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4 Techniques de Mesure de 1 Techniques de Mesure de Température Notion de tempé

4 Techniques de Mesure de 1 Techniques de Mesure de Température Notion de température Il est difficile de donner une définition exacte de la température, car ce n’est pas une grandeur mesurable ! En effet, si on ajoute dans un récipient 1litre d’eau à 30 °C et 1litre à 20 °C on obtiendra jamais 2 litres d’eau à 50 °C. On est donc amené à repérer les températures au moyen d’échelles de repères Fahrenheit Celsius Kelvin 2 Néanmoins, on a déterminé que la température se manifeste par l’agitation moléculaire dans un corps. Cette température est liée au carré de la vitesse moyenne du mouvement des molécules Fahrenheit 212 32 - 469.67 Celsius 100 0 -273.15 Kelvin 373.15 273.15 0 Notion de température Changement d’Etat Les corps purs ou composés peuvent exister sous trois états : Etat gazeux (ou vapeur) Etat liquide Etat solide 3 Notion de température Un morceau de glace ‘’nageant‘’ sur l’eau constitue un ensemble à deux phases : Phase solide : la glace Phase liquide : l’eau Lorsqu’un corps pur change d’état, il coexiste pendant un certain temps sous deux phases. Equilibre entre Phases d’un Corps pur. 4 Si on augmente la température T sans augmenter P, c’est la phase vapeur qui l’emporte et la vaporisation est active. Inversement, si l’on augmente la pression sans augmenter la température, c’est la phase liquide qui l’emporte et la vaporisation est arrêtée. Le couple Pression / Température détermine l’équilibre du corps pur. Pour chaque valeur de T, le système est à la pression P dite d’équilibre Dans la courbe de vaporisation, le système est en équilibre à la pression P1 correspondant à la température t1 et inversement Notion de température Point triple Le point commun des trois courbes (fusion, sublimation et vaporisation), constitue le point triple du corps pur A ce point, il existe une seule Pression et une 5 Le point triple de l’eau est : 0,01°C à 1,01325 bar efficace. (Ce point sera un des points fixes fondamentaux de l’échelle internationale ). A ce point, il existe une seule Pression et une seule Température où les trois phases, solide, liquide, gazeux, coexistent Echelles de température Echelle Celsius Cette échelle de température est la plus utilisée dans la vie pratique. Les deux points fixes de cette échelle sont : T° d’équilibre entre phase solide et phase liquide de l’eau repérée à 0 °C. T° d’équilibre entre phase liquide et phase gazeuse de l’eau repérée à 100 °C Relation entre l’échelle absolue et l’échelle Celsius T (°K) = t (°C) +273,15 6 Relation entre l’échelle absolue et l’échelle Celsius T (°K) = t (°C) +273,15 Echelle Fahrenheit Dans les pays Anglo- saxons on utilise l’échelle Fahrenheit où les points fixes sont : T° d’équilibre entre phase solide et phase liquide de l’eau repérée à 32 °F T° d’équilibre entre phase liquide et phase gazeuse de l’eau repérée à 212 °F Relation entre l’échelle Fahrenheit et l’échelle Celsius T (°F) = 1,8 t (°C) + 32 Méthodes de mesure de température Thermomètre à dilatation de liquide, gaz, solide Différentes méthodes sont utilisées pour mesurer la température : Thermomètres électriques ( thermocouple, thermorésistance, etc.) Thermomètres à changement d’état (tension de vapeur) 7 Thermomètre à dilatation Généralement ces thermomètres utilisent le principe de la variation de Pression. Cette pression est celle d’un gaz, d’un liquide ou d’une tension de vapeur. Thermomètre à dilatation (Liquide) Le principe consiste en la variation du volume en fonction de la T°. Le repérage de la température peut se faire par : le déplacement d’une aiguille reliée à un tube de bourdon la hauteur du liquide dans un capillaire 8 Principe utilisé est celui de la dilatation cubique où le volume d’un liquide est égal à : Vt = V0 (1+ at + bt² +ct³) Cependant , le liquide doit satisfaire à deux conditions : Stabilité aux températures d’utilisation Faible tension de vapeur. Dans la pratique on utilise Vt = V0 ( 1 + α t ) avec Vt : volume à T (°C) V0 : volume à 0 °C t : température à mesurer α : coefficient variant suivant les liquides utilisé Thermomètre à dilatation (Liquide) Liquide Domaine d’emploi °C Coefficient de dilatation °C-1 Pentane - 200 à + 20 Alcool éthylique - 110 à + 100 1,17 . 