capteurs de température

Les capteurs de température
1) Généralités
Les capteurs de température sont utilisés dans de nombreuses industries.
- chimie
- alimentation
- analyse et optimisation de fonctionnement (mooteur..;)
- gestion des bains de peinture, traitement des métaux....
- ....
Les capteurs de température sont classés en deux catégories principales
- les capteurs a contact : échange de chaleur entre le milieu et le capteur jusqu'à établissement de
l'équilibre thermique
- Pyromètres optiques (sans contact) : basés sur la relation entre la température d'un corps et son
rayonnement optique (infra-rouge ou visible)
2) Capteurs de température a contact
21) Equilibre thermique
La température mesurée est la température Tc du capteur qui dépend des échanges
d'énergie entre le capteur et le milieu étudié.
quantité de chaleur reçue par le capteur / unité de temps :
dQ
dTc
=C
dt
dt
C : capacité calorifique du capteur
!"#$%&'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.(&%($/01
quantité de chaleur transférée par le milieu au capteur / unité de temps :
dQ
= G(T1 − Tc )
G : conductance thermique entre le capteur et le milieu de
dt
"5$5@A8<A465B$84;$@CD65A4;$BD4EF<GH4;$45BE4$84$C6IB4HE$4
!
84$F<8<4H$4JB@E<4HE$/4J$K$84;$CLM84;$N4$CO554J<O51$O5$6$K$
température T1
! " #$
!& "# !"thermiques
## $ $ on a :
En négligeant les autres échanges
"%
dTc
C
= G(T1 − Tc )
dt
La solution de l'équation différentielle :
!6$;O8HB<O5$N4$8P@GH6B<O5$N<QQ@E45B<4884$K$$# $ "% $!# !" #%# #" '
Tc(t) = T1 − (T1 − T0 )e
−
t
τ
#
&
T0 : température initiale du capteur
%# #" !# !" ## # $$$$$(=$K$B4FI@E6BHE4$<5<B<684$NH$C6IB4HE
(C
(C
(R
(0
(R
=ST?/(R>(O1
(O
=ST?/(0>(O1
!
Capteurs de température!
B
(O
!
B
+65;$84$C6;$OH$<8$4J<;B4$N4;$@CD65A4;$BD4EF<GH
Page 1/7 $>$( 1
6U4C$84$F<8<4H$4JB@E<4HE$(C$B45N$U4E;$/(
0
R
234567884$(-)!,9."($:$6;<$:$0==0>0==?
22) Bilame
exemples :
- radiateurs électriques à thermostat mécanique
- réfrigérateurs
- systèmes de sécurité de moteurs électriques
23) Thermo-résistances
Principe : La résistance d'un matériau varie en fonction de sa température
⇒mesure de la température par mesure de résistance
Les lois de variation de résistances sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un
agglomérat d'oxyde métallique
1 dR
Sensibilité thermique :α =
R dT
231) Résistances métalliques
Principe : La résistivité d'un métal ou d'un alliage dépend de la température
ρ = ρ° (1 + α (T − T0 )
Dans une étendue de mesure dépendant de chaque métal
R = R0 (1 + AT + BT 2 + CT 3 )
R(0) : résistance à 0°C;
Capteurs de température!
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3 autres points de calibrage permettent de
connaître A, B, C
Exemple : La sonde Pt100 : sonde platine
de résistance 100 Ω à 0°C
Matière
Caractéristiques
Plage
Platine
Précis, stable, durable
Couteux
E.M : -200 °C, 650°C
Jusqu'à 1400°C en
fonction de l ʼenveloppe
Tungstène
Sensibilité thermique plus élevée que
pour le platine
Moins stable que le platine Meilleur
linéarité en haute température
E.M : -100 °C, 1400°C
Nickel
Sensibilité thermique la plus élevée
Résistivité élevé Faiblement Linéaire
Peu stable
E.M : -60 °C, 180 °
Cuivre
Linéaire
Faible résistivité => encombrant
Peu stable
E.M : -190 °C, 150 °
Avantages
Très précis
Simple à mettre en œuvre Peu être approché par une loi linéaire
Inconvénients
Sensible à l ʼauto-échauffement et à la variation des résistances de connexion
!"#$%&'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.(
CARACTERISTIQUES SONDE PT100
232) Thermistances
Caractéristiques :
- résistances à base d'oxydes métalliques
- faible encombrement
deux types de thermistances :
- à coefficient de température positif (PTC)
- à coefficient de température négatif (NTC)
Relation résistance-température des NTC :
R = R0 e
B
−
T
*I;<;B65L4
U6H<6B<J5$*I;<;B65L4$V(4EFIH6BOH4
*E
X> Y
(4EFIH6BOH4$W%
>
!"#
$"#
0>
%"&
R0 : résistance à 0°C
Avantages : temps de réponse rapide,
moins
&A65B6C4;$D$B4EF;$G4$HIFJ5;4$H6F<G4K$EJ<5;$L
chers
Inconvénients : loi non linéaire, diversité des caractéristiques dans les séries,
sensible à l' auto échauffement et à la95LJ5AI5<45B;$D$8J<$5J5$8<5I6<H4K$G<A4H;<BI$G4;$
variation des résistances de connexion
Capteurs de température!
