CHP II - Les Capteurs de Temperature [PDF]

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Chapitre II Les capteurs de Température

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Chp II - Les capteurs de température

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Plan du cours Introduction I - Les différentes unités de température II - Thermomètres à dilatation III - Thermomètres électriques IV - Les thermomètres optiques V - Les thermomètres a rayonnement VI - Exercices

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Introduction La notion de température nous apparaît avec celle La sensation de chaud et de froid. Les premiers « thermoscopes » étaient d’ailleurs gradués 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 non directement mesurable, qui peut être mesurée : Au niveau macroscopique, certaines propriétés des corps dépendant de la température (volume massique, résistivité électrique, etc...) peuvent être choisies pour construire des échelles 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 s`il en existe.

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I- Les différentes unités de température 1 – Recherche de points fixes en température Fahrenheit décida de fixer le zéro de son échelle comme étant la plus basse température qu'il ait mesurée durant le rude hiver de 1708 à 1709 dans sa ville natale de Danzig. Plus tard, en laboratoire, il a atteint cette température lors de la solidification d'un mélange d'un volume égal de chlorure d'ammonium et d'eau. Il fixa la valeur à 96 degrés (96 valant 12 × 8) comme la température du sang (il utilisa un cheval pour ses premiers calibrages). Tout d'abord, son échelle n'avait que 12 divisions, mais plus tard, il subdivisa chaque division en 8 degrés égaux, d'où la valeur de 96 degrés pour le haut de son échelle. N.sefiani

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I- Les différentes unités de température 1 – Recherche de points fixes en température Après En 1741, Celsius fait construire un thermomètre en référence aux températures d'ébullition et de congélation de l'eau, gradué également en échelle descendante de 0 à 100 parties égales. Et qu`il considérait comme plus commode d`emploi, plus logique et plus scientifique.

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I- Les différentes unités de température 2 – Définition d`une échelle des températures Les valeurs respectives de la grandeur thermométrique étaient x1 et x2 (la dilatation). On a adopté une loi linéaire entre la température T et la grandeur thermométrique x : x =aT+b Pour Celsius Les points de référence étaient T1= 0 oC et T2=100 oC Donc T(oC) =100 (x-x1)/ (x2-x1) Pour Fahrenheit Les points de référence étaient T`1= 0 oF et T`2=96 oF Donc T(oF) =96 (x`-x`1)/ (x2-x`1) N.sefiani

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I- Les différentes unités de température 3 – Échelle absolu des températures Des propriétés limites des gaz dites propriétés des gaz parfait, on définit des échelles de température dont le zéro est défini de manière absolue et non arbitraire

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I- Les différentes unités de température 3 – Échelle absolu des températures a - Échelle kelvin L’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 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau.

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I- Les différentes unités de température 3 – Échelle absolu des températures 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 la thermodynamique : William John Macquorn Rankine (18201872). Le °R est égal à la température en °F + 459,67.

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I- Les différentes unités de température 3 – Échelle absolu des températures c – Échelle dérivées des échelles thermodynamiques kelvin

degré Celsius:

kelvin

degré fahrenheit:

degré Celsius

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degré fahrenheit:

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I- Les différentes unités de température 3 – Échelle absolu des températures c – Échelle dérivées des échelles thermodynamiques Conversion Le tableau ci-dessous résume les formules permettant de convertir une température entre les différentes échelles

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I- Les différentes unités de température 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 liquide Dans ces appareils le principe utilisé est la dilatation apparente d'un liquide dans son enveloppe. Le liquide est contenu dans un réservoir surmonté d'un tube fin (capillaire) qui sert à la lecture de la dilatation. En outre, le tube capillaire comporte souvent dans sa partie supérieure un réservoir de garde afin de permettre une dilatation du liquide au-delà de la valeur autorisée. Le volume du réservoir et la section du capillaire dépendent de la sensibilité souhaitée. La graduation est généralement gravée sur l'enveloppe extérieure. N.sefiani

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II - Thermomètres à dilatation 1 - 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 la température du bain étudié. N.sefiani

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II - Thermomètres à dilatation Corrections 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 apprécier totalement ; N.sefiani

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II - Thermomètres à dilatation 1 - Thermomètres à dilatation de liquide 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 θc est donnée par la formule :θc= θl+ nα (θl–θe) avec θl température lue, θe température moyenne de colonne émergente, n nombre de degrés du thermomètre, qui émergent, α coefficient de dilatation volumique apparente du liquide thermométrique dans le verre

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II - Thermomètres à dilatation 1 - Thermomètres à dilatation de liquide 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 °C V0 = volume à 0°C T = température a = coefficient variant suivant le liquide Par exemples: Acétone = 1,324 x 10-3/ °C Benzène = 1,176 x 10-3/ °C Toluène = 1,028 x 10-3/ °C N.sefiani

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II - Thermomètres à dilatation 2 - Thermomètres à dilatation de gaz On étudie la variation de pression du gaz à volume constant quand on impose des variations de température.

