La sonde Pt100 : un capteur de température.

Chapitre 14. Activités expérimentales
le
SPCL - systèmes et procédés
T STL
La sonde Pt100 : un capteur de température.
On étudie ici un dipôle électrique appelé sonde Pt100.
I. Caractéristiques de la sonde Pt100.
1. Caractéristique courant-tension.
On mesure la valeur du courant I pour différentes valeurs de la tension U .
G
A
+
+
0à5V
10 kΩ
Pt100
I
U
V
+
Rôle du résistor de 10 kΩ : la résistance d'environ 10 kΩ permet d'éviter de dépasser U = 50 mV pour le bon
fonctionnement de la sonde Pt100. De plus, pour la même raison, la tension aux bornes du générateur ne doit
pas dépasser 5 V.
Lorsque l'on trace la courbe représentant la tension U en fonction du courant I, on
obtient une droite passant par l'origine.
On observe donc ici une relation de proportionnalité entre U et I ; on reconnaît
alors la loi d'Ohm (le coefficient de proportionnalité est alors appelé résistance
RPt100 de la sonde Pt100).
La sonde Pt100 se comporte donc comme une résistance RPt100 : U = RPt100 × I .
U
pente = RPt100
I
0
2. Effet de la température.
On mesure la valeur de la résistance RPt100 de la sonde Pt100 pour différentes températures.
Pt100
Ω
Lorsque la température varie, RPt100 varie : la résistance RPt100 de la sonde Pt100 dépend de la température. Plus
précisément, plus la température augmente et plus la résistance RPt100 augmente.
La sonde Pt100 peut donc servir de capteur de température.
3. Caractéristique de transfert du capteur.
Afin de quantifier la remarque précédente, on détermine la caractéristique de transfert du capteur : on mesure la
valeur de la résistance RPt100 de la sonde Pt100 pour différentes valeurs de la température θ.
Il faut faire en sorte que la sonde Pt100 et le thermomètre de référence soient à la même température :
- on les plonge dans de l'eau afin d'avoir un bon transfert thermique ;
- on les place assez proche l'un de l'autre ;
- on ne les place pas trop près des bords ;
- on met en place une agitation pour que le milieu soit homogène ;
- on fait en sorte que les changements de température soient assez lents.
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On obtient par exemple (avec la sonde Pt100 n°14) :
RPt100 (Ω)
θ (°C)
103,5
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
Caractéristique de transfert de la sonde Pt100 (ou courbe d'étalonnage)
La mesure de RPt100 permet donc de déterminer la température θ.
Exemple de la mesure de la température de l'eau chambrée : on trouve RPt100 = 109,6 Ω avec la sonde Pt100
n°14, en reportant sur le graphique on en déduit que θ = 21 °C .
On peut aussi déterminer l'équation de cette courbe (une droite), soit "à la main" soit avec un tableur-grapheur
tel que Regressi :
On trouve, par exemple (avec la sonde Pt100 n°14), θ 2,586 RPt100 262,7
(avec θ en °C et RPt100 en Ω)
Il s'agit de la caractéristique de transfert du capteur.
Exemple de la mesure de la température de l'eau chambrée : on trouve à nouveau RPt100 = 109,6 Ω avec la sonde
Pt100 n°14, on en déduit que θ 2,586 109,6 262,7 20,7 °C .
II. Conditionnement de la sonde Pt100.
Le calcul que l'on vient d’effectuer (pour déterminer la température θ de l'eau à partir de RPt100) peut être
automatisé grâce à l'utilisation de montages électriques adaptés. On peut aussi vouloir effectuer un traitement
et une analyse de différentes températures, par exemple pour mettre en œuvre une régulation de température.
Pour des raisons techniques, on ne peut alors pas travailler directement avec des valeurs de résistances RPt100
mais on doit travailler avec des tensions électriques (ou éventuellement des intensités normalisées).
