Mesure de température et analyse

Introduction

La mesure de température et l'analyse des fluides constituent deux domaines fondamentaux du métier de technicien en instrumentation et contrôle. Lors de l'examen Sceau rouge, ces sujets représentent une portion significative des questions, tant sur le plan théorique que pratique. Ce chapitre couvre les principes physiques, les types d'instruments, les calculs d'étalonnage, les normes canadiennes applicables et les pièges fréquents à éviter.

La température est la grandeur physique la plus mesurée dans les procédés industriels — environ 50 % des points de mesure dans une usine typique. L'analyse chimique (pH, conductivité, humidité, composition gazeuse) complète cette mesure pour assurer la qualité du produit et la sécurité des installations.

Principes fondamentaux de la mesure de température

Échelles de température et conversions

Trois échelles sont utilisées en instrumentation industrielle : Celsius (°C), Fahrenheit (°F) et Kelvin (K). L'échelle Rankine (°R) est rarement rencontrée au Canada mais peut apparaître dans de la documentation d'équipement américain.

Formules de conversion essentielles :

°F = (°C × 9/5) + 32

°C = (°F − 32) × 5/9

K = °C + 273,15

°R = °F + 459,67

Tableau de référence rapide :

Point de référence	°C	°F	K
Zéro absolu	−273,15	−459,67	0
Point de congélation de l'eau	0	32	273,15
Point d'ébullition de l'eau (1 atm)	100	212	373,15
Température ambiante typique	20	68	293,15

> Astuce d'examen : Pour convertir rapidement °C en °F, doublez la valeur en °C et ajoutez 30. Ce calcul mental donne une approximation suffisante pour vérifier la plausibilité d'un résultat.

Loi zéro de la thermodynamique

La mesure de température repose sur la loi zéro de la thermodynamique : si deux corps sont chacun en équilibre thermique avec un troisième, ils sont en équilibre thermique entre eux. L'instrument de mesure doit atteindre l'équilibre thermique avec le procédé pour indiquer la température réelle. Ce concept explique le temps de réponse d'un capteur — un capteur massif répond plus lentement qu'un capteur de faible masse.

Types de capteurs de température

Thermomètres à dilatation

Thermomètres à liquide dans le verre : Utilisent la dilatation différentielle du mercure (interdit au Canada pour les applications alimentaires) ou d'un liquide coloré (alcool, toluène). Précision de ±0,5 °C à ±2 °C selon la gamme.

Thermomètres à dilatation de liquide (type bulbe) : Un bulbe rempli de liquide (souvent du mercure ou un fluide organique) relié à un tube capillaire et à un élément de mesure (tube de Bourdon). La pression du liquide augmente avec la température. Utilisés dans les gammes de −40 °C à +650 °C.

Thermomètres à pression de vapeur : Le bulbe contient un liquide volatil partiellement vaporisé. La pression de vapeur saturante dépend uniquement de la température. Gammes typiques : −40 °C à +300 °C.

Thermomètres bimétalliques : Deux métaux de coefficients de dilatation différents (souvent l'invar et le laiton) sont soudés ensemble. La déformation de la spirale ou du ruban entraîne l'aiguille. Précision de ±1 % de la pleine échelle. Utilisés pour l'indication locale, jamais pour la transmission de signal.

Thermomètres à résistance (RTD)

Le RTD (Resistance Temperature Detector) exploite la variation de la résistance électrique d'un métal pur avec la température. Le platine est le métal standard car sa relation résistance-température est stable et répétable.

Caractéristiques du platine :

Coefficient de température α = 0,00385 Ω/Ω/°C (norme IEC 60751)

Équation de Callendar-Van Dusen pour la gamme −200 °C à +850 °C

Linéarité excellente comparée aux thermocouples

Équation simplifiée pour 0 °C à 850 °C :

R(T) = R₀ × (1 + αT)

Où R₀ = 100 Ω pour un PT100, 1000 Ω pour un PT1000.

