Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Laboratoire de métrologie TP LabVIEW No. 2 - Mesures de température Doc. MTR-TL

Laboratoire de métrologie TP LabVIEW No. 2 - Mesures de température Doc. MTR-TL-02(1.0) Date : 15 avril 2010 page 1 LabVIEW - TRAVAIL PRATIQUE No. 2 Mesures de température 1 But de l’expérience Expérimenter et réaliser des mesures de température avec divers types de capteurs avec des applications LabVIEW simples d’acquisition de données. Etude du modèle mathématique d’une thermistance. Etude de la constante de temps d'un capteur dans un domaine de température donné. 2 Matériel et instrumentation Equipement et composants :  PC  Carte d'acquisition National PCI-6024E + bornier  Carte PCI-GPIB  Logiciel LabVIEW version 8.6  Multimètre Agilent 34410A Carte d'expérimentation électronique avec :  Potentiomètre 50 KΩ  Résistances 39KΩ, 51 KΩ, 47KΩ  Boite de fils-ponts de liaison  Câbles avec fiches banane à disposition  Câble secteur, GPIB, etc. à disposition Capteur SEMI833-ET type NTC (thermistor) Capteur LM35 (circuit intégré) Pile 9V avec support Laboratoire de métrologie Mesures de température page 2 3 Introduction La thermométrie est le domaine de la physique concernant la mesure de la température. Parmi les grandeurs physiques, la température est l'une des plus délicates à mesurer de façon rigoureuse pour deux raisons :  il faut bien définir le système dont on mesure la température,  la définition même du concept de température et de son échelle de mesure nécessitent de connaître un certain nombre de concepts thermodynamiques qui sont loin d'être intuitifs. Le premier problème pratique est celui du placement du thermomètre. Si l'on considère les thermomètres de contact (thermomètres à dilatation ou à thermocouple), la température affichée est celle… du thermomètre lui-même. Il faut donc s'assurer que le thermomètre est bien à l'équilibre thermique avec l'objet auquel on s'intéresse. L'exemple classique est celui de la mesure météorologique sous abris: si des rayonnements infrarouges viennent irradier le thermomètre (par exemple, rayonnement du Soleil, ou du sol ou d'un mur chauffé par le Soleil), la température du thermomètre augmente, il n'est alors plus en équilibre avec l'atmosphère. La température affichée n'est donc plus celle de l'air. Enfin, se pose le problème de l'homogénéité de la température. Si l'on mesure la température en un point de l'objet, rien ne garantit qu'elle sera la même en un autre point. 4 Capteurs de température Dans les thermomètres « classiques », c'est la dilatation des corps qui sera le phénomène image de la grandeur thermométrique. On constate en effet que le volume d'un corps augmente en général, lorsque sa température s'élève (sans qu'il y ait de changement d'état physique). La dilatation étant réversible, elle fournit un mode pratique de repérage des températures. Ce phénomène se retrouve de façon analogue, mais avec une ampleur différente pour les liquides, les gaz et les solides. D'où les trois types de thermomètres à dilatation. Il existe une multitude de capteurs électriques de température, tant par leur technique que par leurs formes. Ils sont employés dans de nombreux domaines tant industriel que domestique. Appareils électroménagers (four, réfrigérateur,…), automobile (moteur, habitacle), l’industrie de transformation (plastique, alimentaire, chimie, automobile, électronique,…) et les installations de chauffage urbain ou industriel. Les familles plus importantes de capteurs de température sont les thermocouples et les sondes à résistance :  Les thermocouples créent une force électromotrice (mV) quand la soudure chaude (point en contact avec la source de chaleur) est différente de la soudure froide (point de référence). A cette valeur correspond une température suivant une norme internationale. Un circuit électronique convertit cette valeur en température pour l’afficher (indicateur de température) et/ou réguler (régulation de température). Il existe des thermocouples J (fer/constantan), K (Nickel chrome / nickel allié), S (platine /platine rhodié), …  Les sondes à résistances utilisent la variation de résistivité d’un matériau en fonction de la température. Aux valeurs mesurées (ohms) correspondent des températures suivant une norme internationale. L’information est récupérée par un indicateur et/ou régulateur de température. Il existe entre autre des sondes platine (PT 100) normalisées, des sondes à thermistances, etc. En annexe de cette note se trouve une description plus détaillée des thermistances. Laboratoire de métrologie Mesures de température page 3 5 Capteur SEMI833-ET Il s'agit d'un capteur résistif CTN utilisé dans le domaine des thermomètres médicaux de précision. Lire