Chp II- Les Capteurs de Temperature

8/17/2019 Chp II- Les Capteurs de Temperature

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N.sefiani Chp II - Les capteurs detempérature

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Chapitre IILes capteurs de Température




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Plan du cours

IntroductionI - Les différentes unités de températureII - Thermomètres à dilatation

III - Thermomètres électriquesIV - Les thermomètres optiquesV - Les thermomètres a rayonnementVI - Exercices




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Introduction

La notion de température nousapparaît avec celle La sensation dechaud et de froid. Les premiers «thermoscopes » étaient d’ailleursgradués en domaines « très chaud,chaud, tempéré, froid, très froid »




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Introduction

La température est une grandeur intensive,

c’est-à-dire ne dépend pas de la quantité de matière.

Autrement dit, la réunion de deux corps à la même température

dans une enceinte climatique isolée forme un corps à la même

température. L’addition de deux températures, en cela, n’a pas

de sens.

Si G(S1) = G(S2) alors G(S1 U S2) = G(S1) = G(S2)




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Introduction

La température est une grandeur repérable et nondirectement mesurable, qui peut être mesurée :

Au niveau macroscopique, certaines propriétés des corpsdépendant de la température (volume massique, résistivitéélectrique, etc...) peuvent être choisies pour construire deséchelles de température.




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I- Les différentes unités de température

1 – Recherche de points fixes en température

On cherchera évidemment a comparer les températures a des

situations de référence sìl en existe.




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1 – Recherche de points f ixes en température

Fahrenheit décida de fixer le zéro de son échelle comme étantla plus basse température qu'il ait mesurée durant le rude

hiver de 1708 à 1709 dans sa ville natale de Danzig. Plustard, en laboratoire, il a atteint cette température lors de lasolidification d'un mélange d'un volume égal de chlorured'ammonium et d'eau. Il fixa la valeur à 96 degrés (96valant 12 × 8) comme la température du sang (il utilisa uncheval pour ses premiers calibrages). Tout d'abord, son

échelle n'avait que 12 divisions, mais plus tard, il subdivisachaque division en 8 degrés égaux, d'où la valeur de96 degrés pour le haut de son échelle.




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1 – Recherche de points f ixes en température

Après En 1741, Celsius fait construire un thermomètre enréférence aux températures d'ébullition et de congélationde l'eau, gradué également en échelle descendante de 0 à100 parties égales. Et quìl considérait comme pluscommode dèmploi, plus logique et plus scientifique.




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2 – Définition dùne échelle des températures

Les valeurs respectives de la grandeur thermométrique étaient x 1 et x 2 (la dilatation). On a adoptéune loi l inéaire entre la

température T et la grandeur thermométr ique x : x =aT+b Pour Celsius

Les points de référence étaient T 1 = 0o C et T 2 =100

o C

Donc T( o C) =100 (x-x 1 )/ (x 2 -x 1 )

Pour FahrenheitLes points de référence étaient T` 1 = 0

o F et T` 2 =96o F

Donc T( o F) =96 (x`-x` 1 )/ (x 2 -x` 1 )




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3 – Échelle absolu des températures

Des propriétés l imites des gaz dites propriétés des gaz

parfait, on définit des échelles de température dont lezéro est défini de manière absolue et non arbitraire




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a - Échelle kelvinL’unité de la grandeur physique fondamentale connue sous le

nom de température thermodynamique, est le kelvin,symbole K. Elle est définie comme étant la fraction 1/273,16de la température thermodynamique du point triple de l’eau.




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b – Échelle Rankine

L 'échelle Rankine ( ° R) n' est que la transposition en degré

Fahrenheit de l'échelle des températures absolues Kelvin,nommée ainsi en l 'honneur d'un pionnier de lathermodynamique : Wil l iam John Macquorn Rankine (1820- 1872). Le ° R est égal à la température en ° F + 459,67.




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c – Échelle dérivées des échelles thermodynamiques kelvin degré Celsius:

kelvin degré fahrenheit:

degré Celsius degré fahrenheit:




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c – Échelle dérivées des échelles thermodynamiques

Conversion

Le tableau ci-dessous résume les formules permettant de converti rune température entre les dif férentes échelles




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3 – Échelle absolu des températures c – Échelle dérivées des échelles thermodynamiques

Comparaison des échelles de température




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II - Thermomètres à dilatation

1 - Thermomètres à dilatation de liquideDans ces appareils le principe utilisé est la dilatation

apparente d'un liquide dans son enveloppe.

Le liquide est contenu dans un réservoir surmontéd'un tube fin (capillaire) qui sert à la lecture de ladilatation. En outre, le tube capillaire comportesouvent dans sa partie supérieure un

réservoir de garde afin de permettre une dilatationdu liquide au-delà de la valeur autorisée.

Le volume du réservoir et la section du capillairedépendent de la sensibilité souhaitée.

La graduation est généralement gravée surl'enveloppe extérieure.