Exemple de calcul : Un PT100 à 150 °C a une résistance de :

R = 100 × (1 + 0,00385 × 150) = 100 × (1 + 0,5775) = 100 × 1,5775 = 157,75 Ω

Connexions à 2, 3 et 4 fils :

Type	Avantages	Inconvénients
2 fils	Simple, économique	Erreur due à la résistance des fils (non compensée)
3 fils	Compense la résistance des fils	Nécessite 3 conducteurs
4 fils	Mesure la plus précise (méthode Kelvin)	Coût plus élevé, 4 conducteurs

> Piège d'examen : La connexion à 2 fils est acceptable pour les distances courtes et les faibles précisions. Pour une précision supérieure à ±0,5 °C, la connexion à 3 ou 4 fils est obligatoire.

Thermocouples

Un thermocouple est constitué de deux métaux différents soudés à une extrémité (jonction de mesure). L'autre extrémité (jonction de référence) est maintenue à une température connue. La tension générée (effet Seebeck) est proportionnelle à la différence de température entre les deux jonctions.

Types normalisés (IEC 60584) :

Type	Métaux	Gamme utile (°C)	Sensibilité (µV/°C)	Application typique
J	Fer / Constantan	0 à 750	52	Procédés généraux
K	Chromel / Alumel	−200 à 1250	41	Four, traitement thermique
T	Cuivre / Constantan	−200 à 350	43	Basses températures
E	Chromel / Constantan	−200 à 900	68	Haute sensibilité
S	Platine 10 % Rh / Platine	0 à 1450	10	Haute température, étalons
R	Platine 13 % Rh / Platine	0 à 1450	11	Haute température
B	Platine 30 % Rh / Platine 6 % Rh	200 à 1700	5	Très haute température

Loi des métaux intermédiaires : L'insertion d'un troisième métal dans le circuit ne modifie pas la tension totale si les deux jonctions formées sont à la même température. Cette loi justifie l'utilisation de borniers et de fils de connexion en cuivre.

Compensation de jonction froide : La tension mesurée dépend de la température de la jonction de référence. Les transmetteurs modernes mesurent cette température avec un RTD interne et compensent automatiquement. La compensation est essentielle pour la précision.

> Astuce d'examen : Le type K est le plus courant dans l'industrie. Le type T est préféré pour les basses températures. Le type B ne nécessite pas de compensation de jonction froide car sa tension est nulle à 0 °C.

Pyromètres optiques et infrarouges

Les pyromètres à infrarouge mesurent la température sans contact en détectant le rayonnement thermique émis par la surface. Ils sont utilisés pour :

Les objets en mouvement (bandes transporteuses, pièces rotatives)

Les environnements dangereux ou inaccessibles

Les températures très élevées (> 1000 °C)

Facteurs affectant la précision :

Émissivité (ε) de la surface : varie de 0,05 (métal poli) à 0,95 (surface noire mate). Une émissivité incorrecte cause des erreurs importantes.

Distance de mesure (rapport distance/diamètre de la tache)

Interférences atmosphériques (vapeur, poussière)

Angle de visée (perpendiculaire à la surface idéalement)

Loi de Stefan-Boltzmann : P = ε × σ × T⁴, où σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴. La puissance rayonnée augmente avec la quatrième puissance de la température absolue — c'est pourquoi les pyromètres sont très sensibles aux hautes températures.

Transmetteurs de température

Configuration typique

Un transmetteur de température convertit le signal du capteur (résistance ou millivolts) en un signal normalisé de sortie : 4-20 mA, HART, Foundation Fieldbus, ou Profibus PA.

Étapes de configuration :

63.Sélection du type de capteur (RTD PT100, thermocouple type K, etc.)

