteur ne dépend que de la température de la cible. Il est indépendant de l'émissivité de la cible ce qui est très utile lorsque l’on ne connait pas l'émissivité de la source.  Pyrométrie mesurant une énergie L'ensemble du spectre de rayonnement thermique de la cible (en fait une grande partie) est reçu par un détecteur à large bande, de type thermique. La différence de température entre l'élément thermosensible et la température ambiante est mesurée le plus souvent avec des thermocouples qui fournissent une f.é.m. Un étalonnage en se servant du corps noir permet de relier la f.é.m. aux températures d'un corps noir.
  • 31. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 18 2.3. Avantages et inconvénients Les pyromètres ont un avantage indéniable sur les autres capteurs car ils mesurent des températures à distance. En outre, d'autres caractéristiques peuvent être intéressantes à savoir, comme le fait que ces capteurs ont une grande étendue de mesure (400 à 6000°C) ayant aussi une précision allant de 0,5% de la valeur mesurée quand l’on mesure des températures inférieures à 1500°C et à 1% de la valeur mesurée si l’on mesure des températures supérieures à 1500°C. Ces pyromètres ont un temps de réponse très court (environ 10 ms). Les pyromètres sont capables de faire des mesures sur les matériaux à mauvaise conductivité thermique comme le plastique et le bois. Ils permettent également d’effectuer des mesures hygiéniques et sans action mécanique sur la surface à mesurer. Les inconvénients sont évidemment d'ordre technique avec des performances optiques assez médiocres : diamètre de mesure très large, effet de taille de source très important, bande spectrale de réponse parfois étendue, pouvant inclureun domaine de faible transmission atmosphérique. Ils ne mesurent pas la température des gaz.
  • 32. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 19 Troisième partie PROCEDURE D’ETALONNAGE
  • 33. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 20 L’étalonnage est une opération qui, dans des conditions spécifiées, établit en une première étape une relation entre les valeurs et les incertitudes de mesure associées qui sont fournies par des étalons et les indications correspondantes avec les incertitudes associées, puis utilise en une seconde étape cette information pour établir une relation permettant d'obtenir un résultat de mesure à partir d'une indication. [9] La procédure d’étalonnage comprend les points suivants :  objet et domaine d’application ;  principe de la méthode ;  références normatives ;  termes et définition ;  méthode d’étalonnage ;  conditions d’environnement ;  moyens d’étalonnage ;  opérations préliminaires ;  mode opératoire ;  traitement des résultats et calcul d’incertitude. On distingue deux méthodes d’étalonnage à savoir la méthode d'étalonnage par comparaison avec un capteur de référence et la méthode par comparaison aux points fixes de l'Echelle Internationale de Température de 1990 (EIT-90). 1. ETALONNAGE PAR COMPARAISON A UN CAPTEUR DE REFERENCE DANS UN MILIEU D’ETALONNAGE 1.1.Objet et domaine d'application La présente partie a pour objet de définir des méthodes pratiques et reproductibles destinées à la rédaction d’une procédure d’étalonnage des capteurs à résistance de température, des thermocouples et des pyromètres optiques.
  • 34. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 21 1.2. Principe de la méthode Etalonner un capteur par comparaison consiste à le placer dans un milieu dont la température uniforme et stable est mesurée à l’aide d’un capteur étalon, pris comme référence. 1.3.Références normatives - NF ENV 13005 :1999, Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure ; - NF X 07-001 :1994, Norme fondamentales — Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de Métrologie ; - FD X 07-012 :1995, Métrologie — Métrologie dans l’entreprise — Certificat d'étalonnage des moyens de mesure ; - FD X 07-029-1, Métrologie — Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres – Partie 1 : Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres à résistance. 1.4.Termes et définitions Étalon de référence : étalon conçu pour l’étalonnage d’autres étalons de grandeurs de même nature dans une organisation donnée ou en un lieu donné [9], Générateur de température : dispositif qui permet de matérialiser les différents points de mesure nécessaires à l’étalonnage. Il peut être constitué d’un four, d’un bain thermostaté, d’un cryostat, etc. 1.5.Méthode Elle consiste à comparer les indications données par un instrument de mesure aux valeurs fournies par un étalon, tous placés dans un même milieu stable et homogène. [2] Il est évident que, dans cette méthode d’étalonnage, on fait l’hypothèse que les éléments sensibles de la sonde étalon et de la sonde en étalonnage sont à la même température.
