Capteurs et Actionneurs Chapitre 5: Capteur de température Enseignant: Mr. BESKRI Charfeddine...

Capteurs et Actionneurs

Chapitre 5:

Capteur de température

Enseignant:

Mr. BESKRI CharfeddineAssistant Technologue en Génie Électrique

A.U.:20010/2011 1


Objectifs :

Vous devez connaître les différentes technologies et les caractéristiques des capteurs de température étudiés dans ce chapitre.

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Plan du cours:

- Les échelles de températures- Thermomètre à résistance et thermistance- Thermocouple- Capteurs électroniques- Précautions

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1. Les échelles de température

Échelles employées :-Kelvin-Celsius-Rankin-Fahrenheit

T ( Celsius) = T (kelvin) -273,15

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1. Les échelles de températures

Kelvin (K) Celsius (°C) Rankin (°R) Fahrenheit (°F)

Zéro absolu 0 -273,15 0 -459,67

Équilibre eau glace à 101325 Pa

273,15 0 491,67 32

Ébullition de l'eau à 101325 Pa

373,15 100 671,67 212

T ( Celsius) = T (kelvin) -273,15

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2. Thermomètre à résistanceet thermistance

Le fonctionnement des thermomètres à résistance et des thermistances est basé sur un même

phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la

température.

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2.1 Thermomètre à résistance

Lorsque la température varie on a :

R = R0(1 + a + b 2 + c 3 + …)

plus connue pour nous comme :

R = R0(1 + a )

avec :• la température en °C ; •R0 la résistance à 0 °C ; •a, b et c des coefficients positifs, spécifiques au métal

Relation linéaire

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La sonde « Pt100 » est une sonde platine qui a une résistance de 100 Ohms pour une

température de 0 °C

Résistivité à 0 °C

Point de fusion

Domaine d'emploi Métal

µ.cm °C °C R100/R0

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

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Résistance d’une Pt100 à 100°C ?

R=100.1,392=139.2

Réponse :

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2.2 Thermistance

Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée,

de l'ordre de 150 bars et 1000 °C

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2.2 Thermistance

La loi de variation est de la forme

b

aeR a et b sont deux paramètres de la

thermistance.

fonction e appelée

exponentielle

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2.2Thermistance• La variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance.• La thermistance n’est pas linéaire.

Comparaison avec un thermomètre résistant :

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2.2 ThermistanceDésignation : Caractéristiques :

Encombrement :

Faible : 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

mm), perles.

Plage de température :

Leur domaine d'utilisation va de -80 à +700 C

Précision : 1/10ème à un demi degré

Alimentation électrique :

Peuvent être traversées indifféremment par un courant continu ou alternatif.

Gamme de résistance :

De 5 k à 100 k environ

Inconvénient : La loi de variation de la résistance en fonction de la température n'est pas linéaire.

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3. Thermocouple

14

3. Thermocouple

Soudure « froide »Ou

Jonction de référence

Soudure « chaude »Ou

Jonction de mesure

m

a

Conducteur A

Conducteur B

Deux matériauxdifférents

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3. Thermocouple

m

a

Conducteur A

Conducteur B

Relier 2 matériaux différents crée une FEM

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3. Thermocouple

m

a

Conducteur A

Conducteur B

Soumettre un conducteur à des différences de température : création d’une FEM

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3. Thermocouple

m

a

Conducteur A

Conducteur B

Valable aussi pour le conducteur B

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3. ThermocoupleLes 2 phénomènes entrent en jeu :

19

3. Thermocouple

Lorsqu'une différence de température est présente aux bornes d’un conducteur électrique le flux de chaleur créé un mouvement d'électrons, ce qui génère une force électromotrice (fém) dans cette zone.

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3. Thermocouple

A la jonction de deux conducteurs différents située à une température , on observe également l'apparition d'une différence de potentiel.

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3. Thermocouple

Jonction de mesure

Jonction de référence

22

3. Thermocouple

23

3. Thermocouple

Les deux FEM sont égales…

24

3. Thermocouple°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

-100 -4,63 -5,04 -5,43 -5,8 -6,16 -6,5 -6,82 -7,12 -7,4 -7,66 -7,890 0 -0,5 -1 -1,48 -1,96 -2,43 -2,89 -3,34 -3,79 -4,22 -4,63°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5,27

100 5,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10,78200 10,78 11,33 11,89 12,44 13 13,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33

°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100-100 -3,38 -3,66 -3,92 -4,18 -4,42 -4,65 -4,87 -5,07 -5,26 -5,44 -5,6

0 0 -0,38 -0,76 -1,12 -1,48 -1,82 -2,15 -2,48 -2,79 -3,09 -3,38°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4,28

100 4,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9,29200 9,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84

PR 6642 AJ02 – Fe-CuNi – Type J

PR 6452 AT/02 – Cu-CuNi – Type T

=100 °C E=5,27 mV25

3. Thermocouple°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

-100 -4,63 -5,04 -5,43 -5,8 -6,16 -6,5 -6,82 -7,12 -7,4 -7,66 -7,890 0 -0,5 -1 -1,48 -1,96 -2,43 -2,89 -3,34 -3,79 -4,22 -4,63°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5,27

