Montage n 24 Notion de capteur ; applications à la commande électronique d'un appareil d'utilisation

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1 Montage n 24 Notion de capteur ; applications à la commande électronique d'un appareil d'utilisation Introduction Une des tâches essentielles du scientifique est la mesure des grandeurs physiques, qui lui permet de comprendre et d interpréter des phénomènes (mesure de ph, mesure de température, mesure de pression ). L ingénieur a lui aussi besoin de mesurer des grandeurs physiques pour réaliser par exemple des systèmes complexes de commande d appareils. Nous pouvons citer l asservissement en température d un four, la mise en route automatique des essuie-glace en cas de pluie ou des phares en cas d obscurité. Pour réaliser la mesure de ces grandeurs physiques, on utilise des capteurs qui transforment l information physique en grandeur électrique, ce qui permet son exploitation ultérieure dans un circuit électronique. Il existe 2 grandes familles de capteurs : Les capteurs actifs qui n ont pas besoin d une source extérieure pour fonctionner. La grandeur physique mesurée créé directement une fem ou un courant en sortie de capteur (ex : le thermocouple, la photopile, teslamètre) Les capteurs passifs qui eux, nécessitent une source extérieure pour fonctionner. La grandeur physique mesurée modifie l impédance du capteur. Un circuit de conditionnement est nécessaire pour transformer cette variation d impédance en tension ou courant (thermistance, photorésistance ) Il convient d utiliser un capteur approprié à la grandeur que l on désire mesurer (=mesurande) et à l exploitation des données que l on désire faire derrière. Pour cela, on caractérise un capteur par : précision : La précision d un capteur est caractérisée par l incertitude absolue obtenue sur la grandeur électrique obtenue en sortie du capteur. Elle s exprime en fraction de la grandeur physique mesurée. Cette précision doit être en adéquation avec la précision que l on souhaite de la mesure : il ne sert à rien d utiliser un capteur précis au millième, si une précision au dixième nous suffit (pbl de coût) sensibilité : Ce paramètre caractérise l aptitude du capteur à détecter la plus petite variation de la grandeur à mesurer. (S= sortie/ mesurande) linéarité : Un capteur est dit linéaire s il présente la même sensibilité sur toute l étendue de sa plage d emploi. étendue de mesure : cette caractéristique donne la plage de fonctionnement du capteur pour la grandeur à mesurer. Elle est souvent notée E.M. (on n utilisera pas une capteur capable de mesurer une pression de 0 à 1 N pour mesurer la valeur de la pression atmosphérique ) fidélité : Un capteur est dit fidèle si le signal qu il délivre ne varie pas pour une série de mesures concernant la même valeur de la grandeur d entrée. Son temps de réponse : en régulation, un temps de réponse très long du capteur peut être dommageable Etc Dans ce montage, nous allons étudier des capteurs de température, puis des capteurs de luminosité, et nous allons réaliser avec chacun de ces capteurs, une application de commande d un appareil d utilisation. I. Capteurs de température Dans un congélateur, un réfrigérateur ou un four, la température doit être régulièrement mesurée pour la contrôler et éventuellement la réguler. La mesure de la température se fait à l'aide d'un thermomètre. Ces capteurs sont sensibles à une variation de température. On peut mesurer une température avec un thermomètre à dilatation (mercure ou alcool) ou avec un thermomètre de Galilée, mais on ne récupère pas de grandeur électrique en sortie : ce ne sont pas des capteurs. Les différents capteurs de températures que nous allons utiliser dans ce montage sont : la

