Connaître les deux échelles de température (Celsius et Kelvin) et savoir convertir.
Identifier les principaux types de thermomètres : à résistance (CTN, Pt100), thermocouple, infrarouge, cristaux liquides.
Lire et exploiter la caractéristique R(T) d’une CTN à partir d’une courbe ou d’une table.
Associer un capteur à une application industrielle en atelier de menuiserie.
Situation professionnelle — Contrôle d'un séchoir à bois
Un artisan menuisier supervise le séchoir de son atelier : il doit s'assurer que la température de l'enceinte reste entre 50 °C et 70 °C pour sécher correctement les planches. Il utilise un capteur CTN pour mesurer et réguler la température en continu.
1. La température
Définition
La température est une grandeur physique qui traduit l’agitation thermique des particules (atomes, molécules) constituant la matière. Plus les particules s’agitent rapidement, plus la température est élevée.
Les deux échelles de température
Deux échelles coexistent en sciences et dans l’industrie :
L’échelle Celsius (°C) : utilisée dans la vie courante et dans la plupart des applications industrielles.
L’échelle Kelvin (K) : échelle absolue utilisée en sciences. Elle débute au zéro absolu.
\( T(\text{K}) = \theta(\text{°C}) + 273 \)
\(T\) en Kelvin — \(\theta\) en degrés Celsius
Attention
Le zéro absolu (0 K = −273 °C) est la température la plus basse possible : toute agitation thermique y cesse. On ne peut pas atteindre de température négative en Kelvin.
Ordres de grandeur des températures
Situation
T (°C)
T (K)
Domaine
Zéro absolu
−273
0
Sciences
Azote liquide
−196
77
Industrie / cryogénie
Congélateur alimentaire
−20
253
Quotidien
Glace fondante
0
273
Référence
Atelier confortable
20
293
Quotidien
Température du corps humain
37
310
Biologie
Eau bouillante (P = 1 atm)
100
373
Référence
Four de séchage du bois
80
353
Industrie bois
Colle thermofusible
∼180
453
Industrie bois
Aluminium en fusion
660
933
Métallurgie
Acier en fusion
1 500
1 773
Métallurgie
Surface du Soleil
5 500
5 773
Astrophysique
Centre du Soleil
∼15 × 106
∼15 × 106
Astrophysique
Application
Convertir les températures suivantes :
Un four de séchage réglé à 85 °C — quelle est cette température en Kelvin ?
La température de sublimation de la glace carbonique est 194 K — combien est-ce en °C ?
Combien vaut une différence de 40 °C exprimée en Kelvin ?
\(T = 85 + 273 = \mathbf{358\,\text{K}}\)
\(\theta = 194 - 273 = \mathbf{-79\,\text{°C}}\)
Une différence de température est identique en °C et en K : \(\Delta T = \mathbf{40\,\text{K}}\).
(Car \(\Delta T(\text{K}) = \Delta T(\text{°C})\).)
2. Mesure de la température
Plusieurs instruments permettent de mesurer la température selon la précision et la plage souhaitées.
Thermomètre à mercure
Basé sur la dilatation du mercure. Simple et historiquement répandu, mais son usage est aujourd’hui interdit en Europe pour des raisons environnementales (mercure toxique). Il reste un repère historique pour comprendre le principe de mesure par dilatation.
Thermomètre électronique à sonde de résistance
Utilise une sonde dont la résistance électrique varie avec la température. Affichage numérique. Précision courante : ±0,1 °C. Facilement relié à un système d’acquisition ou un microcontrôleur. C’est le principe des thermistances (CTN) et de la sonde Pt100.
Thermomètre à infrarouge (sans contact)
Mesure le rayonnement infrarouge émis naturellement par tout corps chaud, sans contact physique. Très utile en atelier pour mesurer la température d’une surface en mouvement (lame de scie, bande de placage) ou d’un objet inaccessible. Précision : ±1 à 2 °C selon le modèle.
Thermomètre à cristaux liquides
Utilise des cristaux liquides thermochromes qui changent de couleur selon la température. Usage simple et visuel (bandelettes, étiquettes). Précision limitée (±1 °C), mais pratique pour une lecture rapide sans électronique (contrôle de la température de la pièce, piscines, aquariums).
Exemples en atelier
Contrôle du séchage du bois : dans une étuve, la température doit rester entre 60 et 90 °C pour éliminer l’humidité sans dégrader les fibres du bois.
Surveillance de la colle thermofusible : la colle doit être maintenue à une température précise pour conserver la bonne viscosité d’application.
3. Les capteurs de température
Un capteur de température convertit une température en grandeur électrique mesurable (tension ou résistance).
