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Zitiervorschau

République Algérienne Démocratique et Populaire Université KASDI MERBAH Ouargla Faculté des nouvelles technologies de L’information Et de la communication Département d’électronique et des télécommunications

Module : TP Chaines de mesure et Capteurs

TP 01: CAPTEURS DE TEMPERATURE

Mr. B. BENARABI

Réalisé par : HAFIANE Abdelhamid ZATOUT Aymen MECHERI Toufik

3 ème Année Licence Instrumentation Pétrolière Année universitaire 2020/2021 1

Sommaire I-Définition d'un capteur de température ................................................................................................................... 3 II- Types de capteur de température .......................................................................................................................... 3 II.1- CAPTEUR DE TEMPERATURE A SONDE PT100 .................................................................................................. 3 A) Définition ....................................................................................................................................................... 3 B) Avantages et Inconvénients ............................................................................................................................ 3 C) Montage à réaliser ......................................................................................................................................... 3 

Questions théoriques .................................................................................................................................. 4



Questions .................................................................................................................................................... 4

II.2- Capteur de température a thermocouple ...................................................................................................... 6 A) Définition ....................................................................................................................................................... 6 B) Avantages et Inconvénients............................................................................................................................. 6 C) Montage à réaliser ......................................................................................................................................... 6 

Questions théoriques .................................................................................................................................. 7



Questions .................................................................................................................................................... 7

II.3- Capteur de température thermistance ............................................................................................................ 8 A) Définition et Le principe de fonctionnement .................................................................................................. 8 B) Avantages et Inconvénients ............................................................................................................................ 8 C)Montage à réaliser .......................................................................................................................................... 9 Questions .......................................................................................................................................................... 10 CONCLUSION GENERALE ........................................................................................................................................... 12

2

I-Définition d'un capteur de température : Les sondes de température (ou capteurs de température) sont des dispositifs permettant de transformer l’effet du réchauffement ou du refroidissement sur leurs composants en signal électrique. Jusqu'à l'invention du thermoscope de Galilée, les hommes étaient incapables de mesurer la température. Les thermomètres virent bientôt le jour, et avec eux les unités comme le degré Celsius et le kelvin. Par la suite, les techniques automatisées voyant le jour, il fallut trouver le moyen de traduire les températures en signaux analogiques compréhensibles par des machines.

II- Types de capteur de température : II.1- CAPTEUR DE TEMPERATURE A SONDE PT100 : A) Définition : La sonde Pt 100 est un capteur de température qui est utilisé dans le domaine industriel (agroalimentaire, chimie, raffinerie…). Ce capteur est constitué d’une résistance en Platine. La valeur initiale du Pt100 est de 100 ohms correspondant à une température de 0°C.

B) Avantages et Inconvénients : Les Avantages:

– Mesure précise et fiable de la température sur une large étendue de température – Plus facile à installer, calibrer et entretenir que les thermocouples, les thermomètres bimétalliques et les thermomètres numériques. – Lectures très stables et reproductibles par rapport à d’autres technologies de mesure de température. Les inconvénients:

– Coût environ deux fois plus élevé que les thermocouples ; – Ne peut pas être utilisé à des températures supérieures à 482-538 ° C (900-1000 ° F) ; – Sensible aux vibrations ou aux dommages accidentels.

C) Montage à réaliser :

Figure01 :Montage pour la mesure de la température avec la sonde Pt100 3

Température (°C)

18

20

30

40

50

Résistance (Ω)

112

113

122

133

154

 Questions théoriques : 1) Quel est le principe utilisé dans ce capteur pour donner l’image de la température : Un fil métallique dans le capteur RTD a un changement connu de résistance électrique par rapport à la variation de température, de sorte que le capteur RTD peut produire une mesure précise des changements de température. Cette lecture peut être utilisée en affichage local ou transmise par voie d’un transmetteur. 2) Que signifie résistance PT100 : Une sonde Pt100 est un types de capteurs de température aussi appelé RTD (détecteur de température à résistance) qui est fabriqué à partir de platine. L'élément Pt100 a une résistance de 100 ohms à 0 °C, et il est de loin le capteur Pt100 le plus utilisé. ... Grande plage de températures de -200 °C à 850 °C. 3) Quelle est la loi mathématique reliant la température supérieure à zéro à la grandeur physique évoluant dans ce capteur ? Est-ce une loi linéaire ? R = RO (1 + aT + bT2 + cT3) T : la température en °C R0 : la résistance à 0 °C a, b et c : des coefficients positifs, spécifiques au métal -Oui une loi linéaire

 Questions : 1) C’est quoi le changement de la sortie de la sonde PT100 en fonction du changement de la température ? Si relation de corrélation direct 2) Représenter dans un graphique R = f [T] l’allure des variations obtenues pour une température évoluant de 18°C à 50 °C ?

