Sonde NTC 10K Étanche

La sonde NTC 10K étanche mesure la température là où un capteur nu ne peut pas aller : dans l’eau, dans un liquide, dans une chambre humide ou sur une paroi froide. Une thermistance de 10 kΩ à 25 °C, scellée dans un tube d’acier inoxydable de 5 × 25 mm rempli de résine, sur un câble souple terminé par un connecteur XH2.54 à deux broches.

C’est la sonde que l’on retrouve sur les imprimantes 3D, les thermostats, les fermenteurs, les frigos et les chambres de culture : elle est passive, ne coûte qu’une entrée analogique, et se lit avec une simple résistance fixe. Contrairement à une sonde numérique, elle n’a ni adresse ni protocole — deux fils, une tension, une conversion.

Une thermistance, pas un thermomètre

NTC signifie negative temperature coefficient : la résistance diminue quand la température augmente. C’est l’inverse d’un métal, et c’est ce qui rend la lecture indirecte — on ne mesure pas des degrés, on mesure une résistance, et la résistance change de façon fortement non linéaire.

Sur une sonde 10K B3950, la résistance vaut environ 32,6 kΩ dans l’eau glacée (0 °C), 10 kΩ à 25 °C, 3,6 kΩ à 50 °C et seulement 700 Ω vers 100 °C. La variation est donc très forte dans le froid et s’aplatit dans le chaud : convertir la tension en degrés « au prorata » donnerait des erreurs de plusieurs dizaines de degrés. Deux méthodes le font correctement, l’une comme l’autre tenant sur une ligne :

• L’équation de la constante B, suffisante pour un usage courant : 1/T = 1/T0 + (ln(R/R25)) / B, avec T en kelvins, T0 = 298,15 K et B = 3950 K.
• L’équation de Steinhart-Hart, plus précise sur une grande plage de températures, mais qui demande trois coefficients mesurés pour la sonde — inutile ici, la tolérance de la sonde étant le facteur limitant.

Autre propriété qui simplifie le montage : la sonde n’est pas polarisée. Les deux fils s’échangent sans conséquence, aucune erreur de câblage n’est possible de ce côté.

Caractéristiques techniques

La tolérance de 1 % sur R25 paraît large ; elle correspond en réalité à environ 0,2 °C à 25 °C, parce que la résistance varie d’un peu plus de 4 % par degré autour de l’ambiante. C’est une bien meilleure précision qu’un LM35 nu, et comparable à ce qu’un thermocouple donne sans compensation.

Le pont diviseur : lire une résistance avec une entrée analogique

Un microcontrôleur lit une tension, pas une résistance. Il faut donc transformer la sonde en tension : c’est le rôle d’un pont diviseur, formé de la sonde et d’une résistance fixe de 10 kΩ. Une entrée analogique se branche entre les deux.

La sonde est ainsi du côté de l’alimentation : quand elle chauffe, sa résistance baisse, la tension au point milieu baisse aussi, et la mesure brute du convertisseur décroît avec la température. La résistance se retrouve alors par R = 10 000 × (1023 / mesure − 1).

Pourquoi 10 kΩ plutôt qu’autre chose ? Parce que c’est la valeur de la sonde au milieu de la plage utile : la sensibilité est maximale quand les deux résistances du pont sont du même ordre, et l’erreur due à la tolérance de la résistance fixe y est minimale. Une résistance de 10 kΩ à 5 % déplace déjà la mesure de quelques dixièmes de degré : prenez-la à 1 %, comme celle de la boutique. La formule, elle, ne dépend que du rapport des deux résistances, à condition que le pont soit alimenté par la même tension que la référence de l’entrée analogique — c’est le cas sur une carte Arduino, en 5 V comme en 3,3 V.

Mini-projet : thermomètre à sonde NTC sur Arduino

Le programme ci-dessous lit la sonde huit fois par seconde, moyenne les huit mesures pour lisser le bruit du convertisseur, applique l’équation de la constante B et affiche la résistance et la température sur le moniteur série. Il allume aussi la LED de la carte au-delà de 40 °C : de quoi vérifier d’un coup d’œil que le seuil fonctionne, avant de commander quoi que ce soit de plus sérieux.

