Capteurs de température PDF

Capteurs de température 21 Capteurs de température La température est une grandeur non-directement, mesurable, mais repérable par la variation d’une grandeur associée (résistance, dilatation) Source de chaleur Capteur Grandeu...

Capteurs de température 21 Capteurs de température La température est une grandeur non-directement, mesurable, mais repérable par la variation d’une grandeur associée (résistance, dilatation) Source de chaleur Capteur Grandeur de électrique Source de froid Température NTC RTD THERMOCOUPLE 30 2 Capteurs de température Echelles de température Echelle Kelvin (°K): point triple de l’eau (273,16°K) 31 2 Capteurs de température Echelles de température Echelle Celsius (°C): T(°C) = T(°K) - 273,16 Echelle Rankin (°R) T(°R) = T(°K) * 1,8 Echelle Fahrenheit (°F): T(°F) = (9/5) T(°C) +32 32 2 Capteurs de température Thermistances métalliques RTD Resistance Temperature Detector 33  2 Capteurs de température Principe: basé sur la variation de la résistance électrique d’un conducteur avec la température. une fois chauffée, Résistance la résistance du métal augmente et inversement une fois refroidie, elle diminue métalliques RTD 34  2 Capteurs de température La résistance est reliée à la température T par: Résistances 𝑅 𝑇 = 𝑅0 ∗ 𝐹(𝑇 − 𝑇0 ) métalliques 𝑅0 La résistance à la température 𝑇0 RTD Pour les métaux: 𝑅 𝑇 = 𝑅0 (1 + 𝐴𝑇 + 𝐵𝑇 2 + 𝐶𝑇 3 ) Avec: 𝑇0 = 0°𝐶 Résistivité à 0 Point de Domaine Métal °C fusion d'emploi R100/R0 µ.cm °C °C Cuivre 7 1083 -190 à +150 1,427 Nickel 6,38 1453 -60 à +180 1,672 Platine 9,81 1769 -250 à +1100 1,392 Indium 9 153 -269 à +27 35  2 Capteurs de température Cas résistance de Platine Pt (-200°C à 600°C) 𝐴 = 3,9083. 10−3 /°𝐶 Résistances 𝐵 = −5,80195. 10−7 /°𝐶 2 𝐶 = −4,2735. 10−12 /°𝐶 3 (𝐶 = 0 𝑠𝑖 𝑇 > 0) métalliques Pour la (𝑃𝑡100 ) 𝑅0 =100 Ω à 𝑇0 = 0°𝐶 RTD Calculer R(T) pour T=500°C et 100°C 𝑅 100 = 138,49 Ω 𝑅 500 = 280,8 Ω Cas résistance de Nickel Ni (-60°C à 70°C) 𝑅 𝑇 = 𝑅0 (1 + 𝐴𝑇 + 𝐵𝑇 2 ) 𝐴 = 5,4916. 10−3 /°𝐶 𝐵 = 6,6666. 10−6 /°𝐶 2 Pour la (𝑁𝑖100 ) 𝑅0 =100 Ω à 𝑇0 = 0°𝐶 36 2 Capteurs de température On remarque que la résistance de platine possède une variation relativement linéaire en fonction de la température. 37  2 Capteurs de température Méthodes de mesure la valeur d’une résistance métallique est très faible. Lorsqu’elle est placé Résistances dans un circuit, les valeurs des résistances des fils de connections sont métalliques très proche de sa valeur ce qui influe vraiment sur la mesure. Pour mesurer la température il suffit de mesurer la valeur de la résistance. RTD La méthode la plus simple est d’alimenter la résistance par un courant connu I puis mesurer la tension à ses bornes. Cependant, la circulation du courant peut engendrer un auto échauffement de la résistance ce qui perturbe également la mesure. Pour cela il existe des RDT à 2 fils, 3 fils et 4 fils dont la méthode de mesure dépend de la précision recherchée. 38  2 Capteurs de température Résistance métallique à 2 fils Résistances métalliques RTD On remarque que la résistance des fils influe sur la valeur de la résistance totale mesurée par l’ohmmètre. Si la résistance RTD est placée dans un milieu de température 0°C, sa valeur donc est 100 ohm. Le ohmmètre mesure une résistance de 102 ohm. Selon la table d’étalonnage, la valeur 102 ohm correspond à une température d’environ 5°C. 