L6H6LBIH<;B<NO4;$G65;$84;$;IH<4;K$;45;<P84$Q$8$R6
Page 3/7
ILM6OSS4E45B$4B$Q$86$A6H<6B<J5$G4;$HI;<;B65L4;
LJ554T<J5
'E<5H<J4$K$4LL4C$#44M4HN$/H6JC4IE;$6
%<EHI<C$L4EFOP$HG5;C<CIO$A4$A4IQ$HG5
23) Thermocouples
Principe : effet Seebeck (capteurs actifs)56CIE4$A<LLOE45C4$AG5C$84;$SG5HC<G5;$
Circuit fermé, constitué de deux conducteurs A et B de nature différente dont les jonctions
C4FJOE6CIE4;$(U$4C$(=$A<LLOE45C4;$!
sont à des températures T1 et T2 différentes
⇒ Le thermocouple est le siège d'une force électromotrice dite de Seebeck VAB
VAB dépend de la nature des deux conducteurs et des températures T1 et T2
84$;<VW4$AXI54$LGEH4$O84HCEGFGCE<H4$
(U
R
&
Y&R
Y&R$AOJ45A$A4$
HG5AIHC4IE;$4C
4C$(=
(=
234567884$(-)!,9."($:$6;<$:$=>>=?=>>
Les pouvoirs thermoélectriques des métaux et alliages (relation V =
f(T)) sont définis dans
!"#$%&'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.(&%($/012
des tables par rapport à un métal de référence (Pb ou Pt) et par rapport à 0°C
Par conséquent la relation force électromotrice/température de n'importe quel couple peut
être déterminée
!5<$ABCDB=E<$FG5EHBI95JFE=KC5<$L5<$HIF7CM$5F$799=7N5<$
- Généralement la température de référence est la température ambiante
/E597F=B6$O$P$Q/(22$<B6F$LIQ=6=<$L76<$L5<$F7R95<$A7E$E7AABEF$
- Si deux jonctions à la température T1 et T2! produisent une tension V2, et les
S$C6$HIF79$L5$EIQIE56J5$/'R$BC$'F2$5F$A7E$E7AABEF$S$1T%
températures T2 et T3 produisent une tension V1 alors avec T1 et T3 on a une tension
V3=V1+V2
!"
!"
'
$
%
&"
!#
%
&#
(
!#
!"
%
&*
)
O@$P$O>$U$O0
!#
Mais, en général la température ambiante est variable
Tc
TC
Ambiant
Ambiant
V0°C
= VAmbiant
+ V0°C
L'addition du termeV0°C
s'appelle la compensation de
!$!7$E597F=B6$QBEJ5$I95JFEBHBFE=J5VF5HAIE7FCE5$L5$
soudure froide.
6W=HABEF5$KC59$JBCA95$A5CF$XFE5$LIF5EH=6I5
Cables de compensation :
utilisés quand :
- les métaux du thermocouple sont chers
- la distance entre le milieu
dont on doit mesurer la température et la jonction de référence
345678995$(-)!,:."($;$7<=$;$>11>?>11@
est grande
Capteurs de température!
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?$95<$EJG7IL$BI$GM5NEDCDIF95$<D6G$CM5N<
?$97$B=<G76C5$56GN5$95$E=9=5I$BD6G$D6$BD=G$E5<IN5N$97$
G5EFJN7GIN5$5G$97$OD6CG=D6$B5$NJPJN56C5$5<G$QN76B5
%
!"