2 résistance de platine (100Ω à 0 C), la thermistance CTN (Coeff de Température Négatif) (la valeur annoncée par le constructeur correspond à la valeur de la résistance à 20 C ; 1 k Ω à 20 C) et le thermocouple. Les 2 premiers sont des c apteurs passifs, dont la résistance varie en fonction de la température. I.1 Caractéristique tension-courant I I.1.1 Tracé de la courbe Quaranta IV p.77 - Duffait capes p Quaranta IV p.466 Matériel : alimentation continue variable 0-30V ; résistance U de protection réglable. Rp Traçons, pour la CTN, la caractéristique I=f(U) à une A température donnée (on ne trace que 3 points : c est une droite!!!). On peut le faire dans un bain d eau glacée pour limiter l échauffement (dissipation thermique due à RI2). Conclusion : c est un droite Caractère résistif des capteurs. E thermistance I.1.2 Evolution de la caractéristique en fonction de la température Quaranta IV p.78 - Duffait capes p.143 Visualisation de la caractéristique à l oscillo (montage avec transfo d isolement, ou fonction test de l oscillo : Metrix 0X800) Augmenter la température en utilisant un sèche cheveux (ou en plongeant la CTN dans un bécher d eau chaude). Conclusion : la pente de la caractéristique (=1/R) augmente avec T : R diminue avec T. Pour la suite, nous allons pouvoir utiliser directement un ohmmètre pour mesurer cette résistance. I T=50 C T=20 C U V I.2 Courbe d étalonnage Duffait capès p Duffait agreg p.111 Bellier p.237 Quaranta III p Quaranta IV p.466 On vient de voir que R varie avec la température. Mais comment? Matériel : agitateur magnétique chauffant, thermocouple (=référence de température), (tube en verre dans lequel mettre la) CTN, mélange eau glace en équilibre, grand bécher, Ohmmètres numériques. Attention : à faire dès le début de la préparation, car très long (il faut attendre que la température se stabilise) : on parcourt la plage 0 C 100 C. Mettre les capteurs sur des supports. Il faut qu ils soient assez proches les uns des autres pour mesurer la même température. Travailler sous agitation. On mesure la résistance de CTN et Platine, et on mesure la température avec un thermocouple (très précis) On trace R CTN = f(t) et R plat =f(t) Conclusion : Rpt Pour la 140 résistance de platine, R augmente avec la température. En effet, la conductivité σ d un matériau (inverse de la résistivité) est proportionnelle au nombre n de porteurs et à leur mobilité µ. Lorsque l on augmente la température, la mobilité diminue Thermoco

3 Pour la CTN (semi-conducteur), quand la température augmente, la mobilité diminue également, mais cet effet est très largement compensé par l augmentation exponentielle du nombre de porteurs (création de paires électrons-trous), donc R diminue. On remarque que la CTN n est pas un capteur linéaire (la sensibilité, qui représente la tangente à la courbe, n est pas constante), contrairement à la résistance de platine. Par contre, la sensibilité de la CTN est meilleure pour des températures allant jusqu à 40 C (pente plus importante) Comparer le temps de réponse des 2 capteurs I.3 Applications I.3.1 Mesure de température Maintenant que l on a tracé cette courbe d étalonnage, on peut utiliser ces capteur pour mesurer une température. On mesure la température d un bain d eau tiède (celui qui a servi à faire les mesures en préparation) avec chacun des capteurs (CTN, platine, thermocouple, thermomètre à alcool) On peut comparer la précision de chacun des capteurs. I.3.2 Commande d un ventilateur Bellier p.237 (transistor) ou Duffait capes p.145 (AOP) mise en route de la climatisation ou d un ventilateur quand la température de la pièce atteint une température X (ou thermostat : mise en route de la chaudière ou d un radiateur quand la température de la pièce est en dessous de X degré dans ce cas, on fait le montage inverse) Comme il s agit de capteurs passif, il est nécessaire d utiliser un circuit de conditionnement qui II. est soit composé : Un transistor (dans le cas de R grand) (NPN 2N2222A) Un AOP ( R petit) Pont de Wheastone ( R très petit) On utilisera ici, un montage à transistor. R2 : boîte de résistance. On règle R2 à 300 Ω environ. R CTN =1000Ω à 20 C. d après la courbe d étalonnage, R CTN =550 Ω à 37 C A température ambiante, le moteur ne tourne pas. Si la température augmente (on met la CTN dans l eau tiède), le moteur tourne : le ventilateur est déclenché. Réglage de R2 : régler R2 pour que le moteur ne tourne pas à température ambiante (i B faible (<100µA) et i C faible ( 20mA)). Plonger la CTN dans l eau chaude. R CTN diminue, donc i B et i C augmentent. Le moteur doit tourner. R2 permet en fait de régler le seuil de température Explication du montage : on utilise le transistor en dipôle commandé (= en commutation). Si U BE < 0,6 V, alors i B =0. Le transistor est bloqué et se comporte comme un interrupteur ouvert entre C et E. L appareil commandé est alors au 2 repos. U BE = E. A température ambiante, R CTN est élevée, donc U BE < 0,6 V. 2 Quand on augmente la température, R CTN est + faible, donc U BE augmente. Le transistor devient passant. Rq : si on fait la même chose avec la résistance de platine, le résultat ne sera pas très bon car R diminue très peu avec la température. Il faudra alors utiliser un autre type de montage (à AOP). Capteurs de luminosité E=6V + Les capteurs de lumière sont des composants qui réalisent la conversion d'un signal lumineux en signal électrique. Les trois principaux photocapteurs son t: - la photo-résistance ou LDR (Light Dependant Component) (R dépend de l éclairement capteur passif) - la photodiode, le phototransistor - La photopile.(u dépend de l éclairement capteur actif) Les photocapteurs ont des applications très diverses: télécommandes de télévision, capteurs CDD dans les appareils photo numériques, luminophores sur les écrans de télévision, détecteur de baisse d'éclairement. Comme pour les capteurs de température, pour pouvoir utiliser un capteur de lumière, il est nécessaire de connaître les variations d'une grandeur physique, caractéristique du photocapteur, en fonction de l'éclairement. i B R CTN R 2 B A A V M C E u BE