4

135

130

125 R Linear (R)

120

115

110

0

10

20

30

40

50

60

3) Ce capteur est-il actif ou passif ? PT100 est un capteur passif, il donne dans sa sortie un valeur de résistance 4) Calculer la sensibilité locale pour chaque point de mesure ?

S=

T(c°) R(Ω)

18 112

∆S ∆R = ∆E ∆T

20 113 S3=1 S4=2.1

S1=0.5 S2=0.9

30 122

40 133

5) La loi linéaire est-elle vérifiée ? (justifier votre réponse) selon la courbe de PT100 il linéaire * donner la sensibilité moyenne :

∑𝑛𝑖=𝑛 𝑆 𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 + 𝑆4 𝑆𝑚 = = = 1.125 𝑛 4 6) Donner l’équation V=f(T) ? R = RO (1 + aT + bT² + cT3) ⇒ V = R0(1 + aT + bT 2 + cT 3 ⇒ I 5

50 154

R0(1 + aT + bT 2 + cT 3 V= I 7) Voir les valeurs de la température et de la tension données dans la littérature et calculer l’erreur absolue et l’erreur relative ?

8) Commenter les résultats obtenus :

II.2- CAPTEUR DE TEMPERATURE A THERMOCOUPLE : A) Définition : Un thermocouple est un montage exploitant l'effet Seebeck pour la détermination de la température. Il se compose de deux métaux de natures différentes reliés à une extrémité. Quand la jonction des métaux est chauffée ou réfrigérée, une tension variable est produite, qui peut être ensuite transcrite en température.

B) Avantages et Inconvénients : Avantages : 

Imprécision de l’ordre de ±0.2 % de l’étendue d’échelle.



Large étendue de mesure, peut aller jusqu’à 2700°C.



Utilisation à certaines distances sans besoin d’énergie extérieure.



Leur robustesse.

Inconvénients : 

La complexité de compensation.



L’impossibilité d’utilisation sans gaine dans les liquides conducteurs.



Faible force électromotrice (f.é.m.) développée.

C) Montage à réaliser :

Figer 02 :Montage pour la mesure de la température avec le thermocouple 6

 Questions théoriques : 1) Quelle est la loi mathématique reliant les températures supérieures à zéro à la grandeur physique évoluant dans ce capteur ?

-𝐸𝑚 = 𝐸𝑐 − 𝐸𝑟 𝐄𝐦 : Tension proportionnelle au mesure de température 𝐄𝐜 : Tension de soudure chaude 𝐄𝐫 : Tension de soudure froide

 Questions : 1) Tracer la courbe V=f [T].

2.5 2

1.5 V

1

Linear (V)

0.5 0 0

10

20

30

40

50

60

-0.5

2) Que remarque-t-on ? remarque a partie la courbe : Y=aX+b V=aT+b 3) Quelle serait la relation qui donnerait la température connaissant la f.é.m. ?

4) Ce capteur est-il actif ou passif ? Le capteur est active Parce-qu'elle donne a la sortie un valeur de tension 5) Calculer la sensibilité locale et moyenne ? 7

S=

∆𝑉 ∆𝑇

=

la sensibilité(v/ ˚C) S1 S2 S3 S4 S5 S6

𝑉2−𝑉1 𝑇2−𝑇1

valeur 0.035 0.042 0.06 0.055 0.072 0.062

-la sensibilité moyenne : ∑𝑛𝑖=𝑛 𝑆 𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 + 𝑆4 + 𝑆5 + 𝑆6 𝑆𝑚 = = = 0.055(v/ ˚C) 𝑛 6 6) type de thermocouple est : J

II.3- CAPTEUR DE TEMPERATURE THERMISTANCE : A) Définition et Le principe de fonctionnement : Les thermistances sont des capteurs de température dont la sensibilité thermique est très élevée ,de l’ordre de 10 fois celle des capteurs à résistance. Leurs coefficients de température sont généralement négatifs et dépendent fortement de la température. Elles sont constitués à partir de mélanges d’oxydes métalliques semi-conducteurs tels que les oxydes de Nickel, de Cobalt ou de Manganèse. Contrairement aux métaux, la résistance des semi-conducteurs diminue lorsque la température augmente. Les thermistances sont disponibles sous des formes variées : disques, petits cylindres, anneaux, perles, l’élément sensible pouvant être ou non protégé par enrobage ou en capsulage. Les valeurs élevées de la résistivité des matériaux employés permettent d’obtenir des résistances de valeurs appropriées avec de faibles quantités de matière et donc des dimensions réduites (de l’ordre du mm). Il en résulte un faible encombrement permettant la mesure quasi-ponctuelle de la température.

