Capteurs de Température
Produits
De nouveaux modèles ultra-longue portée et haute température ont été ajoutés à la gamme de capteurs de température infrarouge numériques Série FT.
Un capteur de température est un dispositif capable de mesurer la température d’une zone spécifique d’une cible. Le capteur convertit les températures mesurées en signaux électriques et les transmet en sortie. Les capteurs de température se classent en deux catégories : les capteurs à contact et les capteurs sans contact. La première catégorie comprend les thermistances, les thermocouples et les thermomètres à résistance. La seconde comprend les capteurs de température infrarouge et les capteurs de température colorimétriques.
Les capteurs de température infrarouge peuvent être conçus avec des têtes de capteur compactes et leur distance de détection est illimitée. Ils présentent l’avantage de contraintes réduites en matière de position et d’espace d’installation.
Principe des capteurs de température infrarouge
Les capteurs de température infrarouge utilisent le principe suivant pour détecter les rayons infrarouges émis par les objets afin de mesurer leur température.
1. Les rayons infrarouges émis par un objet sont collectés par une lentille et dirigés vers un élément de détection appelé thermopile.
2. Lorsque la thermopile absorbe les rayons infrarouges et que sa température augmente, elle génère des signaux électriques proportionnels à la température.
3. Ces signaux électriques sont amplifiés et corrigés en fonction de l’émissivité de l’objet, et la température est affichée.
Une thermopile présente une structure dans laquelle de nombreux thermocouples sont connectés en série. Les jonctions chaudes des thermocouples sont placées au centre, et les jonctions froides à la périphérie. Les rayons infrarouges collectés par la lentille ne frappent que les jonctions chaudes, qui sont donc les seules à être chauffées. L’effet Seebeck génère alors une différence de tension entre les jonctions chaudes et froides, permettant ainsi la mesure de la température.
Qu’est-ce que l’émissivité :
L’émissivité exprime la facilité avec laquelle un objet émet un rayonnement thermique (infrarouge), sur une échelle de 0 à 1. L’émissivité d’un objet émettant le rayonnement maximal possible est de 1. Un objet dont l’émissivité est de 1 est appelé corps noir. Un objet à travers lequel tous les rayons infrarouges se réfléchissent ou passent (comme l’air) a une émissivité de 0. L’émissivité des objets se situe généralement entre 0 et 1. Même pour un matériau identique, un objet à surface rugueuse présente une émissivité plus élevée.
Comment déterminer l’émissivité :
Si l’émissivité d’un objet est mentionnée comme constante physique dans une documentation de référence, utilisez cette valeur telle quelle. Déterminez l’émissivité en tenant compte des conditions dans lesquelles elle a été mesurée (par exemple l’état de surface de l’objet). Si l’émissivité est inconnue, mesurez la température réelle de l’objet et utilisez la valeur affichée sur un thermomètre à rayonnement.
Le capteur de température infrarouge de KEYENCE
Pour mesurer correctement la température avec un capteur de température infrarouge, il est nécessaire de régler au préalable l’émissivité propre aux objets cibles. Or, ce réglage demande du travail et des opérations complexes, incluant divers calculs et paramétrages propres au matériau de la cible.
La Série FT a supprimé ce travail et ces opérations complexes. Si l’émissivité de la cible est connue, il suffit de saisir directement la valeur sur l’amplificateur. Même si l’émissivité est inconnue, il est possible de la régler facilement en appliquant simplement le spray ou le ruban corps noir optionnel sur la cible, puis en mesurant la température avec la Série FT.
Avantages des capteurs de température
L’utilisation d’un capteur de température pour surveiller la température des équipements sur un site de production permet de prévenir divers problèmes causés par des charges ou des courants électriques excessifs, ou par des dysfonctionnements d’équipement. Il est également possible d’activer le système de refroidissement au moment optimal.
La mesure de la température permet de prévenir les problèmes d’équipement causés par l’effet de la chaleur. Par exemple, lorsqu’un capteur de température est réglé avec des seuils haut et bas pour activer/désactiver le système de refroidissement du moteur d’une machine d’usinage, le moteur peut être refroidi au moment approprié lorsqu’il chauffe en raison de charges excessives ou d’autres causes.