%)
!#
!&'(
E5<IN5
$
%I
$)
A' et B' sont les câbles de compensation
&R$5G$SR$<D6G$95<$CTA95<$B5$CDEF56<7G=D6$
A' et B' sont tels que :
%&'(")*#$+"$(",'"*&()*"$+"$%-.(&%($/012
- les jonction A/A' et B/B' sont à la même température T2
- les couples A'/B' et A/B ont la même force électromotrice entre Tref et T2
345678995$(-)!,:."($;$7<=$;$1>>1?1>>@
⇒ La force électromotrice dépend des matériaux A et B, de T1 et Tref
EXEMPLES DE THERMOCOUPLES
7DE5FG<$H5$E5IDJG7EFG5$K$<5I=@CL6HFCE5FG$M
C=D5
24) Semi-conducteurs
!7$E56<=L6$7FN$OLG65<$HF$<5I=@CL6HFCE5FG$/PLGI76E$F65$H=LH5$
Principe
LF$F6$EG76<=<ELG2$5E$95$CLFG76E$QF=$95$EG7R5G<5$HJD56H56E$H5$97$
La tension aux bornes du semi-conducteur (formant une diode ou un transistor) et le
E5IDJG7EFG5
courant
qui le traverse dépendent de la température
:
S
S
! !!""!"###$ $%& %
:
À courant constant I, la mesure de V est linéaire en fonction de la température
V=aT+b a dépend de l'élément sensible (a≈-2.5mV/°C)
FG76E$CL6<E76E$:U$97$I5<FG5$H5$S$5<E$9=6J7=G5$56$PL6CE=L6$H5$97$E5IDJG7EFG5
Avantages#
- simplicité - peu coûteux
7$HJD56H$H5$9XJ9JI56E$<56<=O95
SV7(WO
non linéarité faible
Défauts
- étendue de mesure limitée (-50°C-150°)
'&'$%& ($ $) *
3) Capteur de température sans contact
31) Introduction
La pyrométrie optique est une méthode de mesure de la température basée sur la relation
le rayonnement optique (infrarouge ou visible) que ce
76E7Y5<entre la température d'un corps et+JP7FE<
corps émet.
Détermination de la température@$JE56HF5$H5$I5<FG5$9=I=EJ5$/@[?\%@0[?\2
sans contact avec l'objet
@$<=ID9=C=EJ
Applications :
@$D5F$CLZE5FN
- mesure de température élevée (>2000°C);
- mesures à de grande distance
$6L6$9=6J7G=EJ$P7=O95
- environnement très agressif
- Localisation des
points chauds
345678995$(-)!,:."($;$7<=$;$>??>@>??A
- Pièce en mouvement
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32) Principe physique
Tout corps émet spontanément et en permanence un rayonnement électromagnétique
dont le spectre continu à une répartition énergétique fonction de la température
Les lois de cette émission sont établies pour le corps idéal, le corps noir.
Le corps noir : il est caractérisé par une absorption totale de tout rayonnement incident
2π hC 2
Eλ ,n (λ,T ) =
hC
5
λ kT
λ (e − 1)
h : Constante de Planck = 6.6256 10-34 W.s2
C : vitesse de la lumière = 2.998 108 m.s-1
k : constante de Boltzmann = 1.38054 10-23 W.s.K-1
Le corps réel : son rayonnement thermique se rapproche plus ou moins de celui du corps
noir suivant son pouvoir absorbant
L'émittance spectrale E(T) d'un corps réel :
Eλ (T ) = e(λ,T )Eλ n (T )
e(λ,T) : émissivité du corps réel à la longueur d'onde λ et à la température T. Elle est égale
à son coefficient d'absorption (loi de Kirchhoff). Elle est inférieure à 1 et dépend de la
nature du corps réel et de son état de surface. L'incertitude sur sa valeur est l'une des
principales sources d'erreurs potentielles en pyrométrie optique
Dans son trajet entre la cible et le détecteur, le rayonnement subit une atténuation liée à la
nature et à l'épaisseur des milieux traversés
Exemples :
- atténuation atmosphérique due à la vapeur d'eau, au CO2 et à l'O3
- dispositifs optiques liés au pyromètre optique
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4)Conclusion
)-<<+(=+(>+<;?@->A@+(+,(B!
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