Thermomètres & Pyromètres: Types, Fonctionnement & Mesure

Qu'est-ce qu'un Thermomètre ?

Le thermomètre (du grec θερμός signifiant "chaud" et métron, "mesure") est un instrument de mesure de la température. Depuis leur invention, ces appareils ont considérablement évolué, notamment avec le développement des thermomètres électroniques numériques.

Initialement, les thermomètres étaient conçus pour exploiter le phénomène de la dilatation thermique. On privilégiait alors l'utilisation de matériaux à fort coefficient de dilatation, afin que l'augmentation de température se traduise par une dilatation bien visible. Le métal le plus couramment utilisé dans ce type de thermomètre était le mercure, contenu dans un tube de verre gradué.

Mesure de la Température

Définition de la Température

La température d'un corps est définie par son état thermique, en référence à sa capacité à céder ou à acquérir de la chaleur d'un autre corps. La thermodynamique établit que la température d'une substance est une mesure de l'énergie cinétique moyenne de ses molécules.

Points de Référence et Échelles Thermométriques

La mesure de la température s'effectue toujours sur la base d'une échelle spécifique, qui est un ordre numérique arbitraire défini par des points fixes de référence établis.

Échelles Celsius et Fahrenheit

L'échelle centigrade ou Celsius prend comme points fixes la température de fusion de la glace (0 °C) et la température d'ébullition de l'eau distillée (100 °C) à la pression atmosphérique normale. Dans l'échelle Fahrenheit, ces mêmes points fixes correspondent respectivement à 32 °F et 212 °F.

Ces échelles, Celsius et Fahrenheit, sont largement appliquées et acceptées dans le monde entier.

Échelle Kelvin

Le système scientifique utilise l'échelle Kelvin, qui est l'échelle de température absolue. Le zéro absolu (0 K) est défini comme l'état thermique où l'agitation moléculaire d'un gaz parfait est nulle.

Cette interprétation est basée sur les concepts de la théorie cinétique des gaz parfaits, qui stipule que : lorsque la température d'un gaz diminue, la vitesse moyenne de ses molécules tend vers zéro. Inversement, lorsque le gaz est chauffé, les molécules s'accélérént et se dispersent pour occuper un plus grand volume. Lorsqu'elles sont refroidies, les molécules ralentissent, se regroupent et leur volume diminue.

Types de Thermomètres

Thermomètre à Mercure

Un thermomètre à mercure est un type de thermomètre couramment utilisé pour mesurer la température ambiante ou extérieure. Le mercure, un métal liquide de couleur blanc brillant, est contenu dans un tube de verre gradué. Sa dilatation ou contraction en fonction de la température permet une lecture directe.

Thermomètre Bimétallique

Un thermomètre bimétallique (ou thermomètre à bilame) est un dispositif qui exploite la différence de coefficient de dilatation thermique entre deux lames de métaux différents, rigidement assemblées (bande bimétallique).

Les variations de température entraînent une dilatation inégale des deux lames, ce qui provoque une courbure de l'ensemble. En pratique, ces deux lames sont souvent enroulées en spirale ou en hélice. Une extrémité est fixe, tandis que l'autre, libre, est solidaire d'une aiguille qui indique la rotation angulaire sur une échelle graduée en degrés Celsius ou Fahrenheit. L'avantage des thermomètres bimétalliques par rapport aux thermomètres à liquide réside dans leur facilité de manipulation et leur large étendue de mesure. Ils sont largement utilisés dans l'industrie et constituent la base de nombreux thermomètres météorologiques.

Thermomètre à Résistance

Les thermomètres à résistance, également appelés capteurs de température à résistance (RTD), sont basés sur la dépendance de la résistance électrique d'un matériau vis-à-vis de la température. Ils sont capables de transformer une variation de température en une variation de résistance électrique.

Propriétés Requises pour les Matériaux Conducteurs

• Un coefficient de température de la résistance élevé, afin de garantir une grande sensibilité de l'instrument de mesure.
• Une haute résistivité, car une résistance élevée à une température donnée entraîne une plus grande variation de qualité et donc une meilleure sensibilité.
• Une relation linéaire entre la température et la résistance.
• La rigidité et la ductilité, facilitant le processus de fabrication (tréfilage et bobinage du conducteur dans les sondes) pour obtenir une petite taille et une réponse rapide.

