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Chapitre III - Les capteurs 1 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani A- Tec

Chapitre III - Les capteurs 1 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani A- Technologies de capteurs 2 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 1- Capteurs résistifs 3 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 2- Les capteurs inductifs • Ils sont utilisés pour détecter un moment précis, synchroniser des informations, déterminer des vitesses, compter le nombre de tours… Ces capteurs comportent des enroulements de mesure traversés par un flux d’induction magnétique fonction du mesurande. Le mesurande peut être une position, un déplacement linéaire ou angulaire. Certains de ces capteurs font jouer le coefficient d’auto-induction d’une bobine traversée par un courant alternatif. D’autres capteurs inductifs font appel à 2 bobinages, dont on fait varier le couplage par déplacement du noyau par exemple. 4 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 2- Les capteurs inductifs 5 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 2- Les capteurs inductifs 6 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 3- Capteurs capacitifs : 7 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 4- Détecteurs optiques (ou photoélectriques) 8 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 5- Les capteurs à effet Hall : 9 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani 6- Capteur à ultrasons 10 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani La notion de température nous apparaît avec celle La sensation de chaud et de froid. Les premiers « thermoscopes » étaient d’ailleurs gradués en domaines « très chaud, chaud, tempéré, froid, très froid » 11 Chp III-Technologie des capteurs La température est une grandeur intensive, c’est-à- dire ne dépend pas de la quantité de matière. La température est une grandeur repérable et non directement mesurable B- Les capteurs de Température N.Sefiani I - Thermomètres à dilatation 1 - Thermomètres à dilatation de liquide Dans ces appareils le principe utilisé est la dilatation apparente d'un liquide dans son enveloppe. Pour un liquide on peut écrire l'équation suivante : V = V0( 1 + aT + bT2 + cT3 + dT4 ) En pratique l'équation utilisée s'écrit: V = V0( 1 + aT ) Avec a = coefficient variant suivant le liquide Par exemples: Acétone = 1,324 x 10-3/ °C Benzène = 1,176 x 10-3/ °C Toluène = 1,028 x 10-3/ °C 12 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani I - Thermomètres à dilatation 2 - Thermomètres à dilatation de gaz On étudie la variation de pression du gaz à volume constant quand on impose des variations de température. L`élément sensible est placé dans un milieu a une température T. Pour repérer cette température on a une relation linéaire entre la pression et la température P=P0(1+βT) Avec β une constante P0 pression a T0= 0 °C 13 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani I - Thermomètres à dilatation 3 - Thermomètres à dilatation des solides Le Bilame: Un bilame est formé de deux lames ayant un coefficient de dilatation différents. Les deux lames sont soudés et laminés ensemble. Sous l'effet de la température le bilame s'incurve, la déflexion dépend de la température. Application : principe du thermostat Pour une barre d'un solide on peut écrire l'équation suivante : L=L0( 1 +λ t) L = Longueur de la barre à une température T L0 = Longueur initiale λ = Coefficient de dilatation suivant le métal 14 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani II - Thermomètres électriques 1-a-Thermomètres à résistance Si R0 est la résistance d'une pièce de platine à 0 °C, alors à la température θ (en degrés Celsius), un modèle linéaire de la résistance de cette pièce donné : R = R0 · (1 + αθ) avec α = 3.85·10-3 °C-1 Il existe également des modèles plus précis, comme ce modèle d'ordre 3 : Rθ = R0(1 + αθ + βθ2 + γ(θ − 100)θ3) Avec α, β et γ sont des constantes 15 Chp III-Technologie des capteurs Résistivité à 0 °C Point de fusion Domaine d'emploi Métal µ.cm °C °C R100/R0 Cuivre 7 1083 -190 à +150 1,427 Nickel 6,38 1453 -60 à +180 1,672 Platine 9,81 1769 -250 à +1100 1,392 Indium 9 153 -269 à +27 La sonde « Pt100 » est une sonde platine qui a une résistance de 100 Ohms pour une température de 0 °C N.Sefiani II - Thermomètres électriques 1 -b- Thermomètres à thermistance La loi de variation est de la forme Elle est approximativement de la forme : Le coefficient de température de la thermistance, défini par est soit positif (C.T.P.) soit négatif (C.T.N.) suivant le signe de B. Pour une C.T.N. la résistance diminue quand la température augmente. 