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M. Ferroukhi Capteurs Section A, Lecture3 ,09 Avril 2020 1 La température a u

M. Ferroukhi Capteurs Section A, Lecture3 ,09 Avril 2020 1 La température a un lien avec la sensation de chaud et de froid. Les premiers thermoscopes étaient gradués en très chaud, chaud, tempéré, froid, très froid. Cette notion étant cependant très limitée et imprécise, il fallut avoir recours a établir une échelle plus élaborée 2 Pour mesurer la température il est nécessaire que le capteur mesure une grandeur physique qui dépend de la température de l'élément à mesurer. C'est-à-dire qu'il existe une relation mathématique qui relie la grandeur G à la température : G= f(T) 3 Afin de mesurer la température de manière indirecte, il a été nécessaire d’établir en place une échelle de température puis ensuite fabriquer des capteurs qui mesurent la température à partir de grandeur telle la résistivité, le potentiel, etc. 4 Pour réaliser une mesure, il faut définir une échelle de température universelle qui est basée uniquement sur des lois thermodynamique . 5 Échelle de Kelvin: L'unité est le Kelvin (K). Cette échelle se base sur la valeur de la température du point triple de l'eau étant fixé à 273,16. Le point triple de l'eau est la température d'équilibre entre la phase solide, liquide et vapeur. Échelle de Rankin: L'unité est le degré Rankin (°R) qui est égal à 9/5 de kelvin; la température du point triple de l'eau est donc de 491,69 °R. 6 Échelle de Celsius: L'unité est le degré Celsius (°C). Cette échelle se base sur l'échelle absolue de Kelvin: T(°C)= T(°K)-273,15 Échelle de Fahrenheit : L'unité est le degré Fahrenheit (°F). Cette échelle s'obtient par décalage de l'échelle absolue de Rankin T(°F)= T(°R)-459, 67 Conversion entre échelle de Celsius et de Fahrenheit: T(°C)= (T(°F)-32)x5/9 7 Températures Échelles thermométriques Kelvin (K( Celsius (°C( Rankin (°R( Fahrenheit (°F( Zéro absolu 0 - 273,15 0 - 459,67 Mélange eau- glace sous p.a.n 273,15 0 491,67 32 Point triple de l'eau 273,16 0,01 491,69 32,018 Ébullition de l'eau sous p.a.n 373,15 100 671,67 212 p.a.n : pression atmosphérique normale (=101 325 Pascals( 8 Il existe trois grandes familles de capteurs de T : Les capteurs passifs, les capteurs actifs et les capteurs intégrés. La thermométrie par contact utilise ces trois familles de capteurs qui possèdent donc des caractéristiques différentes et permettent ainsi d'avoir une multitude de capteurs pour des applications variées . La thermométrie par résistance utilise des capteurs passifs alors que les thermocouples sont des capteurs actifs et bien évidemment la thermométrie par diode et transistor utilise des capteurs intégrés. 9 La thermométrie par résistance utilise, comme son nom l'indique, la variation de la résistance d'un matériau en fonction de la température. Cette variation de résistance peut être faite aussi bien avec un métal (dans ce cas-là il s’agit de résistance métallique) mais aussi avec des oxydes (dans ce cas- là il s’agit de thermistances .( 10 Dans le cas des métaux, la résistance varie avec la température suivant la loi suivante: R= Ro(1+aT+bT2+cT3 ) Tous les métaux voient leur résistance varier avec la température mais seulement quelques uns sont utilisés comme capteur. 11 Un bon capteur doit avoir une bonne sensibilité, être le plus fidèle possible, être le moins encombrant possible, linéaire même si ce n'est pas obligatoire, avoir un temps de réponse acceptable et une étendue de mesure suffisante. Les 4 métaux plus utilisés sont: le platine, le tungstène, le nickel et le cuivre. 12 Métal Caractéristiques Étendue de mesure Platine Précis, stable, durable Coût élevé - 200 ° C , 600 °C Tungstène S tungstène > S platine Moins stable que platine Meilleure linéarité à haute température - 100 ° C , 1400 °C Nickel Sensibilité la plus élevée Résistivité élevée Faible linéarité Peu stable - 60 ° C , 180 °C Cuivre Linéaire Résistivité faible donc encombrement Peu stable - 190 ° C , 150 °C 13 Le nickel serait le meilleur capteur s'il était linéaire sur une plus grande étendue. Le plus utilisé reste donc le platine et plus précisément la Pt 100 qui a comme particularité de valoir 100 Ohm à 0°C. La Pt 100 peut se trouver sur plusieurs formes, l'une d'elle étant la Pt 100 surmoulée qui permet d'accroître son étendue de mesure mais qui augmente son temps de réponse. 14 Si l'étendue de mesure est satisfaisante, il est possible d'utiliser la Pt 100 sur couche mince permettant d'avoir un bon contact entre l'objet dont on souhaite connaître la température et le capteur et aussi d'avoir un bon temps de réponse. 