Ce qu’il faut

Aucune alimentation supplémentaire n’est nécessaire : la sonde consomme moins d’un milliampère, la carte se suffit à elle-même par l’USB.

Le câblage

1. Plantez la résistance de 10 kΩ entre deux lignes libres de la plaque d’essai, à cheval sur la gouttière centrale.
2. Une patte de la résistance rejoint une ligne de masse de la plaque, reliée au GND de la carte.
3. L’autre patte de la résistance rejoint une ligne libre : c’est le point milieu.
4. Un fil relie ce point milieu à l’entrée A0 de la carte.
5. Un fil relie la ligne d’alimentation de la plaque au 5V de la carte.
6. Plantez deux picots mâles dans la plaque : l’un sur la ligne d’alimentation, l’autre sur le point milieu, et brochez le connecteur de la sonde dessus — un fil de chaque côté, l’ordre n’a pas d’importance.

Le connecteur XH2.54 se broche sur une rangée de picots mâles de 2,54 mm ou sur l’embase XH d’un circuit imprimé ; il ne se plante pas directement dans les trous d’une plaque d’essai, et il n’est pas étanche non plus.

Le programme

À téléverser dans la carte, puis ouvrir le moniteur série à 9 600 bauds :

/*
 * Thermometre a sonde NTC 10K B3950 etanche, sur pont diviseur
 * Carte : Arduino Uno
 * Cablage : sonde entre 5V et A0 -- resistance de 10 kohms entre A0 et GND
 * Ouvrir le moniteur serie a 9600 bauds.
 *
 * Composants, brochage et fiche complete : www.marocproduits.com
 */
const byte  PIN_SONDE  = A0;       // point milieu du pont diviseur
const byte  PIN_ALERTE = 13;       // LED de la carte
const float R_SERIE    = 10000.0;  // resistance fixe du pont, en ohms
const float R25        = 10000.0;  // resistance de la sonde a 25 degres C
const float BETA       = 3950.0;   // constante B de la sonde (B25/50)
const float T0         = 298.15;   // 25 degres C, en kelvins
const float SEUIL      = 40.0;     // alerte au-dessus de 40 degres C
// Resistance de la sonde, en ohms, a partir de la mesure brute du convertisseur
// La tension monte avec la resistance de la sonde : R = Rserie x (1023 / mesure - 1)
float resistanceSonde(int mesure) {
  return R_SERIE * ((1023.0 / (float)mesure) - 1.0);
}
// Temperature en degres Celsius, par l equation de la constante B
float temperatureCelsius(float r) {
  float kelvin = 1.0 / ((1.0 / T0) + (log(r / R25) / BETA));
  return kelvin - 273.15;
}
void setup() {
  pinMode(PIN_ALERTE, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Sonde NTC 10K prete.");
}
void loop() {
  long somme = 0;
  byte echantillons = 0;
  // Huit mesures enchainees : la moyenne divise le bruit du convertisseur
  for (byte i = 0; i != 8; i += 1) {
    int mesure = analogRead(PIN_SONDE);
    if (mesure == 0) {                  // entree tiree a la masse : sonde debranchee
      Serial.println("Sonde debranchee : verifier le cablage.");
      delay(1000);
      return;
    }
    somme += mesure;
    echantillons += 1;
    delay(20);
  }
  float r = resistanceSonde((int)(somme / echantillons));
  float t = temperatureCelsius(r);
  Serial.print("R = ");
  Serial.print(r, 0);
  Serial.print(" ohms   T = ");
  Serial.print(t, 1);
  Serial.println(" C");
  digitalWrite(PIN_ALERTE, t >= SEUIL ? HIGH : LOW);
  delay(1000);
}

