Capteurs de température pour le chauffage : fonction, types, instructions d'installation

Lors du fonctionnement des appareils de chauffage, il est nécessaire de contrôler le degré de chauffe du fluide caloporteur ainsi que de l'air ambiant. Les capteurs de température pour le chauffage aident à recueillir et transmettre ces informations, lesquelles peuvent être lues visuellement ou envoyées directement au contrôleur.

Nous vous proposons de comprendre comment fonctionnent les capteurs de température, quels sont les types de dispositifs de contrôle existants, et quels paramètres prendre en compte lors du choix d'un appareil. De plus, nous avons préparé un guide pas à pas pour vous aider à installer vous-même un thermocapteur sur un radiateur de chauffage.

Principe de fonctionnement du capteur thermique

On peut contrôler le système de chauffage par diverses méthodes, parmi lesquelles :

• dispositifs automatiques pour l'alimentation énergétique en temps opportun ;
• modules de surveillance de la sécurité ;
• nœuds de mélange.

Pour le bon fonctionnement de tous ces groupes, des capteurs de température sont nécessaires, fournissant des signaux sur le fonctionnement des appareils. L'observation des relevés de ces capteurs permet de détecter rapidement les dysfonctionnements du système et de prendre des mesures correctives.

Il existe de nombreuses variétés d'appareils utilisés pour mesurer la température. Ils peuvent être immergés dans les fluides caloporteurs, être utilisés à l'intérieur ou être placés à l'extérieur.

Le thermocapteur peut être utilisé comme un appareil indépendant, par exemple pour contrôler la température d'une pièce, ou faire partie intégrante d'un dispositif complexe, comme une chaudière de chauffage.

Le principe de ces dispositifs utilisés dans la gestion automatisée repose sur la conversion des valeurs de température en signal électrique. Ainsi, les résultats de mesure peuvent être transmis rapidement via le réseau sous forme de code numérique, garantissant une vitesse, une sensibilité et une précision élevées de la mesure.

Parallèlement, différents appareils de mesure du degré de chauffage peuvent présenter des particularités de conception affectant divers paramètres : fonctionnement dans un environnement spécifique, mode de transmission, méthode de visualisation, etc.

Types de dispositifs de mesure de la température

Les thermomètres peuvent être classés selon plusieurs critères importants, notamment le mode de transmission des informations, le lieu et les conditions d'installation, ainsi que l'algorithme de relevé des mesures.

Selon le mode de transmission des informations

Selon la méthode de transmission des données utilisée, les capteurs sont divisés en deux grandes catégories :

• les appareils filaires ;
• les capteurs sans fil.

À l'origine, tous ces dispositifs étaient équipés de fils par lesquels les capteurs de température communiquaient avec l'unité de contrôle, lui transmettant les informations. Bien qu'aujourd'hui ces appareils aient cédé la place à leurs homologues sans fil, ils sont encore souvent utilisés dans les schémas simples.

En outre, les capteurs filaires se distinguent par une plus grande précision des relevés et une fiabilité de fonctionnement.

Pour assurer un fonctionnement coordonné d'un capteur filaire utilisé dans un dispositif composite, il est souhaitable de le combiner avec un équipement fabriqué par le même fabricant.

Actuellement, les dispositifs sans fil se sont généralisés ; ils transmettent le plus souvent les informations à l'aide d'un émetteur et d'un récepteur d'ondes radio. De tels appareils peuvent être installés presque partout, y compris dans une pièce séparée ou à l'air libre.

Les caractéristiques importantes de ces capteurs de température sont :

• la présence d'une batterie ;
• l'erreur des mesures effectuées ;
• la portée de transmission du signal.

Les appareils sans fil/filaires peuvent se remplacer complètement, mais leur fonctionnement présente certaines particularités.

Selon le lieu et le mode d'installation

Selon le point de fixation, ces appareils sont divisés en variétés suivantes :

• les capteurs de surface, fixés au circuit de chauffage ;
• les capteurs immergés, en contact avec le fluide caloporteur ;
• les capteurs d'ambiance, situés à l'intérieur d'un local d'habitation ou de service ;
• les capteurs extérieurs, qui sont placés à l'extérieur.

