TP de Mesure de La Température [PDF]

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TP 1 : Mesure De La Température

1) Introduction La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert thermique entre le corps humain et son environnement. En physique, elle se définit de plusieurs manières : comme fonction croissante du degré d’agitation thermique des particules (en théorie cinétique des gaz), par l’équilibre des transferts thermiques entre plusieurs systèmes ou à partir de l’entropie (en thermodynamique et en physique statistique). La température est une variable importante dans d’autres disciplines : météorologie et climatologie, médecine, et chimie. L’échelle de température la plus répandue est le degré Celsius, dans laquelle la glace (formée d'eau) fond à 0 °C et l'eau bout à environ +100 °C dans les conditions standard de pression. Dans les pays utilisant le système impérial (anglo-saxon) d’unités, on emploie le degré Fahrenheit où la glace fond à +32 °F et l'eau bout à +212 °F. L’unité du Système international d'unités (SI), d’utilisation scientifique et définie à partir du zéro absolu, est le kelvin1 dont la graduation est presque identique à celle des degrés centigrades. La mesure de la température s’effectue avec plusieurs types de capteurs dont les technologies dépendent de la gamme à mesurer, du milieu solide, liquide, gazeux, sous pression, de la précision souhaitée et du temps de réponse. Les échelles de température sont le degré Celsius, Fahrenheit et le kelvin défini à partir du zéro absolu. Les particules qui composent la matière (molécules ou atomes) ne sont jamais au repos. Elles sont en vibration permanente et possèdent donc une certaine énergie cinétique. La température est une mesure indirecte du degré d'agitation microscopique des particules. Par ailleurs, un espace vide de matière mais dans lequel de la lumière se propage contient lui aussi de l'énergie. Dans de bonnes conditions, on peut associer une température à ce rayonnement qui mesure l'énergie moyenne des particules qui le constituent. Un exemple important de rayonnement thermique est celui du corps noir dont un exemple est donné par les étoiles dont le rayonnement révèle la température des atomes qui sont à sa surface. Lorsque deux corps entrent en contact, ils échangent spontanément de l'énergie thermique : l'un des deux corps a des particules qui ont plus d'énergie cinétique, en les mettant en contact, les chocs entre particules font que cette énergie cinétique microscopique se transmet d'un corps à l'autre. C'est ce transfert d'énergie qui, en sciences physiques, est appelé chaleur. Ainsi, plus la différence d'énergie cinétique entre 2 particules est grande, plus elles échangent de l'énergie. De façon plus exacte, plus les corps d'un système ont des valeurs de vitesses éloignées de la vitesse moyenne du système considéré (grand écartype), plus la température du système sera grande.

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2) But de TP Le but de cette seconde expérience est de comparer les données de 5 capteurs de température se situant dans une étuve de température de fluide eau. Comparer les données de 5 capteurs de température en point qui Eau bouillant (100 °C) et Eau Glass (0°C). Etude de systèmes physiques permettant de mesurer la température dans un large domaine : Thermomètre à mercure(Hg), thermocouple, Thermomètre à bilame, Thermistance…. Branchement électrique d'une sonde banc H980 et étalonnage ; étalonnage d'un Thermistance avec de capteur référence Thermocouple.

3) Les domaines d’application Alimentaire Lors de la mesure de température dans le secteur agro-alimentaire, le contact direct entre le produit et l’appareil de mesure représente un danger quant à la bonne conservation et à l’immunisation du produit. Il est donc judicieux de mesurer une température sans contact, ce qui permet de conserver un niveau d’hygiène optimal vis-à-vis du produit.

Réfrigérateur Un réfrigérateur est un appareil permettant de réfrigérer une enceinte fermée et calorifugée, dont la température doit être contrôlée indépendamment de la température extérieure (cuisine, chambre froide, pharmacie, laboratoire, etc.).

Climatisation La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de poussières, etc.) d’un local pour des raisons de confort (automobile, bureaux, maisons individuelles) ou pour des raisons techniques (laboratoires médicaux, locaux de fabrication de composants électroniques, blocs opératoires, salles informatiques, etc.).