Comment ça marche

• resistanceSonde fait l’inverse de ce que fait le pont : elle repart de la mesure brute pour retrouver la résistance de la sonde. La mesure 1023 correspondrait à une résistance nulle, la mesure 0 à une sonde débranchée — d’où le test au début de la boucle.
• temperatureCelsius applique l’équation de la constante B. Le logarithme népérien est celui de la bibliothèque mathématique, appelée automatiquement par le compilateur Arduino : rien à inclure.
• La moyenne de huit mesures coûte 160 millisecondes et gagne l’équivalent d’un bit et demi de résolution : les dernières pesées du convertisseur sautent d’une unité, ce qui se traduit par un dixième de degré affiché qui danse. La moyenne l’immobilise.
• La LED de la carte passe au vert-de-l’alerte au-delà du seuil, sans hystérésis : c’est un témoin, pas une commande. Pour piloter un relais de chauffage, reprenez la logique de seuil à deux valeurs plutôt qu’une comparaison unique, sans quoi le contact claquera autour du seuil.

Mise en service

1. Ouvrez le moniteur série : la température affichée doit être celle de la pièce, à un degré près par rapport à un thermomètre de référence.
2. Pincez le tube entre deux doigts : la résistance affichée doit baisser et la température monter en quelques secondes. Si c’est l’inverse, la formule du pont ne correspond pas à votre câblage — vérifiez que la sonde est bien du côté alimentation.
3. Plongez le tube dans un verre d’eau froide, puis dans de l’eau tiède : l’écart entre les deux mesures est le vrai contrôle de calibrage, plus parlant que la valeur absolue.
4. Débranchez la sonde : le programme doit annoncer la sonde débranchée au lieu d’afficher une valeur aberrante. C’est ce message qui vous évitera de lire une température fausse sur un montage en service.

Variante : quand la NTC n’est pas le bon choix

La sortie de cette sonde est une résistance : sur un câble très long ou dans un environnement électriquement bruyant, la tension lue se dégrade et la mesure devient instable. Trois alternatives selon le besoin.

• Mesurer sur un long câble, ou depuis plusieurs points : une sonde DS18B20 en acier inoxydable convertit la température dans la sonde et transmet un nombre, insensible à la longueur du fil. Elle est aussi étanche, et se met en réseau sur un seul fil de données.
• Mesurer une température de l’air, avec la même simplicité : le capteur LM35 délivre 10 mV par degré, en tension linéaire, et se lit sans formule — mais son boîtier nu n’aime ni l’eau ni l’humidité.
• Mesurer aussi l’humidité de l’air : un capteur DHT22 donne les deux grandeurs dans le même boîtier, avec une précision comparable et une sortie numérique.

La NTC garde l’avantage de la robustesse et du prix : c’est ce qu’on met dans une machine, dans un liquide ou contre une paroi chaude, là où une carte électronique n’irait pas.

Applications courantes

• Imprimante 3D — lecture de la température du lit chauffant ou de la buse, en remplacement d’une sonde usée.
• Thermostat — régulation d’un chauffe-eau, d’un bain, d’un incubateur, d’un fermenteur, en commandant un module relais 5 V depuis la carte.
• Chaîne du froid — enregistrement de la température d’un frigo, d’un congélateur ou d’une glacière, avec une alarme au seuil.
• Protection de batterie — surveillance de la température d’un pack lithium lors de la charge.
• Chambre de culture, serre, ruche — mesure dans un milieu humide, là où un capteur nu s’oxyderait.
• Métrologie de bricoleur — étalonnage d’une autre sonde, suivi de la dérive d’un four, comparaison de deux montages.