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II - Thermomètres à dilatation1 - Thermomètres à dilatation de liquide

Domaines d'utilisation

Corrections à apporter :La dilatation de l'enveloppe, difficile à apprécier

totalement ;L'erreur de parallaxe dans la lecture ;

L'erreur due à la colonne émergente qui n'est pas à latempérature du bain étudié.




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II - Thermomètres à dilatationCorrections à apporter

L'erreur de parallaxe dans la lecture ;

L'erreur due à la colonne émergente

qui n'est pas à la température du bain étudié.

La dilatation de l'enveloppe, difficile à appréciertotalement ;




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Corrections à apporter :L'erreur due à la colonne émergente qui n'est pas à la

température du bain étudié.

On démontre que la température corrigée θ c est donnée par la formule :θ c= θ l + nα (θ l – θ e)

avec θ l température lue,θ e température moyenne de colonne émergente,

n nombre de degrés du thermomètre, qui émergent,

α coefficient de dilatation volumique apparente duliquide thermométrique dans le verre




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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 V= volume a la température T en °CV0 = volume à 0°CT = températurea = coefficient variant suivant le liquide

Par exemples:

Acétone = 1,324 x 10-3

/ °CBenzène = 1,176 x 10-3/ °C

Toluène = 1,028 x 10-3/ °C




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2 - Thermomètres à dilatation de gazOn étudie la variation de pression du gaz à volume constant

quand on impose des variations de température.




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II - Thermomètres à dilatation2 - Thermomètres à dilatation de gaz

L`élément sensible est placé dans un milieu a unetempérature T. Pour repérer cette température on a unerelation linéaire entre la pression et la température

P=P0(1+βT)

Avec β une constanteP0 pression a T0= 0 °C




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3 - Thermomètres à dilatation des solides

Le Bilame:Un bilame est formé de deux lames ayant un coefficient dedilatation différents. Les deux lames sont soudés et laminésensemble. Sous l'effet de la température le bilame s'incurve,la déflexion dépend de la température.

Application : principe du thermostat




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3 - Thermomètres à dilatation des solidesPour 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 initialeλ = Coefficient de dilatation suivant le métal




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III - Thermomètres électriques

1 - Thermomètres à résistance et à thermistanceLe 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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1 -a- Thermomètres à résistanceSi R0 est la résistance d'une pièce de platine à 0 ° C , alors à la

température θ (en degrés Celsius), un modèle linéaire de larésistance de cette pièce donné :

– R = R 0 · (1 + αθ ) – avec α = 3.85·10-3 °C-1

Il existe également des modèles plus précis, comme ce modèled'ordre 3 :

- R θ = R 0 (1 + αθ + βθ 2

+ γ(θ − 100)θ 3 )

Avec α,β et γ sont des constantes a déterminer




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III - Thermomètres électriques1 -a- Thermomètres à résistance: Sonde à résistance de

platine



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1 -b- Thermomètres à thermistanceUne 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





1 -b- Thermomètres à thermistanceLa 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 températureaugmente.





3 – Les Thermomètres a Thermocouples

Lorsque deux fils composés de métaux différents sontraccordés à leurs extrémités et que l'une d'elles estchauffée, il se produit une circulation de courant continu

dans le circuit. C'est l'effet Thermoélectrique.






Ces appareils s'appuient sur la variation de la f.e.m. du couple

thermoélectrique Platine - Platine rhodié (à 10 %) dont la

soudure froide est maintenue à 273,15 K et la soudure chaude

est à la température à mesurer.

En général, la f.e.m. est de la forme :






Types de thermocouples les plus courants








IV - Les Thermomètres optiques

Comme nous l'avons spécifié précédemment,la couleur des métaux en fusion changeavec la température; le thermomètreoptique mesure la température d'un métalen comparant la couleur de ce métal à celle

d'un fil chauffé. Le courant dans le filchauffé devient une indication de latempérature du métal.

Ces appareils aussi sont très dispendieux et en

développement en ce moment. La gammede mesure est très haute, soit de +200

C à+2500

C.




IV - Les Thermomètres optiques

Basée sur la relation entre la température d’un corpset le rayonnement optique émis par ce corps

Pyrometre a radiation total

il exploitent directement la loi de Stefan-

Boltzmann (E = ε

· σ

· T 4

)

Pyrometre monochromatique a disparition total




V - Les Thermomètres à rayonnementLe principe de fonctionnement des thermomètres à rayonnement,

découlant de la pyrométrie, est le suivant. Les corps émettent del'énergie sous forme radiante lorsqu'ils sont chauds. La quantitéd'énergie irradiée est proportionnelle à la température de ces corps

Ces appareils sont peu précis. Ils peuvent effectuer des mesures jusqu'à50 mètres de distance avec une précision inférieure respectable. Lagamme de mesure est très haute, soit de +200

C à +2500

C.



VI -Conditionnement et Electronique de mesure




VI -Conditionnement et Electronique de mesureCapteurs actifs Capteur source de tension (exemple : thermocouple)





VI Conditionnement et Electronique de mesureCapteurs passifs Capteur résistif (exemple : sonde température PT100)




VI Conditionnement et Electronique de mesureCapteurs passifs Capteur résistif (exemple : sonde température PT100)

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