Les capteurs de température 1) Généralités Les capteurs de température sont utilisés dans de nombreuses industries. - chimie - alimentation - analyse et optimisation de fonctionnement (mooteur..;) - gestion des bains de peinture, traitement des métaux... -... Les capteurs de température sont classés en deux catégories principales - les capteurs a contact : échange de chaleur entre le milieu et le capteur jusqu'à établissement de l'équilibre thermique - Pyromètres optiques (sans contact) : basés sur la relation entre la température d'un corps et son rayonnement optique (infra-rouge ou visible) 2) Capteurs de température a contact 21) Equilibre thermique La température mesurée est la température Tc 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 = C!"#$%&'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.(&%($/01 dtc dt C : capacité calorifique du capteur quantité de chaleur transférée par le milieu au capteur / unité de temps : dq = G(T 1 T c )! G : conductance thermique entre le capteur et le milieu de dt température T1 "5$5@A8<A465B$84;$@CD65A4;$BD4EF<GH4;$45BE4$84$C6IB4HE$4 84$F<8<4H$4JB@E<4HE$/4J$K$84;$CLM84;$N4$CO554J<O51$O5$6$K$ # $!& "#!" ## $ $ En négligeant les autres échanges thermiques on a : C dtc " % = G(T 1 T c ) dt La solution de l'équation différentielle :!6$;O8HB<O5$N4$8P@GH6B<O5$N<QQ@E45B<4884$K$$ Tc(t) = T 1 (T 1 T 0 )e t τ T0 : température initiale du capteur %# #"!#!" ## # # & # $ "%$!#!" #%# #" ' $$$$$( =$ K$B4FI@E6BHE4$<5<B<684$NH$C6IB4HE ( C ( C ( R ( R ( 0 =ST?/( R >( O 1 =ST?/( 0 >( O 1 (O! (O B! B +65;$84$C6;$OH$<8$4J<;B4$N4;$@CD65A4;$BD4EF<GH Capteurs de température! 6U4C$84$F<8<4H$4JB@E<4HE$( C $B45N$U4E;$/( Page 1/7 0 $>$( R 1 234567884$(-)!,9."($:$6;<$:$0==0>0==?
22) Bilame exemples : - radiateurs électriques à thermostat mécanique - réfrigérateurs - systèmes de sécurité de moteurs électriques 23) Thermo-résistances Principe : La résistance d'un matériau varie en fonction de sa température mesure de la température par mesure de résistance Les lois de variation de résistances sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un agglomérat d'oxyde métallique Sensibilité thermique :α = 1 dr R dt 231) Résistances métalliques Principe : La résistivité d'un métal ou d'un alliage dépend de la température ρ = ρ (1+ α(t T 0 ) Dans une étendue de mesure dépendant de chaque métal R = R 0 (1+ AT + BT 2 + CT 3 ) R(0) : résistance à 0 C; Capteurs de température! Page 2/7
3 autres points de calibrage permettent de connaître A, B, C Exemple : La sonde Pt100 : sonde platine de résistance 100 Ω à 0 C Matière Caractéristiques Plage Platine Tungstène Nickel Cuivre Précis, stable, durable Couteux Sensibilité thermique plus élevée que pour le platine Moins stable que le platine Meilleur linéarité en haute température Sensibilité thermique la plus élevée Résistivité élevé Faiblement Linéaire Peu stable Linéaire Faible résistivité => encombrant Peu stable E.M : -200 C, 650 C Jusqu'à 1400 C en fonction de l ʼenveloppe E.M : -100 C, 1400 C E.M : -60 C, 180 E.M : -190 C, 150 Avantages Très précis Simple à mettre en œuvre Peu être approché par une loi linéaire Inconvénients Sensible à l ʼauto-échauffement et à la variation des résistances de connexion CARACTERISTIQUES SONDE PT100 232) Thermistances Caractéristiques : - résistances à base d'oxydes métalliques - faible encombrement deux types de thermistances : - à coefficient de température positif (PTC) - à coefficient de température négatif (NTC) Relation résistance-température des NTC : R = R 0 e B T!"