  • 35. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 22 Cette hypothèse ne sera jamais parfaitement satisfaite. La différence de température dépendra :  de l’uniformité en température du milieu de comparaison ;  de la différence de technologie entre les sondes étalon et en étalonnage (longueur de l’élément sensible, temps de réponse, nature de la gaine…). La chaîne de mesure de température utilisée comme étalon doit être traçable (raccordée par une chaîne ininterrompue) aux étalons nationaux ou internationaux. 1.6.Conditions d’environnement Dans la mesure du possible, les conditions d’environnement de l’étalonnage seront proches de celles du lieu habituel d’utilisation du thermomètre à étalonner. L’étalonnage doit être réalisé dans les mêmes conditions que celles de l’utilisation habituelle. Ces conditions dépendent de :  Température ambiante : Ce paramètre est souvent une grandeur d’influence des chaînes de mesure de température. L’utilisateur doit alors utiliser l’instrument dans les mêmes conditions de température que lors de son étalonnage.  Humidité relative : Ce paramètre peut altérer les caractéristiques métrologiques d’un instrument de mesure (possibilité de condensation).  Rayonnement solaire : Des précautions doivent être prises afin de protéger les étalons contre l’effet de ce paramètre (orientation des fenêtres vers le nord, protection par des stores ou films thermiques, positionnement des étalons loin des vitres).  Pression : L’étalonnage doit être effectué à la pression atmosphérique. Lorsque les conditions d’environnement ne sont pas maîtrisées, il est nécessaire d’évaluer l’influence des paramètres (température, humidité relative, pression atmosphérique, rayonnement) sur les bilans d’incertitudes et les
  • 36. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 23 paramètres susceptibles de perturber les mesures (réseau électrique, compatibilité électromagnétique, vibrations, etc.) [5 ; 12]. 1.7.Moyens d’étalonnage Le choix du milieu de comparaison dépend de différents facteurs tels que le domaine de température, l’incertitude finale recherchée, les conditions spécifiques de l’étalonnage. La chaîne étalon doit faire l’objet d’un contrôle régulier de sa stabilité et être périodiquement raccordée aux étalons nationaux ou internationaux [2]. Pour un bon étalonnage, un dispositif d’étalonnage approprié doit être mis en place tout en tenant compte des conditions environnementales (température, humidité relative, rayonnement solaire, pression…) du laboratoire. 1.7.1. Etalon Tout thermomètre dont l’étalonnage est traçable à des étalons nationaux ou internationaux peut être utilisé comme étalon. Son choix dépend de différents facteurs tels que :  le domaine de température ;  l’incertitude finale recherchée : compatibilité avec les composantes d’incertitude de l’étalon (incertitude d’étalonnage, dérive, fidélité, conditions d’utilisation, modélisation de la correction, conditions d’environnement, résolution…) ;  les conditions spécifiques de l’étalonnage (utilisation dans un bain liquide par exemple,…);  la fonctionnalité de l’instrument (mémorisation, liaison PC,…) etc. Le choix d’un étalon doit être accompagné de l’identification d’un prestataire d’étalonnage pour son raccordement aux étalons nationaux. Celui-ci doit posséder une chaîne d’étalonnage dont :
  • 37. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 24 o le domaine de température correspond à celle couverte lors de l’utilisation de l’étalon, o l’incertitude d’étalonnage est compatible avec l’incertitude finale recherchée [2 ; 7 ; 12]. 1.7.2. Milieu de comparaison La qualité de la méthode par comparaison dépend fortement de la capacité à amener et à maintenir le thermomètre à étalonner et le capteur étalon à la même température. Le laboratoire vérifie une fois par an que la caractéristique de ces milieux n’a pas évolué. Les thermomètres ne doivent pas être insérés directement dans les bains de sel et les bains à lit fluidisé. Ils doivent être protégés de la corrosion par une gaine métallique. Les milieux de comparaison généralement utilisés sont résumés dans le tableau 2 suivant : [5]
  • 38. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 25 Tableau 2: Milieu de comparaison avec leur domaine de température Domaine de température Milieu et dispositif de comparaison -160°C 0°C -70°C à 0°C -50°C à 20°C 2°C à 95°C -60°C à 280°C Iso-pentane Alcool éthylique Eau + Ethylène glycol Eau Huile silicone Bain liquide à circulation 200°C à 550°C Sel Bain de sel de nitrite 200°C à 700°C Alumine Bain à lit fluidisé -170°C à -120°C -40°C à 60°C 30°C à 140°C 130°C à 300°C 400°C à 700°C 500°C à 800°C 600°C à 970°C Méthane Ammoniaque Eau Fluides organiques Césium Potassium Sodium Four à caloducs -40°C à 200°C Air Enceinte climatique a) 200°C à 1000°C Air Fours à résistance électrique a) Dispositif à réserver de préférence pour l’étalonnage des instruments non immergeables. 1.8.Opérations préliminaires Avant l’étalonnage, un examen visuel est réalisé ainsi qu’un nettoyage du capteur. Le temps de préchauffage des instruments électroniques doit être respecté. Dans les conditions d’étalonnage, il est important de prendre en compte la température ambiante, le fluide utilisé et la tension d’alimentation des différents moyens de mesure. Pour l’examen visuel, il faut :
