Capteurs de température

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Noëlle Gamache
il y a 7 ans
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1 Chapitre 3 Capteurs de température I] Introduction : La température est une variable d état 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,...) La mesure de température est indispensable dans certaines domaines tel que : génie chimique industrie agro-alimentaire analyse de fonctionnement : moteurs, navettes spatiales gestion de bains de peinture... 1 ) Classification des capteurs de température : 1.1) Capteurs et détecteurs de température de contact : L échange de chaleur se fait entre l'objet et le capteur jusqu'a l'équilibre a- Capteurs et détecteurs analogique : Délivre un signal analogique Exemples : Couples thermoélectriques (Thermocouples) Thermomètre à résistance métallique Thermomètre à semi-conducteur Thermomètre à quartz Thermomètre à dilatation fluide b- Capteurs et détecteurs logique : Délivre un signal logique Exemple : Thermomètre à dilatation solide 1.2 ) Pyromètres optiques (sans contact) : Il est bases sur la relation entre la temperature d'un corps et son rayonnement optique (infrarouge ou visible) a- Capteurs et détecteurs analogique : Délivre un signal analogique Exemples : Pyromètre optique Pyromètre optique à dilatation solide b- Capteurs et détecteurs logique : Délivre un signal logique Exemple : Thermomètre à dilatation solide Département génie électrique : Troudi Fathi Page 1/12

2 2 ) Les échelles de la température : a- Echelle Celsius : c est une échelle relative, les températures références sont : Fusion de glace : 0 C Ebullition de l eau distillée à 100 C b- Echelle Kelvin : c est une échelle absolue, les températures références sont : Zéros thermodynamique : 0 K Point triple de l eau (0,01 C) : 273,16 K, T( C)=T( K)-273,15 c- Echelle Fahrenheit : c est une échelle relative, les températures références sont : Température T minimum de la solution aqueuse NaCl : 0 F Température du corps humain est 99 F, T( F)=(9/5) * T( C) +32 d- Echelle Rankine : c est une échelle absolue de Fahrenheit, les températures références sont : Zéros thermodynamique : 0 R Point triple de l eau (0,01 C) : 459,7 F, T( F) = T( R)-459,7 Tableau récapitulatif : Kélvin ( K) Celsius ( C) Rankin ( R) Fahrenheit ( F) Zéros absolu 0 273, ,7 Equilibre eau glace à Pa Ebullition de l eau à Pa 273, , , , ) Mesure de la température : a- Equilibre thermique : La mesure de la température implique l équilibre thermique entre l objet et le capteur, la température mesurée n est pas celle de l objet mais celle du capteur b- Transmission de l énergie : les phénomènes qui entrent en jeu l hors du contact capteurobjet sont : La conduction La conviction Le rayonnement Département génie électrique : Troudi Fathi Page 2/12

3 II] Les résistances métalliques : 1 ) Principe : La résistivité d'un métal ou d'un alliage dépend de la température. = 0(1+α(T-T0)) : Résistivité de l alliage à la température T 0 : Résistivité de l alliage à la température T0 a- 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 connaitre A, B, C R(T) : résistance à la température T; Remarque : Le plus connue est R(T)=R(0).(1+A.T) Exemple : Métal Résistivité à 0 C Point de fusion Domaine d emploi µ.cm C C R100/R0 Cuivre 7 108,3-190 à ,427 Nickel 6, à+180 1,672 Platine 9, à ,392 Indium à +27 La sonde «Pt100» : sonde platine de résistance 100 pour une température 0 C La résistance R de Pt100 (Platine) à 100 C : R= 1,392*100 =139,2 Département génie électrique : Troudi Fathi Page 3/12

III] Les thermistances : Une thermistance est un agglomérat d oxydes métalliques fritté, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée, de l ordre de 150 bars et 1000 C.