15 Ce capteur est donc simple à réaliser, linéaire ou du moins peut être approché par une loi linéaire, stable, possède une bonne reproductibilité et interchangeabilité et une précision de l'ordre de 0,2% . Le problème des capteurs à résistance métallique est qu'ils sont sensibles à l'auto- échauffement et à la résistance des fils de connexion, qu'ils possèdent un temps de réponse assez long (entre 1 et 5s) surtout s'ils sont surmoulés (de 3 à 10s) et ils ne conviennent pas à un milieu humide ou corrosif . 16 Pour les thermistances , le matériau dont on observe la résistance est un agglomérat d'oxydes métalliques rendus compacts par haute pression exercée à température élevée. Il existe trois grandes sortes de thermistance: 1 ( les Coefficient de Température Négatif (CTN( 2 ( les Coefficient de Température Positif (CTP( 3 ( les Critical Variation Resistor qui sont des CTN à variation brusque de résistance . 17 Les CTN ont la particularité de voir leur résistance diminuer avec la température ce qui en font une des thermistances les plus utilisées. Les CTN peuvent se trouver sous diverses formes: perles de verre, disques, barreaux, pastilles, rondelles, puces etc. Voici deux exemples de CTN, celle de gauche est une CTN disque bleu et celle de droite est une CTN miniature. 18 L'avantage de ces thermistances est leur faible encombrement, leur temps de réponse rapide (de l'ordre de 1 à 2s), leur prix (de l'ordre de 5€) ainsi que leur précision qui est meilleure que les résistances métalliques (de l'ordre de 0.1 %). Mais tout comme les résistances métalliques, les thermistances sont sensibles à l'auto-échauffement et à la résistance des fils de connexion. Leur non-linéarité peut parfois être un frein à leur utilisation ainsi que leur étendue réduite (de -110°C à 250°C) et leur faible interchangeabilité. 19 Les thermocouples sont des capteurs actifs qui délivrent une fém lorsque ceux-ci sont soumis à une modification de la température. Le principe de fonctionnement est basé sur l'effet Seebeck qui lorsque deux conducteurs métalliques sont reliés par deux jonctions soumises à des températures différentes, crée une différence de potentiel aux bornes du circuit. Une fois que l'on a la fém pour pouvoir remonter à la valeur de la température, il faut connaître l'une des deux jonctions et surtout sa température. 20 21 Un thermocouple est constitué de deux fils de métaux différents, soudés à l'une de leurs extrémités. Cette jonction porte le nom usuel de "soudure chaude" et sera installé dans le milieu dont la température est à mesurer. Les deux autres extrémités sont à relier aux bornes d'un voltmètre. Les deux jonctions formées aux bornes du voltmètre portent le nom usuel de "soudures de référence"ou"soudure froides." 22 La tension mesurée par le voltmètre est fonction de la température de la "soudure chaude" et de la température des "soudures froides" et peut être calculée à partir de l'expression suivante : 23 Celle-ci se nommera jonction de référence. La nature des matériaux conducteurs utilisés définit le type du thermocouple. Il existe beaucoup de type de thermocouple qui sont pour la plupart repérée par une lettre Un thermocouple de type J est constitué d'une jonction en fer et d'une jonction en constantan. Le tableau suivant indique les thermocouples les plus utilisés : 24 Lettre Conducteur positif Conducteur négatif T Cuivre Nickel-Cuivre (Constantan ( J Fer Constantan E Nickel-Chrome (Chromel( Constantan K Chromel Nickel-Aluminium (Alumel( S Platine- 10 % Rhodium Platine- 6 % Rhodium R Platine-13 % Rhodium Platine B Platine-30 % Rhodium Platine-6 % Rhodium 25 Lettre Conducteur positif Conducteur négatif N Nickel-Chrome - Silicium (Nicrosil( Nickel-Chrome - Magnésium (Nisil( U Cuivre Constantan G Tungstène Tungstène- 26 % Rhénium C Tungstène-5 % Rhénium Tungstène-26 % Rhénium D Tungstène-3 % Rhénium Tungstène-25 % Rhénium Couple non normalisé Platine Or 26 27 L'image suivante montre en haut une photographie d'un thermocouple de type K et le schéma de ce thermocouple avec notamment la jonction qui sert de mesure en bout et la jonction de référence au milieu . 28 L'un des premiers éléments pour choisir son capteur est souvent le domaine d'utilisation mais aussi sa sensibilité. Le tableau suivant donne les valeurs de ces deux paramètres pour quelques capteurs. 29 Lettre Domaine d'utilisation (°C( Sensibilité moyenne ( µV/°C( T - 200 à 370 51 J - 40 à 800 55 E - 270 à 870 uploads/Litterature/ 1-capteurs-lecture-3-09042020-pdf.pdf