Mesure de la température dans l’industrie, contrôler pour garantir la qualité

Dans les secteurs de la métallurgie, l’automobile, l’agro-alimentaire, la chimie, la défense ou encore l’aérospatial, de nombreux procédés industriels intègrent les mesures de températures. Jacques-Olivier Favreau, chargé d’études STH et de formation au CETIAT, nous explique l’intérêt de la thermométrie pour garantir la qualité de production industrielle en rappelant les données essentielles.

La thermométrie, un précieux outil de contrôle

Dans l’industrie, les domaines de mesure de températures et les spécificités en termes de modalité de mise en œuvre ou contraintes d’environnement sont très variés. Trois bénéfices majeurs sont cependant à relever :

●       La thermométrie permet tout d’abord de garantir la qualité de stockage des produits. « Il est important de maîtriser les conditions d’environnement et de ce fait, de pouvoir maîtriser la température, souligne Jacques-Olivier Favreau. Dans le domaine médical, par exemple, des sérums portés à une température inférieure à zéro degré Celsius peuvent être détruits car les cellules du produit éclatent ». 

●       Le suivi thermométrique permet d’assurer la qualité de production. « Il peut être nécessaire de maintenir une température constante pour la mise en forme de certains produits comme les matières thermoplastiques, le caoutchouc, le verre... Autre exemple : en cosmétique ou dans l’agro-alimentaire, le mélange de pâtes peut créer un échauffement et il est alors nécessaire de ramener la température à un niveau stable. A l’inverse, la pâte peut figer si la température est trop froide, précise Jacques-Olivier Favreau. Lors de la mise en forme des bouteilles en plastique, la température du moule est primordiale sur la qualité finale du produit, si la température est trop élevée, le produit est abîmé. Si elle est trop basse, la mise en forme ne s’effectue pas correctement. La fabrication de puces électroniques exige également une température stable et homogène pour garantir la qualité du dépôt et donc les performances du circuit intégré ». La mesure de température permet ainsi d’ajuster et d’optimiser le procédé industriel.

●       Enfin, la mesure de température est un moyen efficace pour détecter des défauts, principalement électriques ou mécaniques. « Dans l’industrie électrique, on peut repérer les points chauds à distance, avec une caméra infrarouge. EDF s’en sert par exemple pour contrôler ses lignes à haute tension ».

Des outils variés pour des applications spécifiques

On peut distinguer deux grandes familles d’outils de mesure de la température : les capteurs de contact et les capteurs sans contact. Dans le premier cas, on place le thermomètre au contact du milieu dont la température est mesurée. Pour cela, on utilise les sondes à résistance de platine, aussi appelées RTD (Resistance Temperature Detector), ou les thermistances CTN (Coefficient de Température Négatif). L’autre catégorie de capteurs de contact sont les couples thermoélectriques (ou thermocouples). L’élément sensible, généralement protégé par une gaine, est immergé dans le milieu étudié. Il fournit une grandeur électrique qui sera proportionnelle à la température. « On utilise souvent les capteurs de contact dans une conduite où l’on va mesurer la température en doigt de gant », indique Jacques-Olivier Favreau.

La seconde catégorie de capteurs est sans contact, il s’agit le plus souvent des pyromètres ou caméras infrarouge. Cette thermométrie repose sur la mesure du rayonnement thermique émis par une surface d'un corps. L’absence de contact direct est un avantage, cependant, il est important de ne pas avoir d’obstacle entre le thermomètre et la surface. « On peut l’utiliser pour mesurer la température d’une plaque vitrocéramique et évaluer la qualité de la chauffe d'une poêle, par exemple, mais attention de ne pas mesurer la température de la résistance de chauffe ».

Enfin, on peut citer les indicateurs de seuils : ce sont des substances qui changent de couleur en fonction de la température. Ils permettent principalement de révéler une surchauffe et se trouvent notamment dans les frigidaires ou dans des colis, lorsqu’il est nécessaire de veiller à la conservation de médicaments ou d'aliments. 

Des technologies complémentaires

Ces types de thermomètres sont complémentaires et chacun présente ses avantages et inconvénients. « La thermométrie de contact est la plus utilisée dans l’industrie actuellement, explique le chargé d’études et de formation du CETIAT. Elle permet une meilleure qualité de mesure, en revanche, elle modifie légèrement la température du milieu. L’impact dépend de la taille du thermomètre – plus il est gros, plus son impact sera important – mais aussi des caractéristiques de l’environnement étudié. Généralement, le milieu est capable de compenser le flux de chaleur induit par le capteur. Il faut être attentif aux courants d’air qui peuvent perturber la partie non immergée du thermomètre, mais aussi à l'instrumentation. Je pense notamment aux mesures sur les ailes d’avion, ou la gestion des fils est à prendre en compte. En tous les cas, une mesure de température correcte en thermométrie de contact demandera du temps : compter une dizaine de minutes au minimum pour stabiliser les flux thermiques ».

Si les capteurs de contact offrent les mesures absolues les plus précises (ayant les meilleures incertitudes), ils ne peuvent pas être utilisés dans tous les environnements. Les milieux en mouvement (chaînes de production avec des tapis roulants, par exemple) ou les pièces en fusion nécessitent le recours à la thermométrie sans contact. « De plus en plus performants et de moins en moins chers, ces capteurs se développent actuellement. Ils sont pertinents pour mesurer un delta de températures sur une surface. En revanche, en mesures absolues, ils présentent des biais de mesures pas faciles à identifier. Il faut tenir compte des aspects de géométrie optique. Ce qui est transparent pour notre regard ne l’est pas forcément pour un capteur infrarouge. Par exemple, si vous pointez une caméra infrarouge sur une surface métallique, elle peut jouer le rôle de miroir. On mesure alors sa propre température et non celle de la surface étudiée ». L’émissivité de la surface – sa capacité à absorber ou pas le rayonnement thermique – est essentielle à prendre en compte dans la thermométrie sans contact.« Je conseille, si cela s’avère possible, de faire deux mesures une en thermométrie de contact et une sans contact. Cela permet de d'identifier un biais de mesure », résume Jacques-Olivier Favreau.

Vers la thermométrie connectée

Les sondes de température ne cessent d’évoluer pour répondre à de nouveaux besoins, tout en assurant une maîtrise des coûts pour les industriels. Le développement des mesures par fibre optique, quartz, thermistance, élargit le périmètre des solutions possibles. Des thermomètres acoustiques ou à bruit thermique, utilisés actuellement dans des applications de recherche, sont aussi appelés à se déployer dans les années à venir.

Cependant, la grande révolution est liée au développement de l’IoT (Industrial Internet of Things) dans la dynamique de l’industrie 4.0. « Avec ces systèmes IoT, le capteur réalise une mesure électrique et l’envoie sur le serveur du fabricant. Au niveau de ce serveur, cette donnée brute électrique est convertie en grandeur thermique. C’est cette donnée finale qui est adressée au client sur son smartphone ou autre. Les interfaces sont très intuitives, faciles d’utilisation. Ces systèmes IoT sont peu chers et permettent de donner de nombreuses informations. De plus en plus, on aura accès facilement à la mesure de température qui est une grandeur présente dans tous les domaines industriels, sans négliger la qualité intrinsèque de la mesure », conclut Jacques-Olivier Favreau.

                                                                                           Tableau 1.                    Différentes méthodes de mesure