#$%&'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.( U6H<6B<J5$*I;<;B65L4$V(4EFIH6BOH4 > X> Y 0> (4EFIH6BOH4$W%!"# $"# %"& R0 : résistance à 0 C Avantages : temps de réponse rapide, moins chers Inconvénients : loi non linéaire, diversité des caractéristiques dans les séries, sensible à l' auto échauffement et à la variation des résistances de connexion *I;<;B65L4 * E &A65B6C4;$D$B4EF;$G4$HIFJ5;4$H6F<G4K$EJ<5;$L 95LJ5AI5<45B;$D$8J<$5J5$8<5I6<H4K$G<A4H;<BI$G4;$ L6H6LBIH<;B<NO4;$G65;$84;$;IH<4;K$;45;<P84$Q$8$R6 ILM6OSS4E45B$4B$Q$86$A6H<6B<J5$G4;$HI;<;B65L4; LJ554T<J5 Capteurs de température! Page 3/7
'E<5H<J4$K$4LL4C$#44M4HN$/H6JC4IE;$6 %<EHI<C$L4EFOP$HG5;C<CIO$A4$A4IQ$HG5 56CIE4$A<LLOE45C4$AG5C$84;$SG5HC<G5;$ C4FJOE6CIE4;$( U $4C$( = $A<LLOE45C4;$! 23) 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 T1 et T2 différentes Le thermocouple est le siège d'une force électromotrice dite de Seebeck VAB VAB dépend de la nature des deux conducteurs et des températures T1 et T2 84$;<VW4$AXI54$LGEH4$O84HCEGFGCE<H4$ & ( U R Y &R$ AOJ45A$A4$ HG5AIHC4IE;$4C Y &R 4C$( =!"#$%&'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.(&%($/012 ( = 234567884$(-)!,9."($:$6;<$:$=>>=?=>> Les pouvoirs thermoélectriques des métaux et alliages (relation V = f(t)) sont définis dans des tables par rapport à un métal de référence (Pb ou Pt) et par rapport à 0 C Par conséquent la relation force électromotrice/température de n'importe quel couple peut être déterminée!5<$abcdb=e<$fg5ehbi95jfe=kc5<$l5<$hif7cm$5f$799=7n5<$ /E597F=B6$O$P$Q/(22$<B6F$LIQ=6=<$L76<$L5<$F7R95<$A7E$E7AABEF$ S$C6$HIF79$L5$EIQIE56J5$/'R$BC$'F2$5F$A7E$E7AABEF$S$1T% - Généralement la température de référence est la température ambiante - 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 % $ ' % % & " & # ( ) & * O @$ P$O >$ U$O 0 Mais, en général la température ambiante est variable Tc TC Ambiant V!$!7$E597F=B6$QBEJ5$I95JFEBHBFE=J5VF5HAIE7FCE5$L5$ 0 C = V Ambiant + V 0 C L'addition du termev Ambiant 0 C s'appelle la compensation de soudure froide. 6W=HABEF5$KC59$JBCA95$A5CF$XFE5$LIF5EH=6I5 Cables de compensation : utilisés quand : - les métaux du thermocouple sont chers - la distance entre le milieu 345678995$(-)!,:."($;$7<=$;$>11>?>11@ dont on doit mesurer la température et la jonction de référence est grande Capteurs de température! Page 4/7
?$95<$EJG7IL$BI$GM5NEDCDIF95$<D6G$CM5N<?$97$B=<G76C5$56GN5$95$E=9=5I$BD6G$D6$BD=G$E5<IN5N$97$ G5EFJN7GIN5$5G$97$OD6CG=D6$B5$NJPJN56C5$5<G$QN76B5 % $ %) $)! &'( %I E5<IN5 A' et B' sont les câbles de compensation A' et B' sont tels que : - les jonction A/A' et B/B' sont à la même température T2 - les couples A'/B' et A/B ont la même force électromotrice entre Tref et T2 345678995$(-)!,:."($;$7<=$;$1>>1?1>>@ La force électromotrice dépend des matériaux A et B, de T1 et Tref R$5G$SR$<D6G$95<$CTA95<$B5$CDEF56<7G=D6$ &'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.