Il en existe plusieurs types, adaptés à différents besoins industriels.
Thermocouple
→ tension
CTN
→ résistance
Pt100
→ résistance (platine)
Infrarouge
→ rayonnement IR
Cristaux liquides
→ couleur
3.1 Le thermocouple
Principe
Un thermocouple est formé de deux fils de métaux différents soudés à une extrémité.
La différence de température entre la jonction chaude et la jonction froide génère une tension électrique (effet Seebeck).
Plage de mesure : très large, de −200 °C à +1 000 °C selon le type (K, J, T…).
Réponse : très rapide.
Inconvénient : signal faible (quelques millivolts), nécessite un amplificateur et une compensation de jonction froide.
Thermocouple type K — tension (mV) vs ΔT
ΔT = Tjonction chaude − Tjonction froide. Signal très faible (quelques mV) — nécessite un amplificateur dédié.
3.2 La thermistance CTN (Coefficient de Température Négatif)
Principe
La résistance d’une CTN diminue lorsque la température augmente.
C’est un composant à base de semi-conducteur. La relation R(T) est non linéaire : on l’exploite grâce à une courbe ou une table de correspondance fournie par le fabricant.
Plage : −50 °C à +150 °C.
Avantage : très sensible dans la plage 0–100 °C, peu coûteux.
Usage en atelier : mesure et régulation de température dans les étuves de séchage, thermostat d’atelier.
3.3 La thermosonde Pt100
Principe
La sonde Pt100 est une résistance en platine (Pt) dont la valeur augmente régulièrement avec la température. Sa valeur de référence est 100 Ω à 0 °C (d’où son nom). La relation R(T) est quasi linéaire, ce qui la rend très précise.
Plage : −200 °C à +850 °C.
Avantage : très précise (±0,1 °C), stable dans le temps, utilisée comme référence industrielle.
Usage : fours industriels, régulateurs de température, équipements de laboratoire.
CTN (résistance décroissante)Pt100 (résistance croissante, ×100 pour lisibilité)
3.4 La thermistance CTP (Coefficient de Température Positif)
Principe
La résistance d’une CTP augmente très fortement lorsque la température dépasse un seuil critique.
Ce comportement est utilisé comme fusible thermique autoprotecteur.
Application : protection des moteurs électriques contre les échauffements excessifs (machines à bois : toupies, défonceuses, raboteuses).
Limitation : pas adaptée à une mesure fine de température.
CTP — résistance (kΩ) vs température
Au-delà du seuil (~120 °C ici), la résistance explose : le circuit se coupe automatiquement. Protection des moteurs de machines à bois.
3.5 Le capteur à semi-conducteur (ex. LM35)
Propriété
Ce type de capteur fournit une tension de sortie directement proportionnelle à la température en degrés Celsius.
Pour le LM35 : \(V_{\text{out}} = 10\,\text{mV/°C} \times \theta\).
Avantage : sortie linéaire, simple à interfacer avec un microcontrôleur (Arduino, Raspberry Pi…).
Plage : −55 °C à +150 °C.
Usage : affichage de température d’atelier, contrôle numérique de machines-outils.
Application
Pour chaque application, indiquer quel capteur est le plus adapté parmi : thermocouple, CTN, Pt100, CTP, infrarouge. Justifier brièvement.
Mesurer la température d’un four à céramique atteignant 900 °C.
Protéger le moteur d’une toupie contre les surchauffes.
Contrôler avec précision la température d’un régulateur industriel (étuve de labo).
Mesurer la température d’une lame de scie à ruban en rotation, sans la toucher.
Thermocouple : seul capteur couvrant une plage jusqu’à 900 °C.
CTP : dès que la température dépasse un seuil, la résistance monte en flèche et coupe le circuit → protection automatique du moteur.
Pt100 : relation quasi linéaire, très précise, référence pour les régulateurs industriels.
Thermomètre infrarouge : mesure sans contact, idéal pour une pièce en mouvement inaccessible physiquement.
4. Caractéristique R(T) d’une CTN
La courbe ci-dessous représente l’évolution de la résistance d’une CTN typique en fonction de la température.
La résistance décroît fortement et de manière non linéaire : de près de 33 kΩ à 0 °C à environ 1,2 kΩ à 80 °C.
Méthode — Utiliser la courbe R(T)
Mesurer la résistance de la CTN avec un ohmètre (circuit hors tension).
Reporter la valeur mesurée sur l’axe des ordonnées du graphe R(T).
Lire en face la température correspondante sur l’axe des abscisses.
