Titre de la séquence : Capteur de température

Niveau : Seconde professionnelle – Adaptable CAP

Capacités et connaissances :

Liens avec le cycle 4 :

- Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique

répondant à un cahier des charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité.

- Exploiter les lois de l’électricité : Relation tension-courant : loi d’Ohm

Capacités Connaissances

Mesurer des températures. Connaître différents types de thermomètres et

Choisir et utiliser un capteur de température. leur principe de fonctionnement (thermomètre

à résistance – thermosonde à résistance de

Pt (Pt100) – thermocouple, thermomètres à

infrarouge, thermomètre à cristaux liquides).

Identifier les grandeurs d’entrée et de sortie

Connaître la relation entre U et I pour des

systèmes à comportement de type ohmique.

Enoncé de la situation problème

Un voyant s’allume sur le tableau de bord d’un conducteur alors qu’il n’a effectué que quelques kilomètres :

Le conducteur s’arrête et consulte une documentation automobile :

Arrêtez impérativement votre véhicule dans les meilleures conditions de sécurité.

Causes possibles :

1. Température excessive du liquide de refroidissement du moteur (supérieure à 100 °C) 2. Allumage intempestif du voyant. Si le capteur de température est défectueux, il envoie une

information faussée de température.

Le conducteur s’inquiète car dans le premier cas le coût de la réparation peut dépasser 1 000 €, contre un coût

moyen de 60 € dans le deuxième cas.

Pourquoi ce voyant rouge est-il apparu ?

Ressource pour l'élève :

Document 1 : Capteur de température du liquide de refroidissement du moteur

Situé près du moteur, c’est une thermistance reliée électriquement

au calculateur du véhicule. Celui-ci transmet ensuite les informations

de température au tableau de bord.

Document 2 :Thermistance

Une thermistance est un composant dont la valeur de la résistance varie avec la température (°C)

L’abréviation « CTN » (Coefficient de Température Négatif) signale que la résistance diminue quand la température

augmente.

L’abréviation « CTP » (Coefficient de Température Positif) signale que la résistance augmente quand la

température augmente.

Document 3 :Données constructeur. Résistance du capteur en fonction de la température.

Intervalles de tolérance du capteur en état de fonctionnement normal :

http://www.bosch-motorsport.de/content/downloads/Raceparts/en-GB/53687307119081483.html#/Tabs=53698955/

Partie 1 : Pourquoi ce voyant rouge est-il apparu ?

Compétences S’approprier Analyser/Raisonner Réaliser Valider Communiquer

Questions 1-2-3 4 5 6-7 6-7

1. A partir de l’énoncé de la problématique, laquelle des causes 1 ou 2 vous semble plutôt à envisager ici ?

2. Indiquer en justifiant, à l’aide des documents 2 et 3, si le capteur du véhicule est de type CTN ou CTP.

3. Relever sur les données du constructeur l’intervalle des valeurs de la résistance pour :

a) Une température de 20°C

b) Une température de 80°C

4. Proposer un protocole expérimental permettant de contrôler les valeurs de résistance du capteur par

rapport aux données constructeur.

Matériel à disposition : Un capteur simulant le capteur du véhicule - Un multimètre avec connectique - Un dispositif de

chauffage –un thermomètre -

5. Réaliser les mesures nécessaires. Relever les résultats obtenus. Les écrire également sur le tableau de

partage pour votre numéro de poste.

6. Rédiger une conclusion sur l’état du capteur de température.

7. Répondre à la problématique de départ : quelle est la cause de l’apparition du voyant ? Votre proposition de

la question 1 est-elle vérifiée ?

SYNTHESE / TRACE ECRITE :

Un capteur de température est un objet dont l'une de ses grandeurs physiques (volume, résistance électrique…) réagit à la

température à laquelle il est soumis.

La thermistance CTN est un exemple de capteur, utilisé par exempledans un véhicule automobile.

8. Indiquer dans le cas de la thermistance CTN, la grandeur physique d’entrée (la grandeur qu’on veut mesurer) ainsi que son unité.

9. Indiquer sa grandeur physique de sortie (utilisable et mesurable en sortie de capteur) ainsi que son unité.

Partie 2: Variabilité des mesures

10. Observer les résultats du tableau de partage. Commenter brièvement les résultats obtenus par la classe.

11. Déterminer l'écart entre les valeurs maximales et minimales (l’étendue) obtenues à ces deux températures. Comparer ces deux valeurs.

12. Citer quelques motifs pouvant expliquer les écarts obtenus entre les élèves. Partie 3 : Approfondissement sur les différents types de capteurs.

13. Relever à l’aide du document ci-dessous (ou du document numérique), trois autres types de capteur de température.

14. Identifier l’inconvénient des capteurs CTN.

15. A l’aide de l’échelle des températures, expliquer pourquoi ce n’est pas un problème dans le cas du moteur automobile.

Partie 4 : Conditionnement du capteur

Le but du conditionnement du capteur est de réaliser un montage permettant de délivrer une tension électrique UCap (V)

augmentant avec la température θ(°C).