  • 39. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 26  s’assurer de l’identification du thermomètre à étalonner ;  s’assurer de l’absence de défaut mécanique ;  dans le cas d’un thermocouple, s’assurer de l’absence de trace d’oxydation ou d’humidité autour des connexions des fils d’extension ou de compensation (par des mesures de résistance d’isolement par exemple) ;  s’assurer de la validité du certificat d’étalonnage et vérifier que l’étalon ne présente pas de défaut mécanique. 1.9.Mode opératoire 1.9.1. Cas général Il doit être établi afin de réaliser des étalonnages d’une manière reproductible. Les différents éléments permettant d’élaborer le mode opératoire sont énumérés ci-dessous. - le nombre de points d’étalonnage est fonction des conditions d’utilisation. L’étalonnage est effectué à un ou plusieurs points de température en fonction des conditions d’utilisation. Le nombre de points d’étalonnage est fixé, soit par l’utilisateur, soit par le laboratoire d’étalonnage après accord de l’utilisateur. - la profondeur d’immersion du capteur dans le milieu : Elle doit être adaptée à la longueur de l’élément sensible et aux caractéristiques thermiques du milieu de comparaison (profil thermique dans les puits des fours d’étalonnage par exemple). La différence des dimensions des éléments sensibles du thermomètre étalon et du capteur à étalonner peut entraîner des erreurs importantes (en particulier si le milieu de comparaison est un four). Afin de s’assurer que la profondeur d’immersion est suffisante, celle-ci doit être modifiée d’une longueur au moins égale à l’élément sensible. La variation de
  • 40. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 27 température entraînée doit rester nettement inférieure à l’incertitude finale recherchée. Dans la mesure du possible, la sonde doit être immergée d’une profondeur d’au moins 10 fois son diamètre (règle empirique). - les perturbations thermiques liées au capteur à étalonner : Les caractéristiques thermiques du milieu de comparaison peuvent dépendre du nombre de capteurs présents. Ceux-ci ne doivent pas modifier la répartition des températures (perturbation de l’écoulement du fluide) afin de correspondre aux conditions dans lesquelles le milieu a été caractérisé. - le temps de stabilisation : Un temps de stabilisation minimum doit être déterminé en fonction des caractéristiques du milieu de comparaison (temps de réponse). La température du milieu est considérée comme stable lorsque les variations locales de la température mesurée par le thermomètre étalon sont inférieures au critère de stabilité recherché. Il est alors important de respecter un temps d’attente avant de réaliser les relevés de mesure. Ce temps permet de s’assurer que les différents capteurs en présence sont à la même température. - la vitesse d’acquisition des mesures : La recherche d’une meilleure exactitude de mesure impose plusieurs acquisitions de l’étalon et de l’instrument de mesure sur une durée compatible avec la dynamique du système (régulation du milieu de comparaison). Les relevés de mesure sont réalisés en fonction du temps de réponse des capteurs. - après la stabilisation du milieu de comparaison, un relevé de température par minute est effectué pendant 10 minutes. Les valeurs affichées par la sonde de référence et le (ou les) thermomètre(s) à étalonner sont notées simultanément par un appareil électronique ou par l’opérateur. - le traitement des données brutes : Pour chaque point d’étalonnage, on calcule la moyenne pour chaque série de mesures et l’incertitude de mesure associée [5 ; 12].
  • 41. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 28 La figure 8 résume la technique d’étalonnage par comparaison à une chaine de référence. Figure 8: Etalonnage d’une chaine de température par comparaison à une chaine de référence. 1.9.2. Cas particuliers : pyromètres optiques Outre les méthodes de comparaison par rapport à un étalon de référence (pyromètre étalon, de préférence à réponse spectrale plate et de même bande spectrale que celle de l’instrument ; ceci suppose évidemment que le pyromètre a été raccordé à un corps noir au préalable), il existe une autre méthode visant un corps noir de référence à température connue dans la bande spectrale de réponse de l'instrument à étalonner [3].
  • 42. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 29 Le capteur infrarouge du thermomètre à contrôler est pointé sur un disque noir du calibreur. Ce disque est chauffé à une température donnée et les températures, aussi bien celles mesurées par les thermomètres à étalonner que celle du disque, sont suivies durant 10 minutes. La figure 9 ci-dessous montre la technique d’étalonnage d’un pyromètre optique. Figure 9: Etalonnage d’un thermomètre à capteur infrarouge au moyen d’un calibreur IR. 1.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude Se référer à la partie estimation des incertitudes de mesure. 1.11. Présentation des résultats 1.11.1. Feuille de mesure Une feuille de mesure est un document à usage interne, archivé pour assurer la traçabilité des mesures. La feuille de mesure contient au moins les informations suivantes :
  • 43. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 30  identification permettant de remonter au demandeur;  identification des éléments composant l’instrument à étalonner (constructeur, type, numéro de série, etc.) pour le capteur et pour l’indicateur;  date des mesures;  identification de l’opérateur;  référence de la procédure utilisée;  identification des étalons utilisés et des cellules points fixes utilisées (cas de l’étalonnage aux points fixes de l’EIT-90;  identification des générateurs de température utilisés;  niveau d’immersion des capteurs étalonnés;  conditions d’environnement (température du local au moment des mesures, si nécessaire humidité, etc.); etc. 1.11.2. Certificat d’étalonnage Le certificat d’étalonnage éventuellement émis, est établi suivant les informations contenues dans le fascicule de documentation FD X 07-012. 2. ETALONNAGE PAR COMPARAISON AUX POINTS FIXES DE L’EIT- 90 Il se repose sur l’étalonnage aux points fixes de l’EIT-90. Ces points fixes correspondent à des changements d’états de corps purs (point de fusion, de congélation, de vaporisation ou point triple) pour lesquels la température est invariable selon l’échelle de température établie.