En pratique, le fabricant fournit une table de correspondance R → T plus précise que le graphe.
Application
On dispose d'une CTN dont la résistance à différentes températures est donnée dans le tableau ci-dessous :
T (°C)
0
20
40
60
80
R (kΩ)
32,7
12,2
5,2
2,4
1,2
Un ohmètre mesure 5,2 kΩ sur la CTN. Quelle est la température de la sonde ?
La résistance augmente ou diminue quand la température monte ? Quel type de thermistance est-ce ?
On mesure 2,4 kΩ dans l'étuve. Faut-il augmenter ou réduire la température pour atteindre la consigne de 40 °C ?
R = 5,2 kΩ correspond à T = 40 °C d'après le tableau.
La résistance diminue quand T augmente → c'est une CTN (Coefficient de Température Négatif).
R = 2,4 kΩ correspond à 60 °C. L'étuve est trop chaude ; il faut réduire la température pour revenir à la consigne de 40 °C.
5. Applications industrielles en atelier de menuiserie
5.1 Étuves de séchage du bois
Le bois fraîchement coupé contient jusqu’à 50 % d’eau. Le séchage en étuve permet de réduire ce taux d’humidité à 8–12 % pour un usage intérieur.
Une CTN reliée à un régulateur maintient la température à la valeur consigne (typiquement 70–85 °C).
5.2 Contrôle de la colle thermofusible
Les pistolets à colle thermofusible (hot glue gun) utilisent une résistance chauffante régulée par thermistance.
Si la température dépasse le seuil admissible (∼200 °C), une CTP coupe l’alimentation de la résistance chauffante automatiquement.
5.3 Détection d’échauffement des paliers de machines
Les roulements et paliers des machines à bois (toupies, raboteuses, scies à ruban) s’usent et s’échauffent anormalement en cas de défaut.
Un thermocouple fixé sur le palier détecte toute montée anormale de température et déclenche une alarme ou l’arrêt de la machine.
6. Tableau de synthèse des capteurs
Type
Principe
Plage (°C)
Avantages
Inconvénients
Thermocouple
Tension entre deux métaux différents
−200 à +1 000
Grande plage, robuste, rapide
Signal faible (mV), nécessite amplificateur
CTN
Résistance décroît quand T augmente
−50 à +150
Très sensible, peu coûteux
Relation non linéaire
Pt100
Résistance platine croît linéairement avec T
−200 à +850
Très précise, stable, linéaire
Plus coûteuse, fragile aux chocs
CTP
Résistance explose au-delà d’un seuil
Seuil fixé
Autoprotection automatique, simple
Pas de mesure fine de T
Infrarouge
Mesure le rayonnement IR émis par le corps
−50 à +1 000
Sans contact, rapide, à distance
Sensible à l’émissivité de la surface
Cristaux liquides
Changement de couleur selon T
0 à +50 (selon modèle)
Visuel, sans alimentation
Peu précis, plage très limitée
7. À retenir
6 points clés
La température mesure l’agitation thermique des particules de la matière.
Conversion : \(T(\text{K}) = \theta(\text{°C}) + 273\). Le zéro absolu est 0 K = −273 °C.
Une CTN voit sa résistance diminuer quand T augmente ; une CTP la voit augmenter brutalement au-delà d’un seuil.
La sonde Pt100 (platine) est la référence industrielle pour la précision : 100 Ω à 0 °C, relation quasi linéaire.
Le thermocouple couvre la plus grande plage (jusqu’à +1 000 °C) ; le thermomètre infrarouge mesure sans contact ; les cristaux liquides donnent une lecture visuelle directe.
En atelier : CTN ou Pt100 pour les étuves de séchage, CTP pour la protection des moteurs, thermocouple pour les paliers de machines, IR pour les surfaces en mouvement.
8. Activités numériques
Ces simulations interactives prolongent le cours. Elles permettent de manipuler les capteurs virtuellement et d’observer leur comportement sans matériel physique.
CTN vs Pt100 — Comparer les courbes R(T)
Faire varier la température de 0 à 150 °C et observer comment la CTN et la Pt100 réagissent différemment.
La simulation explique pourquoi on choisit l’un ou l’autre selon le contexte.
Ce que vous allez faire : lire R pour une température donnée, comparer les sensibilités, identifier la zone de forte variation CTN.
Simuler le fonctionnement d’un thermostat industriel : régler la consigne, observer la résistance CTN mesurée et comprendre pourquoi le chauffage s’allume ou s’éteint.
Ce que vous allez faire : comparer R mesurée et R_consigne, lire la table de correspondance R→T, comprendre la régulation tout-ou-rien.