A. Étude d’une résistance

Étude de l’intensité qui traverse une résistance en fonction de la tension entre ses bornes.

3.1. À partir du circuit schématisé ci-contre, faire l’inventaire du matériel dont vous avez

besoin pour réaliser le circuit électrique.

3.2. Réaliser le circuit schématisé ci-contre. (Indiquer sur le circuit les bornes des appareils de mesure ainsi que le sens du

courant)

3.3. Faire vérifier votre montage et devant votre professeur réaliser les deux premières mesures de l’étape

suivante.

3.4. Faire varier la tension aux bornes de la résistance et relever la valeur ainsi de l’intensité du courant qui la traverse.

UR (en volt) 0 1 2 4 4,5 5 6

IR (en ampère) 0

3.5. Calculer le rapport

3.6. Mesurer la valeur de la résistance à l’ohmmètre : R = ……………………..

3.7. Comparer R et les valeurs de

3.8. Conclure en donnant une relation mathématique entre UR, IR et R :

Cette relation s’appelle la loi d’Ohm. Elle permet de relier, pour une résistance la valeur de la tension aux bornes de la

résistance avec le courant qui la traverse.

UR =

B. Réglage du conditionnement pour le capteur de température

Un montage électronique dit « comparateur » permet de comparer des tensions

d’entrée V+ et V

-. C’est un montage composé d’un amplificateur opérationnel.

Quand V+>V

- alors la tension de sortie Vs (Niveau Haut)

Quand V+<V

- alors la tension de sortie Vs (Niveau Bas)

La tension délivrée par le générateur est la tension seuil de déclenchement.

À la sortie on place comme témoin lumineux une DEL (diode électroluminescente) comme

témoin lumineux. Elle est montée en série avec une résistance pour limiter son courant et la

protéger.

On branche en série une résistance de R=1kΩavec la thermistance. Cette branche est alimentée par une tension de 5V dans le

circuit électrique de la voiture.

3.9. Rappeler la loi des mailles pour ce circuit électrique.

3.10. Déterminer la résistance totale pour le circuit si la thermistance est à une

température de 92°C.

On donne RT = R + RCTN où RT est la résistance totale de la maille,

R est égale 1kΩ

RCTN est la résistance de la thermistance pour92°C

3.11. En appliquant la loi d’Ohm, déterminer l’intensité I qui circule dans le circuit.

3.12. En déduire la tension V+ en utilisant une nouvelle fois la loi d’Ohm.

3.13. Vérifier expérimentalement votre résultat.

3.14. En déduire la valeur de la tension V- du générateur qu’il faut fixer pour permettre l’allumage de la DEL lorsque la

température θ≥92°C.

3.15. Compléter le montage proposé par l’enseignant en ajoutant la partie du circuit comportant la D.E.L.

3.16. Faire vérifier votre montage et réaliser l’expérience.

Ranger le matériel

À RETENIR :

Loi d’ohm :

U = 5V

V+

VCTN

Élément pour le professeur :

Intentions :

- L’activité ne nécessite aucun pré-requis dans le domaine de la maintenance automobile.

Elle peut être réalisée quelque soit la filière même si elle est peut être exploitée comme situation de co-intervention

en maintenance automobile.

- La première partie doit permettre à l’élève de répondre à la problématique par une démarche scientifique

- La partie expérimentale nécessite une thermistance. N’importe quelle thermistance peut être utilisée : si les

mesures ne sont pas en accord avec les valeurs constructeur (ce qui est attendu), la conclusion sera que le

capteur du véhicule est défectueux.

- Les parties 2 et 3 constituent un prolongement de la partie 1

- La partie 4 peut être traitée indépendamment et permet notamment de mettre en œuvre des capacités du

module transversal « Electricité ». La partie 4.B plus complexe est optionnelle et fonction du niveau et des

filières.

L’activité est conforme aux nouveaux programmes de physique-chimie et notamment à son préambule :

- La partie 2 met en œuvre des capacités mathématiques et induit un questionnement de l’élève sur la

variabilité de mesure.

- Un tableau de partage peut être utilisé pour la saisie des résultats des élèves à l’aide des tablettes

numériques. A défaut, un tableau de résultats projeté au tableau fera l’affaire..

- Le bilan sur les grandeurs d’entrée et de sortie du capteur permettra de formaliser la notion de capteur.

- Les réponses des élèves pourront être rédigées sous forme de compte-rendu pour la première partie.

- La problématique prend tout son sens pour des élèves en maintenance automobile.

- La première partie peut être introduite oralement avec les élèves, notamment dans la compréhension de la

problématique et des documents ressources.

- La partie expérimentale peut être réalisée en autonomie et par groupe

- La partie 2 nécessite la mise en commun des résultats, source de motivation pour les élèves.

Documents annexes enseignant:

- Exemple de tableau de partage des résultats :

Capteur et chaîne de mesure de la température dans un véhicule automobile