l’artiche « Thermistance » en annexe. Ses tolérances de fabrication serrées (±0.2% à 37°C) permettent de se passer d'étalonnage pour des applications s'accommodant d'une précision de ±0.8°C autour de la température ambiante. Il présente une résistance d'environ 103.6 KΩ à 20°C. Le datasheet se trouve en annexe et le tableau d’étalonnage en format Excel peut être téléchargé sur la page http://php.iai.heig-vd.ch/~lzo/pmwiki/pmwiki.php/Metrologie/Laboratoire 5.1 Mesure manuelle de la température A l'aide du multimètre Agilent 34410A, mesurer manuellement la valeur de la résistance. D'après le tableau de résistance, calculer la température ambiante en utilisant les valeurs nominales. Procéder par interpolation linaire en partant de la valeur la plus proche. Idem en saisissant le capteur entre le pouce et l'index jusqu'à ce que sa température soit stabilisée. 5.2 Modèle mathématique Ce genre de capteur en matériau fritté peut être décrit par une fonction exponentielle décroissante de type: 0 1 1 0 ) ( T T e R T R (1) avec  T: température en K  R0 : la résistance du capteur à T0 = 273,15 K = 0°C 1. A l’aide d’Excel, déterminer la valeur de β par la méthode des moindres carrés sur la plage entre 0 et 60 °C pour les valeurs de résistance nominales. Laboratoire de métrologie Mesures de température page 4 2. Déterminer également les valeurs de β pour les valeurs de résistances extrêmes minimum et maximum, ce qui donnera (de manière simplifiée) l’incertitude sur B. 3. Déterminer ensuite la fonction inverse 4. T = f (R, R0, β) (2) 5. Tracer, toujours sur la plage entre 0 et 60 °C, les valeurs d’étalonnage nominal du capteur ainsi que le modèle mathématique trouvé. T(R) 0 10 20 30 40 50 60 70 10 60 110 160 210 260 310 Résistance (kOhm) T (deg C) T(R) nominale Modèle mathématique Bien que dans notre cas ce modèle soit adéquat, la relation entre résistance et température d’une thermistance est souvent dans la littérature aussi exprimée sous la forme de la relation de Steinhart-Hart : 3 ln ln 1 T T R C R B A T (3) Les coefficients A, B et C peuvent être fournis dans le datasheet de la thermistance ou sinon évalués facilement par le tableau des résistances au moyen de la méthode décrite dans l’annexe. 6. Montrez que la relation (3) est équivalente à la (1) au cas où C = 0 et calculer les coefficients A et B pour le SEMI833. Laboratoire de métrologie Mesures de température page 5 5.3 Câblage La mesure de la température se ramène donc à une mesure de résistance. Les méthodes les plus simples consistent à alimenter la thermistance avec un courant (a) ou une tension (b) et de mesurer la tension aux bornes de la résistance (on rappelle : (a) (b) D’autres méthodes plus rigoureuses et précises sont décrites en annexe. Pour ce TP, câbler le capteur selon le schéma (b) : on prendra pour R1 une résistance de ~50 kΩ. L’alimentation peut se faire par la pile ou par une sortie numérique du boitier. La résistance de la thermistance est liée à la tension mesurée V0 par : 0 0 1 V V V R R REF T On devra donc mesurer avec LabVIEW les deux tensions VREF et V0, qu’on câblera respectivement sur les entrées IN0 et IN1 du boitier. 5.4 Lecture par LabVIEW On construira le VI par étapes, en essayant et validant à chaque pas: 1. Configuration du DAQ Assistant pour deux entrées tension. Celles-ci peuvent être configurées en mode RSE ou différentiel, veillez en tout cas que les masses soient bien en commun. 2. Noter qu’ainsi le « fil » de sortie du DAQ dans le block diagram contient deux valeurs, qu’on peut afficher dans un tableau. 3. Extraction (par l’outil « Index Array ») des deux tensions. 4. Calcul de la température, deux options (entre autres) possibles : a. Par le Convert Thermistor Reading VI, qui se trouve dans Mathematics-Numeric-Scaling. Il faut lire absolument sa documentation. Pour l’utiliser correctement vous devrez l’ouvrir (double click), afficher son block diagram et modifier les paramètres a et b avec les coefficients de Steinhart-Hart calculées précédemment. c sera mis à zéro (voir la figure en haut de la page suivante). b. Par un Formula Node – voir la figure à la page suivante. Laboratoire de métrologie Mesures de température page 6 Le VI final devrait ressembler à la figure ici-bas. Alternativement vous pouvez aussi calculer la température dans un Formula Node: Laboratoire de métrologie Mesures de température page 7 6 Capteur LM35 Le capteur LM35 est un circuit intégré de mesure de température de précision dont la tension de sortie est linéairement proportionnelle à la température en °C (10 mV / °C). Il ne nécessite pas de calibration particulière pour obtenir une précision typique de ±0,50°C à température ambiante et de ±1 °C sur la gamme uploads/Litterature/ tp2-labview.pdf