64.Configuration de la plage de mesure (0 à 200 °C, par exemple)

65.Réglage de la compensation de jonction froide (pour thermocouples)

66.Configuration de l'alarme de défaut (haute ou basse)

67.Test de boucle (vérification du signal 4-20 mA)

Étalonnage d'un transmetteur

Étalonnage à deux points :

70.Appliquer la température basse de plage (par exemple 0 °C avec un bain de glace fondante)

71.Ajuster le zéro (offset) pour obtenir 4 mA en sortie

72.Appliquer la température haute de plage (par exemple 100 °C avec un bain d'eau bouillante)

73.Ajuster le gain (span) pour obtenir 20 mA en sortie

74.Répéter les étapes 1 à 4 jusqu'à convergence

Calcul d'erreur :

Erreur (%) = [(Valeur mesurée − Valeur réelle) / Pleine échelle] × 100

Exemple : Un transmetteur configuré pour 0-200 °C indique 102 °C lorsque la température réelle est 100 °C.

Erreur = [(102 − 100) / 200] × 100 = 1 % de la pleine échelle

> Piège d'examen : L'erreur est toujours exprimée en pourcentage de la pleine échelle, pas en pourcentage de la valeur lue. Une erreur de 2 °C sur une plage de 0-200 °C représente 1 %, mais sur une plage de 0-100 °C, elle représente 2 %.

Principes de mesure analytique

Mesure du pH

Le pH mesure l'activité des ions hydrogène dans une solution : pH = −log₁₀[H⁺]. L'échelle va de 0 (acide) à 14 (basique), avec 7 comme point neutre à 25 °C.

Électrode de verre : L'électrode de mesure contient une solution tampon interne et une membrane de verre sensible aux ions H⁺. L'électrode de référence (calomel ou Ag/AgCl) fournit un potentiel stable. La différence de potentiel entre les deux électrodes est proportionnelle au pH.

Équation de Nernst :

E = E₀ + (2,303 × R × T / n × F) × log₁₀[H⁺]

Où R = 8,314 J/mol·K, F = 96485 C/mol, n = 1 pour H⁺.

À 25 °C, la pente théorique est de 59,16 mV par unité de pH.

Étalonnage du pH-mètre :

90.Étalonnage à deux points avec des solutions tampons (pH 4,00 et 7,00, ou pH 7,00 et 10,00)

91.Rincer l'électrode avec de l'eau déminéralisée entre les tampons

92.Vérifier la pente (doit être entre 90 % et 105 % de la pente théorique)

93.Vérifier le décalage (offset) — doit être proche de 0 mV

Facteurs affectant la mesure :

Température : Le pH d'une solution varie avec la température. La compensation automatique est nécessaire pour les variations importantes.

Électrode sale ou encrassée : Provoque des lectures lentes et instables.

Électrode déshydratée : Doit être réhydratée dans une solution de KCl 3 M.

Potentiel de jonction : Le colmatage de la jonction de référence cause des erreurs.

> Astuce d'examen : La température affecte à la fois le pH de la solution ET la pente de l'électrode. La compensation de température corrige la pente, mais ne corrige pas le changement réel du pH de la solution.

Conductivité

La conductivité mesure la capacité d'une solution à conduire le courant électrique. Elle dépend de la concentration en ions, de leur mobilité, et de la température.

Unité : Siemens par mètre (S/m) ou microsiemens par centimètre (µS/cm). L'eau ultrapure a une conductivité d'environ 0,055 µS/cm ; l'eau de mer environ 50 000 µS/cm.

Cellule de conductivité : Deux électrodes de surface connue, séparées par une distance connue. La constante de cellule (K) est le rapport distance/surface, typiquement 0,1, 1,0 ou 10 cm⁻¹.

Calcul de la conductivité :

G = K / R

Où G est la conductance (S), K la constante de cellule (cm⁻¹), R la résistance mesurée (Ω).

Exemple : Une cellule avec K = 1,0 cm⁻¹ mesure une résistance de 2000 Ω.

G = 1,0 / 2000 = 0,0005 S = 500 µS/cm

Compensation de température : La conductivité augmente d'environ 2 % par °C. La compensation standard est de 2,1 %/°C, référencée à 25 °C.

Conductivité corrigée :

G₂₅ = G_T / [1 + α × (T − 25)]

Où α = 0,021 (coefficient de température), T en °C.

> Piège d'examen : La compensation de température est une correction mathématique. Elle ne change pas la conductivité réelle de la solution — elle la ramène à une valeur de référence à 25 °C pour comparaison.