  • 44. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 31 2.1.Objet et domaine d'application La présente partie a pour objet de définir des méthodes pratiques et reproductibles destinées à la rédaction d’une procédure d’étalonnage aux points fixes de l’EIT-90 des différents types des capteurs de température de référence ayant une meilleure exactitude de mesure. 2.2.Principe de la méthode Etalonner un capteur par la méthode des cellules points fixes consiste à le placer dans un milieu dont la température uniforme et constante est définie par l’équilibre thermodynamique entre différentes phases (point triple, point de fusion et point de congélation) d’un corps pur. Les différents points fixes de l’EIT-90 sont résumés dans le tableau 3 suivant :
  • 45. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 32 Tableau 3: Différents points de changement d’état de l’EIT-90 avec leur température en Kelvin et en degré Celsius Etat T 90 / K t 90 / °C Point triple de l'hydrogène 13,8033 -259,3467 Point d'ébullition de l'hydrogène à la pression de 33321,3 Pa 17,035 -256,115 Point d'ébullition de l'hydrogène à la pression de 101292 Pa 20,27 -252,88 Point triple du néon 24,5561 -248,5939 Point triple de l'oxygène 54,3584 -218,7916 Point triple de l'argon 83,8058 -189,3442 Point triple du mercure 234,3156 -38,8344 Point triple de l'eau 273,16 0,01 Point de fusion du galium 302,9146 29,7646 Point de congélation de l'indium 429,7485 156,5985 Point de congélation de l'étain 505,078 231,928 Point de congélation du zinc 692,677 419,527 Point de congélation de l'aluminium 933,473 660,323 Point de congélation de l'argent 1234,93 961,78 Point de congélation de l'or 1337,33 1064,18 Point de congélation du cuivre 1357,77 1084,62
  • 46. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 33 2.3.Références normatives - NF ENV 13005 :1999, Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure ; - NF X 07-001 :1994, Norme fondamentales — Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de Métrologie ; - FD X 07-012 :1995 : Métrologie — Métrologie dans l’entreprise — Certificat d'étalonnage des moyens de mesure ; - FD X 07-029-1 : Métrologie — Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres – Partie 1 : Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres à résistance. 2.4.Termes et définitions Cellule point fixe : C’est une cellule conventionnelle qui comprend un métal pur (généralement de 500 g à 1 kg) conditionné dans un creuset en graphite (de 220 mm de hauteur et 45 mm de diamètre). Celui-ci est placé dans une cellule en quartz (matière inerte qui supporte les hautes températures) à l’intérieur de laquelle un puits est aménagé pour insérer le capteur à étalonner. Point triple : C’est un point du diagramme de phase pour lequel les trois états de la matière que sont l’état liquide, l’état solide et l’état gazeux, coexistent en équilibre. Point de fusion : C’est la température à une pression donnée, à laquelle un élément pur ou un composé chimique passe de l’état solide à l’état liquide. Point de congélation : C’est la température à une pression donnée, à laquelle un corps pur passe de l’état liquide à l’état solide. 2.5.Méthode L’étalonnage consiste à comparer les indications données par un instrument de mesure (capteur à étalonner) aux points fixes de l’EIT-90, matérialisés par les cellules. Cette méthode est utilisée par les laboratoires spécialisés et réservée à l’étalonnage des instruments de mesure de référence.
  • 47. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 34 2.6.Conditions d’environnement Dans la mesure du possible, les conditions d’environnement de l’étalonnage seront proches de celles du lieu habituel d’utilisation du thermomètre à étalonner. L’étalonnage doit être réalisé dans les mêmes conditions que celles de l’utilisation habituelle. Ces conditions doivent respectées celles des laboratoires accrédités pour l’étalonnage aux points fixes de l’EIT-90. 2.7.Moyens d’étalonnage En fonction de la gamme d’instruments de mesure et des points d’utilisation, on choisit les cellules points fixes correspondantes. Il s’agit de : Cellule Argent, cellule Aluminium, cellule Zinc, cellule Etain, cellule Indium, cellule Mercure, cellule Gallium, etc. La figure n°10 montre la photo d’une cellule scellée point fixe. [1] Figure 10 : Schéma d’une cellule scellée point fixe Les dispositifs de maintien (par exemple bains et fours) doivent être adaptés à la réalisation de ces points fixes de l’EIT-90. Un four est illustré par la figure 11 ci-dessous.