B) Avantages et Inconvénients : Avantages :  Sensibilité thermique élevée (de l’ordre de 10 fois supérieure à celle de la résistance métallique).  Valeur élevée de la résistance (˃ 1000°C). Donc, l’effet de la résistance des fils de connexion devient négligeable. 8



Temps de réponse très court.

Inconvénients :  Caractéristique non linaire.  Sensible à l’auto-échauffement.  dérive des caractéristiques au cours du temps.

C)Montage à réaliser :

Figure 03 :Montage pour la mesure de la température avec la thermistance

-La signification (NTC): NTC signifie "negative temperature coefficient", appelé CTN en français "coefficient de température négatif". Les thermistances NTC sont des résistances à coefficient de température négatif, ce qui signifie que la résistance diminue lorsque la température augmente.

la loi mathématique est: 1

1

𝑅(𝑇) = 𝑅(𝑇0) × 𝑒 𝛽(𝑇 −𝑇0) o T : température en Kelvin. o B : est compris entre 3000 K et 5000 K. - la loi est linéaire - la température T0 de référence en °C et en °K : T0 = 25℃ = 298,15°K , - la valeur du paramètre B pour cette thermistance et son unité : 1 1 𝑅 (𝑇 ) = 𝑒 𝛽(𝑇 −𝑇0) 𝑅 (𝑇0) 𝑅 (𝑇 ) 1 1 ln ( ) = 𝛽( − ) 𝑅 (𝑇0) 𝑇 𝑇0

 9

𝑅 (𝑇 ) [𝑇. 𝑇0] ∗ [ln ( ( ))] 𝑅 𝑇0 𝛽=  𝑇0 − 𝑇

-l’étendue de mesure : entre -50°C et +70°C.

 Questions : 1) C’est quoi le changement de la sortie de la thermistance en fonction du changement de la température ? En réalité, une thermistance ne « lit » rien, la résistance d’une thermistance change avec la température. Le degré de variation de la résistance dépend du type de matériau utilisé dans la thermistance. Contrairement aux autres capteurs, les thermistances sont non linéaires, ce qui signifie que les points d'un graphique représentant la relation entre la résistance et la température ne formeront pas une ligne droite. La construction de la thermistance détermine l’emplacement de la ligne et son évolution.

2) Tracer la courbe donnant la variation de la résistance de la thermistance en fonction de la température? 10.1 10 9.9 9.8

R

9.7

Linear (R)

9.6

9.5 9.4 9.3 0

T(°C) R(kΩ)

24 10.04

10

25 10

20

30

30 9.86

40

50

35 9.75

60

49 9.62

50 9.57

53 9.41

55 9.34

3) Commentaire : on observe que la valeur de résistance se diminue de température T=°C jusqu’à T=55°C 10

4) Ce capteur est-il actif ou passif ? Ce capteur est-il passif.

5) La sensibilité locale : 𝑹𝟐−𝑹𝟏 S=∆𝑹 = ∆𝑻 𝑻𝟐−𝑻𝟏

S1=-0.040 kΩ/C S2=-0.028 kΩ/C S3=-0.022 kΩ/C

S4=-0.013 kΩ/C S5=-0.530kΩ/C S6=-0.035 kΩ/C

Sensibilité moyenne :

𝑆𝑚 =

∑𝑛𝑖=𝑛 𝑆 𝑛

=

𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 + 𝑆4 + 𝑆5 + 𝑆6 = −0.0513𝑘Ω/C 6

6) Donner l’erreur absolue et l’erreur relative pour chaque point ?

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CONCLUSION GENERALE  En milieu industriel on préfère utiliser des sondes Pt100 classe A en montage 3 fils (minimum), voir montage 4 fils (cas rares) pour la précision.  Tout dépend de la plage de mesure, certains thermocouples peuvent mesurer plus de 1000°C.  Les thermocouples sont beaucoup moins chers et nécessitent généralement une seule voie sur une chaine d'acquisition (contrairement à 2 pour une PT100). Ils ont aussi un temps de réponse beaucoup plus faible mais sont très sensibles a leur environnement.

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