Analyse d'oxygène dissous

La mesure d'oxygène dissous (DO) est critique dans les chaudières, les stations de traitement des eaux et l'industrie agroalimentaire.

Méthodes :

Méthode électrochimique (cellule de Clark) : Une membrane perméable à l'oxygène sépare l'électrolyte de la solution. L'oxygène diffuse à travers la membrane et est réduit à la cathode, générant un courant proportionnel à la concentration.

Méthode optique (luminescence) : Un composé fluorescent est excité par une lumière pulsée. La présence d'oxygène éteint la fluorescence ; le temps d'extinction est inversement proportionnel à la concentration en O₂.

Unités : mg/L (ppm) ou % de saturation. À 25 °C et 1 atm, la saturation est d'environ 8,26 mg/L dans l'eau douce.

Facteurs affectant la mesure :

Température (la solubilité de l'O₂ diminue avec la température)

Pression barométrique (la solubilité augmente avec la pression)

Salinité (la solubilité diminue avec la salinité)

Débit de la solution (minimum 0,3 m/s pour les cellules électrochimiques)

Analyse d'humidité

L'humidité relative (% HR) est le rapport entre la pression partielle de vapeur d'eau dans l'air et la pression de vapeur saturante à la même température, exprimé en pourcentage.

Instruments :

Psychromètre : Deux thermomètres (bulbe sec et bulbe humide). La différence de température indique l'humidité via des tables psychrométriques.

Capteur capacitif : Un polymère hygroscopique dont la constante diélectrique varie avec l'humidité. Le plus courant dans l'industrie.

Capteur résistif : Un sel hygroscopique dont la résistance varie avec l'humidité.

Point de rosée : La température à laquelle l'air devient saturé. Mesuré par un miroir refroidi (méthode optique) ou un capteur capacitif.

Point de rosée sous pression : Pour les gaz comprimés, le point de rosée sous pression est plus élevé que le point de rosée atmosphérique. La conversion nécessite la pression absolue du système.

Normes et codes canadiens

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CCE, Chapitre V) régit l'installation des équipements électriques dans les zones classées (emplacements dangereux). Les instruments de température et d'analyse installés dans ces zones doivent être certifiés conformément aux exigences.

Règle 18-006 : Classification des emplacements — les zones sont classées selon la nature des matières dangereuses présentes (Classe I : gaz et vapeurs ; Classe II : poussières ; Classe III : fibres).

Règle 18-100 : Exigences générales pour l'installation des équipements dans les emplacements de Classe I.

Règle 18-150 : Modes de protection — les instruments peuvent être certifiés pour :

Antidéflagrant (explosion-proof)

Sécurité intrinsèque (IS) — la méthode la plus courante pour les instruments de mesure

Encapsulage (moulage)

Pression interne (purge)

Règle 18-302 : Exigences pour les circuits de sécurité intrinsèque — les barrières de sécurité intrinsèque (Zener ou galvaniques) doivent être installées hors de la zone dangereuse.

> Astuce d'examen : La sécurité intrinsèque est la méthode privilégiée pour les instruments de mesure car elle limite l'énergie disponible à un niveau incapable d'enflammer l'atmosphère dangereuse. Les barrières Zener doivent être mises à la terre (règle 18-302).

CSA B149.1 — Code sur le gaz naturel et le propane

Le CSA B149.1 s'applique à l'installation des appareils au gaz naturel et au propane. Les instruments de mesure de température et d'analyse installés sur les conduites de gaz ou les brûleurs doivent respecter :

Article 5.4 : Exigences pour les systèmes de contrôle de combustion — les limites de température et les verrouillages de sécurité.

Article 6.18 : Exigences pour les détecteurs de fuite de gaz et les analyseurs de combustion.

Article 7.22 : Exigences pour les systèmes de ventilation et les détecteurs de monoxyde de carbone.

CSA C22.2 — Normes de sécurité pour les équipements électriques

Les instruments vendus au Canada doivent être certifiés selon les normes CSA C22.2 (par exemple, CSA C22.2 No. 142 pour les transmetteurs de procédé). Cette certification est obligatoire pour l'installation dans les installations industrielles canadiennes.