Dans certains appareils, plusieurs types de capteurs peuvent être utilisés simultanément pour le contrôle de la température.

Selon le mécanisme de relevé des mesures

Selon le mode d'affichage des informations, les appareils peuvent être :

• bimétalliques ;
• à alcool.

Dans la première variante, on utilise deux lames faites de métaux différents ainsi qu'un indicateur à aiguille. Lorsque la température augmente, l'un des éléments se déforme, exerçant une pression sur l'aiguille. Les relevés de ces appareils sont d'une bonne précision, mais leur grand inconvénient est l'inertie.

Les thermostats bimétalliques et à alcool sont souvent installés sur les appareils de chauffage, par exemple les chaudières. Ils permettent de surveiller l'échauffement dont le dépassement peut entraîner des conséquences fatales.

Les capteurs dont le fonctionnement repose sur l'utilisation d'alcool sont presque totalement exempts de ce défaut. Dans ce cas, une solution alcoolisée est versée dans une ampoule scellée hermétiquement, qui se dilate sous l'effet de la chaleur. La conception est assez élémentaire, fiable, mais peu pratique pour les observations.

Différents types de thermocapteurs

Pour relever les températures, on utilise des dispositifs ayant des principes de fonctionnement différents. Parmi les plus demandés figurent les appareils énumérés ci-dessous.

Thermocouples : une mesure précise – une difficulté d'interprétation

Un tel dispositif est constitué de deux fils soudés ensemble, fabriqués en métaux différents. La différence de température qui apparaît entre l'extrémité chaude et l'extrémité froide sert de source de courant électrique d'une intensité de 40-60 µV (la valeur dépend du matériau du thermocouple).

Les combinaisons de métaux et d'alliages les plus couramment utilisées pour fabriquer des thermocouples sont les suivantes : chrome-aluminium, fer-constantan, fer-nickel, nickel-chrome, etc.

Le thermocouple est considéré comme un capteur de température de haute précision, mais il est assez difficile d'en obtenir des relevés précis. Pour ce faire, il faut connaître la force électromotrice (FEM) en utilisant la différence de température de l'appareil.

Pour que le résultat soit correct, il est important de compenser la température de la soudure froide, par exemple en utilisant une méthode matérielle où un deuxième thermocouple est placé dans un environnement dont la température est connue à l'avance.

La méthode logicielle de compensation consiste à placer un autre capteur thermique dans une chambre isotherme avec les soudures froides, ce qui permet de contrôler la température avec une précision donnée.

Certaines difficultés sont posées par le processus d'acquisition des données du thermocouple en raison de leur non-linéarité. Pour la validité des mesures, la norme GOST R 8.585-2001 introduit des coefficients polynomiaux permettant de convertir la FEM en température, ainsi que d'effectuer les opérations inverses.

Un autre problème est que les mesures sont effectuées en microvolts, et leur conversion ne peut pas être réalisée avec des instruments numériques largement disponibles. Pour utiliser un thermocouple dans des conceptions, il est nécessaire de prévoir des convertisseurs précis et multi-bits avec un niveau de bruit minimal.

Thermistors : facile et simple

Il est beaucoup plus simple de mesurer la température à l'aide de thermistors, qui reposent sur le principe de la dépendance de la résistance des matériaux à la température ambiante. De tels dispositifs, par exemple en platine, présentent des avantages importants tels qu'une haute précision et une linéarité.

Le principal problème de ces capteurs thermiques peut être considéré comme le coefficient de température de résistance extrêmement faible, mais le mesurer avec précision reste plus facile que de détecter les faibles valeurs de tension des thermocouples.

Une caractéristique importante d'une résistance est la résistance de base à une température donnée. Selon la norme GOST 21342.7-76, cette valeur est mesurée à 0°C. Il est recommandé d'utiliser une série de valeurs de résistance (Ohm) ainsi que T_ks – le coefficient de température.

L'indice T_ks se calcule selon la formule :

T_ks = (R_e – R_0c) / (T_e – T_0c) *1/R_0c,

Où :

• R_e – résistance à la température actuelle ;
• R_0c – résistance à 0°C ;
• T_e – température actuelle ;
• T_0c – 0°C.

