Capteurs Temperature

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Chapitre IILes Capteurs de temprature

I Gnralits : La temprature nous renseigne sur la quantit de chaleur quun corps ou un environnement contient. Echelles de temprature Plusieurs chelles, parmi lesquelles: a) chelle relative en degr Celsius ( C)

Chapitre IILes Capteurs de tempratureI Gnralits : Echelles de temprature b) chelle absolue (K)

0 K: zro thermodynamique, 0 K est la plus basse temprature qui peut exister dans la nature. Elle correspond labsence de tout mouvement molculaire. K.T : nergie thermodynamique K : constante de BOLTZMAN T : temprature absolue en Kelvin

Chapitre IILes Capteurs de tempratureI Gnralits : Echelles de temprature lnergie thermique K.T est dfini par la quantit KT T= 0K K.T= 0 meV T=300K (27C) KT = 1/40 = 25 meV

On a T(K)= T (C) +273,15 et T (C)= T(K) 273,15

Chapitre IILes Capteurs de tempratureI Gnralits : Echelles de temprature c) chelle Fahrenheit (USA) (F) T (C) = (5/9)[T (F) - 32] T (F) = (9/5)[T (C)] + 32 0F = -17,77C ; 0C = 32F ; 100C = 212F ; 30C = 86F ; -40C=-40F

Chapitre IILes Capteurs de tempratureI Gnralits : Echelles de temprature c) chelle Fahrenheit (USA) (F)

Chapitre IILes Capteurs de tempratureI Gnralits : La technique de mesure de la temprature sappelle thermomtrie. On distingue plusieurs techniques parmi lesquelles :

Thermomtrie par thermocouple. Thermomtrie par rsistances. Thermomtrie par diodes et transistors. Thermomtrie par circuits spciaux

Chapitre IILes Capteurs de temprature

II. Thermomtrie par thermocouples : 2.1) Effet Seebeck : Dans un conducteur A, soumis un gradient de temprature constant, les porteurs libres (e-) se dplacent de la partie chaude vers la partie froide. Le champ lectrique E gnr grce ce gradient de temprature est : E = A. grad T A: pouvoir thermolectrique du conducteur A.

Question : Chercher la ddp aux bornes A et B dun conducteur soumis un gradient de temprature ?

Chapitre IILes Capteurs de temprature

II. Thermomtrie par thermocouples : Rponse: Le champ lectrique E drive dun potentiel et on a : E = -grad V. A. grad T= - grad V

Comme le conducteur est linique, on peut considrer que la variation de la temprature dans le mtal volue selon une seule dimension: A dT/dx = - dV/dx A dT = - dV

Donc :

dV = - A dT

Va Vb = A (T2 T1).

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.2 Thermocouple Un TC est form par deux fils mtalliques diffrents, souds au bout formant une jonction appele Jonction chaude, et servant mesurer indirectement une temprature inconnue Tc. Les deux autres bouts ( jonction froide) sont une temprature de rfrence connue Tref, et connects un millivoltmtre.

Calculer la force lectromotrice gnre E (V13 )suite un gradient de temprature :

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.2 Thermocouple Calcul de V13 : V13 = V1 V3 = (V1 V2) + (V2 - V3)= A ( Tc - Tref) + B ( Tref Tc) = (A - B) (Tc Tref) La force lectromotrice dun thermocouple est nulle si on a : A = B ( mme mtal) ou bien Tc = Tref ( Absence de gradient de temprature)

Chapitre IILes Capteurs de temprature

II. Thermomtrie par thermocouples : 2.2 Thermocouple Notation : On note : A /B = A - B la diffrence des pouvoirs thermolectriques du couple de conducteur (mtaux A,B ), ou tout simplement pouvoir thermolectrique du couple A,B. On note ETc/Tref la f.e.m donne par le couple (A,B), lorsque la jonction chaude est Tc, et la jonction froide est Tref : ETc/Tref = A /B (Tc Tref). Normalisation : - Les couples de mtaux formant le TC sont typs, exemple type K pour le couple Chromel/Alumel ( Voir feuilles jointes) - Les constructeurs des thermocouples dressent des tables de f.e.m dont la Tref est prise par convention gale 0 C.

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.2 Thermocouple

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples :

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.2 Thermocouple

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.2 Thermocouple Question: Comment lier les mesures Tref=Ta et celles du constructeur T=0C ?

Chapitre IILes Capteurs de temprature

II. Thermomtrie par thermocouples : 2.2 Thermocouple Question: Comment lier les mesures Tref=Ta et celles du constructeur T=0C ? Rponse: Relation : On pose T0=0C

et Ta : temperature ambiante.

On dmontre facilement la relation :

A/B (Tc T0) = A/B (Tc Ta) + A/B (Ta T0)

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.3) Liaison T.C avec appareil de mesure : a) fils de cuivre, lensemble est Tref

E = V15 = (V1 V2) + (V2 - V3) + (V3 V4) + (V4 V5) E = (A - B) (Tc Tref) = ETc/Tref = m (mesure souhaite ) Conclusion : Aucune influence

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.3) Liaison T.C avec appareil de mesure : b) Les connexions fils de cuivre et TC sont une temprature T0 : E = V15 = (V1 V2) + (V2 - V3) + (V3 V4) + (V4 V5) E = V15 = Cu ( T0 Tref ) + A ( Tc T0) + B ( T0-Tc)+ Cu (Tref-T0) E = V15 = ( A - B )( Tc T0) E = V15 = ( A - B )(Tc Tref + Tref T0) E = A/B (Tc Tref) + A/B (Tref T0) Conclusion : A/B (Tc Tref): cest la mesure souhaite. A/B (Tref T0): Erreur. Pour annuler lerreur, il faut que Tref = T0, ceci nous amne choisir un T.C de longueur plus importante. Vu le prix des mtaux utiliss, Cette solution est onreuse do la ncessit de rechercher une autre solution.