  • 48. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 35 Figure 11 : Schéma d’un four moyenne température 2.8.Opérations préliminaires Avant l’étalonnage, certaines opérations préliminaires sont réalisées. Il s’agit :  d’examen visuel du capteur à étalonner,  de s’assurer que le point d’étalonnage correspond à la température du point de changement d’état du métal choisi (cellule choisie),  de prendre en compte ou définir dans les conditions spécifiées les caractéristiques suivantes : température ambiante, tension d’alimentation réseau, etc. 2.9.Mode opératoire Ce mode opératoire ne permet pas l’étalonnage de plusieurs capteurs à la fois. Il comprend :  introduire le capteur à étalonner dans le puits de la cellule,
  • 49. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 36  la cellule elle-même est introduite dans un dispositif de maintien adapté à la cellule qui peut être un bain ou un four,  chauffer la cellule à l’aide du dispositif de maintien à la température de changement de phase du métal pur considéré.  après stabilisation, relever les indications du capteur en étalonnage [1]. 2.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude Se référer à la partie estimation des incertitudes de mesure. 3. CAS PRATIQUE D’UN ETALONNAGE Etalonnage d’un thermomètre à résistance de gamme de mesure allant de 0°C à 100°C par un thermomètre Pt100 de référence 3.1.Matériel  Thermomètre Pt100 de référence n° : 123456, d’incertitude élargie Ue = 0,02°C et de résolution d = 0,01°C ;  thermomètre à étalonner n° : AZ24587 ; de résolution d = 0,01°C et d’étendue de mesure égale à 100°C ;  bain-marie d’homogénéité Δhom = 0,02°C et de stabilité Δst = 0,055°C 3.2.Méthode Comparer les indications données par le thermomètre en étalonnage aux valeurs fournies par le thermomètre Pt100 de référence, tous placés dans le bain- marie stable et homogène. 3.3.Manipulation  Mettre en place les matériels et les conditions d’étalonnage ;  placer le thermomètre de référence au centre du milieu à mesurer ;
  • 50. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 37  placer ensuite le thermomètre à étalonner à la place préalablement préparé si possible 10 à 15 minutes avant les mesures ;  après l’homogénéité et la stabilité du bain, relever 5 mesures indiquées par le thermomètre de référence et par le thermomètre en étalonnage pendant environ 5 min (soit 1 min par relevé) ;  reporter les résultats sur la feuille de relevé de mesure ;  effectuer trois (3) séries de mesurage ;  faire la même opération sur tous les points d’étalonnage (0°C ; 20°C ; 40°C ;60°C et 80°C).
  • 51. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 38 3.4.Feuille de mesure et de calcul Les moyens d’étalonnage Thermomètre de référence n° 123456 Incertitude élargie Ue : 0,02°C Résolution d : 0,01°C Thermomètre à étalonner n° AZ24587 Etendue de mesure : 100°C Résolution : 0,01°C Profondeur d’immersion : 200 mm EMT : ± 0,3°C Nombre de série de mesure (n) : 3 Les mesures Points de mesure : 0 20 40 60 80 °C Série 1 Etalon référence : A1 Correction a1 Etalon référence corrigé : T1 Thermomètre travail : B1 Ecart X = (B1-T1) : 0,00 0,02 0,02 0,00 -0,02 20,00 -0,01 19,99 20,00 0,01 40,00 0,01 40,01 40,00 -0,01 60,00 -0,01 59,99 60,02 0,03 80,00 0,01 80,01 79,96 -0,05 °C °C °C °C °C Série 2 Etalon référence : A2 Correction a2 Etalon référence corrigé : T2 Thermomètre travail : B2 Ecart X = (B2-T2) : 0,00 0,02 0,02 0,00 -0,02 20,00 -0,01 19,99 20,00 0,01 40,00 0,01 40,01 40,00 -0,01 60,00 -0,01 59,99 60,02 0,03 80,00 0,01 80,01 79,96 -0,05 °C °C °C °C °C Série 3 Etalon référence : A3 Correction a3 Etalon référence corrigé : T3 Thermomètre travail : B3 Ecart X = (B3-T3) : 0,00 0,02 0,02 0,00 -0,02 20,00 -0,01 19,99 20,00 0,01 40,00 0,01 40,01 40,00 -0,01 60,00 -0,01 59,99 60,02 0,03 80,00 0,01 80,01 79,96 -0,05 °C °C °C °C °C Les calculs Moyenne des écarts X = Etendue des écarts Wmax = Moyenne des températures lues B = Correction du thermomètre de travail = Moyenne des température de référence T = -0,02 0,00 0,00 0,02 0,02 0,01 0,00 20,00 -0,01 19,99 -0,01 0,00 40,00 0,00 40,01 0,03 0,00 60,02 -0,03 59,99 -0,05 0,00 79,96 0,05 80,01 °C °C °C °C °C Composantes d’incertitudes Répétition ut : Thermomètre de référence uce : Pérennité upe : Résolution du thermomètre référence uréf : Résolution du thermomètre travail utra : Homogénéité du générateur uhom : Stabilité du générateur ust : Incertitude-type combinée uc : 0,000 0,010 0,010 0,002 0,000 0,000 0,006 0,016 0,000 0,010 0,010 0,002 0,000 0,001 0,006 0,016 0,000 0,010 0,010 0,002 0,000 0,000 0,006 0,016 0,000 0,010 0,010 0,002 0,000 0,000 0,006 0,016 0,000 0,010 0,010 0,002 0,000 0,000 0,006 0,016 °C °C °C °C °C °C °C °C Incertitude-type élargie U (±) : 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 °C