La norme GOST fournit également les coefficients de température prévus pour différents dispositifs de mesure en cuivre, en nickel et en platine, ainsi que les coefficients polynomiaux utilisés pour calculer la température à partir des valeurs de résistance actuelles.

Les capteurs à thermistance sont largement utilisés dans les industries électronique et mécanique, grâce à leur précision, leur sensibilité et leur faible entretien.

Vous pouvez mesurer la résistance en connectant l'appareil dans le circuit d'une source de courant et en mesurant la tension différentielle. Vous pouvez contrôler les valeurs à l'aide de circuits intégrés, dont la sortie analogique est égale à la tension d'alimentation.

Les capteurs de température dotés de tels dispositifs peuvent être connectés en toute sécurité à un convertisseur analogique-numérique, en le numérisant avec un CAN 8 ou 10 bits.

Capteur numérique pour mesures simultanées

Les capteurs de température numériques sont également largement utilisés, par exemple le modèle DS18B20, dont le fonctionnement est assuré par une puce à trois sorties. Grâce à ce dispositif, il est possible de relever les températures simultanément à partir de plusieurs capteurs fonctionnant en parallèle, avec une précision de seulement 0,5°C.

Un modèle populaire est le capteur combiné de température/humidité SHT1, qui permet de mesurer la température avec une précision de ±2 °C et l'humidité avec une erreur de ±5 %. Cependant, le fabricant lui-même affirme qu'il existe des appareils plus précis et plus économiques.

Parmi les autres avantages de cet appareil, on peut également noter une large plage de températures de fonctionnement (-55 à +125 °C). Le principal inconvénient est le fonctionnement lent : pour des calculs très précis, l'appareil nécessite au moins 750 ms.

Pyromètres sans contact (thermographes)

Le fonctionnement de ces capteurs sans contact repose sur la détection du rayonnement thermique émis par les corps. Pour caractériser ce phénomène, on utilise la quantité d'énergie émise par unité de temps et par unité de surface, rapportée à une unité de longueur d'onde.

Ce critère, qui reflète l'intensité du rayonnement monochromatique, est appelé radiance spectrale.

Il existe les types de pyromètres suivants :

• radiométriques ;
• à luminance (optiques) ;
• colorimétriques.

Les pyromètres radiométriques permettent d'effectuer des mesures dans la plage de 20 à 25 000 °C. Cependant, pour déterminer la température, il est important de prendre en compte le coefficient d'émissivité, dont la valeur effective dépend de l'état physique du corps, de sa composition chimique et d'autres facteurs.

L'élément actif principal du capteur de rayonnement est un télescope, à l'intérieur duquel se trouve une batterie composée d'une chaîne en série de thermocouples. Les extrémités actives de ces dispositifs sont situées sur une lamelle recouverte de platine (+).

Pyromètres à luminance (optiques) sont conçus pour mesurer des températures de 500 à 4000 °C. Ils offrent une grande précision de mesure, mais peuvent fausser les lectures en raison de l'absorption possible des rayonnements des corps par le milieu intermédiaire à travers lequel les observations sont effectuées.

Pyromètres colorimétriques, dont le fonctionnement repose sur la détermination de l'intensité du rayonnement à deux longueurs d'onde – de préférence dans les segments rouge ou bleu du spectre, sont utilisés pour des mesures comprises entre 800 et 0 °C.

Leur principal avantage est que l'incomplétude du rayonnement n'affecte pas les erreurs de mesure. De plus, les indications ne dépendent pas de la distance à l'objet.

Capteurs de température à quartz (piézoélectriques)

Pour relever des températures comprises entre -80 et +250 °C, vous pouvez utiliser des capteurs à quartz (piézoéléments), dont le principe de fonctionnement repose sur la dépendance fréquentielle du quartz à la chaleur. La fonction du capteur est influencée par l'orientation de la coupe par rapport aux axes cristallins.

Les dispositifs piézoélectriques (à quartz) sont le plus souvent utilisés dans les travaux de recherche, car ces appareils se caractérisent par une large plage de mesure, une fiabilité et une grande précision.

Les capteurs piézoélectriques se distinguent par une sensibilité fine, une haute résolution, et ils sont capables de fonctionner de manière fiable pendant une longue période. Ces dispositifs sont largement utilisés dans la fabrication de thermomètres numériques et sont considérés comme l'un des instruments les plus prometteurs pour les technologies du futur.

