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Cours #6: Mesure de température GPA-668: Été 2003 Capteurs et détecteurs de température La température est une grandeur non- directement mesurable, mais repérable par la variation d’une grandeur associée (résistance, dilatation).

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Cours #6:Mesure de température

GPA-668: Été 2003

Capteurs et détecteurs de température

• La température est une grandeur non-directement mesurable, mais repérable par la variation d’une grandeur associée (résistance, dilatation).

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Critères de sélection

• Gamme de température• Précision souhaité• Temps de réponse• Accessibilité/Environnement

Capteurs et détecteurs de température (2)

• Avec contact:– Analogique:

• Couples thermoélectriques (Thermocouples);• Thermomètre à résistance métallique;• Thermomètres à semi-conducteur;• Thermomètres à quartz;• Thermomètres à dilatation de fluide.

– Logique:• Thermostat à dilatation de solide.

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Capteurs et détecteurs de température (3)

• Sans contact:– Analogique:

• Pyromètres optiques;• Pyromètres optiques à dilatation de solide.

– Logique:• Thermostat à dilatation de solide.

Unités de mesure thermiques

• Échelle Celsius (1742):– Échelle relative:

• Références:. Fusion de la glace à 0 °C;. Ébullition de l'eau distillée à 100 °C.

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Unités de mesure thermiques

n Échelle Kelvin (1848):qÉchelle absolue:

• Références:. Zéro thermodynamique: 0 °K;. Point triple de l'eau (0.01 °C): 273.16 °K.

T C T K( ) ( ) .° = ° − 27315

Unités de mesure thermiques

• Échelle Fahrenheit (1707):– Échelle relative:

• Références:. T. minimun solution aqueuse de NaCl: 0 °F; . Température du corps humain: 96 °F.

T F T C( ) ( )° = ° +95 32

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Unités de mesure thermiques

n Échelle Rankine:qÉchelle absolue du Fahrenheit:

• Références:. Zéro thermodynamique: 0 °R;. Point triple de l'eau (0.01 °C): 459.7 °F.

T F T R( ) ( ) .° = ° − 459 7

Températures de référence

• -182,97 °C:• équilibre vapeur-liquide - oxygène;

• 0,00 °C:• équilibre solide-liquide - eau;

• 0,01 °C:• point triple de l'eau;

• 100,00 °C:• équilibre vapeur-liquide - eau;

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Températures de référence

• 419,58 °C:• équilibre solide-liquide - zinc;

• 444,67 °C:• équilibre vapeur-liquide - soufre;

• 961,62 °C:• équilibre solide-liquide - argent;

• 1064,43 °C:• équilibre solide-liquide - or.

Transmission d’énergie thermique

n Équilibre thermiqueqLa mesure de la température implique qu’il

y ait un équilibre thermique entre l’objet et le capteur.

n La température mesurée n’est pas celle de l’objet, mais celle du capteur.

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Transmission d’énergie thermique

n Dans le contact thermique entre le capteur et l’objet, 3 phénomènes entrent en jeu:qLa conductionqLa convectionqLe rayonnement

Couples thermoélectriques

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Principe

• Effet Seebeck:• Lorsque deux conducteurs de métaux

différents sont connectés ensembles en 2 points, et que ces jonctions sont à des températures différentes, une F.E.M. apparaît.

Soudure chaude

Soudure froide

FEM

Couples thermoélectriques

• Comme la F.E.M. dépend de la différence de température entre les 2 jonctions, il faut s'assurer de connaître la température de l'une d'entre elle pour déduire la température de l'autre.

• La jonction dont la température est connue est dite "jonction de référence".

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Couples thermoélectriques

• Avec une jonction à 0 °C, les F.E.M. mesurées varient de -10 à +60 mV.

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Courbes des thermocouples

Tables de thermocouples

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Méthode de mesure (type T)

• La jonction 2 ne génère pas de tension.• La jonction 3 sera la jonction de référence.• Donc Vmesurée = V1-V3

Voltmètre(CUIVRE)

Métal A: Constantan

Métal B: CuivreTj

Jonction #1

Jonction #2

Jonction #3

+V1-+ V2 -

- V3 +

Méthode de mesure (type J)

• Les 3 jonctions génèrent une tension.• Donc Vmesurée = V1 +V3 -V2

• Rien ne garanti que les jonctions 2 et 3 sont à la même température.

Voltmètre(CUIVRE)

Métal A: Fer

Métal B: ConstantanTj

Jonction #1

Jonction #2

Jonction #3

+V1-+ V2 -

+ V3 -

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Méthode de mesure (type J)

• Le bloc isothermique maintient les jonctions 2 et 3 à la même température.

• Loi des métaux intermédiaires.

• Donc Vmesurée = V1-VREF avec VREF =V2 -V3

Voltmètre(CUIVRE)

Métal A: Fer

Métal B: ConstantanTj

Jonction #1

+V1-+ V2 -

+ V3 -

Jonction #2

Jonction #3

Cu

CuBloc Isothermique

Loi des métaux intermédiaires

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Sonde de thermocouple(canne pyrométrique)

Compensations desthermocouples

• Pour s’assurer que la mesure est de qualité, deux types de compensations de la jonction de référence existent:

• Compensation "software"

• Compensation "hardware"

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Compensation « software »

• Mesure de la température du blocisothermique par une sonde RTD (ou une Thermistance).– Correction logicielle

Compensation « software » (2)

• Procédure:• (1) Mesurer le RTD et obtenir TREF;

• (2) De TREF, déduire la tension VREF;

• (3) Mesurer la tension VM et soustraire VREFpour obtenir V1;

• (4) De V1, déduire T1.