(&%($/012 DE5FG<$H5$E5IDJG7EFG5$K$<5I=@CL6HFCE5FG$M EXEMPLES THERMOCOUPLES 24) Semi-conducteurs =D5!7$E56<=L6$7FN$OLG65<$HF$<5I=@CL6HFCE5FG$/PLGI76E$F65$H=LH5$ LF$F6$EG76<=<ELG2$5E$95$CLFG76E$QF=$95$EG7R5G<5$HJD56H56E$H5$97$ Principe La tension aux bornes du semi-conducteur (formant une diode ou un transistor) et le courant E5IDJG7EFG5 qui le traverse dépendent de la température : S : S!!!""!"## #$ $%& % G76E$CL6<E76E$:U$97$I5<FG5$H5$S$5<E$9=6J7=G5$56$PL6CE=L6$H5$97$E5IDJG7EFG5 V=aT+b a dépend de l'élément sensible (a -2.5mV/ C) SV7(WO 6E7Y5< $<=ID9=C=EJ $D5F$CLZE5FN À courant constant I, la mesure de V est linéaire en fonction de la température Avantages# - simplicité - peu coûteux non linéarité faible Défauts - étendue de mesure limitée (-50 C-150 ) 7$HJD56H$H5$9XJ9JI56E$<56<=O95 '&'$%& ($ $) * 3) Capteur de température sans contact 31) Introduction La pyrométrie optique est une méthode de mesure de la température basée sur la relation entre la température d'un corps et +JP7FE< le rayonnement optique (infrarouge ou visible) que ce corps émet. Détermination de la température @$JE56HF5$H5$I5<FG5$9=I=EJ5$/@[?\%@0[?\2 sans contact avec l'objet Applications : - mesure de température élevée (>2000 C); - mesures à de grande distance - environnement très agressif - Localisation des 345678995$(-)!,:."($;$7<=$;$>??>@>??A points chauds - Pièce en mouvement 6L6$9=6J7G=EJ$P7=O95 Capteurs de température! Page 5/7
32) Principe physique Tout corps émet spontanément et en permanence un rayonnement électromagnétique dont le spectre continu à une répartition énergétique fonction de la température Les lois de cette émission sont établies pour le corps idéal, le corps noir. Le corps noir : il est caractérisé par une absorption totale de tout rayonnement incident 2πhC 2 E λ,n (λ,t ) = hc λ 5 λkt (e 1) h : Constante de Planck = 6.6256 10-34 W.s2 C : vitesse de la lumière = 2.998 108 m.s-1 k : constante de Boltzmann = 1.38054 10-23 W.s.K-1 Le corps réel : son rayonnement thermique se rapproche plus ou moins de celui du corps noir suivant son pouvoir absorbant L'émittance spectrale E(T) d'un corps réel : E λ (T ) = e(λ,t )E λn (T ) e(λ,t) : émissivité du corps réel à la longueur d'onde λ et à la température T. Elle est égale à son coefficient d'absorption (loi de Kirchhoff). Elle est inférieure à 1 et dépend de la nature du corps réel et de son état de surface. L'incertitude sur sa valeur est l'une des principales sources d'erreurs potentielles en pyrométrie optique Dans son trajet entre la cible et le détecteur, le rayonnement subit une atténuation liée à la nature et à l'épaisseur des milieux traversés Exemples : - atténuation atmosphérique due à la vapeur d'eau, au CO2 et à l'o3 - dispositifs optiques liés au pyromètre optique Capteurs de température! Page 6/7
4)Conclusion!"#!$%&'"#( 0:;+ )-<<+(=+(>+<;?@->A@+(+,(B! 8977 7 F777 6777 977 7 0C+@<DEDA;/+ G?454>-,E+(<?>-//5HA+ 0C+@<54>-,E+ 0@-,454>D@ M:@D<N>@+(D;>5HA+( M:@D<N>@+(O(=5/->->5D,(=+(4D/5=+ M:@D<N>@+(O(=5/->->5D,(=+(/5HA5=+ 0C+@<D<N>@+(O(=5/->->5D,(=+(P-Q 86I7 86J7 8F77 8L7 8J7 89L 8F77 6I77 FK77 KL7 FL7 977 9777 L77 I77 J77 0C+@<D<N>@+(O(=5/->->5D,(=+(/5HA5=+ 8LL J77 )*+,-.//+(0"%$1'#20(3(-45(3(677686779 Capteurs de température! Page 7/7