CHAPITRE 3. Les capteurs de température

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1 CHAPITRE 3 Les capteurs de température

2 PLAN INTRODUCTION CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT PYROMETRES OPTIQUES CONCLUSION

3 INTRODUCTION (1) La température : - Ce n'est pas une variable d'état - C'est une variable intensive - à l'échelle moléculaire : elle est liée à l'énergie cinétique moyenne des constituants de la matière - à l'échelle macroscopique : certaines propriétés des corps dépendent de la température (volume massique, résistivité électrique,...)

4 Mesures de température : INTRODUCTION (2) - génie chimique - industrie agro-alimentaire - analyse de fonctionnement : moteurs, navettes spatiales - gestion de bains de peinture -... Classification des capteurs de température : 1. Capteurs de température de contact : échanges de chaleur entre l'objet et le capteur jusqu'à l'équilibre 2. Pyromètres optiques (sans contact) : basés sur la relation entre la température d'un corps et son rayonnement optique (infra-rouge ou visible)

5 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (1) a. Équilibre thermique : La température mesurée est la température T c du capteur qui dépend des échanges d'énergie entre le capteur et le milieu étudié. quantité de chaleur reçue par le capteur / unité de temps : dq dt = CdT c dt C : capacité calorifique du capteur quantité de chaleur transférée par le milieu au capteur / unité de temps : dq dt =G T 1 T c G : conductance thermique entre le capteur et le milieu de température T 1

6 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (2) En négligeant les échanges thermiques entre le capteur et le milieu extérieur (ex : les câbles de connexion) on a : CdT c dt =G T 1 T c La solution de l'équation différentielle : T c t =T 1 T 0 e t T 0 =T 1 T 0 T 0 : température initiale du capteur T c T c T 1 T 1 T (T 1 -T o ) 0.63(T 2 -T o ) To τ t To τ Dans le cas ou il existe des échanges thermiques avec le milieu extérieur T c tend vers (T 2 - T 1 ) t

7 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (3) b. Les bilames : - constitués de deux lames d'alliages tels que : - leur coefficient de dilatation sont très différents - ils sont soudés à plat sur toute leur surface - T dilatation des deux lames flexion de l'ensemble - fonctionne comme interrupteur - exemples : - radiateurs électriques à thermostat mécanique - réfrigérateurs - systèmes de sécurité de moteurs électriques

8 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (4) c. Les thermo-résistances : Principe : La résistance d'un matériau varie en fonction de sa température mesure de la température par mesure de résistance Les lois de variation de résistances sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un agglomérat d'oxyde métallique Classification : 1. Les résistances métalliques 2. Les thermistances Sensibilité thermique : = 1 R dr dt

9 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (5) 1. Les résistances métalliques : Principe : La résistivité d'un métal ou d'un alliage dépend de la température : = 0 1 T T 0 Relation résistance-température : Dans une étendue de mesure dépendant de chaque métal R T = R 0 1 AT BT 2 CT 3 R(0) : résistance à 0 C; 3 autres points de calibrage permettent de connaître A, B, C Exemple : La sonde Pt100 : sonde platine de résistance 100 Ω à 100 C

10 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (6) Platine Précis, stable, durable E.M : -200 C, 650 C Coûteux Jusqu à 1400 C en fonction de l enveloppe Tungstène Sensibilité thermique plus élevée que pour le platine Moins stable que le platine Meilleur linéarité en haute température E.M : -100 C, 1400 C Nickel Sensibilité thermique la plus élevée Résistivité élevé Faiblement Linéaire Peu stable E.M : -60 C, 180 Cuivre Linéaire Faible résistivité => encombrant Peu stable E.M : -190 C, 150 Avantages Très précis Simple à mettre en œuvre Peu être approximé par une loie linéaire Inconvénients Sensible à l auto-échauffement et à la variation des résistances de connexion

11 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (7) 2. Les thermistances : Caractéristiques : - résistances à base d'oxydes métalliques - faible encombrement - deux types de thermistances : - à coefficient de température positif (PTC) - à coefficient de température négatif (NTC) Relation résistance-température des NTC : R = R 0 e B T R(0) : résistance à 0 C

12 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (8) Variation Résistance /Température Résistance R m 0 40 X 80 Température C NTC PTC RTD Avantages : temps de réponse rapide, moins chers Inconvénients : loi non linéaire, diversité des caractéristiques dans les séries, sensible à l autoéchauffement et à la variation des résistances de connexion

13 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (9) d. Les thermocouples : Principe : effet Seebeck (capteurs actifs) Circuit fermé, constitué de deux conducteurs A et B de nature différente dont les jonctions sont à des températures T 1 et T 2 différentes Le thermocouple est le siège d'une force électromotrice dite de Seebeck V AB A T 1 B V AB dépend de la nature des deux conducteurs et des températures T 1 V AB et T 2 T 2

14 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (10) Les pouvoirs thermoélectriques des métaux et alliages (relation V = f(t)) sont définis dans des tables par rapport à un métal de référence (Pb ou Pt) et par rapport à 0 C A T 1 B C T 1 A A T 1 V 1 V 2 + = V 3 V 3 = V 2 + V 1 T 2 T 2 T 2 La relation force électromotrice/température de n'importe quel couple peut être déterminée

15 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (11) - Généralement la température de référence est la température ambiante Si deux jonctions à la température T 1 et T 2 produisent une tension V 2, et les températures T 2 et T 3 produisent une tension V 1 alors avec T 1 et T 3 on a une tension V 3 =V 1 +V 2 - Mais, en général la température ambiante est variable Compensation de soudure froide L'addition du terme Tc V 0 C Tc =V Tambiant Tambiant Tambiant V V 0 C 0 C s'appelle la compensation de soudure froide.

16 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (12) Cables de compensation : utilisés quand : - les métaux du thermocouple sont chers - la distance entre le milieu dont on doit mesurer la température et la jonction de référence est grande A T 1 T 2 B A' B' T ref Cu mesure A' et B' sont les câbles de compensation

17 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (13) A' et B' sont tels que : - les jonction A/A' et B/B' sont à la même température T 2 - les couples A'/B' et A/B ont la même force électromotrice entre T ref et T 2 La force électromotrice dépend des matériaux A et B, de T 1 et T ref

18 LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (14) e. Les capteurs de température à semi-conducteur : Principe La tension aux bornes du semi-conducteur (formant une diode ou un transistor) et le courant qui le traverse dépendent de la température I V I V I = Io exp qv / 2 kt À courant constant I, la mesure de V est linéaire en fonction de la température V=aT+b Avantages - simplicité - peu coûteux - non linéarité faible a dépend de l'élément sensible b = 2k q ln K ln I K b 2 mv / C Défauts - étendue de mesure limitée constante de température