Le conditionnement du capteur consiste alors en l'obtention d'une tension (ici UR) (ou éventuellement une
intensité normalisée) à partir de la résistance RPt100 grace à l'utilisation d'un montage électrique plus ou moins
complexe tel qu'un transmetteur (il est indispensable connaître à tout instant la relation mathématique qui
existe entre cette tension UR et la valeur de la résistance RPt100).
On utilise par exemple un transmetteur de température pour sonde Pt100 permettant d'obtenir comme signal
une intensité 4-20 mA pour une échelle de températures 0 à 100 °C :
+
G
I
+
24 V
A
+ transmetteur
de
température
‒
Pt100
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min
max
en effet
température θ
0 °C
100 °C
50 °C
signal signalmin
signalmax signalmin
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intensité I
4 mA
20 mA
12 mA
grandeur grandeurmin
grandeurmax grandeurmin
donc
I
I max
I min
I min
θ θ min
θ max θ min
I 4
I 4
I 4
θ 0
θ
donc
donc θ 100
16
20 4 100 0
16
100
il s'agit de la caractéristique de transfert du capteur conditionné (ou de l'ensemble capteur-conditionneur).
donc ici (avec I en mA et θ en °C)
La mesure de I permet donc de déterminer la température θ.
Exemple de la mesure de la température de l'eau chambrée : on trouve I = 7,60 mA avec la sonde Pt100 n°14, on
en déduit que
7,60 4
θ 100
22,5 °C
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Le montage précédent pose cependant deux problèmes :
- Lorsque le capteur est conditionné, pour mesurer l'intensité I il faut ouvrir le circuit pour insérer un
ampèremètre ;
- Il est plus aisé de travailler avec des tensions électriques que des intensités (et, entre autres, Orphy ne permet
de visualiser que des tensions).
Il est donc judicieux, lors de la réalisation du circuit de conditionnement du capteur, d'insérer définitivement un
résistor (par exemple de résistance R ≈ 100 Ω environ) car la mesure de la tension U à ses bornes permet de
connaitre l'intensité I (pour un tel dipôle I = U / R ) :
+
+
G
V
U
I
R
24 V
+ transmetteur
de
température
‒
Pt100
La mesure de U permet donc de déterminer la température θ.
Exemple de la mesure de la température de l'eau chambrée : on trouve U = 0,758 V avec la sonde Pt100 n°14 et
une résistance de 100,1 Ω, on en déduit que
7,57 4
U
0, 758
I
0, 00757 A 7,57 mA et donc θ 100
22,3 °C
R 100, 2
16
III. Suivi d'une température.
Il peut être intéressant de réaliser une acquisition informatisée (à l’aide du module d’acquisition Orphy) si l'on
désire, par exemple, suivre l'évolution de la température du capteur au cours du temps.
Par exemple, pour déterminer le temps de réponse à 95 % de la sonde PT100, à t = t0 , on plonge directement le
capteur depuis la salle de classe (à 20 °C environ) dans de l'eau chaude (maintenue à 70 °C environ) …
Donnée : Pour éviter les interférences, débrancher le câble d'alimentation du thermostat juste avant l'acquisition.
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La sonde Pt100 : un capteur de température.
Liste du matériel.
Au bureau :
□ au moins 3 bains thermostatés, idéalement 5 bains thermostatés
□ accès à l'eau du robinet
Pour chaque binôme :
(au moins 5 exemplaires)
□ sonde Pt100
□ câbles "Radiall" de connexion électrique
□ 2 multimètres (voltmètre et ampèremètre)
□ générateur électrique de tension réglable (0 à 5 V ou plus)
□ résistor 10 kΩ
□ 2 béchers (résistant au chauffage)
□ thermomètre numérique (0 à 100 °C)
□ support avec pince (pour accrocher le thermomètre et la sonde Pt100)
□ agitateur magnétique chauffant avec barreau aimanté
□ pince en bois
□ chiffon
□ glaçons
□ module d'acquisition Orphy
□ ordinateur avec Regressi
□ transmetteur de température
□ générateur continu 24 V
□ résistor 100 Ω
□ régulateur avec entrée Pt100 et sortie relais (prise femelle 220V connecté à la sortie relais du régulateur)
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