Capteurs de température à bruit (acoustiques)

Le fonctionnement de ces dispositifs est assuré par la mesure de la différence de potentiel acoustique en fonction de la température de la résistance.

Les méthodes acoustiques permettent de relever des températures dans des espaces et milieux fermés où une mesure directe est impossible. Ces instruments ont trouvé des applications en médecine, dans les recherches sous-marines, ainsi que dans l'industrie.

La méthode de mesure avec ces capteurs est assez simple : il faut comparer les bruits produits par deux éléments analogues, dont l'un se trouve à une température connue à l'avance, et l'autre à la température à déterminer.

Les capteurs de température acoustiques conviennent pour mesurer la plage de -270 – +1100°C. La complexité du processus réside dans le niveau sonore trop faible : les sons émis par l'amplificateur le masquent parfois.

Capteurs de température à résonance quadripolaire nucléaire (RQN)

L'essence du fonctionnement des thermomètres à résonance quadrupolaire nucléaire réside dans l'action du gradient de champ formé par les réseaux cristallins et du moment nucléaire – un indicateur causé par la déviation de la charge par rapport à la symétrie sphérique.

En raison de ce phénomène, une précession des noyaux se produit : sa fréquence dépend du gradient du champ du réseau. La température influence également la valeur de cet indicateur : son augmentation provoque une baisse de la fréquence de la RQN.

L'élément principal de ces capteurs est une ampoule contenant une substance, placée dans un bobinage inductif connecté au circuit de l'oscillateur.

L'avantage de ces appareils est une durée de mesure illimitée, une fiabilité et un fonctionnement stable. L'inconvénient est la non-linéarité des mesures, ce qui nécessite l'utilisation d'une fonction de conversion.

Dispositifs à semi-conducteurs

Catégorie d'appareils fonctionnant sur la base des modifications des caractéristiques de la jonction p-n provoquées par l'effet de la température. La tension aux bornes du transistor est toujours proportionnelle à l'effet de la température, ce qui permet de calculer facilement ce facteur.

Les avantages de ces dispositifs sont une haute précision des données, un faible coût, une linéarité des caractéristiques sur toute la plage de mesure. Il est pratique de monter ces dispositifs directement sur un substrat semi-conducteur, ce qui les rend parfaitement adaptés à la microélectronique.

Transducteurs volumétriques pour la mesure de la température

Ces dispositifs sont basés sur le principe bien connu de dilatation et de contraction des substances observé lors du chauffage ou du refroidissement. Ces capteurs sont assez pratiques. Ils peuvent être utilisés pour déterminer les températures comprises entre -60 – +400°C.

Pour permettre un contrôle visuel de la température, la plupart des capteurs thermiques situés dans les locaux sont équipés d'afficheurs sur lesquels sont affichées les valeurs actuelles

Il est important de se rappeler que les mesures de liquides avec ces appareils sont limitées par la température d'ébullition et de congélation, et celles des gaz, par leur transition vers l'état liquide. L'erreur de mesure causée par l'influence de l'environnement pour ces appareils est assez faible : elle varie entre 1 et 5%.

Choix des capteurs de température

Lors du choix de tels appareils, il faut tenir compte de facteurs tels que :

• la plage de température dans laquelle les mesures sont effectuées ;
• la nécessité et la possibilité d'immerger le capteur dans l'objet ou le milieu ;
• les conditions de mesure : pour effectuer des mesures dans un environnement agressif, il est préférable de choisir une option sans contact ou un modèle placé dans un boîtier anticorrosion ;
• la durée de vie de l'appareil avant étalonnage ou remplacement – certains types d'appareils (par exemple, les thermistances) tombent assez rapidement en panne ;
• les données techniques : résolution, tension, vitesse de transmission du signal, erreur ;
• la valeur du signal de sortie.

Dans certains cas, le matériau du boîtier de l'appareil est également important, ainsi que, pour une utilisation en intérieur, les dimensions et le design.

Recommandations pour un montage soi-même

Ces appareils sont largement utilisés à diverses fins : ils équipent les radiateurs, les chaudières de chauffage et d'autres appareils électroménagers.