4 II.1 Evolution de la caractéristique en fonction de la température Quaranta III p Quaranta IV p.343 II.1.1 Photorésistance Ces capteurs utilisent l effet photoélectrique du silicium, semi-conducteur, dont la bande interdite vaut 1,12 ev. L énergie hν du photon sert à faire passer les électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Ainsi, la résistivité du matériau diminue quand le flux lumineux augmente. 27 kω 1 kω 100Ω Obscurité lumière ambiante lumière directe II.1.2 Photopile L effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en Il est produit par absorption de photons dans un matériau semi-conducteur qui génère en réponse une tension électrique En éclairant une jonction, on provoque l apparition de paires électron-trou, donc de porteurs. Ce phénomène est particulièrement mis en évidence lorsque la jonction est polarisée en inverse. Le courant inverse, très faible dans l obscurité, augmente considérablement en présence de lumière. La photodiode fonctionne comme une source de courant proportionnelle au flux lumineux. Contrairement aux photorésistances, ce sont des dispositifs lents. Les photodiodes ont des temps de réponses de quelques dizaines de nanosecondes. La photopile est une photodiode qui fonctionne en générateur. Contrairement à la photodiode, c est un dipôle actif. Lorsqu on éclaire la jonction, on peut mesurer entre anode et cathode, une tension à vide de l ordre de la barrière de potentiel (0,6V). Cette fem ne dépend que de l intensité du rayonnement ; seule la puissance disponible est fonction de l éclairement de la photopile. Pour augmenter l intensité du courant, on utilise une grande surface. 0V 0,5 V 1,9 V Obscurité lumière ambiante lumière directe II.2 Temps de réponse d une photodiode et d une photorésistance Duffait capes p.292 On visualise le courant sur l oscillo. On voit que le courant reproduit la variation temporelle d éclairement. On voit aussi qu après chaque flash (supposé + suffisamment court), le photorécepteur reste conducteur pendant une durée très courte de quelques E microsecondes. Cela illustre la bonne réponse en R=1kΩ fréquence de la photodiode. On peut faire la même chose avec la photorésistance Y1 stroboscope

5 II.3 Application à l allumage automatique de lampes Bellier p.230 (AOP) Il est possible d utiliser ce type de capteur pour l allumage automatique des phares de véhicules ou l allumage automatique des lampes de rue. R2 = seuil de déclanchement. Vs=+V sat donc V + >V - donc R 2 >R 1. On choisit R 2 =150Ω car en pleine lumière, R 1 =50Ω et en pleine ombre, R 1 =300Ω (comme on l a établit en II.1.1) Conclusion Nous avons étudié dans ce montage, 2 types de capteurs : les capteurs de température et les capteurs de luminosité. Nous avons étudié des capteurs actifs et des capteurs passifs. Nous avons tracé les caractéristiques courant-tension et les courbes d étalonnage de capteurs. Nous avons mis en évidences certaines propriétés comme la linéarité, la sensibilité et le temps de réponse. Les capteurs constituent le premier élément de la chaîne d acquisition. Souvent, le signal de sortie de capteur n est pas suffisant. Il faut alors l amplifier. Ensuite arrive la chaîne de traitement de l information.

