Transcript capteurs de temperature a contact les thermocouples

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MODULE P3: DUT GEII - 2A - COURS CAPTEURS – CHAPITRE 3: CAPTEURS DE TEMPERATURE
I - GENERALITES
II - les capteurs de température à résistance métallique
- rappel sur la conductivité métallique
- exemples de capteurs à résistance métallique
- sensibilité thermique
- types de sondes - méthodes de mesures
III - les thermistances
- les CTN
IV - les thermocouples
- généralités
- codage international - chaîne de mesure
V - les transistors
- généralités
- les circuits intégrés à transistors
(AD590 / LM135/LM56)
VI - les Pyrocapteurs
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LES ECHELLES DE TEMPERATURE
Kelvin (k)
Celsius (°C)
Fahrenheit (°F)
0
-273.15
-459.67
Equilibre eau-glace à
10 1325 Pascal
273.15
0
32
Ebullition de l’eau à
10 1325 Pascal
373.15
100
212
Zéro absolu
(azote liquide)
CONVERSIONS
T (°C) = T (K) – 273,15
T (°C) = [T (°F) – 32].(5/9)
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LES CAPTEURS DE TEMPERATURE - GENERALITES -
CHOIX DU CAPTEUR
CLASSIFICATION
Capteurs à contact ( contact direct avec
l ’objet )
 les métaux
 les thermistances
 les thermocouples
 les transistors
Capteurs sans contact ( mesure de
l ’émission Infra-Rouge )
 les thermopiles
 les pyrocapteurs
Choisir le capteur le mieux adapté en
vérifiant les points suivants :
 la méthode de détection
 le domaine de température à
mesurer
 la précision souhaitée
 la rapidité de la réponse
 les dimensions et le poids
 l’adaptabilité à l ’environnement
(milieu corrosif….)
le prix

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CAPTEURS DE
TEMPERATURE A
CONTACT
LES SONDES METALLIQUES
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CAPTEURS DE TEMPERATURE A RESISTANCE METALLIQUES
La conduction dans les métaux
J  N . q .v 
J : densité de courant
N : nombre d’e- libres par
unité de volume :
J  N . q 2.
 
 2m

2
 Nq
v
 : champ électrique
E

 : résistivité du métal
( vitesse de l ' électron )

q
. . E
2m
 : durée moyenne entre deux chocs d’e-
E
E
 

2m
 : nombre de chocs par seconde
 1
 .
 τ
Si T (température ) augmente  Le nombre de collisions 1/ augmente  La résistivité  augmente
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EXEMPLES DE QUELQUES CAPTEURS A RESISTANCE METALLIQUE
matériaux
Résistivité à
0°C(.cm)
Cuivre
1.56
Domaine de
température
(°C)
-190 à +150
Nickel
6.38
- 60 à +180
Indium
9
-250 à +1100
Platine
9.81
-200 à + 650
Grande résistivité
Large domaine d’utilisation
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Relation entre R (résistance du capteur) et T (température)
A,B,C réels, déterminés par étalonnage
R(T) = R0 [ 1 + AT + BT2 +CT3(T-100)]
R0 : résistance à T = 0 °C
Exemple : PT 100 (T : température en °C)
R(T) = 100 ( 1 + 3,9083 x 10-3 T - 5,775 x 10-7 T2 )
°C
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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METHODES DE MESURES : SONDE PT100
Pour une grande longueur, les
résistances des fils de connections de
la sonde au système de mesure ne sont
plus négligeables.
 tenir compte de cette erreur en
employant des dispositifs de câblages
particuliers.
Remarque :
afin de ne pas chauffer par effet joule le capteur il faudra qu’il soit toujours parcouru par
un courant relativement faible:
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SONDE PT100 2lément sensible à résistance platine
Eléments à couche mince : mesures de surface
Eléments verres bobinés
Eléments céramiques bobinés
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CAPTEURS DE
TEMPERATURE A
CONTACT
LES THERMISTANCES
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LES THERMISTANCES
Mélanges d’oxydes métalliques.
Leur résistance décroît
exponentiellement avec la température
(CTN).
Les thermistances sont généralement
utilisables jusqu’à environ 300°C. Mais
du fait de la forme de leur réponse, elle
ne sont utilisées que sur une faible
plage de température (100°C) où elles
sont très sensibles (sensibilité environ
10 fois supérieure aux sondes
métalliques).
RT   R0 e
1 1
B  
 T T0



R0 : résistance pour T = T0 = 273K
B : entre 3000 et 5000K
T : toujours en degré Kelvin
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Linéarisation d’une thermistance par mise en parallèle d’une résistance Rp
Condition de linéarisation
d 2R 
0
 2
 dT  T Ti
avec R = RTherm (T) // Rp
 B  2 Ti
R p  R T T  
i
 B  2 Ti
RTherm T   R0 e
1 1 
B   
 T T0 



Sensibilité thermique : 
Très grande sensibilité thermique :
mesure de très faibles variations de
températures : ( 10-4 – 10-3 )K
 