𝑅 𝑇 = 𝑅100 1 + 𝛼 𝑇 − 𝑇0 Avec 𝛼 = 0,00385, 𝑇0 = 0°𝐶, 𝑅 𝑇 = 102 Ω, 𝑅100 = 100Ω On obtient donc 𝑻 = 𝟓, 𝟏𝟗°𝑪, on remarque que la résistance des fils de liaison a introduit une erreur de mesure de 5,19°C. 39  2 Capteurs de température Résistance métallique à 4 fils Méthode de mesure Kelvin Résistances métalliques RTD La méthode Kelvin est une ancienne méthode de mesure, elle surmonte le problème de l’influence des résistances des fils de liaison. elle se base sur deux circuits; un circuit d’excitation et un circuit de mesure. Dans le circuit d’excitation on utilise une source de courant. Le courant i généré doit être précis et contrôlé pour éviter l’auto-échauffement de la résistance. Comme l’impédance d’entrée du voltmètre est très grande, tout le courant généré traverse la RTD. Donc, aucun courant ne traverse les fils liés au voltmètre. Dans ce cas le voltmètre mesure seulement la tension aux bornes de la RTD. Comme le courant i est connu, avec la loi d’ohm on calcul exactement la valeur de la RTD puis à partir de la table d’étalonnage on peut déterminer la valeur correspondante de la température. 40  2 Capteurs de température Résistance métallique à 3 fils Résistances métalliques A B RTD C Dans cette méthode le voltmètre A mesure la tension entre le point A et le point C. le voltmètre B mesure la tension entre le point A et le point B. aucun courant ne traverse la ligne supérieure qui relie le point A au voltmètre B à cause de l’impédance infinie du voltmètre. 𝑉𝑅𝑇𝐷 = 𝑉𝑣𝑜𝑙𝑚è𝑡𝑟𝑒 𝐴 − 𝑉𝑣𝑜𝑙𝑡𝑚è𝑡𝑟𝑒 𝐵 Comme le courant généré par la source de courant est connu, avec la loi d’ohm, on peut calculer la valeur de la RTD. Pour avoir une mesure précise de la RTD, il faut que les fils de liaison soient identiques. La petites différence dans ces fils introduit une erreur dans la mesure. Par contre, pour la RTD à 4 fils ,les résistances des fils n’ont aucune influences sur la mesure même s’ils ne sont pas identiques. 41  2 Capteurs de température Avantages: Stabilité Résistances Linéarité métalliques Précision RTD Câblage cuivre Inconvénients: Température maximale limité Temps de réponse dimension sensibilité aux vibration Coût relativement élevé 42 2 Capteurs de température Thermistances à semi-conducteur CTN - CTP 43  2 Capteurs de température Principe: les thermistances ont une sensibilité de mesure très élevée (~200 Ω/°C), ce qui les rend très sensibles aux variations de températures. Elles sont constituées à partir de mélanges Thermistance d’oxydes métalliques semi-conducteurs. CTN / CTP L’agitation thermique provoque la rupture de liaison interatomique Ce qui libère de paires électron-trou. La conductivité 𝜎 est donnée par: 𝜎 = 𝑞(𝜇𝑛 𝑛 + 𝜇𝑝 𝑝) 𝜇𝑛 , 𝜇𝑝 : mobilité électron, trou libre 𝑛, 𝑝 : densité électron, trou libre 44 𝑞 : charge électrique  2 Capteurs de température La résistance varie en fonction de T selon la loi suivante: 1 1 𝑅 𝑇 = 𝑅0 𝑒𝑥𝑝 𝛽 − 𝑇 𝑇0 Thermistance 𝑅0 : La résistance à la température absolue 𝑇0 =25°C CTN / CTP 𝛽 : Constante donnée par le constructeur La sensibilité thermique sera : 𝛼𝑅 = −𝛽/𝑇 2 La grande sensibilité thermique des thermistance les rends aptes à la détection de très faibles variation de température (0,0001 °K) 45  2 Capteurs de température Désignation : Caractéristiques : Encombrement : Faible : Thermistance 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 CTN / CTP mm), perles. Plage de Leur domaine d'utilisation va de -80 à +700 °C température : Précision : 1/10ème à un demi degré Alimentation Peuvent être traversées indifféremment par un courant électrique : continu ou alternatif. Gamme de De 5 k à 100 k environ résistance : La loi de variation de la résistance en fonction de la Inconvénient : température n'est pas linéaire. 46  2 Capteurs de température Thermistance CTN: (Coefficient de Température Négatif) La résistance diminue de façon uniforme quand la température Thermistance augmente et vice-versa. CTN / CTP Thermistance CTP: (Coefficient de Température Positif) La résistance augmente de façon uniforme quand la température augmente et vice-versa. 