Capteur de temprature

Ralis par :Hassan EnnajiYouness El Halouki

Universit Hassan II-Mohammedia CasablancaFacult des sciences Ben Msik Dpartement de PhysiqueMaster spcialis Modlisation, Simulation et Instrumentation (MSI)Anne universitaire 2013-2014

Capteur de tempratureAnne universitaire 2013 - 20141IntroductionLes chelles de tempratureLes capteurs de tempratureThermomtre rsistanceThermocoupleCapteurs lectroniquesPrcautionsConclusion : Application

2/13/20142Le Plan :I. Introduction2/13/20143II. Les chelles de temprature2/13/20144

chelles employes :KelvinCelsiusRankineFahrenheitT( Celsius) = T(kelvin) -273,15 2/13/20145

III. LES CAPTEURS DE TEMPRATURE

CapteurTempratureTension62/13/2014666 IV. Thermomtre rsistance

Rsistances mtalliques

Thermistances

7

2/13/2014771. Rsistances mtalliquesLorsque la temprature varie on a :

R = R0(1 + a + b 2 + c 3 + )

plus connue pour nous comme :

R = R0(1 + a )

avec : la temprature en C ; R0 la rsistance 0 C ; a, b et c des coefficients positifs, spcifiques au mtalRelation linaire82/13/201488La sonde Pt100 est une sonde platine qui a une rsistance de 100 Ohms pour une temprature de 0 C

92/13/201499

Rsistance dune Pt100 100C ?R=100.1,392=139.2 Rponse :2/13/2014102. THERMISTANCE Une thermistance est un agglomrat d'oxydes mtalliques fritts, c'est--dire rendus compacts par haute pression exerce temprature leve, de l'ordre de 150 bars et 1000 C

112/13/2014111111La loi de variation est de la forme

a: constante caractristique du matriau b:(en K) indice de sensibilit thermique

Ils sont des paramtres donns par le constructeur.122/13/20141212

2/13/201413V. Thermocouple2/13/201414

2/13/20141-leffet PELTIER :

la jonction de deux conducteurs A et B diffrents, dans la mme temprature, stablit une d.d.p qui ne dpend que de A, B et de T, cest la f.e.m Peltier

Proprit (Loi de VOLTA)Ce phnomne est en relation avec les trois effets thermolectriques dans les mtaux:

1. Explication du phnomne :152/13/20142) leffet THOMSON :

entre deux points M et N, tempratures diffrentes, lintrieur dun conducteur homogne stablit une f.e.m TA qui dpend de la nature du conducteur et des temprature de M et N, cest la f.e.m Thomson.

TAC'est la force lectromotrice de Thomson hA coefficient de Thomson du conducteur A est une fonction de la temprature.

162/13/20143 . leffet SEEBECK :Un circuit ferm, constitu de deux conducteurs A et B dont les jonctions sont des tempratures q1 et q2, constitue un couple thermolectrique. Ce couple est le sige d'une force lectromotrice dite de Seebeck qui rsulte des effets de Peltier et de Thomson qui s'y produisent

Lois de composition172/13/2014Cbles de compensation

On utilise les cbles de compensation dans deux cas :Lorsque les mtaux formant le couple sont d'un prix trs lev (mtaux prcieux)Lorsque la distance entre la prise de temprature et la jonction de rfrence est grande .

Condition obligatoire182/13/201419

2. Constitution d'un thermocouple industrielLes matriaux thermolectriques,la gaine et lisolant,la soudure chaude,le cble dextension et le type de raccord ou de connecteur qui permettent de relier le thermocouple lappareil de mesure

Jonction de mesure

Jonction de rfrence

2/13/201420Soudure chaude

Jonction de l'ensemble thermocouple soumis la temprature mesurer: c'est la jonction Capteur.Soudure froideJonction de l'ensemble thermocouple maintenu une temprature connue ou 0 C: c'est la jonction Rfrence.3. Principe :

l'effet Thermolectrique.

Tous les mtaux dissemblables prsentent cet effet.2/13/201421

T= aTa: le coefficient de Seebeck4. Mesurer la tension produite par un thermocouple

Connexion sur un voltmtreConnectons un thermocouple Cuivre/Constantan (Type T)sur les bornes d'un voltmtre et, aprs calcul d'aprs =38,75V/C, nous trouvons une valeur de temprature qui n'a rien voir avec l'ambiance dans laquelle se trouve le thermocouple. Nous avons commis des erreurs ou des oublis

2/13/201422

la tension rsultante mesure par le voltmtre est gale V1- V2, c..d proportionnelle ladiffrencede temprature entre J1et J2.