1 dR
B
 2
T
R dT
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CAPTEURS DE
TEMPERATURE A
CONTACT
LES THERMOCOUPLES
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LES THERMOCOUPLES
Généralités
Thermocouple ou couple thermoélectrique
constité de deux conducteurs métalliques de natures différentes reliés à l’une de leurs extrémités.
Effet thermoélectrique ou effet Seebeck
production d’une force électromotrice (fé.m.) créée par la différence de température entre les deux
liaisons de métaux différents constituant un même circuit.
Jonction de mesure
La Jonction de mesure est la jonction qui est soumise à la température à mesurer, appelée aussi “point
chaud”.
Jonction de référence (ou soudure froide)
La jonction de référence est la jonction du couple thermoélectrique qui est à une température connue
(température de référence), à laquelle est comparée la température à mesurer.
Effet Ralgan
production d’une force permettant de compenser les maux de tête et le manque de concentration
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Tref : température de référence connue (soudure froide)
Tx : température à mesurer (point chaud)
Voltmètre : V = C (Tx – Tref)
C : le coefficient dit de Seebeck
Symboles
Conducteur (+)
Conducteur (-)
T
(-250°C à +400°C)
Cuivre (marron)
Cuivre-nickel (blanc)
42.8
J
(0°C à +750°C)
Fer (noir)
Cuivre-nickel (blanc)
52.9
E
(-270°C à +1100°C)
Nickel-chrome (violet)
Cuivre-nickel (blanc)
40.8
C (V/°C)
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Extrait d’une table de référence pour
thermocouple de type J
Avantages :
•Larges gammes de température : de
0 à 1 600 K
•Robustes : résistent aux chocs et
aux vibrations
•Réponse rapide (ms à qq s)
•Fiables et précis
•Reproductibles
Inconvénients :
•Température de référence
nécessaire
•Réponse non linéaire
•Faible sensibilité pour certains
types de thermocouples
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SONDES THERMOCOUPLE
chemisées
SONDE THERMOCOUPLE
à visser avec tube intermédiaire
SONDE THERMOCOUPLE
de contact avec câble spiralé
SONDE THERMOCOUPLE
de surface pour pièce en
mouvement avec câble spiralé
SONDE
THERMOCOUPLE
magnétique
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BILAN
-----THERMISTANCE,
THERMOCOUPLE,
RESISTANCE METALLIQUE
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AVANTAGES
INCONVENIENTS
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CAPTEURS DE
TEMPERATURE A
CONTACT
LES CIRCUITS INTEGRES A
TRANSISTORS
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LES TRANSISTORS
1 - Le transistor seul
+Vcc
C
E
B
  qVkTBE  

I c  I 0 e 
 1 or


Ic  I0 e
I c  I 0
 qV BE 


 kT 
Ic
V BE 
I
kT
ln c
q
I0
q I 
T  V BE  ln 0 
Ic 
k
k : constante de Boltzman
q : charge de l’électron
Ic: courant collecteur
I0 : courant de saturation : Pb : I0 varie avec T
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2 - Le transistor appairé
Les transistors sont alimentés en courant constant et
connu Ic1 et Ic2
C1
C2
B1
E1
B2
Ic1
I c1  I 0 e
VBE1 
E2
 qVBE1 


 kT 
kT I c1
ln
q
I0
 qVBE2 


 kT 
I c2  I 0 e
VBE 2 
Vd
Ic2
V d  V BE 1  V BE 2 
La mesure de la tension différentielle Vd permet
d’éliminer l’influence de I0
kT I c 2
ln
q
I0
I
kT
ln c1
q
Ic2
Vd  Constante . T
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3 – exemples de circuits intégrés à transistor (-50 à 150°C)
AD 590 (Analog Device) : source de courant fonction de la température
Schéma de principe
Q3 et Q4 identiques :
même courant d’émetteur I = IT/2
même VBE : VBE1 = kT/q ln( IT/2I0 )
IT/2
Q2 est en fait un ensemble de 8 transistors
associés en parallèle, chacun d’eux
traversé par un courant :
Q2
Q1
IT/2
R
VBE1
IT/2
Q4
Q3
VBE2
IT
(IT/2)/8 soit IT/16
VBE2 = kT/q ln( IT/16I0 )
IT/2
VBE1 -VBE2= kT/q ln8
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IT/2
Q2
VBE1 = (kT/q) ln( IT/2I0 )
VBE2 = (kT/q) ln( IT/16I0 )
IT/16
IT/16
VBE2
IT/2
R = 358 
VBE1 -VBE2 =( kT/q) ln8
VBE1 -VBE2 = R . IT/2
(1)
(2)
VBE1
(1) = (2) :
IT =T ( 2 . k . ln8 / q . R )
soit IT/T = 1 A/K
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LM 135 (National Semiconductor) : source de tension fonction de la température
?
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LM 135 (National Semiconductor) : source de tension fonction de la température
Valim
VBE1 = (kT/q) ln( I/I0 )
VBE2 = (kT/q) ln( I/10I0 )
R1 = R2 = 25 R
VT = Vmesure
I
I
VBE = VBE1 -VBE2 = ( kT/q ) ln10
R3
R3
VBE = 0.2 T
R2
VBE en mV et T en degré K
Q1
R
Q2
VBE
D ’autre part :
VBE1
Q2 : 10 transistors en //
R1
VT / R2+R+R1 = VBE / R
VT = VBE (R2+R+R1 )/ R
VBE2
VT =  (51 R / R)
VT = (VT en mV , T en degré K)
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CAPTEURS DE
TEMPERATURE
SANS CONTACT
LES PYROCAPTEURS
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DEFINITION
La pyrométrie est une méthode de mesure de la température basée sur la
relation entre la température d’un corps et le rayonnement Infra Rouge
que ce corps émet (si T > O°K).
WIR = e . . T4
Pour mesurer la température on utilise alors des cristaux qui se chargent
électriquement en fonction du rayonnement thermique IR reçu :
matériaux pyroélectriques (ex : la tourmaline)
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AVANTAGES
Mesure de la température sans contact
•Températures très élevées (>2000°C)
•Mesure à grande distance
•Environnement très agressif (acide, corrosif,……)
ou difficilement accessible
•Pièces en mouvement
•Agroalimentaire : contrôle de T de surface des produits frais en cours de
fabrication, transport, distribution, stockage
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