Fiche de révision : Mesure des températures

📋 Plan du Cours

1. Nature et échelle de température
2. Équilibre thermique et mesure
3. Transferts thermiques environnementaux
4. Grandeurs métrologiques des capteurs
5. Temps de réponse et sécurité
6. Choix selon les conditions de mesure
7. Perturbations liées au mesurage

📖 1. Nature et échelle de température

🔑 Notions clés & Définitions

• Température : Mesure l’agitation moléculaire d’un corps et représente l’énergie moyenne de ses molécules.

★ À maîtriser

• L’unité fondamentale de température du Système international est le kelvin (K), qui n’est pas lié aux propriétés d’un corps particulier.

• L’échelle Kelvin possède un seul point fixe conventionnel, le point triple de l’eau à 273,16 K, soit 0,01 °C.

Compléments

• Le zéro kelvin correspond à une agitation moléculaire nulle, et un corps à cette température ne peut céder de chaleur à aucun autre.

💡 Astuce mémo

Agitation moléculaire accrue → oscillations atomiques accrues → dilatation

📖 2. Équilibre thermique et mesure

🔑 Notions clés & Définitions

• Équilibre thermique : Deux corps sont en équilibre thermique lorsque l’énergie qu’ils échangent est globalement nulle.

★ À maîtriser

📌 Lorsqu’on mesure la température d’un corps, sa température doit être uniforme ou ses variations doivent être faibles devant les dimensions du capteur et lentes devant son temps de réponse.

• Pour une mesure par contact, il faut établir un équilibre thermique entre le capteur et le milieu étudié avant d’interpréter l’indication.

Compléments

📌 Une chaîne de mesure doit prélever et perturber le moins d’énergie possible afin de déstabiliser au minimum l’équilibre du système.

💡 Astuce mémo

Température uniforme ≠ milieu thermiquement hétérogène

📖 3. Transferts thermiques environnementaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Transfert thermique : Issue des vibrations locales des atomes et des électrons, se transmet par conduction, rayonnement et convection.

★ À maîtriser

📌 Dans une situation réelle, on peut considérer un mode de transfert comme prépondérant seulement après avoir tenu compte du milieu, de la température et, si possible, d’un calcul justificatif.

• Dans le vide, la conduction et la convection sont absentes, de sorte que le transfert entre deux plaques s’effectue par rayonnement.

Compléments

• Dans une couche d’huile stagnante, la convection est négligeable, tandis que la conduction et le rayonnement peuvent subsister.

💡 Astuce mémo

CRC : conduction, rayonnement, convection

📖 4. Grandeurs métrologiques des capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Sensibilité : Quotient de l’accroissement de sa réponse G par l’accroissement correspondant de la température, soit la pente dG/dT.
• Effet Seebeck : L’effet Seebeck est l’apparition d’une différence de potentiel entre deux points lorsque deux conducteurs différents sont soumis à une différence de température entre leurs jonctions.

★ À maîtriser

📌 La justesse est l’étroitesse de l’accord entre le résultat d’un mesurage et la valeur vraie, tandis que la fidélité désigne la reproductibilité des résultats.

Compléments

📌 La sensibilité de la chaîne complète est le produit de la sensibilité du capteur par les gains successifs des éléments de la chaîne.

💡 Astuce mémo

Justesse = proximité de la valeur vraie ; fidélité = reproductibilité

📖 5. Temps de réponse et sécurité

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de réponse : Intervalle entre une variation brusque spécifiée du signal d’entrée et l’instant où la sortie atteint puis maintient sa valeur finale dans les limites spécifiées.

★ À maîtriser

• Pour un système du premier ordre soumis à un échelon, la constante de temps correspond à l’atteinte de 0,632 de la valeur finale, et t0,98 vaut 4 t0,632.

📌 Le temps de réponse global dépend du capteur, du milieu et de l’interface capteur-milieu, et doit être petit devant la vitesse d’évolution de la température observée.

Compléments

📌 Les temps de réponse les plus courts sont obtenus avec des capteurs de diffusivité thermique élevée et de grande surface d’échange, généralement de petite taille.

• La sécurité d’emploi prend notamment en compte: les contraintes mécaniques, les contraintes chimiques, les contraintes magnétiques, les contraintes électromagnétiques, les contraintes électriques, la dérive due au vieillissement et aux cycles thermiques

💡 Astuce mémo

Capteur plus petit et plus échangeant → réponse plus rapide

📖 6. Choix selon les conditions de mesure

★ À maîtriser

• Avant de choisir un thermomètre, il faut préciser la gamme de température, la nécessité de la mesure, le lieu et l’instant de mesure.

• Dans l’air immobile, il faut éloigner la sonde des parois et des sources chaudes ou froides, la protéger du rayonnement et privilégier un petit capteur.

• Dans un liquide au repos, la profondeur et la position de la sonde sont essentielles, car des stratifications thermiques peuvent rendre la température différente selon l’emplacement.

Compléments

📌 Dans un liquide en mouvement, il faut placer la sonde dans une zone représentative, éviter les zones mortes et les parois, et tenir compte des régimes laminaires ou turbulents.

💡 Astuce mémo

Gamme → nécessité → lieu → instant

📖 7. Perturbations liées au mesurage

★ À maîtriser

• Dans un système thermiquement isolé, l’énergie reçue par le capteur est égale à l’énergie perdue par le milieu, ce qui impose une température d’équilibre commune.

📌 Pour réduire la perturbation d’un capteur, il faut favoriser les échanges thermiques entre le milieu et le capteur tout en réduisant les échanges du capteur avec les milieux étrangers.

📌 Une résistance étalée mesure une température moyenne lorsque la relation entre sa réponse et la température est linéaire, mais sa mesure ne permet pas d’identifier directement cette moyenne lorsque la relation est non linéaire.

Compléments

• L’effet Thomson peut perturber une mesure par couple thermoélectrique lorsqu’un matériau métallique non homogène est parcouru par un courant et soumis à un gradient thermique.

💡 Astuce mémo

Capteur intrusif → échange d’énergie → température perturbée

📊 Tableaux de synthèse

Modes de transfert thermique