Comme le capteur de température peut surveiller la température en continu, il est possible de comprendre le processus par lequel le moteur atteint une température donnée puis est refroidi. Les problèmes peuvent ainsi être détectés et traités à un stade précoce. Par exemple, si la température du moteur ne varie pas normalement alors que la machine fonctionne, le système de refroidissement peut ne pas fonctionner correctement, ou le moteur peut être surchauffé par une charge excessive.
Lorsqu’un capteur de température est utilisé pour mesurer la température autour d’une cible, il est possible de détecter que la température a atteint une limite haute ou basse en raison d’une anomalie du système de climatisation, ou de maintenir un contrôle optimal de la température de la cible. Cela permet de prévenir des problèmes tels que des produits défectueux résultant de températures anormales.
L’utilisation d’un capteur de température permet de prévenir des problèmes causés, par exemple par des hausses ou des diminutions anormales de la température pendant un processus de revêtement. Lorsqu’un capteur de température est configuré avec des seuils haut et bas pour activer/désactiver le système de climatisation du processus de revêtement, la ligne peut être chauffée ou refroidie au moment approprié.
Comme le capteur de température peut surveiller la température en continu, il est possible de comprendre le processus d’atteinte d’une température donnée. Cela permet un chauffage et un refroidissement appropriés ainsi qu’un contrôle précis du temps nécessaire au séchage de la peinture. Il est également possible de détecter rapidement des problèmes, par exemple si la température ne varie pas de façon continue alors que le système de climatisation fonctionne, ce qui permet de limiter la production de produits défectueux.
Les capteurs de température infrarouge permettent de mesurer la température à distance, avec une précision ponctuelle. Il est ainsi possible de prévenir la production de produits défectueux en mesurant la température de petites pièces en cours d’usinage ou en détectant des températures anormales sur des outils et matériaux.
L’utilisation d’un capteur de température infrarouge permet de prévenir des problèmes tels que ceux causés par des températures de soudure trop basses. Lorsqu’un capteur de température est réglé avec la température à laquelle l’activation de l’équipement de chauffe de la soudure est nécessaire, le chauffage peut démarrer au moment approprié.
Les capteurs de température infrarouge permettent de mesurer la température à distance, avec une précision ponctuelle. Ils peuvent mesurer la température de zones très fines, comme le soudage des broches d’un circuit intégré, sans être affectés par le rayonnement infrarouge provenant de la zone environnante. L’accumulation des données de mesure continue de la température pendant le soudage facilite la gestion de la précision de traitement, difficile à obtenir avec les méthodes conventionnelles, ce qui permet de maintenir et d’améliorer la qualité.
Études de cas des capteurs de température
Secteur du soudage : mesure de température dans les processus de chauffage par induction haute fréquence
Le chauffage par induction haute fréquence est une méthode de traitement qui exploite un phénomène de chauffage appelé effet de peau ou effet de proximité. Ce procédé nécessite de mesurer la température des pièces chauffées par flamme. Les thermocouples et autres capteurs de température à contact ne peuvent pas être utilisés car ils seraient endommagés par les températures élevées. Avec des capteurs de température infrarouge classiques, une mesure précise est impossible en raison de l’influence de l’énergie infrarouge émise par les flammes.
Les capteurs de température numériques infrarouges de la Série FT sont équipés d’un circuit nouvellement développé et d’une structure flottante centrale, afin de maximiser la stabilité — la propriété la plus importante d’un capteur de température. Malgré sa méthode sans contact, la Série FT peut réaliser une mesure de température stable dans des conditions variées. La Série FT contribue également à l’automatisation de tâches auparavant réalisées par des opérateurs expérimentés sur la base de leur expérience personnelle, comme le contrôle de la chaleur résiduelle, qui varie selon la température extérieure.
Secteur de la métallurgie : mesure de température des produits forgés à chaud
La température des pièces pendant le forgeage à chaud peut atteindre jusqu’à 900 °C. Une telle température ne peut pas être mesurée avec des capteurs de température à contact. Même à des distances supérieures à 6 m des pièces, des erreurs de mesure surviennent en raison de la dilatation thermique des capteurs. Cela signifie que la température des pièces pendant le forgeage à chaud doit être mesurée depuis un emplacement éloigné où le capteur ne sera pas affecté par la chaleur.
