Vous pensez avoir des problèmes ? Essayez d'étalonner un capteur de température de précision

Le défi posé par l'étalonnage des capteurs pour des variables physiques réelles relève d'un certain contraste. Pour certains capteurs, il est assez simple de fournir un stimulus connu au capteur, mais pour d'autres, cela constitue un problème majeur.

Examinons tout d'abord un cas simple : un transformateur différentiel à variation linéaire (LVDT) qui mesure avec précision l'allongement linéaire (position) sur une plage allant de seulement 1 centimètre (cm) à environ 25 cm, selon le modèle. Par exemple, le transformateur LVDT 02560389-000 de TE Connectivity Measurement Specialties permet de mesurer le déplacement linéaire sur 5,08 centimètres avec une linéarité de 0,25 % sur la plage de course complète.

Figure 1 : Le transformateur LVDT 02560389-000 de TE Connectivity Measurement Specialties fournit des mesures de position précises sur une plage de 5,08 cm, avec une linéarité de 0,25 %. (Source de l'image : TE Connectivity Measurement Specialties)

Pour étalonner l'électronique du circuit d'entrée analogique associé, vous pouvez utiliser un signal précis provenant d'un instrument comme un transformateur de rapport, qui a été développé il y a environ 100 ans et qui est toujours utilisé (Figure 2).

Figure 2 : Ce transformateur de rapport classique est utilisé pour simuler la sortie du transformateur LVDT en fonction de la position lors de l'étalonnage des performances du circuit d'interface analogique du capteur. (Source de l'image : Tegam Inc.)

Toutefois, l'utilisation du transformateur de rapport ne teste pas le transformateur LVDT lui-même. Pour cela, vous pouvez fixer un extensomètre, un pied à coulisse mécanique numérique ou un pied à coulisse optique au transformateur LVDT, puis mesurer sa sortie à des réglages de position de référence spécifiques.

Mais qu'en est-il de l'étalonnage du capteur de température ? Là encore, il est assez simple de créer un signal électrique qui simule avec précision la sortie non linéaire du capteur de température et de vérifier son circuit d'entrée analogique. Mais comment vérifier le capteur de température lui-même lorsque vous recherchez une précision à une fraction de degré ? La plupart des capteurs de température standard comme les capteurs de température à résistance (RTD), les thermistances, les dispositifs à semi-conducteurs et les thermocouples sont prêts à l'emploi avec une précision à 1°C ou 2°C environ, mais c'est une autre histoire si vous recherchez une précision absolue de l'ordre de quelques dixièmes de degré (différente de la résolution, bien évidemment).

La réalité est que vous ne pouvez pas vous contenter d'installer un élément chauffant de base, de mesurer sa température à l'aide d'un système plus précis, puis d'utiliser votre capteur en cours d'évaluation dans le même système. Il y a bien trop de façons d'altérer la comparaison selon la méthode utilisée. Les utilisateurs de capteurs de température haute précision peuvent donc :

1) Envoyer le capteur à un laboratoire, comme Ellab A/S, qui dispose des outils nécessaires, ou acheter un kit de test auprès d'un fournisseur comme Fluke Corp pour faire eux-mêmes le test chez eux, ou

2) Acheter un capteur de température entièrement étalonné avec la documentation de traçage du NIST auprès de l'un des nombreux fournisseurs qui proposent ces unités plus performantes.

Que faire si vous avez besoin d'une précision absolue à 0,1°C, 0,01°C, voire plus ? C'est peut-être difficile à croire, mais c'est possible. Les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un thermomètre à rayonnement infrarouge thermique (TIRT) pour la plage de -50°C à +150°C (-58°F à 302°F, soit des longueurs d'ondes infrarouges comprises entre huit et quatorze micromètres), capable de mesurer les températures avec une précision de l'ordre de quelques millièmes de degré Celsius. Mieux encore, il ne nécessite pas de refroidissement cryogénique, contrairement à de nombreux autres capteurs de température infrarouges hautes performances.

Comment ont-ils atteint ce niveau de performances ? Ils ont utilisé l'approche à trois couches courante dans les conceptions analogiques et relatives aux capteurs :

1) Choisir le meilleur composant disponible et le plus performant, et le laisser « vieillir » si besoin pour réduire la dérive à long terme.

2) Utiliser une topologie de conception qui réduit non seulement les erreurs, mais qui les annule également lorsque c'est possible, par exemple en utilisant des résistances associées avec des coefficients de température identiques sur le substrat commun d'un amplificateur différentiel ou de mesure.

3) Réduire les sources externes d'erreurs induites, comme les champs électromagnétiques (EM) ou les changements de température ambiante.

J'ai découvert pour la première fois ces trois tactiques en lisant un article de Jim Williams, le regretté et légendaire génie de la conception analogique, dans un numéro de 1976 d'EDN, « This 30-ppm scale proves that analog designs aren't dead yet » (Cette balance de 30 ppm prouve que les conceptions analogiques n'ont pas dit leur dernier mot). Cette balance a été conçue pour répondre à des objectifs très ambitieux : elle devait être portable, peu coûteuse, capable de résoudre les erreurs de 0,01 livre sur une plage pleine échelle de 300,00 (soit 30 parties par million), ne jamais nécessiter d'étalonnage ou d'ajustement, et avoir une précision absolue de l'ordre de 0,02 %. Malgré l'âge de l'article (presque 50 ans !) et les nombreux changements apportés aux composants et aux technologies depuis sa rédaction, les leçons sous-jacentes sont toujours d'actualité.

Comment les chercheurs du NIST ont-ils créé leur thermomètre, appelé thermomètre à rayonnement ambiant (ART) (Figure 3) ? La conception est décrite en détail dans leur article sobrement intitulé « Improvements in the design of thermal infrared radiation thermometers and sensors » (Améliorations de la conception de capteurs et thermomètres à rayonnement infrarouge thermique) publié dans la revue Optics Express de l'Optical Society of America, ainsi que l'article « Precise Temperature Measurements with Invisible Light » (Mesures de température précises avec la lumière invisible) publié par le NIST.

Figure 3 : Dans le thermomètre à rayonnement ambiant du NIST, la lumière infrarouge (IR) provenant d'une source étalonnée à température fixe entre dans le boîtier du thermomètre en passant à travers une lentille (1) avant d'atteindre la sortie du détecteur (6), qui est routée vers un amplificateur qui augmente les niveaux du signal. (Source de l'image : NIST)

Conclusion

La prochaine fois que vous vous interrogerez sur la précision de vos mesures basées sur un capteur, mettez bien les choses au clair : quelle part d'erreur est due au capteur lui-même, et quelle part est due aux composants électroniques ? Comment vérifier chacun d'eux indépendamment ?