Projet - Etalonner et vérifier un capteur de température

Il n'y a pas si longtemps, j'ai eu l'occasion de discuter de l'étalonnage des capteurs de températures.

Un client utilisait des capteurs SHT31-F mais obtenait des valeurs différentes du thermostat déjà présent dans la pièce (jusqu'à 4 degrés de différences). 

Avant de passer à l'étalonnage (et donc possibilité de contrôle du capteur cible), il convient peut être de rechercher la provenance de l'erreur ?

Thermodynamique de la pièce

Le premier réflexe est déjà de considérer la thermodynamique de la pièce.
En effet, il y a un effet de convection comme dans une casserole d'eau. L'air est un fluide et les radiateurs un apport de chaleur.

L'emplacement du capteur (par rapport au thermostat) peut donner une valeur singulièrement différente.

Phénomène de convection

Là où il y a de la condensation, c'est un signe que la température a chuté de façon importante et que les conditions de température/humidité est tombé sous le point de rosée.
Un capteur situé à proximité d'une zone de condensation relèvera forcement une température inférieure.

Enfin, les échangent de chaleur ayant lieu sur les parois/murs d'une pièce, la température sur la parois sera forcément inférieure à celle de l'air à 20cm de là.

Source: Cet article de Conseils-Thermiques.org

Cet autre graphique indique également le gradient de température vertical dans une pièce. 

Source:

Nous savons tous que la chaleur monte, la chaleur s'accumulant au plafond, c'est normal que ce soit l'endroit où la température est la plus élevée. C'est justement à cause de ce gradient qu'un thermostat est placé à hauteur de 1.5M qui est la hauteur moyenne du tronc du corps, la partie la plus sensible à la température de confort.

Conclusion

Pour valider la température d'un capteur par rapport a un thermostat, l'idéal serait de placer ce capteur cible dans le boîtier du Thermostat.

Cela permettra d'opérer une comparaison fiable pour pouvir faire une comparaison fiable entre les deux capteurs.

Inertie thermique du capteur

Bien que les capteurs de températures soient montés sur une carte aussi petites que possible, il y a inévitablement des problème d'inertie thermique.

Vulgarisation de l'inertie Thermique

 

L'inertie thermique est assez facile à appréhender: imaginer un thermomètre qui mesure la température de la pièce.... seulement, ce thermomètre est en contact avec un gros cailloux. 

Si l'on augmente la température de la pièce de 15 à 25°C, la température de l'air augmente beaucoup plus vite que celle du thermomètre. En effet, le thermomètre mesure la température de son support (la pierre) et la pierre verra sa température augmenter bien plus lentement que celle de l'air. Certes, le cailloux finira par atteindre cette température de l'air mais uniquement au bout d'un grand laps de temps.

Voila qui vulgarise assez correctement l'inertie thermique.

C'est pareil pour les capteurs de température électronique, le support se comporte "comme un cailloux". Le capteur prend donc un certain temps pour atteindre la température de l'air lorsque celle-ci change.

Inertie thermique appliquée au capteur SHT31-F

Etalonnage - Capteur de référence

Avant d'envisager le processus d'étalonnage, la question à 1000 EUR c'est quel capteur de température utiliser comme capteur de référence (ou capteur étalon) ?

Il faut donc un capteur à faible inertie thermique qui soit fiable.
Hors sondes d'étalonnage et appareillage spécialisé, nous avons:

• Thermocouple type-K (le plus courant)
• Thermocouple type-N (évite le vieillissement du type-K)
  
• Sonde platine PT100 ou PT1000 (le plus précis)
  

Sonde de température thermocouple type-K

Sonde Température PT100

 

Une sonde NTC de qualité pourrait faire l'affaire mais il faudrait elle même les recalibrer avant usage.

La sonde type K est constituée d'une perle et présente donc une très faible inertie. 10 à 20 secondes sont néanmoins nécessaires pour obtenir la température stabilisée. A noter que le type-K semble présenter une dérive de 2° avec le vieillissement du capteur (de l'ordre de quelques heures d'usage, voir cette page de mesurex.fr).

