Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les éléments sensibles à résistance métallique, principalement de platine, sont notamment mis en œuvre dans les thermomètres étalons. L'Echelle Internationale des Températures permet de réaliser des mesures précises et reproductibles et d'éviter l'approche de la température thermodynamqiue trop complexe. A chaque catégorie d'étalons (primaires, secondaires, ou de travail), correspond une technologie d'élaboration de ces éléments, puis également une mise en oeuvre dans les capteurs de mesure. Cet article s'intéresse également aux causes des erreurs rencontrées.
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Sensitive elements with metallic resistance, mostly platinum, are implemented notably in standard thermometers. The International Temperature Scale allows for carrying out precise and reproducible measurements as well as avoiding the too complex approach of thermodynamic temperature. An elaboration technology of these elements and a specific implementation in measuring sensors corresponds to each category of standards (primary, secondary or work). This article also deals with the causes of the errors encountered.
Auteur(s)
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Thierry VIGNERON : Ingénieur de l’École Centrale de Lyon - Directeur de Pyro-Contrôle Groupe Chauvin Arnoux
INTRODUCTION
Le domaine technique couvert par les éléments sensibles à résistance, principalement de platine, est très vaste. Ces éléments sensibles sont mis en œuvre dans les thermomètres qui servent d’étalons primaires dans la définition de l’Échelle Internationale de Température et d’étalons secondaires dans les laboratoires d’étalonnage ; ils sont largement utilisés dans l’industrie pour les thermosondes à résistance et sont aussi incorporés dans des systèmes de grande diffusion pour des applications domestiques.
Après le rappel de quelques éléments théoriques, l’objet de cet article est de décrire les technologies d’élaboration des éléments sensibles à résistance de platine pour la construction des thermomètres étalons, et leur mise en œuvre dans les capteurs de température. Nous nous intéresserons également aux causes des erreurs de mesure.
Enfin, nous présenterons succinctement d’autres résistances métalliques et matériaux résistifs utilisés dans les laboratoires ou l’industrie.
Cet article est lié à celui sur les cannes pyrométriques (Bases documentaires : Mesures physiques. Dossier Cannes pyrométriques[R 2 710]), qui présente la mise en œuvre de ces éléments sensibles pour la réalisation des thermosondes à résistance, qui est un cas particulier des cannes pyrométriques.
Certains paragraphes reprennent le précédent article de Jean-Michel AUTRAN , ancien Chef du Laboratoire de Thermométrie au Comptoir Lyon-Allemand Louyot.
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Principe de la mesure de la température5. Éléments sensibles à autres résistances métalliques et autres matériaux résistifs
La quantité de métal employée pour constituer l’élément sensible d’une sonde à résistance est au plus de quelques centigrammes. Son prix n’intervient donc que pour une faible part dans le prix d’une sonde, et ne saurait être déterminant pour le choix de celle-ci. C’est en raison de leurs propriétés spécifiques pour certaines applications, que certains métaux sont préférés à d’autres.
Le domaine cryogénique, en particulier, utilise volontiers des métaux différents du platine. On a également utilisé des matériaux comme le carbone, mais du fait de l’arrêt de leur production, ces derniers sont progressivement remplacés par des éléments sensibles, appelés thermistances, à oxyde de ruthénium (RuO2) ou à oxyde nitride de zirconium (Cernox TM).
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Sondes à résistance de germanium
L’élément sensible est constitué d’un petit élément monocristallin de germanium dopé. Il est monté sur 4 fils d’or, de très faibles diamètres. Ce semi-conducteur est très utilisé dans le domaine des mesures de température très précises au-dessous de 30 K, du fait de sa grande sensibilité. Il est difficile de fabriquer ces éléments sensibles avec à chaque fois les mêmes caractéristiques de dopage, ce qui entraîne des propriétés différentes. En conséquence, ces éléments ne sont pas interchangeables. Un autre inconvénient du germanium est la variation de sa résistance sous l’action d’un champ magnétique.
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Sondes à résistance fer-rhodium
Ces sondes à résistance sont utilisables entre 0,5 K et 30 K, mais elles peuvent être encore utilisées au-dessus de 30 K, jusqu’à la température ambiante. Leur sensibilité est la plus importante aux basses températures. Les thermomètres à résistance fer-rhodium offrent une excellente stabilité dans le temps. Le tableau 9 donne les valeurs des résistivités d’un alliage Rh-5 % Fe comparées à celles du platine et du rhodium.
Les constructeurs proposent des sondes sur la plage 0,5 K à 300 K, dont la résistance ohmique à 0 ˚C est 100 ou 50 Ω.. Scellées à l’hélium, elles ont des dimensions variables : de longueur 40 mm/diamètre 3,7...
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Éléments sensibles à autres résistances métalliques et autres matériaux résistifs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CALLENDAR (H.L.) - On the practical measurement of temperature (La pratique des mesures de températures) - . Philos. Trans. Roy. Soc. London (Ser. A), 178, p. 160-230 (1887).
-
(2) - KITTEL (C.) - Introduction à la physique de l’état solide - . Dunod (1970).
-
(3) - MATTHIESSEN (A.), VOGT (C.) - Einige Bemerkungen über den Einfluss der Legierungsbildung auf den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes der Metalle (Remarques sur l’influence de la formation d’alliages sur le coefficient de température de la résistance électrique des métaux) - . Pogg. Ann., no 122, p. 19, cité par KOSTER (W.) et HEUSLER (J.) (1864), Metall, 22, p. 1-8 (janv. 1968).
-
(4) - MEYERS (C.H.) - Coiled filament resistance thermometers (Filament bobiné pour thermomètre à résistance) - . J. Res. Nat. Bur. Stand., 9, no 6, p. 807-15 (1932).
-
(5) - Erreur engendrée par les fuites thermiques le long des connecteurs des capteurs de température - . Université de Bar-Ilan (Israël) Mesures...
ANNEXES
La plupart des pays industrialisés ont repris la norme européenne CEI 60751 « Industrial platinum resistance thermometer sensors » : en France, NF EN 60751, en Allemagne DIN EN 60751, au Royaume Uni BS EN 60751.
Cette norme internationale définit principalement :
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• la résistance R0 à 0 ˚C : 100 Ω ;
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• la relation mathématique résistance-température dans le domaine de température de la sonde (§ 1.1.1 de l’article [R 2 525]) ;
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• le rapport R100/R0 = 1,385 0 (différent de celui des thermomètres...
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