Capteur de température. Chapitre 4

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1 Capteur de température Chapitre 4

2 Capteur de température Objectifs : Vous devez connaître les différentes technologies et les caractéristiques des capteurs de température étudiés dans ce chapitre. Compétences : Identifier les éléments externes des boucles de rétroaction et les caractériser. (49)

3 Capteur de température - Les échelles de températures - Thermomètre à résistance et thermistance - Thermocouple - Capteurs électroniques - Mesures optiques - Précautions

4 2. Les échelles de température Échelles employées : -Kelvin -Celsius -Rankin -Fahrenheit T ( Celsius) = T (kelvin) -273,15 Conversion en ligne :

5 2. Les échelles de températures T ( Celsius) = T (kelvin) -273,15 Kelvin (K) Celsius ( C) Rankin ( R) Fahrenheit ( F) Zéro absolu 0-273, ,67 Équilibre eau glace à Pa Ébullition de l'eau à Pa 273, , , ,67 212

6 3. Thermomètre à résistance et thermistance Le fonctionnement des thermomètres à résistance et des thermistances est basé sur un même phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la température.

7 3. Thermomètre à résistance Lorsque la température varie on a : R = R 0 (1 + a + b 2 + c 3 + ) plus connue pour nous comme : Relation linéaire R = R 0 (1 + a ) avec : la température en C ; R 0 la résistance à 0 C ; a, b et c des coefficients positifs, spécifiques au métal

8 3. Thermomètre à résistance Métal Résistivité à 0 C Point de fusion µ.cm C C Domaine d'emploi R100/R0 Cuivre à ,427 Nickel 6, à ,672 Platine 9, à ,392 Indium à +27 La sonde «Pt100» est une sonde platine qui a une résistance de 100 Ohms pour une température de 0 C

9 3. Thermomètre à résistance Résistance d une Pt100 à 100 C? Réponse : R=100.1,392=139.2

10 3. Thermistance Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée, de l'ordre de 150 bars et 1000 C

11 3. Thermistance La loi de variation est de la forme b R ae a et b sont deux paramètres de la thermistance. fonction e appelée exponentielle

12 3.Thermistance Comparaison avec un thermomètre résistant : La variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance. La thermistance n est pas linéaire.

13 3. Thermistance Désignation : Caractéristiques : Encombrement : Faible : petits cylindres (d = 1 à 12 mm, L = 5 à 50 mm), disques (diamètre 5 mm ; épaisseur 3 mm), bâtonnets (diamètre 3,2 mm de et longueur 11 mm), perles. Plage de température : Précision : Alimentation électrique : Gamme de résistance : Inconvénient : Leur domaine d'utilisation va de -80 à +700 C 1/10ème à un demi degré Peuvent être traversées indifféremment par un courant continu ou alternatif. De 5 k à 100 k environ La loi de variation de la résistance en fonction de la température n'est pas linéaire.

14 4. Thermocouple

15 4. Thermocouple Deux matériaux différents Conducteur A Conducteur B m a Soudure «froide» Ou Jonction de référence Soudure «chaude» Ou Jonction de mesure

16 4. Thermocouple Conducteur A Relier 2 matériaux différents crée une FEM Conducteur B m a

17 4. Thermocouple Conducteur A Soumettre un conducteur à des différences de température : création d une FEM Conducteur B m a

18 4. Thermocouple Valable aussi pour le conducteur B Conducteur A Conducteur B m a

19 4. Thermocouple Les 2 phénomènes entrent en jeu :

20 4. Thermocouple Lorsqu'une différence de température est présente aux bornes d un conducteur électrique le flux de chaleur créé un mouvement d'électrons, ce qui génère une force électromotrice (fém) dans cette zone.

21 4. Thermocouple A la jonction de deux conducteurs différents située à une température, on observe également l'apparition d'une différence de potentiel.

22 4. Thermocouple Jonction de référence Jonction de mesure

23 4. Thermocouple

24 4. Thermocouple Les deux FEM sont égales

25 4. Thermocouple PR 6642 AJ02 Fe-CuNi Type J C ,63-5,04-5,43-5,8-6,16-6,5-6,82-7,12-7,4-7,66-7, ,5-1 -1,48-1,96-2,43-2,89-3,34-3,79-4,22-4,63 C ,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5, ,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10, ,78 11,33 11,89 12, ,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33 PR 6452 AT/02 Cu-CuNi Type T C ,38-3,66-3,92-4,18-4,42-4,65-4,87-5,07-5,26-5,44-5, ,38-0,76-1,12-1,48-1,82-2,15-2,48-2,79-3,09-3,38 C ,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4, ,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9, ,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84 =100 C E=5,27 mv