6 BIBLIO Bellier Duffait capes Duffait agreg Quaranta III et IV Questions Q1 : quels sont les types de capteurs passifs? R1 : résistifs, capacitifs ou inductifs Q2 : capteurs linéaires ou pas linéaire. Quelle différence? R2 : il est plus simple d utiliser un capteur linéaire lorsqu il s agit d exploiter la mesure derrière, de façon automatique. Donc, on n utilisera pas de thermistance CTN car elle n est pas linéaire. Cependant, elle a l avantage d être plus sensible. Q3 : principe du thermocouple? R3 : cf annexe. Il existe plusieurs types de thermocouples. On utilisera un type plutôt qu un autre en fonction de la précision de la mesure que l on souhaite et de la plage à mesurer. Q4 : quelle est la thermistance la + précise? R4 : la CTN Q5 : ventilateur : exploitation du montage R5 : à Tambiante, i B =0,56 ma et i C =133 ma. β= i B /i C =250 (transistor =amplificateur de courant). Quant T augmente, R CTN diminue, donc i B augmente, donc i C augmente. Le courant est donc suffisant pour démarrer le moteur. Application : ventilation : quand ça chauffe, on fait tourner le moteur. Si on veut faire un montage qui déclenche le moteur quand T<Tseuil, on inverse R 2 et R CTN sur le montage. Q6 : types de thermocouples R6 : ex : Fer-Constantin (58 µv/ K) ; Cuivre-Constantin (43 µv/ K) ; Platine-Platine Rhodium (6,4 µv/ K) penser à mettre des appareils de mesure sur les montage, pour voir ce qui se passe!!! Capteurs de température Résistances (r) métalliques ou thermistances. Thermocouples ou couples thermoélectriques (effet Thomson, effet Peltier et effet Seebeck). Dispositif formé de deux conducteurs de nature différente joints par soudure à chacune de leurs extrémités, de façon à former un circuit fermé. L'une des jonctions est maintenue à une température connue, tandis que l'autre est portée à la température que l'on veut connaître. ; le courant apparaissant ainsi est fonction de la différence de ces deux températures. Effet Thomson Si tous les points d'un conducteur homogène et parcouru par un courant ne sont pas à une température uniforme, ce conducteur est le siège d'échanges de chaleur avec l'extérieur.

7 (Cet effet, généralement très petit, s'ajoute à l'effet Joule). h A est le coefficient de Thomson, fonction de T. Effet Peltier Si l'on fait passer un courant électrique dans un conducteur formé par la jonction bout à bout de deux conducteurs de nature différente, il se produit à la jonction, selon le sens du courant, un dégagement ou une absorption de chaleur. Si l'on constitue un circuit fermé en joignant intimement par soudure, à chacune de leurs extrémités, deux conducteurs de nature différente, le passage de courant provoquera, par effet Peltier, le refroidissement d'une des soudures et l'échauffement de l'autre (l'effet Joule se superpose, indépendamment du sens du courant. C'est un effet généralement minime, mais il peut devenir important avec certains matériaux semi-conducteurs (différences de température suffisamment grandes pour permettre leur emploi dans certains appareils de réfrigération). Loi de Volta : dans un circuit isotherme constitué de conducteurs différents, la somme des f.é.m. de Peltier est nulle. Effet Seebeck thermopile (ou effet thermoélectrique) Si les deux jonctions d'un circuit fermé formé par la soudure des extrémités de deux conducteurs différents sont maintenues à des températures différentes, on constate l'existence d'un courant électrique dans le circuit. Loi Magnus : une différence de température entre deux points d'un conducteur fermé homogène ne donne naissance à aucun courant. - - Sonde de température résistance électrique du type CTN : la résistance décroît quand la température augmente. résistance électrique du type CTP : la résistance croît quand la température augmente.