47  2 Capteurs de température Activité Thermistance On veut mesurer la température d’une chambre en CTN / CTP utilisant le montage suivant: La valeur affichée par le voltmètre est de 4,93V. Calculer la valeur de la résistance Rc et en déduire la température de la chambre sachant que B=4100 °K et la valeur de Rc à 25°C égale 10 Kohm. 48 2 Capteurs de température Thermocouples 49  2 Capteurs de température Principe : Dans un circuit fermé constitué de deux conducteurs de nature différente (métal A et métal B), il circule un courant lorsqu'on maintient entre les deux jonctions une différence de température. Ce courant est dû à l'apparition d'une force électromotrice (fém) directement liée à la Thermocouple différence entre les températures des jonctions T1et T2. ce phénomène est appelé effet Seebeck 50  2 Capteurs de température Soudure Froide Soudure Chaude Température Température Thermocouple de référence à mesurer Jonction de référence Jonction de mesure La FEM générée dépond de la température des deux jonctions et de la nature des matériaux conducteurs utilisés. 𝑒𝐴𝐵 = 𝐶(𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) C: caractéristiques des matériaux utilisés 51  2 Capteurs de température Pour mesurer la température d’un milieu avec un thermocouple, il suffit juste de mesurer la tension aux bornes du thermocouple et de la convertir en température en utilisant les tables d’étalonnage. Cependant, la connexion d’un instrument de mesure aux borne du thermocouple introduit également d’autre jonctions qui se comportent comme Thermocouple des thermocouple. Du circuit ci-dessus le thermocouple est constitué de deux matériaux différent l’Iron et le cuivre. La jonction J1 représente le point de mesure. En reliant le voltmètre aux bornes du thermocouple on obtient deux jonctions supplémentaire J2 (Iron, Cuivre) et J3 (Cuivre, Cuivre). La jonction J2 est formée par les mêmes matériau que la jonction J1, mais la tension délivrée à ses bornes est opposée à celle de J1. les tensions aux bornes de J1 et J2 sont différentes car les jonction se trouvant dans deux températures différente. La jonction J3 ne pose aucun problème car ses matériau est de même type donc aucune tension ne sera générée à ses bornes. On constate que, avec ce circuit le voltmètre affiche une tension qui n’ a aucune relation avec la température que l’on52veut mesurer.  2 Capteurs de température Thermocouple Donc: 𝑉𝑣𝑜𝑙𝑡𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝑉𝐽1 − 𝑉𝐽2 Dans ce cas le voltmètre mesure une différence de tension qui est en relation avec la différence de température entre le point chaud J1 et le point froid J2 (jonction de référence). Pour que le voltmètre mesure seulement la tension au bornes de J1 , la tension générée par J2 doit être compenser. Dans les circuits de mesure à base de thermocouple on parle souvent de la compensation de la jonction de référence. Deux types de compensation sont possibles: la compensation hardware et la compensation software. La compensation hardware de la jonction de réference Il existe plusieurs techniques pour compenser la jonction de référence. La solution la plus simple est de fixer la température de la jonction J2, dans ce cas chaque changement mesuré par le voltmètre est du de la variation de la température de la jonction J1. 