Matériaux Couramment Utilisés

• Platinum
• Nickel
• Cuivre

Thermomètre à Gaz

Un thermomètre à gaz à volume constant est constitué d'une ampoule contenant un gaz (hélium, hydrogène ou azote, selon la plage de température souhaitée) et d'un manomètre.

Pour mesurer une température, l'ampoule de gaz est placée dans l'environnement à mesurer. La colonne de mercure du manomètre est ensuite ajustée pour maintenir un volume de gaz fixe dans l'ampoule. La hauteur de la colonne de mercure indique la pression du gaz, à partir de laquelle la température peut être calculée.

Pour un usage industriel, un thermomètre à pression de gaz est constitué d'un élément de mesure de pression (tel qu'un tube de Bourdon) relié par un tube capillaire à une ampoule exposée à la température à mesurer. Le système est rempli sous pression avec un gaz inerte, généralement de l'azote. Étant donné que le gaz contenu dans l'élément de mesure et le tube de raccordement est également soumis à la température ambiante, le volume de l'ampoule doit être suffisamment important pour que les erreurs dues aux variations de température et de pression dans le capillaire soient négligeables. L'ampoule doit représenter au moins quarante fois le volume total du système. Par conséquent, et en raison du délai de transmission des variations de pression dans le capillaire, la longueur de ce dernier est limitée à un maximum de 60 mètres, et de préférence beaucoup moins.

Thermomètre à Globe

Le thermomètre à globe est un instrument spécialisé utilisé pour mesurer la température radiante moyenne, un facteur important dans l'évaluation du confort thermique.

Thermomètre Mouillé

Le thermomètre mouillé est un thermomètre à mercure dont le bulbe est enveloppé d'un tissu de coton imbibé d'eau. En exposant ce bulbe à un courant d'air, l'eau s'évapore plus ou moins rapidement en fonction de l'humidité relative de l'air. Cette évaporation refroidit le bulbe d'autant plus que l'humidité est faible, en raison de la chaleur latente de vaporisation de l'eau.

Thermomètre Sec

La température du bulbe sec est mesurée avec un thermomètre à mercure ou un instrument similaire dont le bulbe est sec et exposé à l'air ambiant.

Cette température, combinée à la température du bulbe humide, est utilisée pour évaluer le confort hygrothermique, déterminer l'humidité relative et le point de rosée, et étudier le comportement des mélanges d'air en psychrométrie. L'utilisation d'un diagramme psychrométrique ou de tables psychrométriques permet de déduire toutes les autres propriétés des mélanges d'air sec et d'air humide à partir de ces deux valeurs.

Il est utilisé en météorologie, en architecture bioclimatique, pour le confort hygrothermique ou l'architecture durable, entre autres domaines.

Psychromètre

Un psychromètre est un type spécial d'hygromètre, composé de deux thermomètres : l'un mesure la température du bulbe sec, l'autre celle du bulbe humide. Un nouveau dispositif de mesure de l'humidité est basé sur le fait que certaines substances voient leur résistance électrique varier en fonction de l'humidité.

Thermomètres à Maxima et Minima

Thermomètre à Maxima

Ce thermomètre enregistre la température la plus élevée de la journée.

Il s'agit d'un thermomètre à mercure doté d'un rétrécissement du capillaire près du bulbe. Lorsque la température augmente, la dilatation du mercure surmonte la résistance du rétrécissement. Cependant, lorsque la température baisse et que le mercure se contracte, la colonne se brise au niveau du rétrécissement, laissant l'extrémité libre indiquer la température maximale atteinte. L'échelle est généralement graduée par divisions de 0,5 °C, avec une étendue de mesure typique de -31,5 °C à 51,5 °C.

Installation et Mesure

Il est placé à l'intérieur d'un abri météorologique sur un support approprié, avec son bulbe incliné vers le bas à un angle de 2° par rapport à l'horizontale. Après la lecture, pour réinitialiser le thermomètre, il faut le tenir fermement par l'extrémité opposée au réservoir et le secouer à bout de bras (manœuvre similaire à celle utilisée pour réinitialiser un thermomètre médical).

Thermomètre à Minima

Ce thermomètre enregistre la température la plus basse de la journée.

Installation et Mesure

Il est placé à l'intérieur d'un abri météorologique sur un support approprié, à l'horizontale. Après la lecture, l'index doit être remis en contact avec la surface libre de l'alcool.