Le capteur de température numérique infrarouge de la Série FT n’a aucune limite de distance de détection. La gamme comprend différents modèles pouvant être sélectionnés selon la taille des cibles et les plages de mesure. Le choix d’un modèle optimal dans la gamme permet de mesurer précisément la température des pièces pendant le forgeage à chaud, depuis un emplacement éloigné où le capteur ne sera pas affecté par la chaleur. Ces fonctions contribuent à réduire le temps nécessaire et à améliorer la précision de l’analyse de la relation entre température et forme des pièces à haute température, ce qui était considéré comme impossible avec les capteurs conventionnels.
Moulage plastique : contrôle de la température des matériaux juste avant la coulée
Dans ce procédé, un certain temps s’écoule avant que le matériau chauffé ne soit coulé dans les moules. Cela entraîne des variations de température du matériau, à l’origine de défauts de moulage. Pour éviter ces défauts, il est nécessaire de contrôler la température du matériau juste avant la coulée. Dans de nombreux cas, l’espace disponible pour installer un thermomètre est limité et l’environnement de fonctionnement n’est pas propre, ce qui impose également de gérer l’encrassement de la lentille.
Les capteurs de température numériques infrarouges de la Série FT intègrent le détecteur, y compris la thermopile, dans une structure cylindrique flottante, évitant tout contact avec le boîtier de la tête du capteur. La couche d’air créée par cette structure flottante permet d’éliminer l’influence de perturbations telles que la température ambiante autour des capteurs. Les capteurs disposent également d’un boîtier compact pouvant être installé n’importe où. Comme la distance de détection est illimitée, il est possible de choisir un emplacement d’installation dans un environnement propre.
Les capteurs de température se classent en deux catégories : les capteurs à contact et les capteurs sans contact. Ils sont utilisés de manière sélective selon l’environnement d’exploitation et/ou l’objectif visé. Pour garantir une mesure précise et stable, il est nécessaire de comprendre les caractéristiques de ces capteurs.
Caractéristiques des capteurs de température à contact
Les capteurs de température à contact mesurent la température en se basant sur des variations de valeurs, telles que la puissance électrique ou la résistance électrique, mesurées à l’aide d’une pointe de mesure directement en contact avec la cible. Les types et caractéristiques des principaux capteurs de température à contact sont décrits ci-dessous.
Thermocouples
Ces capteurs de température exploitent l’effet Seebeck, phénomène par lequel une force électromotrice thermique est générée lorsque deux conducteurs de métaux différents sont connectés électriquement pour former un circuit fermé et qu’une différence de température est appliquée aux deux extrémités.
Ces capteurs offrent une large plage de mesure de température, une vitesse de réponse rapide, la capacité de mesurer de petites cibles, ainsi qu’un traitement et une analyse simplifiés des informations de température. Associé à un coût inférieur à celui d’autres capteurs de température, ce type est utilisé dans un large éventail d’applications. Toutefois, un fil de compensation est nécessaire pour rallonger le câble.
Thermomètres à résistance
Les thermomètres à résistance exploitent la caractéristique d’un métal dont la résistance électrique augmente avec la température. Un exemple typique est le thermomètre à résistance de platine, pour lequel un platine de haute pureté est généralement utilisé comme fil résistif.
Ils sont adaptés à la mesure de basses températures (plage de température ordinaire) et permettent une mesure stable et précise. Ils présentent également l’avantage d’être moins sensibles aux chocs mécaniques ou aux vibrations. En revanche, leur température de fonctionnement maximale est d’environ 500 °C, ce qui est inférieur à celle des thermocouples. Ces capteurs sont généralement plus coûteux que d’autres types de capteurs.
Thermistances
Les thermistances sont des capteurs de température qui exploitent les caractéristiques thermiques de résistances semi-conductrices dont la résistance varie avec la température. Elles présentent, par rapport à leur coût, des erreurs plus faibles liées à la résistance du fil ainsi qu’une sensibilité élevée parmi les capteurs de température. Leurs inconvénients sont une plage de mesure étroite et une précision de mesure pas particulièrement élevée, en raison de caractéristiques de variation de résistance non linéaires.