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II - Thermomètres à dilatation 2 - Thermomètres à dilatation de gaz L`élément sensible est placé dans un milieu a une température T. Pour repérer cette température on a une relation linéaire entre la pression et la température P=P0(1+βT) Avec β une constante P0 pression a T0= 0 °C

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II - Thermomètres à dilatation 3 - Thermomètres à dilatation des solides Le Bilame: Un bilame est formé de deux lames ayant un coefficient de dilatation différents. Les deux lames sont soudés et laminés ensemble. Sous l'effet de la température le bilame s'incurve, la déflexion dépend de la température. Application : principe du thermostat

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II - Thermomètres à dilatation 3 - Thermomètres à dilatation des solides Pour 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 initiale λ = Coefficient de dilatation suivant le métal

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III - Thermomètres électriques 1 - Thermomètres à résistance et à thermistance Le 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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III - Thermomètres électriques 1 -a- Thermomètres à résistance Si R0 est la résistance d'une pièce de platine à 0 °C, alors à la température θ (en degrés Celsius), un modèle linéaire de la résistance de cette pièce donné : – R = R0 · (1 + αθ) – avec α = 3.85·10-3 °C-1 Il existe également des modèles plus précis, comme ce modèle d'ordre 3 : - Rθ = R0(1 + αθ + βθ2 + γ(θ − 100)θ3) Avec α,β et γ sont des constantes a déterminer

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III - Thermomètres électriques 1 -a- Thermomètres à résistance: Sonde à résistance de platine

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III - Thermomètres électriques 1 -b- Thermomètres à thermistance Une 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

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III - Thermomètres électriques 1 -b- Thermomètres à thermistance La 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 température augmente. N.sefiani

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III - Thermomètres électriques 3 – Les Thermomètres a Thermocouples Lorsque deux fils composés de métaux différents sont raccordés à leurs extrémités et que l'une d'elles est chauffée, il se produit une circulation de courant continu dans le circuit. C'est l'effet Thermoélectrique.

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III - Thermomètres électriques 3 – Les Thermomètres a Thermocouples 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 :

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III - Thermomètres électriques 3 – Les Thermomètres a Thermocouples Types de thermocouples les plus courants

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IV - Les Thermomètres optiques Le principe de fonctionnement des thermomètres optiques, découlant aussi de la pyrométrie, est le suivant. La fréquence de l'énergie radiante varie avec la température, cela explique pourquoi la couleur des métaux chauffés passe du rouge au jaune. La longueur d'onde du signal reçu indique la température du corps.

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La mesure consiste à comparer, en lumière monochromatique rouge, la brillance de l’objet contrôlé à celle du filament d’une lampe étalon

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IV - Les Thermomètres optiques Comme nous l'avons spécifié précédemment, la couleur des métaux en fusion change avec la température; le thermomètre optique mesure la température d'un métal en comparant la couleur de ce métal à celle d'un fil chauffé. Le courant dans le fil chauffé devient une indication de la température du métal. Ces appareils aussi sont très dispendieux et en développement en ce moment. La gamme de mesure est très haute, soit de +200C à +2500C. N.sefiani

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IV - Les Thermomètres optiques Basée sur la relation entre la température d’un corps et le rayonnement optique émis par ce corps Pyrometre a radiation total il exploitent directement la loi de StefanBoltzmann (E = ε · σ · T4)

Pyrometre monochromatique a disparition total

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V - Les Thermomètres à rayonnement Le principe de fonctionnement des thermomètres à rayonnement, découlant de la pyrométrie, est le suivant. Les corps émettent de l'énergie sous forme radiante lorsqu'ils sont chauds. La quantité d'énergie irradiée est proportionnelle à la température de ces corps Ces appareils sont peu précis. Ils peuvent effectuer des mesures jusqu'à 50 mètres de distance avec une précision inférieure respectable. La gamme de mesure est très haute, soit de +200C à +2500C.

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V - Les Thermomètres à rayonnement

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

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VI -Conditionnement et Electronique de mesure Capteurs passifs Capteur résistif (exemple : sonde température PT100)

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VI -Conditionnement et Electronique de mesure Capteurs passifs Capteur résistif (exemple : sonde température PT100)

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