Autres Capteurs de Température

Thermocouple

Un thermocouple est un capteur formé par l'assemblage de deux métaux différents qui produit une tension (effet Seebeck). Cette tension est fonction de la différence de température entre une extrémité appelée « point chaud » (ou de mesure, ou soudure chaude) et l'autre extrémité appelée « point froid » (ou de référence, ou soudure froide).

En instrumentation industrielle, les thermocouples sont largement utilisés comme capteurs de température. Ils sont peu coûteux, interchangeables, dotés de connecteurs standard et permettent de mesurer une large gamme de températures. Leur principale limite réside dans la précision, car des erreurs systématiques inférieures à un degré Celsius sont difficiles à obtenir.

Un groupe de thermocouples connectés en série est appelé une thermopile. Les thermocouples et les thermopiles sont utilisés dans diverses applications, notamment dans les systèmes de chauffage au gaz.

Thermistance

Une thermistance est un capteur de température résistif. Son fonctionnement est basé sur la variation de la résistivité d'un semi-conducteur en fonction de la température. Le terme « thermistance » est une contraction de « thermally sensitive resistor » (résistance sensible à la température).

Types de Thermistances

• NTC (Negative Temperature Coefficient) : à coefficient de température négatif.
• PTC (Positive Temperature Coefficient) : à coefficient de température positif.

Fonctionnement des Thermistances

Leur fonctionnement est basé sur la variation de la résistance d'un semi-conducteur avec la température, due à la variation de la concentration de porteurs de charge. Pour les thermistances NTC, une augmentation de la température entraîne une augmentation de la concentration de porteurs, ce qui réduit la résistance (d'où le coefficient négatif). Pour les thermistances PTC, dans le cas d'un semi-conducteur fortement dopé, il acquiert des propriétés métalliques, présentant un coefficient positif dans une plage de température limitée. Généralement, les thermistances sont fabriquées à partir d'oxydes semi-conducteurs tels que l'oxyde ferrique, l'oxyde de nickel ou l'oxyde de cobalt.

Thermomètres Numériques

Les thermomètres numériques utilisent des transducteurs (comme les thermistances ou thermocouples) pour convertir les variations de température en variations de tension. Ces signaux sont ensuite traités par des circuits électroniques pour afficher la température sous forme numérique.

Pyromètres

Définition du Pyromètre

Un pyromètre est un dispositif capable de mesurer la température d'une substance sans contact physique. Le terme est souvent appliqué aux instruments capables de mesurer des températures supérieures à 600 °C. La plage de température des pyromètres s'étend généralement de -50 °C à +4000 °C. Une application typique est la mesure de la température du métal en fusion dans les aciéries ou les fonderies.

Principe de Fonctionnement

Le rayonnement infrarouge fait partie du spectre électromagnétique et peut être décomposé à travers un prisme. Ce rayonnement transporte de l'énergie. Au XXe siècle, des scientifiques comme Planck, Stefan, Boltzmann, Wien et Kirchhoff ont défini les lois du spectre électromagnétique et ont établi les fondements pour décrire l'énergie infrarouge.

Ces travaux ont permis de définir l'énergie en relation avec les courbes d'émission d'un corps noir. Les objets ayant une température supérieure au zéro absolu émettent de l'énergie par rayonnement. La quantité d'énergie émise augmente proportionnellement à la quatrième puissance de la température absolue.

Ce concept est le principe de base de la mesure de température par infrarouge. Le facteur d'émissivité est une variable essentielle à prendre en compte. Le facteur d'émissivité est le rapport entre le rayonnement émis par un corps réel (corps gris) et celui émis par un corps noir à la même température. Un corps gris est un objet dont le facteur d'émissivité est constant à toutes les longueurs d'onde. Un corps dont le facteur d'émissivité varie avec la longueur d'onde (comme l'aluminium) n'est pas un corps gris. En règle générale, le facteur d'émissivité est considéré comme égal au coefficient d'absorption.

Pour les surfaces brillantes, le facteur d'émissivité peut être ajusté manuellement sur les pyromètres ou en mode automatique, afin de corriger les erreurs de mesure. Dans la plupart des applications, cette correction est facile à réaliser. Dans les cas où le facteur d'émissivité n'est pas constant, le problème peut être résolu en mesurant à deux ou plusieurs longueurs d'onde.