26 4. Thermocouple PR 6642 AJ02 Fe-CuNi Type J C ,63-5,04-5,43-5,8-6,16-6,5-6,82-7,12-7,4-7,66-7, ,5-1 -1,48-1,96-2,43-2,89-3,34-3,79-4,22-4,63 C ,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5, ,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10, ,78 11,33 11,89 12, ,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33 PR 6452 AT/02 Cu-CuNi Type T C ,38-3,66-3,92-4,18-4,42-4,65-4,87-5,07-5,26-5,44-5, ,38-0,76-1,12-1,48-1,82-2,15-2,48-2,79-3,09-3,38 C ,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4, ,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9, ,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84 =110 C E=5,82 mv

27 4. Thermocouple PR 6642 AJ02 Fe-CuNi Type J C ,63-5,04-5,43-5,8-6,16-6,5-6,82-7,12-7,4-7,66-7, ,5-1 -1,48-1,96-2,43-2,89-3,34-3,79-4,22-4,63 C ,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5, ,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10, ,78 11,33 11,89 12, ,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33 PR 6452 AT/02 Cu-CuNi Type T C ,38-3,66-3,92-4,18-4,42-4,65-4,87-5,07-5,26-5,44-5, ,38-0,76-1,12-1,48-1,82-2,15-2,48-2,79-3,09-3,38 C ,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4, ,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9, ,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84 =103 C???

28 4. Thermocouple x-5,27 5,82-5,27 = ,82 x 5,27 10x-52,7=1,65 x=(1,65+52,7)/10 x=5,435 mv =103 C E # 5,44 mv

29 4. Thermocouple : Élaboration Les matériaux thermoélectriques, la gaine et l isolant, la soudure chaude, le câble d extension et le type de raccord ou de connecteur qui permettent de relier le thermocouple à l appareil de mesure

30 4. Thermocouple : Élaboration Les matériaux thermo-électriques : Métaux non rares et/ou non précieux (-200 C" 1200 C) Type K Chromel-alumel Type J Type E Type N fer-constantan Chromel-constantan Nicrosil-nisil Thermocouples platine-rhodium (0 C" 1600 C) Type S Type R Type B : platine rhodié 10% Rh-platine : platine rhodié 13% Rh-platine : platine rhodié 30% Rh-platine rhodié 6% Rh Thermocouples tungtène-rhénium (0 C" 2200 C) Version C Tungtène-rhénié 5% Re-tungtène-rhénié 25% Re Version D Tungtène-rhénié3% Re-tungtène-rhénié 25% Re

31 4. Thermocouple : Élaboration La gaine et l isolant :

32 4. Thermocouple : Élaboration - La soudure chaude ou jonction de mesure : - La soudure froide ou jonction de référence : Les appareils sont équipés d une compensation de soudure froide électronique. La température de référence est donnée par une sonde platine, une thermistance ou une diode.

33 4. Thermocouple : Élaboration - Les raccords : câbles d extension et connecteurs : -Le thermocouple est raccordé à l appareil de mesure à l aide d un câble d extension ou de compensation. Les matériaux du câble d extension sont en général les mêmes que ceux du thermocouple; ils n introduisent donc pas d erreur dans la mesure.

34 5. Capteurs électroniques Diodes, Diodes zener

35 5. Capteurs électroniques Il est possible d utiliser des composants électroniques comme capteurs de températures. Ce ne sont pas principalement les caractéristiques fondamentales de ces composants qui nous intéressent, mais plutôt certaines de leurs particularités.

36 5. Capteurs électroniques : Diodes Les caractéristiques du courant absorbé par la diode en directe varie selon la température. C est cette particularité qui est utilisé dans le montage ci-dessous. U D I D E 1 I R 1 - S 1 U E1 + U S1

37 5. Capteurs électroniques : Zener

38 6. Mesures par fibres optiques Voir documentation technique

39 7. Précautions a) Pour les thermistances et les résistances La recherche d'une bonne sensibilité de mesure conduit à faire traverser la résistance thermométrique par un courant relativement important. chaleur C'est pourquoi les courants de mesure sont généralement de l'ordre du ma et rarement supérieurs à 10 ma

40 7. Précautions b) Pour les thermomètres a résistance Pour une grande longueur, les résistances des fils de connections de la sonde au système de mesure ne sont plus négligeables. Il faut donc tenir compte de cette erreur en employant des dispositifs de câblages particuliers.

41 7. Précautions b) Pour les thermomètres a résistance 2fils, PT100 Système de mesure 3 fils, PT100 Système de mesure 4 fils. PT100 Système de mesure Il n a pas de compensation de la résistance des fils. Utilisation pour de faible longueur Le système de mesure possède une compensation interne. Utilisation pour de moyenne longueur Le système de mesure possède une compensation interne encore plus précise. Utilisation pour de grande longueur

42 7. Précautions b) Pour les thermocouples : Le thermocouple est un générateur de tension. La sortie d un thermocouple sera donc reliée à un transmetteur ou à un système de mesure ayant une impédance d entrée suffisamment grande. ( ex: AOP en montage adaptateur d impédance.)

43 7. Transmetteur Signal d entrée programmable : Pt100; TC; Signal de sortie : Courant 4/20 ma linéarisé En boîtier polyamide montage sur rail DIN Un transmetteur PT V est employé dans le système Habilis