53  2 Capteurs de température Thermocouple La température de la jonction J2 peut être stabiliser en la plongeant dans un bain de glace/eau comme il est indiqué dans la figure ci- dessus. Dans ce cas la jonction J2 est maintenue à une température de 0°C et la variation au niveau du voltmètre est due seulement au changement de la température de J1. en utilisant les tables d’ étalonnage, il est possible de déterminer la température correspondante car ces tables sont établis pour des températures de référence de 0°C. Cependant cette technique de compensation reste faisable seulement dans les laboratoires. Dans le monde industriel il est pratiquement impossible d’implanter ce genre de solution. 54  2 Capteurs de température Thermocouple Une solution plus pratique, pour compenser la jonction de référence est de rajouter une source de tension qui délivre une tension identique à celle de J2 avec une polarité inverse. La source de tension rajoutée doit poursuivre la variation de la tension de J2. pour cela un autre capteur (thermistance ou RTD est placée très proche de J2 pour mesurée sa température. En se basant sur la mesure du capteur de poursuite, la source de tension délivre une tension qui annule la tension de J2. 𝑉𝑣𝑜𝑙𝑡𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝑉𝐽1 − 𝑉𝐽2 + 𝑉𝑟𝐽𝑐 𝑉𝑣𝑜𝑙𝑡𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝑉𝐽1 car 𝑉𝐽2 = 𝑉𝑟𝐽𝑐 55  2 Capteurs de température Thermocouple Actuellement il existe des modules de compensation de la jonction de référence qui peuvent être placé entre l’instrument de mesure et les bornes du thermocouple. Ces modules mesurent la température de la jonction de référence puis ils génèrent une tension qui s’annule avec la tension de J2. le voltmètre mesure donc la tension délivrée par J1. 56  2 Capteurs de température La compensation software de la jonction de référence Thermocouple Le µp reçoit la différence de tension 𝑉𝐽1 − 𝑉𝐽2. Un autre capteur est utilisé pour mesurer la température de l’environnement ( température de référence). En se basant sur les tables d’étalonnage le µp détermine la tension équivalente à cette température de référence. Cette tension sera rajouté arithmétiquement à la différence de tension reçu ce qui compense également la jonction de référence. La procédure de compensation software est représenté par la figure suivante. 57  2 Capteurs de température Types de thermocouples: Les thermocouples génèrent des tensions de l’ordre de µV ou de mV. On distingue plusieurs types de thermocouples.. Thermocouple 58  2 Capteurs de température Caractéristiques des thermocouples Thermocouple 59 2 Capteurs de température Capteurs de température intégrés 60  2 Capteurs de température Capteurs à sortie analogique Ces capteurs délivrent des courants ou des tensions proportionnels à Capteurs la température absolue dont la relation tension/ température est Intégrés parfaitement linéaire. Avantage: simplicité de leurs utilisation Inconvénient: plage de mesure limité (-50 à 150°C) Exemple: LM35 61  2 Capteurs de température Exemple d’application: Thermomètre numérique Capteurs Intégrés 62  2 Capteurs de température Capteurs à sortie numérique Généralement sont des capteurs de type série Exemple 1 : DS18b20 ( Bus 1 Wire) Capteurs Précision : 0,125°C Intégrés Résolution: entre 9 bits et 12 bits 63  2 Capteurs de température Exemple 2 : DS1620 ( Bus I²C: Inter Integrated Circuit ) Ce capteur mesure une température Varie de -55°C à 125°C avec une précision Capteurs De 0,5°C Intégrés La température mesuré est codée sur 9 bits. Il transmet en série les bits sur la ligne SDA en Synchronisation avec la ligne SCL 3 bits d’adresse (8 capteurs) 64 2 Capteurs de température Capteurs de température sans contact Pyrométrie optique La pyrométrie optique est une autre approche de mesure de la température qui se base sur la relation entre la température d’un corp et le rayonnement optique (infrarouge ou visible) émis par ce corp Les pyromètre permet de mesurer seulement la température de la surface de l’objet.