MESURE DE TEMPERATURE SUR PIECES EN MOUVEMENT

CETIM-lnformations – n°152
Epreuve d'A.D.S
TITRE.- Mesure de température sur pièces en mouvement
Travail suggéré au candidat :
Expliquez, commentez :
L’intérêt de mesure de température à distance ;
ET/OU Les différentes solutions détaillées ;
ET/OU LE capteur à effet luminescent , la sonde capacitive, la télémesure.
Nota bene
Il est rappelé que, lors de cette épreuve, le jury évalue l'ouverture d'esprit, l'initiative personnelle, l'esprit
critique, l'aptitude à collecter l'information et à l'analyser, la synthétiser, la communiquer...
Il est souhaitable que le candidat s'approprie le sujet et construise un exposé, ne suivant peut-être pas le
plan proposé, mais mettant en évidence une thématique intéressante.
Il est donc possible pour le candidat, à partir des informations contenues dans le dossier et en s'aidant de sa
propre culture, de montrer qu'il peut avoir des idées personnelles sur le sujet qu'il vient de découvrir.
Le jury appréciera une synthèse qui dégage les points importants plutôt qu'un résumé méthodique.

CETIM-lnformations – n°152
MESURE DE TEMPERATURE SUR
PIECES EN MOUVEMENT
Résumé : Différentes techniques sont envisageables pour mesurer la température
sur les pièces mobiles : bielles, pistons, etc. La télémesure semble actuellement la
meilleure voie des travaux effectués à la demande de la Commission Moteurs et
Compresseurs.
Améliorer la disponibilité en service des machines
suppose de surveiller leur fonctionnement par des
mesures en temps réel. Sur les moteurs thermiques,
en particulier les diesels, la température est un para-
mètre de première importance. Il est d'ailleurs déjà
utilisé depuis longtemps : contrôle de la température
de l'eau du circuit de refroidissement, commande
d'injection de carburant, etc. Actuellement, il est
courant de mesurer la température des paliers de
vilebrequin : en cas d'échauffement anormal, il est
ainsi possible d'arrêter le moteur avant grippage du
palier. Toutes ces mesures sont réalisées sur pièces
fixes.
Il serait plus efficace de surveiller les paliers de tête
de bielle, qui présentent les défaillances les plus
fréquentes. Mais c'est difficile, car la bielle est en
mouvement.
La surveillance des moteurs diesels en fonctionnement suppose
des mesures en temps réel.
L'obstacle du mouvement.
Le développement de la surveillance par mesure de température se heurte à l'obstacle des pièces mobiles.
Si cet obstacle était franchi, de nombreuses mesures fondamentales pourraient être conduites : température
sur les bagues de pied de bielle, dans les pistons, sur les soupapes, etc. La plage concernée va de 150° à
700°C.
Ces mesures sont d'ores et déjà réalisables, mais au prix d'une lourde mise en œuvre. L’un des moyens

CETIM-lnformations – n°152
utilisés consiste à raccorder les sondes de températures aux appareils de mesure par des câbles souples
cheminant sur un mécanisme annexe [1, 2]. Ce système, lié à la bielle sur laquelle les mesures sont
relevées, est compliqué, encombrant et s'use rapidement Il est pourtant employé sur les bancs d'essai des
constructeurs. En revanche, il est inadapté à la surveillance ou à la maintenance prédictive. En effet, il
tomberait en panne bien avant que les défauts du moteur n'apparaissent. Sa durée de vie est limitée à
quelques centaines, voire quelques milliers d'heures, alors qu'il faudrait faire des mesures sans risque de
défaillance pendant plus de 100 000 heures, c'est-à-dire une dizaine d'années. Il y a donc là des progrès
considérables à accomplir.
Pour cela, un programme de travail a été lancé avec les constructeurs de moteurs pour recenser et évaluer
les techniques utilisables [3 à 21]. Bon nombre ont été rapidement écartées, faute de satisfaire à certains
impératifs. Ainsi, la transmission infrarouge [3, 4, 5,11] est impossible à l'intérieur d'un bâti de moteur. Les
semi-conducteurs en technologie CMOS [7] et les diodes en mode pulsé [8, 9] sont inutilisables au-delà de
100°C. Les mesures basées sur la variation des vitesses de propagation d'ondes ultrasonores [10] ne sont
pas assez précises et de toute façon inadaptées en dessous de 800 °C. Restent envisageables : les
mesures par thermistances avec transmission de signaux par couplage inductif, les mesures par effet
luminescent, les mesures par sondes capacitives, les télémesures.
Deux systèmes à thermistance et couplage inductif ont été spécialement conçus pour des mesures de
température sur les têtes de bielles de moteurs à explosion : système TB2 de la société française CMR ;
système GB-10 de la société norvégienne Autronica. Ils diffèrent par la technique adoptée pour convertir la
température à mesurer en signal électrique. La mesure par effet luminescent n'a encore jamais été utilisée
sur les moteurs à explosion ; mais elle semble prometteuse, moyennant une adaptation spécifique. Aux
Etats-Unis, le South West Research Institute (SWRI) a développé, pour les pistons, une méthode de mesure
par sonde capacitive. La télémesure, enfin, est très répandue dans l'industrie. Les différents systèmes
existants ont des performances très diverses. Seuls nous intéressent ceux qui sont utilisés sur les moteurs.
Thermistance : système CMR, Modèle TB2
L’élément sensible qui détecte la température est une
sonde semi-conductrice à CTN (thermistance à
coefficient de température négatif). Le système de
transmission sans contact de l’information mesurée
est composé de trois bobines magnétiques (fig. 1).
Deux de ces bobines sont montées sur le bâti du
moteur, la troisième sur la bielle. L’une des deux
bobines fixes est la bobine émettrice, alimentée par
une tension alternative. L’autre bobine fixe, à
proximité de la première, est une bobine réceptrice.
Quand la bobine mobile passe entre la bobine