10-3 Toluène - 90 à + 100 1,03 . 10-3 Liquide utilisés 9 Toluène - 90 à + 100 1,03 . 10-3 Mercure - 38 à + 650 0,182 . 106-3 Mercure gallium 0 à + 1000 Temps de réponse : quelques minutes Précision : ± 2 % PE Thermomètre à dilation (Gaz) Le principe consiste en la variation de la pression (Pt) en fonction de la température(t) On sait qu’à volume constant, la pression d’un gaz parfait (loi de Mariotte) varie suivant la loi : Pt = P0 (1 + β t) avec Pt : Pression à T°C P0 : Pression à 0 °C β : coefficient égal à 1/ 273 t : température à mesurer 10 Réalisation On emploi en général l’azote dans une gamme de Température comprise entre - 100 °C à + 500 °C. On considère que l’azote qui n’est pas un gaz parfait, suit la loi des gaz parfait de façon assez précise Thermomètre à dilation (Gaz) Domaine d’utilisation : - 200 °C à + 1400 °C Précision : ± 1 % Gaz les plus employés : - Hélium - Hydrogène - Azote - Dioxyde de carbone 11 Avantages Inconvénients Simple Sonde d’assez grande dimension Robuste Peu coûteux Longueur du capillaire : jusqu’à 100 m (maximum) Thermomètre à dilation (Solide) Le principe consiste a utiliser la variation de dilatation linéaire d’une barre solide, régit par la loi : Lt = L0 ( 1 + λ t ) avec Lt : longueur de la barre à (t °C) L0 : longueur initiale. . t : température à mesurer °C λ : coefficient de dilatation variant suivant l’alliage utilisé Dans la pratique on utilise un bilame : Le bilame est constitué de deux bandes d’alliage dont les coefficients de dilatation sont très différents 12 dont les coefficients de dilatation sont très différents qui sont soudées à plat sur toute leur surface. Lorsque le bilame est soumis à une variation de température, les dilatations différentes des deux faces provoquent des tensions, il en résulte une incurvation de l’ensemble Thermomètre à dilation (Solide) Thermomètre bimétallique ou à bilame 13 Thermomètre à dilation (Solide) Domaine d’utilisation : - 70 à + 700 °C Précision : ± 1,5 % échelle max Nature du Bilame : suivant alliages utilisés Fer , Nickel, Manganèse Fer , Nickel, Chrome Fer , Laiton Manganèse, Cuivre, Nickel Cuivre, Zinc 14 Cuivre, Zinc Thermomètre à changement d’état (tension de vapeur) La tension de vapeur d'un liquide est la pression sous laquelle un liquide est en équilibre avec sa phase vapeur. la tension de vapeur est fonction de la température du liquide considéré. A une T° correspond une pression. A l'augmentation de la température correspond une augmentation du passage de l'état liquide à gaz, un état d'équilibre se crée entre liquide et vapeur, de même que la pression a augmentée. La mesure se ramène à une mesure de pression Les thermomètres à tension de vapeur sont très sensibles mais la Loi de variation P = f (t) n’est pas linéaire 15 Le choix de l’échelle du thermomètre doit tenir compte de cette non linéarité Liquide (volatile) utilisé : chlorure d'éthyle Précision : 1 % Effet thermomètre électrique (Thermorésistance) La résistance électrique d’un conducteur métallique croît avec la température et inversement, suivant la Loi R = f ( t ) . On pourra donc repérer une T° en mesurant la résistance d’un conducteur bien défini. Il faut savoir qu’en 1968, la Commission Electrotechnique Internationale a proposé une nouvelle table basée sur l’emploi d’un fil de platine dont la résistance varie suivant la Loi générale : Rt = R0 [1+ at + bt² + c (t- 100 ) t³] Le choix du platine, est dû au faite qu’il possède une bonne linéarité dans une large plage de T° 16 Le choix du platine, est dû au faite qu’il possède une bonne linéarité dans une large plage de T° (–200°C à + 850°C), de même que sa pureté lui donne une remarquable stabilité. Rt = R0 [1+ 3,90802. t ) - (5,80195. t²) - (4,27350 . (t- 100 ) t³] 3 10 − 7 10 − 12 10 − Pour les T° positives , la relation R= f (t) est : Rt = R0 [1+ 3,90802. t ) - (5,80195. t²) ] 3 10 − 7 10 − Pour les T° négatives, la relation R= f (t) est : Effet thermomètre électrique (Thermorésistance) Influence du courant de mesure Pour mesurer la résistance d’une sonde en platine, il est nécessaire de la faire parcourir par un courant Constations : Indice uploads/Litterature/ mesure-de-temperarture.pdf