Conditionnement et transmission des données du capteur de température

Les signaux de sortie produits par les capteurs de mesure de la température doivent être conditionnés afin d'être convertis dans un format autorisant le traitement ultérieur. Le conditionnement du signal consiste à

• Amplifier
• Isoler le signal
• Compenser les erreurs
• Linéariser
• Exciter

Bien que le conditionnement soit essentiel pour la précision des mesures, l'exactitude dépend aussi de facteurs tels que la construction du capteur et la transmission du signal. Les impuretés contenues dans les parties métalliques des capteurs peuvent produire des gradients de température qui entraînent des erreurs et la distance de transmission peut nuire à la qualité du signal. Par ailleurs, les attributs du capteur de mesure et la méthode utilisée pour la transmission peuvent avoir une incidence sur les caractéristiques du signal.

La plupart des capteurs de température affichent un degré de nonlinéarité. Le mode de fonctionnement est propre à chaque appareil dont les exigences de conditionnement du signal sont uniques. Les thermocouples utilisent l'effet Seebeck, qui se produit en cas de jonction de deux métaux de caractéristiques différentes à une extrémité et demeurant ouverts à l'autre extrémité, créant ainsi une tension en circuit ouvert. La tension est une fonction directe de la différence de température entre la jonction des métaux et le point de mesure sur les métaux. La tension Seebeck dépend de la composition du thermocouple. Les tensions de sortie sont non linéaires par rapport aux mesures de température, et chaque type de thermocouple présente sa propre non linéarité distinctive. La courbe d'étalonnage indique par ailleurs que la non linéarité des thermocouples amplifie les erreurs sur une plage de température plus importante.

Un RTD est fabriqué dans un métal comme le cuivre ou la platine, ce qui augmente sa résistance à une température plus élevée. Il peut être sous forme de bobine ou de film fin. Les RTD sous forme de bobine se composent d'un fil enroulé autour d'un isolateur cylindrique en céramique ou en verre. Les capteurs à film mince consistent en l'application d'un film de matière sur un isolateur en céramique qui est réduit jusqu'à ce que la résistance parvienne à la valeur souhaitée. La courbe de résistance versus température d'une RTD est non linéaire. Dans les cas où la plage de mesure est faible, la non linéarité peut éventuellement être ignorée. Dans une plage de 0 à 1000°C, la précision des RTD est de ±0,5 à 1°C.

Les thermistors sont fabriqués en oxyde de métal et peuvent présenter un coefficient de température négatif ou positif. Les thermistors dont le coefficient de température est négatif affichent une résistance non linéaire décroissante lorsque la température augmente, alors que les thermistors dont le coefficient de température est positif affichent une résistance linéaire et croissante lorsque la température augmente. Les thermistors présentent une plus grande sensibilité et une meilleure réponse du signal face aux changements de température que les thermocouples ou les RTD, et peuvent ainsi être beaucoup plus précis. La plage de température de fonctionnement des thermistors est beaucoup plus étroite.

Le capteur de température à infrarouge mesure la température en déterminant la quantité de rayonnement infrarouge émise par un objet sur les capteurs, qui le convertit en un signal électrique. La quantité d'énergie infrarouge émise par un objet est directement proportionnelle à sa température. Puisque le capteur n'est pas en contact avec le processus mesuré, les capteurs infrarouges sont utilisés pour les applications à très haute température où les autres types de capteurs ne peuvent résister, ou pour les processus mobiles tels que la cuisson des aliments sur une bande transporteuse.

La transmission analogique utilise un signal continu qui varie avec l'amplitude pour transmettre l'information. Elle est le plus souvent utilisée avec les signaux de processus standard : entre 4 et 20 mA, 0 et 10V et 0 et 1V. La plage de 4 à 20 mA est la plus communément utilisée car elle couvre les distances les plus longues sans détérioration et affiche une résistance relativement importante aux signaux des bruits externes. Elle est fréquemment employée comme variable de processus pour les données de sortie du capteur de température. Après réception par le transmetteur des données natives émises par le capteur, le transmetteur linéarise le signal en fonction de la courbe d'étalonnage du type de capteur spécifique. Il convertit ensuite la tension linéarisée en un signal de courant compris entre 4 et 20 mA. Le signal peut ensuite être traité par un enregistreur ou un contrôleur. Les thermocouples et les RTD produisent de faibles signaux en millivolt susceptibles aux interférences. La plage de signaux 4 à 20 mA est beaucoup plus robuste et peut être transmise sur une longue distance, sans interférence par rapport aux bruits. Par ailleurs, l'utilisation de la variable 4 mA pour la valeur la plus faible offre l'avantage de distinguer plus facilement l'échec du transmetteur par rapport à un signal légitime

Ethernet est une autre forme de transmission série à haute vitesse sur paires différentielles qui prend en charge une transmission jusqu'à 1 Go/seconde. Ethernet requiert un contrôleur dédié et est massivement utilisé pour les applications industrielles, commerciales et domestiques et constitue aujourd'hui la base des communications par Internet. Différents schémas d'encodage sont élaborés pour transmettre les informations de mesure entre les machines ou dans certains cas, dans le monde par l'infrastructure Internet. TCP/IP, un protocole largement utilisé dans les systèmes Ethernet, garantit les transmissions de données entre deux appareils et les connexions Ethernet sont prises en charge par un mécanisme de chiffrement à nombre élevé pour garantir la sécurité des données.

Les capteurs de température requièrent le conditionnement des signaux pour garantir la linéarisation et la compensation de l'erreur. Par ailleurs, les faibles données de sortie en millivolt des thermocouples et des RTD doivent être compensées par une amplification. La précision du signal dépend aussi de la transmission. La conversion des données de sortie du capteur en des données de sortie du processus comprises entre 4 et 20 mA offre un signal plus robuste, pouvant être transmis sur de longues distances avec peu d'interférences. La transmission numérique et Ethernet offrent un transfert de signal sur des distances plus grandes et à des débits plus élevés.