Capteurs et Actionneurs Chapitre 5: Capteur de température Enseignant: Mr. BESKRI Charfeddine Assistant Technologue en Génie Électrique A.U.:20010/2011.
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Capteurs et Actionneurs
Chapitre 5:
Capteur de température
Enseignant:
Mr. BESKRI CharfeddineAssistant Technologue en Génie Électrique
A.U.:20010/2011 1
Capteur de température
Objectifs :
Vous devez connaître les différentes technologies et les caractéristiques des capteurs de température étudiés dans ce chapitre.
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Capteur de température
Plan du cours:
- Les échelles de températures- Thermomètre à résistance et thermistance- Thermocouple- Capteurs électroniques- Précautions
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1. Les échelles de température
Échelles employées :-Kelvin-Celsius-Rankin-Fahrenheit
T ( Celsius) = T (kelvin) -273,15
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1. Les échelles de températures
Kelvin (K) Celsius (°C) Rankin (°R) Fahrenheit (°F)
Zéro absolu 0 -273,15 0 -459,67
Équilibre eau glace à 101325 Pa
273,15 0 491,67 32
Ébullition de l'eau à 101325 Pa
373,15 100 671,67 212
T ( Celsius) = T (kelvin) -273,15
5
2. Thermomètre à résistanceet thermistance
Le fonctionnement des thermomètres à résistance et des thermistances est basé sur un même
phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la
température.
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2.1 Thermomètre à résistance
Lorsque la température varie on a :
R = R0(1 + a + b 2 + c 3 + …)
plus connue pour nous comme :
R = R0(1 + a )
avec :• la température en °C ; •R0 la résistance à 0 °C ; •a, b et c des coefficients positifs, spécifiques au métal
Relation linéaire
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2.1 Thermomètre à résistance
La sonde « Pt100 » est une sonde platine qui a une résistance de 100 Ohms pour une
température de 0 °C
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
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2.1 Thermomètre à résistance
Résistance d’une Pt100 à 100°C ?
R=100.1,392=139.2
Réponse :
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2.2 Thermistance
Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée,
de l'ordre de 150 bars et 1000 °C
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2.2 Thermistance
La loi de variation est de la forme
b
aeR a et b sont deux paramètres de la
thermistance.
fonction e appelée
exponentielle
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2.2Thermistance• La variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance.• La thermistance n’est pas linéaire.
Comparaison avec un thermomètre résistant :
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2.2 ThermistanceDésignation : Caractéristiques :
Encombrement :
Faible : petits cylindres (d = 1 à 12 mm, L = 5 à 50 mm), disques (diamètre 5 mm ; épaisseur 3 mm), bâtonnets (diamètre 3,2 mm de et longueur 11
mm), perles.
Plage de température :
Leur domaine d'utilisation va de -80 à +700 C
Précision : 1/10ème à un demi degré
Alimentation électrique :
Peuvent être traversées indifféremment par un courant continu ou alternatif.
Gamme de résistance :
De 5 k à 100 k environ
Inconvénient : La loi de variation de la résistance en fonction de la température n'est pas linéaire.
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3. Thermocouple
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3. Thermocouple
Soudure « froide »Ou
Jonction de référence
Soudure « chaude »Ou
Jonction de mesure
m
a
Conducteur A
Conducteur B
Deux matériauxdifférents
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3. Thermocouple
m
a
Conducteur A
Conducteur B
Relier 2 matériaux différents crée une FEM
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3. Thermocouple
m
a
Conducteur A
Conducteur B
Soumettre un conducteur à des différences de température : création d’une FEM
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3. Thermocouple
m
a
Conducteur A
Conducteur B
Valable aussi pour le conducteur B
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3. ThermocoupleLes 2 phénomènes entrent en jeu :
19
3. Thermocouple
Lorsqu'une différence de température est présente aux bornes d’un conducteur électrique le flux de chaleur créé un mouvement d'électrons, ce qui génère une force électromotrice (fém) dans cette zone.
20
3. Thermocouple
A la jonction de deux conducteurs différents située à une température , on observe également l'apparition d'une différence de potentiel.