Procédures d'installation et de mise en service

Installation des capteurs de température

Puits thermométriques (thermowells) :

Protègent le capteur du procédé (pression, corrosion, érosion)

Augmentent le temps de réponse (l'air entre le puits et le capteur est un isolant)

Doivent être remplis d'un matériau conducteur thermique (pâte thermique, huile) pour améliorer le transfert de chaleur

Longueur d'insertion : minimum 10 diamètres de puits dans le fluide

Emplacement de mesure :

Le capteur doit être immergé dans le fluide, pas dans la zone morte

Éviter les zones de stagnation, les coudes, et les points bas où des poches de gaz peuvent se former

Pour les gaz : installer verticalement ou incliné pour éviter l'accumulation de condensat

Pour les liquides : installer horizontalement ou incliné pour éviter la poche de vapeur

Vérification de boucle

Procédure de vérification complète :

168.Vérifier l'alimentation électrique (24 VDC typique pour un transmetteur 4-20 mA)

169.Vérifier la continuité des fils et les connexions (borniers serrés, polarité correcte)

170.Simuler le capteur avec un simulateur de thermocouple ou une boîte de résistance (pour RTD)

171.Vérifier le signal de sortie au transmetteur (4 mA au zéro, 20 mA au maximum)

172.Vérifier le signal à la salle de contrôle (lecture au système DCS/SCADA)

173.Documenter les résultats dans le rapport de mise en service

Test de boucle avec un calibrateur :

Un calibrateur de température simule le capteur (RTD ou thermocouple)

Un calibrateur de boucle mesure le courant 4-20 mA

La précision totale de la boucle doit être vérifiée de l'extrémité à l'autre

Calculs et conversions pratiques

Calcul de la plage de mesure

Exemple : Un transmetteur RTD PT100 est configuré pour une plage de 0 à 150 °C. Quelle est la résistance à mi-échelle ?

R₀ = 100 Ω, α = 0,00385 Ω/Ω/°C

R(75 °C) = 100 × (1 + 0,00385 × 75) = 100 × 1,28875 = 128,875 Ω

Le signal de sortie à mi-échelle : 4 + (20 − 4) × 0,5 = 12 mA

Calcul de la sortie du transmetteur

Formule générale :

I_sortie = 4 + (16 × (T_mesurée − T_min) / (T_max − T_min))

Exemple : Transmetteur configuré pour 0-200 °C. Quelle est la sortie à 80 °C ?

I = 4 + (16 × (80 − 0) / (200 − 0)) = 4 + (16 × 0,4) = 4 + 6,4 = 10,4 mA

Calcul inverse — déterminer la température à partir du courant

Exemple : Le signal mesuré est de 14 mA. Quelle est la température ?

T = T_min + [(I − 4) / 16] × (T_max − T_min)

T = 0 + [(14 − 4) / 16] × 200 = (10/16) × 200 = 125 °C

Conversion de thermocouple — table de référence

Pour un thermocouple type K, la tension à 100 °C est d'environ 4,096 mV (jonction de référence à 0 °C). La relation est non linéaire ; les tables normalisées (IEC 60584) sont utilisées pour les conversions précises.

Pièges à éviter

198.Confondre le type de capteur : Un RTD mesure la résistance (Ω), un thermocouple mesure la tension (mV). Ne jamais connecter un RTD à une entrée de thermocouple ou vice versa.

199.Oublier la compensation de jonction froide : Pour un thermocouple, si la jonction de référence n'est pas compensée, chaque degré de variation de la température ambiante introduit une erreur d'environ 41 µV (type K), soit environ 1 °C.

200.Négliger la résistance des fils en connexion 2 fils : Pour un RTD PT100, chaque ohm de résistance de fil introduit environ 2,6 °C d'erreur. Un fil de 100 m de calibre 22 AWG (0,16 Ω/m) ajoute 16 Ω, soit environ 41 °C d'erreur !