  • 52. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 39 3.5.Exemple d’un certificat d’étalonnage CERTIFICAT D’ETALONNAGE N° : XXXXXXX Délivré à : SOCIETE X Du : XX.XX.20XX ADRESSE COMPLETE : .................................... Ce certificat comprend : nombre de pages Instrument étalonné : Désignation : Thermomètre résistance métallique Constructeur : XXXXXX Type : ATC-156 B N° de série : AZ24587 Identification interne : Le responsable service métrologie : ………………… Signature : Etalonnage effectué par : ……………………………. Signature : Réalisé le : XX.XX.20XX Conditions du contrôle : Température ambiante : 20 ± 1°C Hygrométrie ambiante : 50.2 % HR ± 10 % HR Temps de stabilisation thermique avant les mesures : 8 heures Moyens utilisés pour l’étalonnage Bain- marie
  • 53. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 40 Thermomètre Pt100 de référence n° 123456 Procédure d'étalonnage Etalonnage par comparaison à une sonde à résistance de platine 100 Ohm étalon associée à un afficheur Incertitudes de mesure Les incertitudes mentionnées sont celles correspondant à deux incertitudes-types. Les incertitudes-types ont été calculées en tenant compte des différentes composantes d’incertitudes, étalons de référence, moyens d’étalonnage, conditions d’environnement, contribution de l’instrument étalonné, répétabilité, etc. Présentation des résultats Points de mesures en °C Température de référence en °C Indication de la chaine de mesure en °C Correction à appliquer à la chaine de mesure en °C Incertitude de l’étalonnage en °C 0 0,02 0,00 0,02 0,03 20 19,99 20,00 -0,01 0,03 40 40,01 40,00 0,01 0,03 60 59,99 60,02 -0,03 0,03 80 80,01 79,96 0,05 0,03
  • 54. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 41 Quatrième partie ESTIMATION DES INCERTITUDES
  • 55. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 42 Plusieurs sources d’erreurs peuvent influencer le résultat de mesure lors d’un mesurage. Ces différentes sources d’erreurs permettent d’estimer les incertitudes de mesures. 1. SOURCES D’INCERTITUDES DE MESURE Les incertitudes de mesure proviennent de plusieurs sources. Elles peuvent provenir du capteur de température étalon (Moyen), du capteur de température à étalonner (Matière), de la méthode utilisée (Méthode), de l’opérateur qui effectue les mesurages (Main d’œuvre) et des conditions dans lesquelles s’effectue l’étalonnage (Milieu). Il convient de ne pas oublier, lors de l’établissement des bilans d’incertitudes, les éléments suivants (liste non exhaustive) : - les composantes associées à l’instrument en étalonnage, dont la répétabilité, la résolution (ou le pas de quantification), le phénomène d’hystérésis ; - les composantes liées au générateur de température (l’homogénéité, la stabilité, etc.) ; - les composantes associées à la connaissance de la température de référence, dont par exemple les incertitudes des corrections apportées pour déterminer la température de référence, la dérive et la pérennité de l’instrument étalon… ; - les composantes associées à la lecture des résultats de mesure par l’opérateur ; - les composantes associées à la méthode d’étalonnage ; - les composantes associées aux fuites thermiques. Pour estimer cette composante, le laboratoire a le choix entre deux solutions :  réaliser l’étalonnage avec au minimum deux profondeurs d’immersion suffisamment différentes, sur au moins un point d’étalonnage (au point le plus critique) ;
  • 56. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 43  proposer une autre méthode validée par le laboratoire (par exemple, cette composante d’incertitude pourra être déterminée à partir d’essais de caractérisation réalisés par le laboratoire d'étalonnage sur des familles représentatives d’instrument de dimensions spécifiées) [7]. Les différentes sources d’influence sur les résultats de mesure sont résumées dans la figure 12. [10] Figure 12: Inventaire de l’ensemble des causes d’incertitudes sur la mesure de température. 2. METHODES DE CALCUL D’INCERTITUDES [7 ; 8 ; 11 ; 13] 2.1.Détermination de l’incertitude-type A La méthode préconisée est une méthode d'estimation de type A (calcul de l'écart-type expérimental) : l'incertitude-type est estimée par l'écart-type expérimental maximal de la valeur moyenne de la correction d'étalonnage. Pour l'étalonnage des thermomètres, cette méthode présente une qualité acceptable si le nombre de mesures est supérieur ou égal à 10.
