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Technique de thermométrie - informations générales

1. La température en tant que grandeur mesurée
Dans presque tous les processus de recherche et de fabrication, la température est un facteur à prendre en compte. Elle a donc une importance significative en tant que grandeur mesurée. Pour les mesures de température, les propriétés dépendant de la température de matériaux peuvent être utilisées, comme par ex. la modification de la résistance électrique (thermomètre à résistance), le rayonnement électromagnétique émanent de corps brûlants (pyromètre à rayonnement) et la tension thermique (thermocouple). Le groupe des thermomètres à contact électriques a trouvé une application à large échelle dans la thermométrie.


2. Bases physiques

2.1. Thermomètre à résistance
Les mesures de température avec des thermomètres à résistance reposent sur la propriété des matières conductrices à varier leur résistance électrique sous l'influence de la température. Pour les métaux, cette résistance augmente avec la température. Une fois ce lien entre température et résistance connu, il est possible de déterminer la température grâce à une mesure de la résistance. L'idée d'utiliser la dépendance de la résistance par rapport à la température de conducteurs métalliques pour la mesure de la température fut proposée pour la première fois en 1861 par Wilhelm von Siemens, le frère de Werner von Siemens, qui l'a mis en application avec son thermomètre pour les températures en grands fonds. Le thermomètre à résistance devint un outil de précision en 1886 grâce aux travaux de H.L. Callendar.

2.2. Thermocouples
Les premières bases de l'effet de la tension thermique furent découvertes en 1821 par Seebeck. Les liens concrets furent découverts 30 ans plus tard par Thompson. La tension thermique entre deux métaux différents dépend du mouvement thermique des électrons. Elle ne dépend pas des valeurs absolues des températures, mais uniquement des différences de températures. Plus la différence de température est grande entre "froid" et "chaud", plus la tension thermique est importante. La tension à 1 degré Celsius est appelée force thermique du thermocouple. Elle dépend de la nature des deux matériaux, dont le point de jonction est chauffé.

3. La réponse temporelle du thermomètre de contact
La mesure de la température avec des thermomètres de contact est foncièrement accompagnée d'un décalage de l'affichage. Ceci a pour conséquence qu'une variation de température ne s'affiche pas immédiatement correctement, mais au bout d'un certain temps seulement, c'est-à-dire une fois l'échange thermique réalisé entre le corps à mesurer et la sonde de température. Le thermomètre réagit donc avec une certaine inertie, qui doit rester la plus réduite possible lors de certaines tâches de mesure. On parle de "temps de réaction" du thermomètre en évoquant par là en général la constante temps. De manière générale, il est possible de dire : la constante temps est égale au rapport entre la capacité d'absorption thermique et la capacité d'émission de la chaleur. Les deux propriétés sont définies en première ligne:

■ par la capacité thermique
■ par la conductibilité thermique du thermomètre
■ par le rapport entre la surface et le volume du thermomètre
■ par le coefficient de conductibilité thermique entre le corps et la surface du thermomètre ainsi que par la vitesse du corps, sa conductibilité thermique et la chaleur spécifique.

Lorsque l'on expose soudainement un thermomètre à une autre température, en le sortant par ex. d'une eau à +20 °C pour le plonger dans une eau à +40°C, la température qu'il affiche grimpe alors de manière semblable à une fonction exponentielle. Une mesure usuelle pour la vitesse de variation de tels processus exponentiels est la constante de temps. Elle est égale à la durée temporelle qui s'écoule jusqu'à ce que 63,2 % du saut de température s'affiche. Dans de nombreux cas, l'affichage de la température ne varie cependant pas après une fonction exponentielle. La constante temps ne suffit pas à caractériser la réponse temporelle. Il est de ce fait approprié d'indiquer la durée de demi-vie z 0,5 et la durée de valeur 9/10 z 0,9. Ces dernières sont définies comme les durées d'apparition d'une variation de température subite jusqu'à l'atteinte de 50 % à 90 % de cette variation de température. En cas de déroulement exponentiel, z 0,5 = 0,693 (constante de temps) ou z 0,9 = 2,303 (constante de temps) et le rapport z 0,9/z 0,5 doit être égal à 3,32.

 

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