Nous ne pourrons trouver la temprature de J1que si nous connaissons celle de J22/13/201423Rfrence de la jonction externeLe schma une rfrence 0C sur J2

La lecture du voltmtre devient:V = V1-V2= (tJ1- tJ2)= [(tJ1+ 273,15) - (tJ2+ 273,15)] = (TJ1- TJ2) = (TJ1- 0)= TJ1Le point de fusion de la glace est utilis par les organismes de normalisation comme point de rfrence fondamental pour leurs tables de tension de thermocouple. Ainsi, la lecture de ces tables, nous pourrons convertir directement la tension V1en temprature TJ1.Nous aurons : V=(TJ1- TREF)Et avec un autre type de thermocouple ?

Le voltmtre indiquera une tension V =V1Car V3et V4sont identiques, puisqu'elles sont en opposition ; c'est--dire J3et J4 la mme temprature.

S'affranchir du problme des bornes du voltmtre

Nous aurons toujours: V=(TJ1- TREF)2/13/201424liminer le bain de glace fondante

Nous aurons toujours: V=(TJ1- TREF)Ce nouveau circuit prsente, quand mme, l'inconvnient de demander la connexion de deux thermocouples.

loi des mtaux intermdiaires.Cette loiempiriquestipule qu'un troisime mtal (en l'occurrence du Fer) insr entre les deux mtaux diffrents d'un thermocouple n'a aucune influence sur la tension gnre condition que les deux jonctions formes par le mtal additionnel soient la mme temprature.2/13/201425Nous en arrivons donc au circuit quivalent ci-dessous dans lequel nos deux jonctions J3et J4deviennent laJonction de Rfrenceet, pour lequel, la relation: V=(TJ1- TREF) est toujours vrifie.

Pour en arriver un circuit simple, facile mettre en uvre, fiable et performant. il nous faut connatre, avec prcision, la temprature TREFdu bloc de jonction isothermique pour appliquer la relation: V=(TJ1- TREF) et ainsi pouvoir calculer la temprature de la jonction J1, ce qui est toujours notre objectif.2/13/2014265. Mesurer la temprature de TREF

Il nous faut donc valuer la temprature du bloc isothermique, ce qui sera effectu l'aide du dispositif RT. l'aide d'un multimtre, nous pourrons:1 - Mesurer RTpour calculer TREF2 - Convertir TREFen tension quivalente de jonction VREF3 - Mesurer V et y ajouter VREFpour trouver V14 - Convertir V1en temprature TJ12/13/2014275.1 Compensation logicielle (Software Compensation)Le dtecteur de temprature du bloc isothermique peut tre n'importe quel dispositif qui comporte une caractristique proportionnelle la temprature absolue:une RTD une Thermistance ou un capteur intgr.6. Compensation de temprature 5.2Compensation matrielle (Hardware Compensation)Plutt que de mesurer la temprature de la jonction de rfrence puis d'effectuer des calculs pour raliser une compensation logicielle, nous pouvons insrer un dispositif, du genre pile lectrique, pour annuler la tension de dcalage. L'association de cette compensation matrielle et de la jonction de rfrence sera alors quivalente une jonction maintenue zro degr.

La compensation logicielle est polyvalente et trs facilement adaptable n'importe quel type de thermocouple ; de plus, elle permet une excellentelinarisationdes relations tension/temprature pour tous les types de thermocouple.Rfrence 0C lectronique.2/13/2014287. Convertir la tension en temprature

7.1 Calcul partir des tablesAprs avoir lu la valeur de la tensionV, par exemple8,35687mV, avec un thermocouple de type K (Chromel/Alumel), regardons dans la table ITS-90:Table ITS-90 pour Thermocouple de Type K Tension thermolectrique en mVC0123456789101907.7397.7797.8197.8597.8997.9397.9798.0198.0598.0998.1382008.1388.1788.2188.2588.2988.3388.3788.4188.4588.4998.5392108.5398.5798.6198.6598.6998.7398.7798.8198.8608.9008.940

La temprature est donc de 205,471 C2/13/2014297.2 Calcul par quation polynomiale

T90= Temprature en Cx = Tension thermolectrique en mVc = Coefficients polynomiauxn = Ordre maximum de l'quation polynomialeExemple de coefficients pour les thermocouples de type KTemprature (C)-200 00 500500 1372Tension (mV)-5.891 0.0000.000 20.64420.644 54.886c000.000000E+00-1.318058E+02c12.5173462E+012.508355E+014.830222E+01c2-1.1662878E+007.860106E-02-1.646031E+00c3-1.0833638E+00-2.503131E-015.464731E-02c4-8.9773540E-018.315270E-02-9.650715E-04c5-3.7342377E-01-1.228034E-028.802193E-06c6-8.6632643E-029.804036E-04-3.110810E-08c7-1.0450598E-02-4.413030E-050c8-5.1920577E-041.057734E-060c90-1.052755E-080Erreur (C)-0.02 0.04-0.05 0.04-0.05 0.06Les coefficients des autres types de thermocouples sont indiqus la fin des tables ITS-90 en annexes

