CHAPITRE 3 Les capteurs de température

CHAPITRE 3
Les capteurs de température
Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003
PLAN
INTRODUCTION
CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT
PYROMETRES OPTIQUES
CONCLUSION
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INTRODUCTION (1)
La température :
- Ce n'est pas une variable d'état
- C'est une variable 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, ...)
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INTRODUCTION (2)
Mesures de température :
- génie chimique
- industrie agro-alimentaire
- analyse de fonctionnement : moteurs, navettes spatiales
- gestion de bains de peinture
- ...
Classification des capteurs de température :
1. Capteurs de température de contact : échanges de
chaleur entre l'objet et le capteur jusqu'à l'équilibre
2. Pyromètres optiques (sans contact) : basés sur la
relation entre la température d'un corps et son
rayonnement optique (infra-rouge ou visible)
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (1)
a. Équilibre 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 :
d Q C dTc
=
dt
dt
C : capacité calorifique du capteur
quantité de chaleur transférée par le milieu au capteur /
unité de temps :
G : conductance thermique entre le
dQ
= G  T 1 − T c  capteur et le milieu de température T
1
dt
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (2)
En négligeant les échanges thermiques entre le capteur et
le milieu extérieur (ex : les câbles de connexion) on a :
CdTc
=G T 1 −T c 
dt
La solution de l'équation différentielle : T t =T − T e
c
1
0
T0 : température initiale du capteur
 T 0 =T 1 −T 0
Tc
Tc
T1
T2
T1
0.63(T1-To)
To
−t

0.63(T2-To)
τ
t
To
τ
t
Dans le cas ou il existe des échanges thermiques
avec le milieu extérieur Tc tend vers (T2 - T1)
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (3)
b. Les bilames :
- constitués de deux lames d'alliages tels que :
- leur coefficient de dilatation sont très différents
- ils sont soudés à plat sur toute leur surface
- ∆T ⇒ dilatation des deux lames ⇒ flexion de l'ensemble
- fonctionne comme interrupteur
- exemples :
- radiateurs électriques à thermostat mécanique
- réfrigérateurs
- systèmes de sécurité de moteurs électriques
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (4)
c. Les 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
⇒ Classification :
1. Les résistances métalliques
2. Les thermistances
Sensibilité thermique :
=
1 dR
R dT
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (5)
1. Les résistances métalliques :
Principe : La résistivité d'un métal ou d'un alliage dépend
de la température :  = 0  1   T − T 0 
Relation résistance-température :
Dans une étendue de mesure dépendant de chaque métal
R T = R 01  AT  B T C T 
2
3
R(0) : résistance à 0°C; 3 autres points de calibrage
permettent de connaître A, B, C
Exemple : La sonde Pt100 : sonde platine de résistance
100 Ω à 100°C
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (6)
Platine
Tungstène
Précis, stable, durable
E.M : -200 °C, 650°C
Coûteux
Jusqu ’à 1400°C en fonction de l ’enveloppe
Sensibilité thermique plus élevée que pour le platine
E.M : -100 °C, 1400°C
Moins stable que le platine
Meilleur linéarité en haute température
Nickel
Sensibilité thermique la plus élevée
E.M : -60 °C, 180 °
Résistivité élevé
Faiblement Linéaire
Peu stable
Cuivre
Linéaire
E.M : -190 °C, 150 °
Faible résistivité => encombrant
Peu stable
Avantages
Inconvénients
Très précis
Simple à mettre en œuvre
Peu être approximé par une loie linéaire
Sensible à l ’auto-échauffement et à
la variation des résistances de connexion
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2. Les 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
R(0) : résistance à 0°C
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (8)
Résistance
Variation Résistance /Température
Rm
0
40 X
Température °C
NTC
PTC
80
RTD
Avantages : temps de réponse rapide, moins chers
Inconvénients : loi non linéaire, diversité des
caractéristiques dans les séries, sensible à l ’autoéchauffement et à la variation des résistances de
connexion
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (9)
d. Les
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
T1
A
VAB
B
VAB dépend de la nature des deux
conducteurs et des températures T1
et T2
T2
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (10)
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
T1
B
A
V1
T2
T1
C
T1
A
V2
+
T2
A
V3
=
V3 = V2 + V1
T2
⇒ La relation force électromotrice/température de
n'importe quel couple peut être déterminée
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (11)
- 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
- Mais, en général la température ambiante est variable
⇒ Compensation de soudure froide
L'addition du terme V Tambiant
Tc
Tc
Tambiant
0° C
V 0 ° C =V Tambiant V 0 ° C
s'appelle la compensation de
soudure froide.
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (12)
Cables de compensation :
utilisés 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
T1
T2
A'
Tref
mesure
B
B'
A' et B' sont les câbles de compensation
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Cu
LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (13)
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
⇒ La force électromotrice dépend des matériaux A et B,
de T1 et Tref
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE DE CONTACT (14)
e. Les capteurs de température à semi-conducteur :
Principe
La tension aux bornes du semi-conducteur (formant une diode
ou un transistor) et le courant qui le traverse dépendent de la
température
I
V
V
I = Io ⋅ exp  qV / 2 kT 
I
À courant constant I, la mesure de V est linéaire en fonction de la température
V=aT+b
a dépend de l'élément sensible
b =−
2k
 ln K − ln I 
q
K constante de température
b≈−2 mV /° C
Avantages
- simplicité
- peu coûteux
- non linéarité faible
Défauts
- étendue de mesure limitée
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