CETIM-lnformations – n°152
émettrice et la bobine réceptrice, la tension induite
dans cette dernière diminue. Cette diminution est
fonction du courant qui circule dans la bobine mobile.
Ce courant est défini par la valeur de la résistance de
la CTN qui décroît avec la température. . Finalement,
la tension mesurée varie en sens inverse de la
température.
La sonde avec la CTN est placée dans un logement, usiné dans la bielle, en contact avec le coussinet. La
bobine mobile est montée sur un bord de la tête de bielle et l'étrier formé par les bobines émettrice et
réceptrice est fixé sur le bâti. La mise en place exige des précautions. Les bobines fixes sont positionnées
avec précision par rapport à la bobine mobile pour éviter tout contact lors de la rotation. Le jeu à l'intérieur de
l'étrier n'est, en effet, pas très important (quelques mm). La dilatation peut engendrer des déplacements du
même ordre de grandeur. Il faut donc en tenir compte à l'installation. La gamme de mesure s'étend de 50 à
125°C. La précision est de 2%. Ce système commence à être utilisé pour la surveillance de coussinets de
têtes de bielles sur des moteurs diesels de bateaux, de centrales électriques, etc.
Thermistance : système Autronica, modèle GB-10
L’élément sensible est aussi une sonde à CTN, placée dans un oscillateur astable. La grandeur mesurée est
la fréquence de l'oscillateur. Ce montage offre l'avantage de rétablir la cohérence entre les variations du
signal de sortie et de la température. Comme la fréquence varie à l'inverse de la résistance et que la
résistance varie également à l'inverse de la température, fréquence et température varient dans le même
sens.

CETIM-lnformations – n°152
Les dispositifs électroniques sensibles sont montés sur la bielle. Un système sans contact à boucles
d'induction les alimente en énergie électrique et transmet le signal de mesure. Les éléments nécessaires
sont placés dans les trois modules du système : émetteur embarqué sur la bielle ; récepteur fixé à l'intérieur
du bâti ; convertisseur de signaux à l'extérieur (fig. 2).
Chaque passage de l'émetteur devant le récepteur produit un double effet : la bobine d'induction secondaire
reçoit l'énergie nécessaire à l'alimentation électrique du système ; le train d'impulsions provenant de la
sonde de température est transmis à l'amplificateur par la bobine de couplage. Ce train d'impulsions amplifié
est ensuite converti en tension puis en courant proportionnel à la température à mesurer. La caractéristique
de ce dispositif est la transmission de l'information mesurée sous forme d'un train d'impulsions modulé en
fréquence. Grâce à cela, le contenu de l'information n'est jamais altéré par les variations de conditions
d'environnement
La gamme de mesure s'étend de 0 à 160°C, mais la sonde supporte des températures allant jusqu'à 200°C.
La précision est de 1,5°C dans la plage 50 - 90°C et de 3°C sur la gamme complète ; sa répétabilité est
de 0,5°C. La distance entre l'émetteur et le récepteur peut varier de 2 à 6 mm sans que le signal de mesure
soit perturbé.
Avec un poids de l'émetteur de 350 g environ, le dispositif est utilisable jusqu'à des vitesses moteur de 1 000
tr/min. Les applications sont identiques à celles du système CMR.
Capteur à effet luminescent.
Cette technique de mesure est basée sur la propriété qu'ont certaines matières d'émettre un rayonnement
lumineux lorsqu'elles sont éclairées par une source de lumière [4, 13, 14, 15]. Ce rayonnement se manifeste
de deux façons : fluorescence immédiate ; phosphorescence rémanente. Après l'extinction du rayonnement
d'excitation, l'intensité de la
phosphorescence décroît, plus ou moins
vite selon la température de la
substance. Pour connaître cette
température, on utilise une courbe de
calibrage propre à chaque substance.
Dans les appareils modernes, cette
courbe est stockée dans une mémoire
numérique sous la forme d'une matrice
de points. Une fois le temps de
décroissance déterminé, cette mémoire est interrogée pour déterminer la température recherchée.
Les équipements existants, comme le Luxtron construit par Optilas (fig. 3), comprennent en général une ou
plusieurs sondes raccordées à un coffret électronique de conditionnement et d'affichage. Les sondes sont
souvent constituées d'une fibre optique dont l'extrémité est recouverte d'une fine couche de produit
luminescent.