1.4 Capteurs de température

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1 1.4 Capteurs de température 1 Introduction Des capteurs sont des éléments (systèmes) qui transforment une quantité physique (force, température etc.) en général en signaux électriques. La température est une grandeur dont l'influence est importante et dont les effets doivent être corrigés. Dans les domaines comme la régulation ou les 'process control' pour éviter ces inconvénients on tient la température constante. Dans cet exercice nous présentons quelques méthodes de mesure connues. Généralités concernant les capteurs de température Le choix du capteur est influencé par différents facteurs : la matière(gaz, liquide, surface etc.) la gamme de température la précision le signal électrique désiré Ainsi le type de capteur est souvent déterminé par les circonstances. Par exemple dans un four pour la cuite de la céramique dont la température monte jusqu'à 1400 ºC un capteur basé sur des semi-conducteurs ne sera pas utilisable, mais plutôt on utilisera un thermocouple. 2 Théorie Thermocouples Si on met en contact entre eux deux matériaux différents on observe une tension de contact (dû aux différents niveaux de Fermi). Cette tension n'est pas mesurable avec un seul couple de matériaux en contact entre eux. On peut observer cette tension en mettant en série deux couples, placer à des températures différentes. La tension totale entre les couples est proportionnelle à la différence de température. Application d'un thermocouple HTI Bienne / 1 / 5 jkt1 ; snd1 / / V 2.0f

2 On détermine la température T 2 à partir de la différence de tension mesurée et de la température de référence T 1. Souvent on utilise pour la référence un mélange de l'eau et de la glace, qui correspond avec une bonne précision à 0 C. Les avantages de cette méthode sont : les capteurs sont de petite taille avec certaines matériaux on peut atteindre des températures élevées (~1500 C) robustes bon-marchés Les désavantages : c'est nécessaire d'avoir une température de référence les tensions observées sont petites ( µv / C) à chaque branchement (contact) dans le circuit de mesure se manifestent également des tensions parasitaires (en particulier dans le voltmètre!) Résistance de platine Pt 100 Souvent on trouve des capteurs sous forme de résistance de platine. On utilise le fait que le coefficient de température soit connu avec une grande précision. α = K -1 La résistance du Pt 100 est donc 100 Ω à 0 C et Ω à 100 C. Avantages : très répandu il y a des configurations applicables dons tous les domaines une résistance d'env. 100 Ω ne pose pas de problèmes pour être mesurer avec une bonne précision. Désavantages: le courant de mesure peut chauffer la résistance en platine la résistance montre une dépendance linéaire de la température qu'en première approximation HTI Bienne / 2 / 5 jkt1 ; snd1 / / V 2.0f

3 Capteurs à la base de semi-conducteurs Pour les capteurs basés sur des éléments semi-conducteurs on utilise les effets suivants : A. la tension directe d'une diode B. le courant inverse d'une jonction p-n Pour ce qui concerne la tension directe voir dernier page. La chute de tension aux bornes de la diode varie en fonction de la température En pratique on utilise un transistor avec boîtier métallique (par ex. BC 107). Le boîtier métallique garanti une bonne conduction de la chaleur de l'environnement au cristal. Pour la mesure on relie le collecteur à la base, de telle façon que c'est seulement la diode base-émetteur qui joue un rôle. Ce principe est largement utilisé pour mesurer la température du cristal dans les circuits intégrés. Pratiquement on trouve une jonction p-n à chaque entrée ou sortie de l'ic. L'utilisation de cette méthode de mesure est meilleure que celle qui prévoit la mesure de la température du boîtier. La relation suivante montre que IR est dépendant aussi de la température : I R proportionnel avec (T 4 e -EB/kT ) 1/m T : température absolue en K k : constante de Boltzmann ( J / K) EG : Bandgap Énergie (Si 1.12 ev) pour la jonction p-n des transistors m pour la jonction p-n des diodes m HTI Bienne / 3 / 5 jkt1 ; snd1 / / V 2.0f

4 3 Tâches 1. Mesurez la caractéristique d'un thermocouple entre 0 C et 100 C. (Observez aussi l'effet si vous chauffez par votre main un des connecteurs (par exemple à l'entre du voltmètre)!) 2. Même chose pour une résistance Pt 100. Ajustez le courant de mesure à 1 ma en augmentant ou diminuant la tension d'alimentation. 3. Déterminez en fonction de la température la dépendance de la tension de passage d'une diode entre 0 C et 100 C. 4. Quelle sera l'erreur due à l'échauffement du transistor par le courant de mesure? Utilisez la résistance thermique du transistor (R TH jonction-case 0.2 K / mw). 5. Calculez pour chaque caractéristique les coefficients de la droite de régression. 4 Matériaux (recommandé) cubes de glace thermoplongeur et verre pyrex cruche isolant, chauffe eau capteurs Pt 100, semi-conducteur et thermocouple alimentation multimètres hp 34401A HTI Bienne / 4 / 5 jkt1 ; snd1 / / V 2.0f

5 Dépendance de tension aux bornes de la diode en fonction de la temp. ambiance L'équation Shockley décrit la relation entre le courant passant dans une diode I F et la tension aux bornes de cette diode U F. Équation (I): I F = I R (e UF/mUTh - 1) avec I F : le courant passant dans la diode U F : la tension aux bornes de la diode I R : le courant inverse de la diode m: un paramètre avec une valeur entre 1.0 et 2.0 U Th = kt/e ~ 25.2 mv (T = 295 K) e: C, Elektronenladung K: J / K, Bolzmann Konstante Le courant inverse de la diode peut être calculée avec une bonne approximation par l'équation suivante. Équation (II): I R = K(T 4 e -EB/kT ) 1/m avec K: un coefficient de proportion inconnu E B : Bandgap énergie (E B Si = 1.12 ev) De l'équation (I) Équation (III): U F = m U Th ln(i F / I R + 1) L'équation (III) est dérivée par rapport à T en maintenant le courant de passage dans la diode I F constant. Le résultat de cette dérivation est introduit dans l'équation (II) en menant au résultat suivant. du T /dt - 2 mv / K La graphique suivante montre une excellente corrélation entre la tension aux bornes de la diode U F et la température ambiante T. Tension passant d'une diode en fonction de la température ambiante. HTI Bienne / 5 / 5 jkt1 ; snd1 / / V 2.0f