2/13/2014302/13/201431 base de mtaux usuelsType EType JType KType NType T base de mtaux noblesType RType SType B base de mtaux rfractairesType C (Ou W5)Type G (Ou W4)Type D (Ou W3)Les Types des thermocouples 1. Types de thermocouples les plus courantsThermocouples tendue de temprature E en (mV)Cuivre/ConstantanType T(diamtre: 1,63mm) -270C370C -6,25819,027 Fer/ConstantanType J(diamtre: 3,25mm) -210C 800C -8,09645,498 Chromel/AlumelType K(diamtre: 3,25mm) -270C 1250C -5,35450,633 Chromel/ConstantanType E(diamtre3,25mm) -270C870C -9,83566,473 Platine rhodi(10%)/PlatineType S(diamtre: 0,51mm) -50C1500C -0,23615,576 Platine rhodi(13%)/platineType R(diamtre: 0,51mm) -50C1500C -0,22617,445 Platine rhodi(30%)/Platine rhodi(6%)Type B(diamtre: 0,51mm) 0C1700C 012,426 322/13/20142/13/201433On tient compte de l ettendue de la temprature de mesure mais galement de l'action corrosive du milieu ambiant (atmosphre oxydante, rductive, sulfureuse, etc...) sur les constituants du couple2. UtilisationChromel (nickel+chrome ) avec des % bien dfiniConstantan (nickel+cuivre)Alumel(Nickel+Aluminium + Silicium)

2/13/201434Thermocouple la FEM la plus levAvantages : Larges gammes de temprature : de O 1 600 K rsistent aux chocs et aux vibrations Rponse rapide Fiables Reproductibles

Inconvnients : Temprature de rfrence ncessaire Rponse non linaire Faible sensibilit pour certains types de thermocouples2/13/201435Lesthermocouplesoucouples thermolectriques(CTE) Leur principal dfaut est leur imprcision: il est relativement difficile d'obtenir des mesures avec une prcision infrieure 0,1C-0,2C. Les Avantages et les Inconvnients du thermocouple VI. Capteurs lectroniques Diodes, Diodes zener

2/13/2014361. Capteurs lectroniques : Diodes

2/13/2014372. Capteurs lectroniques : Zener

2/13/201438VII. Prcautionsa) Pour les thermistances La recherche d'une bonne sensibilit de mesure conduit

faire traverser la rsistance thermomtrique

par un courant relativement important. C'est pourquoi les courants de mesure sont

gnralement de l'ordre du mA

et rarement suprieurs 10 mA chaleur2/13/201439b) Pour les rsistances mtalliquesPour une grande longueur, les rsistances des fils de connections de la

sonde au systme de mesure ne sont plus ngligeables.

2/13/201440

2/13/201441Prcautions2/13/201442c) Pour les thermocouples : Le thermocouple est un gnrateur de tension. La sortie dun thermocouple sera donc relie un transmetteur ou un systme de mesure ayant une impdance dentre suffisamment grande.

( ex: AOP en montage adaptateur dimpdance.)

VIII. Conclusion 2/13/201443 Signal dentre programmable : Pt100; TC; Signal de sortie : Courant 4/20 mA linaris- En botier polyamide montage sur rail DIN

Applications

2/13/201444

chauffage lectrique, Pharmacie-mdical Plasturgie Chimie-Ptrochimie Energie Environnement Mtallurgie-sidrurgie Agro-alimentaire Btiment-travaux Publics Aronautique Automobile452/13/20144545Contrle de qualit en ligneExtrusion de plastique: la thermographie permet de visualiser les inhomognits du produit et d'ajuster les paramtres du procd en consquence.

2/13/201446Niveau dun liquide

2/13/201447Type C (Ou W5)Composition:tungstne-rhnium(5%) / tungstne-rhnium (26%)Usage de20C2300C.Type G (Ou W4)Composition: tungstne / tungstne-rhnium (26%)Usage de0C2600C.Type D (Ou W3)Composition: tungstne-rhnium (3%) / tungstne-rhnium (25%)Usage de0C2600C.

Caractriss :FEM leve et linaire haute temprature. Ne convient pas pour des mesure en dessous de400C.Prix lev, difficile fabriquer, fragile.Utilisation sous atmosphre inerte. Dconseill en milieu oxydant.Non normalis.

472/13/201448Merci de votre attention48MtalRsistivit 0 CPoint de fusionDomaine d'emploiR100/R0

(.cmCC

Cuivre71083-190 +1501,427

Nickel6,381453-60 +1801,672

Platine9,811769-250 +11001,392

Indium9153-269 +27

-

+

S1

R1

US1

(

E1

UE1

I

ID

UD

2fils,

Il na pas de compensation de la rsistance des fils.

Utilisation pour de faible longueur

3 fils,

Le systme de mesure possde une compensation interne.

Utilisation pour de moyenne longueur

4 fils.

Le systme de mesure possde une compensation interne encore plus prcise.

Utilisation pour de grande longueur

_1032761841.unknown

_1032761900.unknown

_1032761831.unknown