Caractéristiques des capteurs de température sans contact
Les capteurs de température sans contact mesurent la température en détectant la chaleur rayonnante (rayons infrarouges) émise par les cibles. Ils se répartissent en deux types selon leur principe, chacun ayant ses propres caractéristiques.
Capteurs de température infrarouge
Ces capteurs mesurent l’intensité de la chaleur rayonnante pour déterminer la température. Ils se divisent en trois types. Les capteurs de température à rayonnement total mesurent la température à partir de la valeur intégrale sur l’ensemble de la plage de longueurs d’onde. Les capteurs de température à rayonnement large bande mesurent la température en utilisant uniquement les longueurs d’onde avantageuses pour la mesure. Les capteurs de température monochromatiques mesurent la température en fonction de l’intensité de la chaleur rayonnante d’une seule longueur d’onde.
Les capteurs de température infrarouge sont efficaces pour mesurer la température d’objets en mouvement/en rotation et d’objets dont la température de surface peut être modifiée par un contact avec le capteur (objets à faible capacité thermique). Ils ne peuvent toutefois pas mesurer la température à l’intérieur des cibles ni celle des gaz. L’émissivité doit également être réglée en fonction de la cible. Ces dernières années, des capteurs de température infrarouge effectuant ce réglage automatiquement ont été développés.
Capteurs de température bichromatiques
Ces capteurs mesurent la chaleur rayonnante en utilisant deux longueurs d’onde différentes et déterminent la température à partir du rapport entre les rayonnances.
Ils se caractérisent par des erreurs plus faibles, même lors de la mesure de cibles plus petites que le diamètre du spot du capteur. Leur inconvénient est une instabilité des valeurs de température dans des environnements contenant de la poussière ou de la vapeur d’eau dans l’air, ou lorsque la cible est mesurée à travers une vitre sale, en raison de la diffusion de la chaleur rayonnante.
Foire aux questions concernant les capteurs de température
Le taux de rayons infrarouges émis par les objets (émissivité) varie selon leur matériau et leur état de surface, même à température identique. Par conséquent, une mesure précise de la température d’un objet nécessite de régler l’émissivité en fonction de cet objet.
Le réglage de l’émissivité varie selon que celle-ci est connue ou non. Avec la Série FT, si l’émissivité est connue, il suffit de saisir la valeur sur l’amplificateur. Même si l’émissivité est inconnue, elle peut être réglée automatiquement en saisissant simplement la température actuelle de la cible sur l’amplificateur. Si la température actuelle de la cible est également inconnue, il est possible d’appliquer le spray ou le ruban corps noir optionnel sur la cible et de détecter la température de surface pour régler l’émissivité.
Les cibles métalliques telles que le fer ou l’aluminium présentent une forte réflectance et une faible émissivité. La détection de cibles à faible émissivité peut devenir instable, car le capteur de température infrarouge recevra moins de rayons infrarouges de la cible. L’émissivité d’une surface métallique brillante est faible et peut encore diminuer lorsque la surface est inclinée. Si la position de détection change, la température de la surface métallique elle-même peut également varier.
Avec la Série FT, une détection stable est garantie lorsque le capteur est monté perpendiculairement à la cible et mesure systématiquement le même point. En présence d’une source de chaleur telle que des personnes, des équipements en fonctionnement ou un dispositif de chauffage, le réglage de l’émissivité en fonction de la cible permettra d’obtenir une mesure précise.
Comme les capteurs de température infrarouge détectent également la vapeur ou la fumée visibles, la température mesurée peut inclure des erreurs.
La Série FT utilise une fonction de purge à l’air pour éliminer la vapeur ou la fumée entre la tête du capteur et la cible, garantissant une détection stable. En cas de brouillard d’huile en suspension dans l’air, il est possible d’en réduire l’influence en nettoyant régulièrement la surface de la lentille de la tête du capteur, ou en enfermant la tête du capteur dans un cylindre et en utilisant la fonction de purge à l’air pour empêcher l’infiltration d’huile. Si la tête du capteur est chauffée par le rayonnement thermique de la cible et que la détection devient imprécise en raison de la température élevée de la thermopile interne, il est possible d’empêcher la hausse de la température interne en recouvrant la tête du capteur de papier aluminium.