Points d’attention

• Ne plongez que le tube. Le tube inoxydable et sa jonction au câble sont scellés ; le connecteur XH et le reste du câble ne le sont pas. Un connecteur resté dans l’eau finit par faire passer du courant entre ses broches et fausse la mesure.
• Le câble tiendra moins chaud que la sonde. Le thermistor est donné pour 125 °C, mais l’isolant du câble en souffre bien avant : pour des immersions répétées au-delà d’une centaine de degrés, prévoyez une sonde à isolant silicone. Dans l’eau bouillante, c’est l’isolant, pas le tube, qui lâche en premier.
• Attention à l’auto-échauffement. La mesure injecte un courant dans la sonde, qui chauffe donc légèrement. Avec une résistance de 10 kΩ sous 5 V, la puissance dissipée reste sous le milliwatt, soit environ 0,1 °C d’erreur — c’est acceptable. Descendez sous 4,7 kΩ pour gagner en sensibilité et vous augmentez cette erreur : le compromis se fait dans ce sens.
• Ne convertissez jamais linéairement. La courbe de la sonde est fortement incurvée : une régression linéaire sur deux points donne plusieurs degrés d’écart aux extrémités de la plage. L’équation de la constante B est là pour ça.
• La constante B ne se devine pas : une sonde de 10 kΩ en 3435 K, très répandue elle aussi, se lirait avec plusieurs degrés d’erreur en appliquant 3950. Celle-ci est bien en B3950, et le fabricant le rappelle dans sa référence.
• Un contact médiocre se voit en degrés. Un picot mal planté, une patte de résistance oxydée, et la mesure saute de plusieurs degrés sans prévenir. Si l’affichage devient instable, resserrez le câblage avant de suspecter le programme.

Questions fréquentes

Le sens des deux fils a-t-il une importance ?

Non. Une thermistance est un composant résistif, sans polarité : le connecteur peut être branché dans un sens comme dans l’autre. C’est une bonne nouvelle pour un câble dont les conducteurs ne sont pas repérés par des couleurs distinctes.

Puis-je l’utiliser sur une carte en 3,3 V ?

Oui, la sonde est passive. Il suffit d’alimenter le pont avec la même tension que la référence de l’entrée analogique : la formule ne dépend que du rapport des deux résistances. Sur une carte dont le convertisseur n’accepte pas plus d’un volt en entrée, en revanche, le pont doit être alimenté en conséquence — vérifiez la plage de l’entrée analogique avant de brancher.

Pourquoi ma mesure est-elle fausse de plusieurs degrés ?

Dans l’ordre : une résistance fixe de tolérance trop large (une 10 kΩ à 5 % déplace déjà la lecture), une valeur de B différente de celle du programme, un pont alimenté par une tension qui n’est pas la référence de l’entrée analogique, un auto-échauffement si la résistance du pont est trop faible, ou une sonde qui n’est pas en contact avec le milieu à mesurer. La sonde elle-même est rarement en cause : sa tolérance ne pèse qu’environ 0,2 °C.

Comment obtenir une mesure plus stable ?

Moyennez plusieurs lectures — c’est ce que fait le programme de cette page — et éloignez le câble des fils de puissance. Sur un montage à relais, la commutation injecte des perturbations dans l’entrée analogique : mesurez plutôt au repos du relais, ou ajoutez quelques millisecondes d’attente après la commutation.

Puis-je étendre le câble ?

Sur un mètre ou deux, oui, avec une soudure propre et une gaine thermo-rétractable sur chaque conducteur. Au-delà, la tension aux bornes de l’entrée analogique se dégrade et la mesure devient instable : c’est le moment de passer à la sonde numérique citée plus haut, dont le signal voyage sous forme de nombre.

À combiner avec

Avec le pont diviseur, deux accessoires changent l’usage. Un afficheur LCD 16 × 2 en I2C transforme le montage en thermomètre autonome : deux fils d’alimentation, deux fils de données, et la température s’affiche sans ordinateur — la bibliothèque LiquidCrystal_I2C fait le reste. Pour la partie commande, le module relais cité plus haut dans les applications se combine au même programme : un seuil haut démarre le chauffage, un seuil bas l’arrête, et l’écart entre les deux protège le contact. Enfin, la résistance de 10 kΩ du pont ne demande qu’à servir une seconde fois ailleurs : elle est aussi la résistance de base des LED, des filtres et des sorties à transistor.