Les pyromètres sont fabriqués dans de nombreuses configurations, différant par leurs composants optiques ou électroniques, leur technologie, leur taille et leur boîtier. Tous partagent une chaîne de traitement du signal commune, qui commence par un signal infrarouge et se termine par un signal de sortie électronique. Cette chaîne commence généralement par un système optique (lentilles et/ou guides d'ondes lumineuses), des filtres et un détecteur.

Types de Pyromètres

Il existe trois types principaux de pyromètres : les pyromètres à rayonnement (total), les pyromètres infrarouges et les pyromètres optiques.

Le premier type (pyromètre à rayonnement total) capte une partie contrôlée du rayonnement total émis. Un capteur thermique et une thermopile (groupe de thermocouples connectés en série) déterminent la mesure de la température à partir de l'effet calorifique de l'échantillon de rayonnement.

Le pyromètre optique utilise l'œil humain comme moyen de détection pour estimer la variation de la luminosité du rayonnement visible en fonction de la température. Enfin, le pyromètre infrarouge exploite un principe similaire à celui du rayonnement total, mais les mesures sont limitées au segment infrarouge du spectre. Aucun de ces trois types ne nécessite un contact direct avec l'objet à analyser, permettant des mesures à distance. Le présent document décrit principalement les pyromètres optiques et à rayonnement.

Pyromètres Optiques

Le pyromètre optique est utilisé pour mesurer les températures de corps solides supérieures à 700 °C. À ces températures, les objets solides émettent suffisamment d'énergie dans le spectre visible pour permettre une mesure optique basée sur le phénomène de la « couleur vive » (incandescence). La couleur d'un objet chaud incandescent varie du rouge foncé au jaune, puis au blanc à des températures d'environ 1 300 °C. Ce type de pyromètres utilise une méthode de comparaison comme principe de fonctionnement de base. En général, une température de référence est fournie par un filament de lampe chauffé électriquement. La mesure de température est obtenue en comparant visuellement le rayonnement optique du filament à celui de la source de chaleur à mesurer. En principe, le rayonnement de la source à mesurer, tel que perçu par l'observateur, est ajusté pour coïncider avec le rayonnement de la source de référence. Il existe deux méthodes : 1) Le courant traversant le filament est régulé électriquement en ajustant la résistance, ou 2) Le rayonnement de la source inconnue est ajusté optiquement par des dispositifs absorbants, tels qu'un filtre polarisant. Dans les deux cas, le paramètre ajusté permet la lecture de la température.

La figure suivante illustre schématiquement la structure d'un pyromètre d'intensité variable.

Pyromètres à Rayonnement

Les pyromètres à rayonnement sont utilisés pour mesurer des températures allant de 550 °C à plus de 1600 °C, en capturant tout ou partie du rayonnement émis par le corps à analyser. Ce type de pyromètre est basé sur la loi de Stefan-Boltzmann, qui stipule que l'intensité de l'énergie radiante émise par la surface d'un corps noir augmente proportionnellement à la quatrième puissance de sa température absolue. La formule est : W = KT⁴, où :

• W (puissance de sortie) : flux énergétique par unité de surface.
• K : constante de Stefan-Boltzmann (dont la valeur est de 5,67 × 10^-8 W/m²K⁴).
• T : température en Kelvin.

Les pyromètres, comme mentionné précédemment, sont utilisés pour mesurer de très hautes températures sans contact physique. Le choix du type de pyromètre dépend de la plage de température souhaitée, les pyromètres à rayonnement total ayant généralement une étendue de mesure plus élevée que les pyromètres optiques.

Avantages des Pyromètres à Rayonnement

Le pyromètre à rayonnement peut être préférable au thermocouple dans les cas suivants :

• Si un thermocouple risquerait d'être endommagé par l'atmosphère du four.
• Pour mesurer les températures de surface.
• Pour mesurer la température d'objets en mouvement.
• Lorsque les thermocouples atteignent leurs limites de température.
• Lorsque des réponses rapides aux changements de température sont nécessaires.
• Lorsque les conditions mécaniques (vibrations, chocs, etc.) réduisent la durée de vie d'un thermocouple.

Dans l'industrie du verre, le contrôle de la température est crucial. C'est pourquoi les pyromètres sont utilisés, le choix du type dépendant de la couche de verre à mesurer, car différentes longueurs d'onde permettent d'atteindre différentes profondeurs. Les pyromètres équipés de détecteurs au silicium peuvent mesurer la température du verre à des profondeurs de l'ordre de 190 mm ou plus, notamment pour les vitres.