La sonde PT100 présente une bonne précision mais à l'inconvénient d'être souvent encapsulée. De fait, l'inertie thermique est également plus importante (~30 sec). Il existe également des sondes PT100 en format compacte mais moins facile à trouver.

Le graphique ci-dessous reprend la précision typique (accuracy) du sonde type PT100 et des thermocouple type B, E, J, etc. 

Source: Ce document de gilsoneng.com

Etalonnage - contrôler l'étalon

Ce n'est pas parce que nous avons une sonde étalon qu'il faut lui faire une confiance aveugle. Il suffit de la confronter à quelques valeurs connues:

• 0°C: avec des glaçons en solution dans de l'eau.
• 100°C: eau bouillante (température variant sensiblement avec la pression athmosphérique)
• 36.6 à 36.8°C: température du corps humain.
• 79°C: ébullition de l'éthanol (attention quand même)
• 80°C: Agar-ager utilisé comme gélifiant (en pâtisserie) se liquéfie à 80°C.
  
• 290°C: ébullition de la glycérine

Il est assez difficile de trouver des

Etalonnage en température - procédure

L'étalonnage, ou quelques points d'étalonnages, est une façon de contrôler l'exactitude d'un capteur existant.

Par contre, la procédure d'étalonnage est assez lourde et longue. Elle se pratique dans un bain liquide homogène (ou en air sec).
La sonde a étalonner (et sonde d'étalonnage) sont insérées dans les manchons du four.

Source: Composantes d’incertitude avec un four d’étalonnage à air sec (Beamex.com)

 

Mais qui dit "four" dit aussi "inertie". Pour faire l'étalonnage, il faut amener le four à une température de référence, mesurer la température sur la sonde étalon puis sur la sonde à étalonner.

Inconvénients de l'approche

Cette procédure prend, dans les faits, un temps d'opération important... sans compter sur le matériel très spécifique utilisé. Si cela fonctionne pour des sondes industrielles, je ne vois pas comment l'on pourrait insérer un capteur SHT31-F dans un tel four!

Pas vraiment en phase avec notre monde DIY.

Une approche DIY

Voici la solution que j'entrevois pour réaliser un four de calibration DIY basse température (disons jusque 100...150°C).

Source de chaleur pour four de calibration DIY

L'idée est de d'utiliser un sèche cheveux modifié pour obtenir un flux d'air chaud à faible vélocité (il faudra la modifier) et résistance de chauffe à faible inertie thermique. Un contrôle PWM via un MosFet permettra de moduler l'alimentation de la résistance de chauffe en 12 ou 24V (entre autre en optant pour la mise en parallèle de certains éléments de chauffe) et donc la température en sortie.

L'idée est de pouvoir maintenir une température de sortie stable suffisamment longtemps pour compenser l'inertie thermique du capteur testé et capteur de référence (PT100).

Il faut ensuite créer une chambre de chauffer avec un tube isolé. Opter une paroi intérieure la plus fine possible permet limiter l'inertie thermique et le gradient de température dans le "four".

En utilisant deux capteurs de températures T1 et T2, il est possible de constater l'homogénéité de la température -OU- évaluer la température TSensor puisque le gradient de température -- s'il y en avait un -- est linéaire.
Le Tsensor attendu est donc (T1+T2)/2 .

Capture complémentaire

Bien que n'ayant pas encore l'opportunité de tester cette idée, en plus de relever/contrôler la température d'un capteur, de mesurer l'inertie du capteur.

L'inertie peut être rendu très pragmatique en l'expriment comme "le temps nécessaire au capteur pour se stabiliser à la température finale".

Idée a contrarier avec la montée en température du four, de l'inertie des capteurs de référence, la température de départ (et fin) du processus, etc.

Mot de la fin

Voilà une bonne idée de projet à venir (quand j'aurais terminé la Plancha-CMS).

N'hésitez pas à partager vos remarques et commentaires.