4 III] Les thermistances : Une thermistance est un agglomérat d oxydes métalliques fritté, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée, de l ordre de 150 bars et 1000 C. La loi de variation à la forme : R a. e a et b : deux paramètres du thermisttance 1 ) Caractéristiques : faible encombrement deux types de thermistances : à coefficient «b» de température positif (PTC) à coefficient «b» de température négatif (NTC) b Avantages : temps de réponse rapide, moins chers Inconvénients : loi non linéaire, diversité des caractéristiques dans les séries, sensible a l auto échauffement et a la variation des résistances de connexion Département génie électrique : Troudi Fathi Page 4/12

5 2 ) Comparaison entre résistance métallique et thermistance : La variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance La variation de la résistivité de la thermistance n est pas linéaire 3 ) Tableau récapitulatif des caractéristiques des thermistances : Désignation Encombrement Caractéristiques Petit cylindre : d 1 à 12 mm, L 5 à 50 mm Disque : diamètre 5 mm, épaisseur 3 mm Bâtonnet : diamètre 3,2 mm, longueur 11 mm Pertes Plage de température De -80 C à +700 C Précision 1/10 à 1 degré C Alimentation électrique Gamme de résistance Inconvénient Peuvent être traversé indifféremment par un courant continu ou alternatif De 5 K à 100 K loi de variation de la résistance en fonction de la température n est pas linéaire Département génie électrique : Troudi Fathi Page 5/12

6 III] Les thermocouples : 1 ) Principe : Effet Seebeck (capteurs actifs) Circuit ferme, constitue de deux conducteurs A et B de nature différente dont les jonctions sont a des températures T1 et T2 différentes d où le thermocouple est le siège d'une force électromotrice dite de Seebeck VAB. Jonction de mesure (chaude) Voltmètre Jonction de référence (froide) Source (chaude) Deux conducteurs différents A et B VAB dépend de la nature des deux conducteurs et des températures T1 et T2 Les pouvoirs thermoélectriques des métaux et alliages (relation V = f(t)) sont définis dans des tables par rapport a un métal de référence (Pb ou Pt) et par rapport a 0 C T2 V3=V1+V2 T3 T3 Si deux jonctions à la température T1 et T2 produisent une tension V2, et les températures T2 et T3 produisent une tension V1 alors avec T1 et T3 on a une tension V3=V1+V2 Département génie électrique : Troudi Fathi Page 6/12

7 Remarque : Généralement la température de référence est la température ambiante : Mais, en général la température ambiante est variable Compensation de soudure froide : L'addition du terme compensation de soudure froide. V0 Tambiant C s'appelle la V V V Tc Tc T 0 C Tambiant 0 C ambiant 2 ) Câbles de compensation : Les câbles de compensations utilisées 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' et B' sont les câbles de compensation tels que : Les jonctions A/A' et B/B' sont a la même température T2 Les couples A'/B' et A/B ont la même force électromotrice entre Tref et T2 La force électromotrice dépend des matériaux A et B, de T1 et Tref 3 ) Exemple de détermination de la température de la jonction de mesure : Département génie électrique : Troudi Fathi Page 7/12

8 =100 C =110 C E=5,27 mv E=5,82 mv Déterminer la FEM collectée si la Température est = 103 C Département génie électrique : Troudi Fathi Page 8/12

9 U (mv) 5,82 x 5,27 ( C) x 5, ,82 5, x 52,7 1,65 x 5,435 mv 4 ) Méthode de mesure par un thermocouple : a- Méthode de mesure par le type (T) : La jonction 2 ne génère pas de tension La jonction 3 sera la jonction de référence Vmesurée =V1-V3 Département génie électrique : Troudi Fathi Page 9/12

10 b- Méthode 1 de mesure par le type (J) : Les 3 jonctions génèrent la tension Vmesurée = V1+V3-V2 Rien ne garantie que les jonctions 2 et 3 soient à la même température c- Méthode 2 de mesure par le type (J) : Le bloc isothermique maintient les jonctions 2 et 3 à la même température On applique alors Loi des métaux intermédiaire : Vmesuré= V1-VREF et VREF= V2-V3 Loi des métaux intermédiaire : Département génie électrique : Troudi Fathi Page 10/12

thermoélectriques : Le câble d extension et le type de raccord thermocouple à l appareil de

11 5 ) Les constituants des thermocouples : Le thermocouple est constitué de 3 éléments : Les matériaux thermoélectriques La gaine et l isolant La soudure chaude Les matériaux thermoélectriques : Le câble d extension et le type de raccord thermocouple à l appareil de mesure. ou le connecteur qui permettent de relier le Département génie électrique : Troudi Fathi Page 11/12

12 IV] Les 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. 1 ) Principe : La tension aux bornes du semi-conducteur (formant une diode ou un transistor) et le courant qui le traverse dépendent de la température. Cette particularité est utilisée dans le montage suivant : 2 ) Capteur électronique type LM35 : a- Caractéristiques techniques du LM35 : Voir DataSheet LM35 Département génie électrique : Troudi Fathi Page 12/12

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