  • 57. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 44 Si le nombre de mesures est inférieur à 10, une méthode alternative peut être mise en œuvre sous les hypothèses ci-dessous : 2.1.1. Sous l'hypothèse de normalité L'incertitude-type est estimée à partir de l'étendue des mesures, selon la méthode suivante : 𝑢 𝐴 = 𝑊 𝑖 𝑑 𝑛 (4) avec Wi la différence entre la plus grande et la plus petite des valeurs de correction et dn un coefficient qui varie en fonction du nombre de mesure. 2.1.2. Sous l'hypothèse d'autres lois de distribution  Sous l'hypothèse de la loi uniforme, l'incertitude-type est estimée par la demie étendue des mesures, divisée par √3; 𝑢 𝐴 = 𝑎 √3 Avec « a », la demi-étendue  sous l'hypothèse de la loi arc-sinus (pour des variations temporelles en sinusoïde), l'incertitude-type est estimée par la demie étendue des mesures, divisée par √2 . 𝑢 𝐴 = 𝑎 √2 Avec « a », la demi-étendue L'attention est attirée sur le fait que l'étendue des mesures n'est pas forcément symétrique par rapport à la valeur moyenne ; il est nécessaire de s'en assurer ou d'en tenir compte dans le calcul de la demi-étendue. (5) (6)
  • 58. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 45 2.2.Détermination de l’incertitude-type B Dans le cas des méthodes de type B, l’incertitude type est évaluée par un jugement scientifique basé sur toutes les informations dont on dispose concernant le phénomène physique considéré. Les composantes d’incertitudes qu’on peut estimer sont :  Incertitude liée à l’incertitude d’étalonnage de l’étalon u1 = incertitude d′étalonnage coefficient d′élargissement  Incertitude liée à la dérive de l’étalon u2 = Dérive annuelle 𝑚𝑎𝑥 √3  Incertitude liée à la résolution de l’étalon u3 = résolution du thermomètre étalon 2√3  Incertitude liée à la résolution de la sonde u4 = résolution de la sonde à étalonner 2√3  Incertitude-type due à la répétabilité de l’instrument de mesure est estimée à partir de l’écart-type expérimental trouvé sur la série du nombre de (7) (8) (9) (10)
  • 59. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 46 mesures effectuées à chaque point d’étalonnage. Elle est prise en compte par l’incertitude de type A  Incertitude liée à l’hétérogénéité du bain et aux fuites thermiques (cas des couples thermoélectriques) u5 = Variation de la f. é. m (ΔVE) √3  Incertitude liée à l’auto-échauffement d’une sonde à résistance étalonnée dans un liquide et utilisée dans l’air u6 = ΔTauto−échauffement √3  Incertitude liée à l’homogénéité du milieu de comparaison u7 = homogénéité du milieu 2√3  Incertitude liée à la stabilité du milieu de comparaison u8 = stabilité du comparateur 2√3 2.3.Détermination de l’incertitude-type composée En faisant l’hypothèse que ces sources sont non corrélées, l’incertitude composée uc s’obtient en sommant quadratiquement les incertitudes-types des composantes d’incertitudes. uc = √∑ (ui 2)n i=1 (15) (11) (12) (13) (14)
  • 60. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 47 Ce qui donne : 𝑢 𝑐 = √ 𝑢 𝐴 2 + 𝑢1 2 + 𝑢2 2+ 𝑢3 2 + 𝑢4 2 + 𝑢5 2 + 𝑢6 2 + 𝑢7 2+ 𝑢8 2 + ⋯ 𝑢 𝑛 2 Avec uA l’incertitude de répétabilité. 2.4.Détermination de l’incertitude élargie L’incertitude élargie U représente l’intervalle autour du résultat de mesure dans lequel on peut espérer trouver une large fraction des valeurs qui pourraient être attribuées à la grandeur mesurée. Elle s’obtient en multipliant l’incertitude composée, par un facteur d’élargissement k généralement pris égal à 2 : U = k. uc (17) (16)
  • 61. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 48 CONCLUSION
  • 62. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes 49 La métrologie des températures fait intervenir plusieurs phénomènes ; un certain nombre de méthodes et d’éléments tous ayant le même objectif à savoir, la traçabilité des résultats de mesure. Le présent projet interne a eu pour objectif de répondre à la question, « comment les capteurs interviennent-ils dans le processus de mesurage des températures ? ». Pour conclure, on commencera par l’analyse des différents points qui ont guidés ce travail. Pour le premier point, la notion de température et de capteur, nous avons défini d’abord la notion de température ainsi que celle de capteur avec son mode de fonctionnement. En ce qui concerne les différentes technologies de capteurs de température, nous avons identifié deux catégories à savoir, les capteurs de température à contact et ceux à distance. Dans chaque catégorie, les types de capteurs de température ont été définis avec leurs principes de fonctionnement, les caractéristiques ainsi que leurs avantages et inconvénients. Quant à la procédure d’étalonnage, il est ressorti deux méthodes qui sont la méthode par comparaison et celle aux points fixes de l’EIT-90. Le principe de chaque méthode a été expliqué avec les moyens mis en œuvre pour sa réalisation. Concernant l’estimation des incertitudes, il faut retenir que les erreurs proviennent de différentes sources. Ces sources d’erreurs interviennent dans le calcul d’incertitude par la méthode type A et type B. En somme, il ressort de cette étude qu’un résultat de mesure ne peut être apprécié qu’à travers son niveau d’incertitude. Il ne serait pas possible de faire une étude des capteurs de température sans évaluer et calculer leurs incertitudes par le biais d’un étalonnage. Pour faire des mesures efficientes, les capteurs de température peuvent être utilisés si on y arrive à associer les différentes incertitudes liées aux processus de mesurages. Mais, il se pose la question à savoir « ce qu’en est de l’application des incertitudes aux résultats de mesurages ? ».