16 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani II - Thermomètres électriques 3 – Les Thermomètres a Thermocouples Lorsque deux fils composés de métaux différents sont raccordés à leurs extrémités et que l'une d'elles est chauffée, il se produit une circulation de courant continu dans le circuit. C'est l'effet Thermoélectrique. En général, la f.e.m. est de la forme : e = a(T1 - T2) + b(T1 2 - T2 2) 17 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani VI- Exercices Exercice 1 : Conception d’un thermomètre à liquide Vous voulez construire un thermomètre donnant des températures comprise entre 0°C et 200°C. Vous disposez d’un tube capillaire cylindrique en verre qui pour une longueur de tige utile de 30cm contient un volume de 24mm3. Ce capillaire est relié à un réservoir de verre. Calculez : 1- Le volume du réservoir. 2 - La masse de mercure à utiliser. 3 - La sensibilité de l’appareil en mm3 par °C. 4 - Quelle pourrait être la résolution de l’appareil ? Cela induirait-il une graduation aisée ? Que proposeriez-vous comme graduation ? Données : densité du mercure à 0°C : dHg = 13,6 ; coefficient de dilatation apparente du mercure dans le verre :  =1/6400 ; la distance entre deux graduations ne peut être inférieure à 0,5 mm. 18 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani Exercices Exercice 2 : Correction de la colonne émergente d’un thermomètre Un thermomètre à mercure plonge partiellement dans un bain dont on veut déterminer la température . Quand on l’enfonce jusqu’à la division n = 10 de la tige, il indique  = 75,00 °C, et quand on l’enfonce jusqu’à la division n’ = 60, il indique ’ = 75,25°C. Quel type d’erreur commet-on si l’on néglige le phénomène ? Déduire de l’expérience la température  du bain dans l’échelle de ce thermomètre à mercure. La température ambiant vaut : a = 15°C. On supposera que la colonne émergente est à la température ambiante. 19 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani Exercices Exercice 3 : Formule empirique de correction de la colonne émergente d’un thermomètre. Lorsque pour un relevé de température à l’aide d’un thermomètre à liquide, l’émergence est importante, la température lue doit être corrigée à l’aide de la formule suivante :θc = θ l + n  (θ l - θ e) avec : θ c : température corrigée; θ l : température lue; n : nombre de graduation émergentes;  : coefficient de dilatation apparente du liquide thermométrique dans le verre;  = 1/6400; θe : température moyenne de la colonne émergente, estimée à la valeur approchée suivante : (θ l - θa )/2 où a est la température ambiante. Dans un laboratoire la température est de 20°C. On y mesure la température de deux mélanges réactionnels avec des thermomètres à mercure identiques. Ils sont gradués tous les degrés, de 0°C à 400°C. Dans les deux cas, la première graduation émergente est celle indiquant 60°C. Les deux lectures de température sont les suivantes : 1er mélange : 105°C; 2ème mélange : 298°C Quelles sont les températures des deux mélanges ? Comparer les résultats et conclure. 20 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani Exercices Exercice 4 : Résidus de dilatation Un thermomètre à mercure donne les indications suivantes :n100 = + 102 dans la vapeur d’eau bouillante sous la pression atmosphérique n0 = - 2 dans la glace fondante Quelle est la température Celsius  lorsqu’on lit une indication n ? Application numérique pour n = 29. 21 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani Exercices Exercice 5 : Thermomètre à mercure Un thermomètre à mercure est destiné à être utilisé entre 0 et 150°C. On néglige la dilatation de l’enveloppe de verre. La dilatabilité moyenne du mercure entre 0 et  (température en °C) est : où a, b et c sont des constantes. 1- Définir l’échelle affine centésimale associée en exprimant t en fonction de a, b, c et . 2 - Exprimer l’écart Δ = θ - t entre la température Celsius θ et la température t repérée sur le thermomètre. 3 - Sachant que θ = t à 150°C, déterminer les températures t1 et t2 pour lesquelles Δ passe par un extremum. 22 Chp III-Technologie des capteurs N.Sefiani Exercices Exercice 6 :Thermomètre à résistance de platine L’équation thermométrique d’un thermomètre à résistance de platine est, entre 0°C et 630°C, de la forme où R désigne la résistance du fil de platine à la température Celsius θ On donne a =2  ; b = 8,12.10-3 .°C-1 ; c = -1,2.10-6 .°C-2 1-Exprimer l’écart Δ = θ -t entre la température centésimale linéaire t définie par ce thermomètre et la température légale Celsius uploads/Science et Technologie/ chp-iii-technologies-des-capteurs 1 .pdf