201.Utiliser un mauvais coefficient de température : Le coefficient α = 0,00385 est le standard IEC. Certains RTD américains utilisent α = 0,00392 (norme ancienne). La confusion cause des erreurs de mesure.

202.Ignorer l'émissivité en pyrométrie : Mesurer une surface métallique polie (ε = 0,1) avec un pyromètre réglé pour ε = 0,95 donne une lecture faussement basse de plusieurs centaines de degrés.

203.Étalonner le pH-mètre avec des tampons périmés : Les solutions tampons ont une durée de vie limitée. Un tampon contaminé ou périmé donne un étalonnage faux.

204.Oublier la compensation de température en conductivité : Sans compensation, une variation de 10 °C cause une erreur d'environ 21 % sur la lecture.

205.Installer un puits thermométrique trop court : Un puits insuffisamment inséré dans le fluide mesure la température de la paroi, pas celle du procédé.

206.Confondre les normes : Le CCE Chapitre V s'applique aux emplacements dangereux ; le CSA B149.1 s'applique au gaz naturel et propane. Les deux peuvent s'appliquer simultanément à un même instrument.

207.Négliger le temps de réponse : Un capteur massif dans un puits thermométrique peut avoir un temps de réponse de plusieurs minutes. Pour le contrôle de procédé, ce délai peut causer de l'instabilité.

Résumé

La température est mesurée par quatre grandes familles : dilatation (bimétallique, liquide), résistance (RTD), thermocouples, et rayonnement (pyromètres).

Les RTD au platine (PT100) offrent la meilleure précision et stabilité pour les gammes −200 °C à +850 °C. La connexion à 3 ou 4 fils est requise pour la précision.

Les thermocouples couvrent des gammes plus larges mais sont moins précis. Le type K est le plus courant ; le type B ne nécessite pas de compensation de jonction froide.

La compensation de jonction froide est essentielle pour les thermocouples. Les transmetteurs modernes l'intègrent automatiquement.

L'étalonnage se fait à deux points (zéro et pleine échelle). L'erreur est exprimée en pourcentage de la pleine échelle.

Le pH est mesuré par électrode de verre. L'étalonnage à deux points avec des tampons frais est obligatoire. La pente doit être vérifiée.

La conductivité dépend de la concentration ionique et de la température. La compensation à 25 °C est standard.

Les normes canadiennes applicables : CCE Chapitre V (emplacements dangereux), CSA B149.1 (gaz), CSA C22.2 (sécurité des équipements).

Les calculs de boucle 4-20 mA : I = 4 + 16 × (T − T_min) / (T_max − T_min). Maîtriser les conversions directes et inverses.

Questions de révision

221.Un thermocouple type K mesure une tension de 4,096 mV avec une jonction de référence à 0 °C. Quelle est la température approximative ? (Réponse : environ 100 °C)

222.Un RTD PT100 en connexion 2 fils avec une résistance totale de fils de 5 Ω indique une résistance de 130 Ω. Quelle est la température réelle ? (Réponse : R_capteur = 130 − 5 = 125 Ω ; T = (125/100 − 1) / 0,00385 = 64,9 °C)

223.Un transmetteur 4-20 mA est configuré pour 50 à 250 °C. Le signal mesuré est de 8 mA. Quelle est la température ? (Réponse : T = 50 + [(8 − 4)/16] × 200 = 50 + 50 = 100 °C)

224.Quelle est la différence principale entre un RTD et un thermocouple en termes de principe de mesure ? (Réponse : Le RTD mesure une variation de résistance ; le thermocouple génère une tension par effet Seebeck.)

225.Pourquoi la connexion à 4 fils est-elle la plus précise pour un RTD ? (Réponse : Elle élimine complètement l'effet de la résistance des fils en séparant le circuit d'excitation du circuit de mesure — méthode Kelvin.)

Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances essentielles pour réussir les questions du Sceau rouge sur la mesure de température et l'analyse. Révisez les tableaux de référence, pratiquez les calculs de boucle, et mémorisez les normes canadiennes applicables. Bonne préparation !

Mesure de température et analyse