  • 63. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes i REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
  • 64. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes ii 1) Arnoux C. Pour assurer votre qualité, maîtriser votre température. Pyrocontrol group.12p 2) Charki A., Louvel D., Renaot E., Michel A., Tiplica T. Incertitudes de mesure : Applications concrètes pour les étalonnages - Tome 1 22p. 3) De Poorter G. Labinfo. 2ème numéro. 2009. 34p. 4) Fabian R. Pyromètres optiques : Mesure température sans contact. 2009. 11p. 5) FD X07- 029 - 1 : Métrologie – Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres. Partie 1 : Procédure d’étalonnage et de vérification des sondes et thermomètres à résistance. 6) GIRARDOT J-P. Capteurs et instrumentation utilises en océanographie physique. 6 avenue Le Gorgeu – 29285 BREST CEDEX. 90p 7) Guide technique d’accréditation en température. Document LAB GTA 08. Révision 01. 66p. 8) Jacqueline F. Etalonnage des capteurs de température et conductivité, et détermination des incertitudes de mesure associées. 2007. 29p 9) JCGM 200 : 20012. Vocabulaire international de métrologie – Concepts fondamentaux et généraux et termes associés. 10) Lavenant N., Ollitrault M., Hamon Y., Gilliet N., Fauvel Y., Faucheux M. Banc d’étalonnage en température. 18p. 11) Les guides techniques du collège français de métrologie. 27 exemples d’évaluations des incertitudes d’étalonnage. 247p. 12) Marloie O. Instruction d’étalonnage d’un thermomètre à résistance. Cah. Tech. I.N.R.A., 2005 56, 45-58 13) NF ENV 13005 : Guide pour l’expression de l’incertitudes de mesure. 2008 14) Thermatec Process Control. Généralités sur la mesure de température. 18p. 15) Toulminet G. Les capteurs de température. 2002-2003. 18p
  • 65. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes iii TABLE DES MATIERES
  • 66. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes iv Dédicace……………………………………………...………… i Remerciements ……………………………………………….... iii Liste des abréviations………….……………………………….. v Liste des tableaux et figures.…………………………………… vii I Liste des tableaux………………………………………………. viii II Liste des figures…..…………………………………………….. ix Sommaire……..………………………………………………... x Introduction…………………………………………………….. 1 I Généralités……………...………………………………………. 3 1. Température………………..…………………………………... 4 2. Capteurs………………………………...……………………… 5 II. Technologie……….………………………………………….… 7 1. Capteurs de température à contact…...…………………………. 8 1.1. Capteurs à résistance métalliques…..…………........................... 8 1.1.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 9 1.1.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 9 1.1.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 10 1.2 Thermistances………………………………………………... 10 1.2.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 10 1.2.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 11 1.2.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 11 1.3. Thermocouple…..……………………………………………… 12 1.3.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 12 1.3.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 13 1.3.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 15 2. Capteurs de température à distance…........................................... 16 2.1. Principe de fonctionnement…………….………………………. 16 2.2. Caractéristiques………………………...……………………..... 16
  • 67. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes v 2.3 Avantages et inconvénients…………………………………….. 18 III. Procédure d’étalonnage……………………………………….. 19 1. Etalonnage par comparaison a un capteur de référence dans un milieu d’étalonnage…………………………………………… 20 1.1. Objet et domaine d’application…………………………… 20 1.2. Principe de la méthode………………………………………….. 21 1.3. Références normatives…...…………………………………….. 21 1.4. Termes et définitions…………………………………………… 21 1.5. Méthode………………..………………………………………. 21 1.6 Conditions d’environnement...…………………………………. 22 1.7. Moyens d’étalonnage…..………………………………………. 23 1.7.1. Etalon…………………………………………………………. 23 1.7.2. Milieu de comparaison………………………………….……… 24 1.8 Opérations préliminaires …….…………………………………. 25 1.9. Mode opératoire…..……………………………………………. 26 1.9.1. Cas général…………………………………………................. 26 1.9.2. Cas particuliers : pyromètres optiques………...………………... 28 1.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude…………………. 29 1.11. Présentation des résultats………………………………………. 29 1.11.1. Feuille de mesure…………….....………………………………. 29 1.11.2. Certificat d’étalonnage…………….………………………...…. 30 2. Etalonnage par comparaison aux points fixes de l’eit-90……….. 30 2.1. Objet et domaine d’application…………………………… 31 2.2. Principe de la méthode………………………………………….. 31 2.3. Références normatives…...…………………………………….. 33 2.4. Termes et définitions…………………………………………… 33 2.5. Méthode………………..………………………………………. 33 2.6 Conditions d’environnement...…………………………………. 34
  • 68. Capteurs de température : Technologie, procédure d’étalonnage et estimation des incertitudes vi 2.7. Moyens d’étalonnage…..………………………………………. 34 2.8 Opérations préliminaires …….…………………………………. 35 2.9. Mode opératoire…..……………………………………………. 35 2.10. Traitement des résultats et calcul d’incertitude…………………. 36 3. Cas pratique d’un étalonnage………………………………….... 36 3.1. Matériel ………………………………………………………... 36 3.2. Méthode ………………………………………………………... 36 3.3. Manipulation …………………………………………………... 36 3.4. Feuille de mesure et de calcul …………………………………... 38 3.5. Exemple d’un certificat d’étalonnage ………………………….. 39 IV. Estimation des incertitudes………………...…………………… 41 1. Sources d’incertitudes de mesure.……………………………… 42 2. Méthode de calcul d’incertitudes……………...………………... 43 2.1. Détermination de l’incertitude type A...………………………… 43 2.1.1. Sous l’hypothèse de normalité…………………………….......... 44 2.1.2. Sous l’hypothèse d’autres lois de distribution….……………….. 40 2.2. Détermination de l’incertitude-type B…………...……………... 45 2.3. Détermination de l’incertitude-type composée…………………. 46 2.4. Détermination de l’incertitude-type élargie...…………………... 47 Conclusion……………………………………………………... 48 Références bibliographiques…………………………………… i Table des matières……………………………………………… iii