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3. Thermocouple
Jonction de mesure
Jonction de référence
22
3. Thermocouple
23
3. Thermocouple
Les deux FEM sont égales…
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3. Thermocouple°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100
-100 -4,63 -5,04 -5,43 -5,8 -6,16 -6,5 -6,82 -7,12 -7,4 -7,66 -7,890 0 -0,5 -1 -1,48 -1,96 -2,43 -2,89 -3,34 -3,79 -4,22 -4,63°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5,27
100 5,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10,78200 10,78 11,33 11,89 12,44 13 13,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33
°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100-100 -3,38 -3,66 -3,92 -4,18 -4,42 -4,65 -4,87 -5,07 -5,26 -5,44 -5,6
0 0 -0,38 -0,76 -1,12 -1,48 -1,82 -2,15 -2,48 -2,79 -3,09 -3,38°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4,28
100 4,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9,29200 9,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84
PR 6642 AJ02 – Fe-CuNi – Type J
PR 6452 AT/02 – Cu-CuNi – Type T
=100 °C E=5,27 mV25
3. Thermocouple°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100
-100 -4,63 -5,04 -5,43 -5,8 -6,16 -6,5 -6,82 -7,12 -7,4 -7,66 -7,890 0 -0,5 -1 -1,48 -1,96 -2,43 -2,89 -3,34 -3,79 -4,22 -4,63°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5,27
100 5,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10,78200 10,78 11,33 11,89 12,44 13 13,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33
°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100-100 -3,38 -3,66 -3,92 -4,18 -4,42 -4,65 -4,87 -5,07 -5,26 -5,44 -5,6
0 0 -0,38 -0,76 -1,12 -1,48 -1,82 -2,15 -2,48 -2,79 -3,09 -3,38°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4,28
100 4,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9,29200 9,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84
PR 6642 AJ02 – Fe-CuNi – Type J
PR 6452 AT/02 – Cu-CuNi – Type T
=110 °C E=5,82 mV26
3. Thermocouple°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100
-100 -4,63 -5,04 -5,43 -5,8 -6,16 -6,5 -6,82 -7,12 -7,4 -7,66 -7,890 0 -0,5 -1 -1,48 -1,96 -2,43 -2,89 -3,34 -3,79 -4,22 -4,63°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,51 1,02 1,54 2,06 2,59 3,12 3,65 4,19 4,73 5,27
100 5,27 5,82 6,36 6,91 7,46 8,01 8,56 9,12 9,68 10,22 10,78200 10,78 11,33 11,89 12,44 13 13,55 14,11 14,66 15,22 15,77 16,33
°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100-100 -3,38 -3,66 -3,92 -4,18 -4,42 -4,65 -4,87 -5,07 -5,26 -5,44 -5,6
0 0 -0,38 -0,76 -1,12 -1,48 -1,82 -2,15 -2,48 -2,79 -3,09 -3,38°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 0 0,39 0,79 1,2 1,61 2,06 2,47 2,91 3,36 3,81 4,28
100 4,28 4,75 5,23 5,71 6,2 6,7 7,2 7,72 8,34 8,76 9,29200 9,29 9,82 10,36 10,91 11,46 12,01 12,57 12,14 13,71 14,28 14,84
PR 6642 AJ02 – Fe-CuNi – Type J
PR 6452 AT/02 – Cu-CuNi – Type T
=103 °C ???27
3. Thermocouple
=103 °C
5,82
5,27
100 110103
x
x-5,27
5,82-5,27= 103-100
110-100
10x-52,7=1,65x=(1,65+52,7)/10
x=5,435 mV
E # 5,44 mV28
3. Thermocouple : Élaboration
•Les matériaux thermoélectriques,•la gaine et l’isolant,•la soudure chaude,le câble d’extension et le type de raccord ou de connecteur qui permettent de relier le thermocouple à l’appareil de mesure 29
3. Thermocouple : Élaboration
Métaux non rares et/ou non précieux (-200°C" 1200°C) Type K Chromel-alumel
Type J fer-constantan
Type E Chromel-constantan
Type N Nicrosil-nisil
Thermocouples platine-rhodium (0°C" 1600°C) Type S : platine rhodié 10% Rh-platine
Type R : platine rhodié 13% Rh-platine
Type B : platine rhodié 30% Rh-platine rhodié 6% Rh
Thermocouples tungtène-rhénium (0°C" 2200°C) Version C Tungtène-rhénié 5% Re-tungtène-rhénié 25% Re
Version D Tungtène-rhénié3% Re-tungtène-rhénié 25% Re
Les matériaux thermo-électriques :
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3. Thermocouple : Élaboration
La gaine et l’isolant :
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3. Thermocouple : Élaboration- La soudure chaude ou jonction de mesure :
- La soudure froide ou jonction de référence :
Les appareils sont équipés d’une compensation de soudure froide électronique.La température de référence est donnée par une sonde platine, une thermistance ou une diode. 32
3. Thermocouple : Élaboration
-Le thermocouple est raccordé à l’appareil de mesure à l’aide d’un câble d’extension ou de compensation. Les matériaux du câble d’extension sont en général les mêmes que ceux du thermocouple; ils n’introduisent donc pas d’erreur dans la mesure.
- Les raccords : câbles d’extension et connecteurs :
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4. Capteurs électroniques
• Diodes,• Diodes zener• …
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4. Capteurs électroniques
Il est possible d’utiliser des composants électroniques comme capteurs de températures. Ce ne sont pas principalement les caractéristiques fondamentales de ces composants qui nous intéressent, mais plutôt certaines de leurs particularités.
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4. Capteurs électroniques : Diodes
Les caractéristiques du courant absorbé par la diode en directe varie selon la température. C’est cette particularité qui est utilisé dans le montage ci-dessous.
S1
R1 E1 I
ID
UD
US1
UE1 +
-
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4. Capteurs électroniques : Zener
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5. Précautions
a) Pour les thermistances et les résistances
La recherche d'une bonne sensibilité de mesure conduità faire traverser la résistance thermométrique par un courant relativement important.
C'est pourquoi les courants de mesure sont généralement de l'ordre du mA et rarement supérieurs à 10 mA
chaleur
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5. Précautions
b) Pour les thermomètres a résistance
Pour une grande longueur, les résistances des fils de connections de la sonde au système de mesure ne sont plus négligeables. Il faut donc tenir compte de cette erreur en employant des dispositifs de câblages particuliers.
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5. Précautionsb) Pour les thermomètres a résistance
2fils,
Systèmede
mesure
PT100
Il n’a pas de compensation de la résistance des fils. Utilisation pour de faible longueur
3 fils, Systèmede
mesure
PT100
Le système de mesure possède une compensation interne. Utilisation pour de moyenne longueur
4 fils. Systèmede
mesure
PT100
Le système de mesure possède une compensation interne encore plus précise. Utilisation pour de grande longueur
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5. Précautionsb) Pour les thermocouples :
Le thermocouple est un générateur de tension.
La sortie d’un thermocouple sera donc reliée à un transmetteur ou à un système de mesure ayant une impédance d’entrée suffisamment grande.
( ex: AOP en montage adaptateur d’impédance….)
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5. Transmetteur:
Signal d’entrée programmable : Pt100; TC;Signal de sortie : Courant 4/20 mA linéarisé
Un transmetteur PT100 0-10 V est employé dans le système Habilis
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