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Compensation « hardware »(glace électronique)

• Pont de résistances avec source de tension et RTD sur bloc isothermique.

Bilan

• Très grande étendue de mesure de -270 à 2700 °C;

• Précision dans l'ordre de ± 0.2 %;• Temps de réponse rapide;• N'exigent pas d'alimentation extérieure;• Signaux de faible amplitude;• Prix modéré.

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Thermomètres à résistance métallique (RTD)

Principe

vLa résistance d'un conducteur varie avec la température.

R lA

To

=

= +

ρ

ρ ρ α( )1

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Matériaux typiques

• Mesure par un pont de Wheatstone

Montage et installation

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Montage à 3 fils

Courbe des RTD

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Table du Pt100

Bilan

• Bonnes reproductibilité, stabilité et interchangeabilité;

• Précision de ± 0.2 %;

• Temps de réponse de 0.5 à 5 secondes;

• Influençable par l'humidité et les gaz corrosifs;

• Effet Joule perturbant la mesure.

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Thermomètres à semi-conducteurs (Thermistance)

Principe

vVariation de la résistance d'un semi-conducteur avec T, dû au fait que le nombre de couples électron-trou augmente, ce qui diminue la résistivité.

ÉN

ER

GIE

Bande de conduction

Bande de valence

Trous

e-

Température T1

ÉN

ER

GIE

Bande de conduction

Bande de valence

Température T2 > T1

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Courbe d’une Thermistance

• … à coefficient de température positif (CTP)

• … à coefficient de température négatif (CTN)

Courbe d’une Thermistance

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Équation de Steinhart-Hart

• Approximation de la courbe d’une thermistance:• T en °K

1 3

TA B R C RT T= + +ln ln

L’auto-échauffement

• Peut mener à une destruction du capteur (CTN).

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L’auto-échauffement

• Courbe d’auto-échauffement

Bilan

• Étendues de mesure de -110 à +250 °C• Circuits miniatures, donc temps de

réponse très courts;• précision de l'ordre de ± 0.1 %;• Échelle non-linéaire et étendue réduite;• Peu interchangeables;• Problème d'auto-échauffement.

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Thermomètres à dilatation de fluide

Se classent en deux groupes

• Thermomètres à dilatation de liquide à enveloppe de verre.

• Thermomanomètres:• À dilatation de gaz.• À dilatation de liquide.• À tension de vapeur.

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Thermomètres à dilatation de fluide à enveloppe de verre

• Principe:– Les liquides qui sont chauffés

dilatent, et la mesure de cette dilatation donne la température.

– Liquides usuels:• Mercure: de -35 °C à 500 °C• Alcool: de -80 °C à 75 °C• Pentane: de -200 °C à 30 °C• Xylène: de -100 °C à 250 °C.

Thermo. manométriques:À dilatation de liquide.

• Principe:– Un liquide sous

pression soumis à un changement de température voit sa pression changer.

– Ainsi:• pT = po (1 + βT)

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Bilan

• Liquide de remplissage:• mercure ou liquide organique (xylène ou

benzène)

• Plages de mesure:• Mercure: de -38 °C à 650 °C;• Liquides organiques: de -200 °C à 250 °C.

• Précision de ± 1 % et échelle linéaire.• Constante de temps de 4 à 7 secondes.

Thermomètres à dilatation de gaz

• Principe:– Un gaz sous pression dans un volume fixe

voit sa pression changer avec la température:• p = kT; avec k = R/V (R=constante des gaz

parfaits).

• Bilan:– Plage de mesure de -200 °C à 600 °C.– Précision de l'ordre de ± 0.1 à ± 1 %.– Temps de réponse long.

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Thermomètres à tension de vapeur

• Principe:– Le bulbe contient un

liquide volatil en équilibre avec sa vapeur.

– La tension de vapeur saturante dépend de la température:• log p = a - b/T.

Thermomètres à tension de vapeur

• Bilan:– Comportement logarithmique du capteur.– Plage de mesure de -60 °C à 400 °C.– Précision de ± 1 %.

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Thermostats à dilatation de fluide

• Principes identiques aux thermomètres à dilatation de fluide, mais avec une détection de seuil.

Pyromètres optiques

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Principe

• Comparaison entre la brillance d'une lampe étalon et la source de radiation thermique.

Types de pyromètres optiques

• Si au point focal, on retrouve:

– Un thermocouple ou un RTD:• Pyromètre à radiation totale.

– Oeuil humain:• Pyromètre à disparition de filament.

– Capteur photovoltaïque:• Pyromètre à capteur photoélectrique.

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Bilan

• Plage de 300 à 3000 °C;

• Précision de ± 5 °C (dépend de l'utilisateur);

• Fonctionnement automatique possible:• Pyromètre à capteur photoélectrique

Pyromètres à dilatation de solide

• Existe en deux versions:– Pyromètre à tige (mesure de la dilatation

d'une tige):– Mesure jusqu'à 1000 °C.

qPyromètre à bilame: (voir thermostat à bilame).

– Mesure de -50 à +500 °C, précision de ± 1 %.

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Thermostats à dilatation de solide (ou bilames)

Principe

• Deux métaux ayant des coefficients de dilatation thermiques différents sont soudés ensemble.

• Flexion du bilame si la température change.

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Bilan

• Système de mesure simple et courant;• Mesure de -50°C à 500°C;• Volume réduit;• Précision de +/-1%.