100 5,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10,78200 10,78 11,33 11,89 12,44 13 13,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33

°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100-100 -3,38 -3,66 -3,92 -4,18 -4,42 -4,65 -4,87 -5,07 -5,26 -5,44 -5,6

0 0 -0,38 -0,76 -1,12 -1,48 -1,82 -2,15 -2,48 -2,79 -3,09 -3,38°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4,28

100 4,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9,29200 9,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84



=110 °C E=5,82 mV26

3. Thermocouple°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

-100 -4,63 -5,04 -5,43 -5,8 -6,16 -6,5 -6,82 -7,12 -7,4 -7,66 -7,890 0 -0,5 -1 -1,48 -1,96 -2,43 -2,89 -3,34 -3,79 -4,22 -4,63°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5,27

100 5,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10,78200 10,78 11,33 11,89 12,44 13 13,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33

°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100-100 -3,38 -3,66 -3,92 -4,18 -4,42 -4,65 -4,87 -5,07 -5,26 -5,44 -5,6

0 0 -0,38 -0,76 -1,12 -1,48 -1,82 -2,15 -2,48 -2,79 -3,09 -3,38°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4,28

100 4,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9,29200 9,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84



=103 °C ???27

3. Thermocouple

=103 °C

5,82

5,27

100 110103

x

x-5,27

5,82-5,27= 103-100

110-100

10x-52,7=1,65x=(1,65+52,7)/10

x=5,435 mV

E # 5,44 mV28

3. Thermocouple : Élaboration

•Les matériaux thermoélectriques,•la gaine et l’isolant,•la soudure chaude,le câble d’extension et le type de raccord ou de connecteur qui permettent de relier le thermocouple à l’appareil de mesure 29


Métaux non rares et/ou non précieux (-200°C" 1200°C) Type K Chromel-alumel

Type J fer-constantan

Type E Chromel-constantan

Type N Nicrosil-nisil

Thermocouples platine-rhodium (0°C" 1600°C) Type S : platine rhodié 10% Rh-platine

Type R : platine rhodié 13% Rh-platine

Type B : platine rhodié 30% Rh-platine rhodié 6% Rh

Thermocouples tungtène-rhénium (0°C" 2200°C) Version C Tungtène-rhénié 5% Re-tungtène-rhénié 25% Re

Version D Tungtène-rhénié3% Re-tungtène-rhénié 25% Re

Les matériaux thermo-électriques :

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La gaine et l’isolant :

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3. Thermocouple : Élaboration- La soudure chaude ou jonction de mesure :

- La soudure froide ou jonction de référence :

Les appareils sont équipés d’une compensation de soudure froide électronique.La température de référence est donnée par une sonde platine, une thermistance ou une diode. 32


-Le thermocouple est raccordé à l’appareil de mesure à l’aide d’un câble d’extension ou de compensation. Les matériaux du câble d’extension sont en général les mêmes que ceux du thermocouple; ils n’introduisent donc pas d’erreur dans la mesure.

- Les raccords : câbles d’extension et connecteurs :

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4. Capteurs électroniques

• Diodes,• Diodes zener• …

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4. 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.

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4. Capteurs électroniques : Diodes

Les caractéristiques du courant absorbé par la diode en directe varie selon la température. C’est cette particularité qui est utilisé dans le montage ci-dessous.

S1

R1 E1 I

ID

UD

US1

UE1 +

-

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4. Capteurs électroniques : Zener

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5. Précautions

a) Pour les thermistances et les résistances

La recherche d'une bonne sensibilité de mesure conduità faire traverser la résistance thermométrique par un courant relativement important.

C'est pourquoi les courants de mesure sont généralement de l'ordre du mA et rarement supérieurs à 10 mA

chaleur

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5. Précautions

b) Pour les thermomètres a résistance

Pour une grande longueur, les résistances des fils de connections de la sonde au système de mesure ne sont plus négligeables. Il faut donc tenir compte de cette erreur en employant des dispositifs de câblages particuliers.

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5. Précautionsb) Pour les thermomètres a résistance

2fils,

Systèmede

mesure

PT100

Il n’a pas de compensation de la résistance des fils. Utilisation pour de faible longueur

3 fils, Systèmede

mesure

PT100

Le système de mesure possède une compensation interne. Utilisation pour de moyenne longueur

4 fils. Systèmede

mesure

PT100

Le système de mesure possède une compensation interne encore plus précise. Utilisation pour de grande longueur

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5. Précautionsb) Pour les thermocouples :

Le thermocouple est un générateur de tension.

La sortie d’un thermocouple sera donc reliée à un transmetteur ou à un système de mesure ayant une impédance d’entrée suffisamment grande.

( ex: AOP en montage adaptateur d’impédance….)

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5. Transmetteur:

Signal d’entrée programmable : Pt100; TC;Signal de sortie : Courant 4/20 mA linéarisé

Un transmetteur PT100 0-10 V est employé dans le système Habilis

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