Avant de commencer l'installation, vous devez lire attentivement la notice : elle indique non seulement les particularités de l'installation (par exemple, les dimensions pour le raccordement au tuyau), mais aussi les règles d'utilisation, ainsi que les limites de température pour lesquelles l'appareil de mesure convient.

Il faut également tenir compte de la taille du manchon, qui peut varier entre 120 et 160 mm.

Examinons les deux cas de montage les plus courants d'un capteur thermique.

Raccordement de l'appareil sur un radiateur

Il ne faut pas équiper tous les appareils de chauffage d'un thermostat. Conformément à la réglementation, les capteurs sont installés sur le radiateur si sa puissance totale dépasse 50 % de la production de chaleur de systèmes similaires. Si une pièce comporte deux radiateurs, le thermostat n'est installé que sur celui ayant la puissance la plus élevée.

Le capteur thermique est un composant essentiel des régulateurs de température, permettant de réduire ou d'augmenter le chauffage des radiateurs, du plancher chauffant et d'autres appareils de chauffage.

La vanne de l'appareil est installée sur la canalisation d'alimentation au point de raccordement du radiateur au réseau de chauffage. En cas d'impossibilité de l'insérer dans un circuit existant, il faut démonter la conduite d'alimentation, ce qui peut entraîner certaines difficultés.

Pour effectuer cette manipulation, vous devez utiliser un outil de coupe de tuyaux, alors que le montage de la tête thermique se fait facilement sans équipement spécial. Une fois le capteur installé, il suffit d'aligner les repères faits sur le boîtier et l'appareil, puis la tête se fixe en appuyant doucement avec la main.

Montage du thermocapteur d'air

Un tel appareil est installé dans la pièce la plus froide sans courant d'air (dans le hall, la cuisine ou la chaufferie, son installation est déconseillée car elle pourrait perturber le fonctionnement du système).

Lors du choix de l'emplacement, il faut veiller à ce que l'appareil ne soit pas exposé aux rayons du soleil et qu'il n'y ait pas d'appareils de chauffage à proximité (radiateurs, convecteurs, tuyaux).

Pour un système de chauffage ordinaire, un seul thermostat suffit, alors que pour un schéma collecteur, il est préférable d'utiliser plusieurs capteurs, dont le nombre correspond au nombre de pièces. Cela permettra de réguler individuellement la température dans des espaces séparés.

Le raccordement de l'appareil s'effectue conformément aux instructions figurant dans la fiche technique, en utilisant les bornes ou le câble fournis.

En cas de besoin de suivi de la température, le capteur de température dans le « plancher chauffant » peut être placé dans l'épaisseur de la chape en béton. Dans ce cas, pour le protéger, on peut utiliser un tube ondulé avec une extrémité fermée et un coude incliné.

Cette dernière particularité permet, si nécessaire, d'extraire l'appareil cassé et de le remplacer par un neuf.

Le montage de l'appareil s'effectue de la manière suivante :

1. Dans le mur, on aménage un évidement pour la fixation de l'appareil mural.
2. On retire la partie avant du capteur thermique, puis on installe le dispositif sur la zone préparée.
3. Ensuite, on connecte le câble chauffant aux contacts, et les bornes aux capteurs.

La dernière étape – la connexion du câble d'alimentation et la remise en place du panneau avant.

Le schéma de raccordement du thermostat pour la chaudière de chauffage est décrit en détail dans cet article.

Si l'appareil, dont le fonctionnement nécessite un branchement interne des capteurs, a une conception complexe, il est préférable de faire appel à des spécialistes.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

La vidéo ci-dessous explique en détail comment procéder à l'installation des appareils thermiques sur la chaudière de chauffage :

L'installation des capteurs sur les tuyaux d'alimentation et de retour est-elle différente ?

Les capteurs de température sont largement utilisés aussi bien dans divers secteurs industriels qu'à des fins domestiques. Le large éventail de ces appareils, basés sur différents principes de fonctionnement, permet de choisir la solution optimale pour une tâche donnée.

Dans les maisons et les appartements, ces appareils sont le plus souvent utilisés pour maintenir une température ambiante confortable ainsi que pour réguler les systèmes de chauffage – radiateurs, plancher chauffant.

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