Chapitre IILes Capteurs de tempratureII. Thermomtrie par thermocouples : 2.4) Cble de compensation : E = V15 = A/B (Tc Tref) + (C/D - A/B) (Tref T0). A/B (Tc Tref) : cest la mesure souhaite. (C/D - A/B) (Tref T0) : Erreur. Daprs les donnes du problme: T0 est diffrente de Tref. Pour annuler lerreur il faut que C/D - A/B = 0 Solution pratique : Choisir un couple C,D de bon prix dont C/D = A/B Le cble ainsi choisi sappelle cble de compensation.

Chapitre IILes Capteurs de tempratureIII- Thermomtrie par Rsistance 3.1 Sensibilit thermique Elle existe deux types de rsistances thermomtriques: -Rsistances mtalliques -Rsistances base de semi-conducteurs La variation de la rsistance est fonction de la temprature, soit R(T)

La sensibilit thermique dune rsistance , au voisinage de la temprature T0 est dfinie par la relation: = 1/R(T0)(dR/dT) au voisinage de T = T0 elle sexprime en /C Exemples : Rsistance S.C .

Rsistance mtallique

Chapitre IILes Capteurs de tempratureIII- Thermomtrie par Rsistance 3.2 Rsistance mtallique La Loi de variation est de la forme: R(T) = Ro*(1+a*T+b*T2 +..) Ro est la rsistance T=0C, T est la temprature en C La plus clbre est la sonde en Platine Pt100 qui vaut 100 0C. La loi de variation est presque linaire et de la forme R(T)= 100* ( 1+0,004*T) , T en C -Tracer la courbe R(T) - Dterminer sa sensibilit thermique - Quel est son domaine dutilisation

Chapitre IILes Capteurs de tempratureIII- Thermomtrie par Rsistance 3.3 Rsistance semi-conducteur Forme par des mlanges doxydes de semi-conducteurs. La plus clbre est la thermistance , encore appele CTN (Coefficient de Temprature Ngatif) La Loi de variation est de la forme: R(T) = R(To)*exp(B*((1/T)-(1/To)) R en et T en K ( Kelvin) R(To) est la rsistance de la CTN T=To

-Tracer la courbe R(T) - Dterminer sa sensibilit thermique

Chapitre IILes Capteurs de tempratureIV- Thermomtrie par diode et transistor 4.1 Diode La tension aux bornes dune diode dpend de la temprature. La loi de variation est de la forme: Id = Is * ( exp( ( q*V)/(K*T)) 1) V = VA VK est la d.d.p entre lanode VA et la cathode VK q est la charge de llectron, K est la constante de Boltzmann, T est la temprature absolue , Is est le courant de saturation inverse. La sensibilit thermique dune diode est dfinie par S= dV/dT

Remarque: Un transistor peut tre converti en diode si lon relie sa base avec son collecteur.

Chapitre IILes Capteurs de tempratureIV- Thermomtrie par diode et transistor 4.2 Conditions dutilisation La diode est utilise en tant que capteur de temprature si lon ralise les deux conditions suivantes: -Diode polarise en direct. - Diode parcourue par un courant constant

Montage:

- Exprimentalement, on trouve que la sensibilit thermique dune diode est de -2mV/C. Inconvnient: Le courant de saturation inverse dpend de la temprature et peut causer des perturbations dans les mesures. Pour limiter son action, On prfre utiliser des montages base de transistors apparis.

Chapitre IILes Capteurs de tempratureIV- Thermomtrie par diode et transistor 4.3 Transistors apparis Deux transistors sont dits apparis sils ont les mmes caractristiques. En gnral, ils sont construits sur le mme substrat, dops de la mme manire, et ont les mmes dimensions. Par consquent, ils possdent le mme courant de saturation. Montage dutilisation:

Chapitre IILes Capteurs de tempratureIV- Thermomtrie par diode et transistor 4.3 Transistors apparis Les deux transistors sont aliments par des sources de courant. La tension de mesure est de type diffrentiel. Calculer la tension diffrentielle Vd

Chapitre IILes Capteurs de tempratureV- Thermomtrie par circuits spciaux 5.1 AD590 Cest un circuit intgr de la socit Analog Device, base sur la technique de transistors apparis. Il doit tre polaris entre 4V et 30V, et fournit un courant de 1A par Kelvin. La plage dutilisation ne pouvant pas dpasser 150C

- Schma quivalent

- Tracer I(T)

Chapitre IILes Capteurs de tempratureV- Thermomtrie par circuits spciaux 5.1 AD590 Montage Pratique: AD 590 en srie avec une rsistance de 1 K , alimente par une tension continue de 10V.

-Tracer V(T) entre lambiante et 100C

Chapitre IILes Capteurs de t