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Tableau de bord d'un système de climatisation automobile

Étuve de laboratoire Une étuve de laboratoire est un appareil de chauffage fonctionnant le plus souvent à la pression atmosphérique (parfois sous vide ou sous gaz neutre) et permettant d'effectuer divers traitements thermiques à température régulée. Les laboratoires d'analyse ou de recherche en sont souvent pourvus.

L’agriculture Il est essentiel en agriculture de connaître la température des sols. Pour la plupart des plantes, la température idéale du sol est de 21°C. La prise de mesure doit se faire pendant les heures ensoleillées. La température des sols est aussi importante pour l’ajout d’engrais, semis…

Station météorologique agricole L’industrie Le verre accompagne l’humanité depuis des siècles. En bijoux, façades, récipients pour boire ou dans tous les coloris, toutes les formes et toutes les tailles imaginables. Le matériau la plupart du temps translucide impose des exigences très particulières à la technique de mesure sans contact. Comme nous l’avons décrit exhaustivement dans notre Brochure de principes, il faut fortement tenir compte tant de la réflexion que de la transmission. Des Thermomètres infrarouges ou Caméras thermiques spécifiques d’Optris sont recommandés selon s’il faut mesurer en surface ou à l’intérieur du verre. Vous trouverez dans la suite quelques domaines d’application et la gamme de produits correspondants.

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o Maintenance préventive La surveillance sans contact des températures représente un outil très important pour garantir la sécurité et la fiabilité des installations o L’industrie du plastique Dans de nombreux procédés de transformation des matières plastiques, la température du process et la température du produit représentent la grandeur physique la plus importante. Dans ce contexte

Électroniques De plus en plus de fabricants de cartes et de composants électroniques se tournent vers l’usage de mesure de température sans contact pour soutenir l’amélioration de performances de leurs composants.

Médicales Les composants de l’ingénierie médicale évoluent rapidement en accompagnant la demande des fournisseurs d’équipement médical. La société Optris GmbH y répond en améliorant régulièrement et en adaptant ses capteurs de température sans contact.

2) Théorie 1) Les différents types de capteurs de température

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A) Thermocouple Le thermocouple s’utilise dans une grande gamme.

Il est basé sur l’effet thermoélectrique, phénomène physique présent dans certains matériaux qui lie le flux de chaleur qui les traverse au courant électrique qui les parcourt. Ainsi, 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. La tension mesurable aux bornes d’un thermocouple est de l’ordre de 5 μV/°C à 50 μV/°C. Pour mesurer une température inconnue (Point chaud), l’une des deux jonctions doit être maintenue à une température connue, par exemple celle de la glace fondante (0 °C). Les thermomètres à thermocouples sont très utilisés dans l'industrie, les laboratoires, leur avantage est une grande polyvalence avec un choix de capteurs important, des niveaux de précisions dépendant de la nature du thermocouple, en règle générale plus la plage est grande moins la précision est bonne. leur prix est raisonnable et en font ainsi des thermomètres extrêmement répandus.

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Les types les plus courrant de thermocouple : Type J Fer / Constantan (alliage nickel+cuivre) De -180 °C à 750 °C, sa table de référence s’étend au-delà de 1 000 °C Type K Chromel (alliage nickel + chrome) / Alumel (alliage nickel + aluminium (5%) + silicium) De -180 °C à 1 200 °C, sa table de référence s’étend à 1 370 °C Type S Platine-rhodium (10 %) / platine De 0 °C à 1 550 °C, sa table de référence s’étend à 1 700 °C

B) Thermomètre à mercure(Hg) Le thermomètre à mercure ou à alcool est composé de graduations indiquant des températures positives ou négatives. Sous l’action de la chaleur, le mercure ou l’alcool se dilate et monte dans le tube capillaire. Sous l’action d’une diminution de la température, le mercure ou l’alcool se rétracte et descend dans le tube capillaire. Le thermomètre à mercure a été inventé par Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724. Son fonctionnement repose sur du mercure contenu dans un tube de verre. Le volume du mercure, donc la longueur de la colonne dans le tube, est fonction de sa température. On peut lire cette dernière grâce à des marques inscrites le long du tube. Pour augmenter la sensibilité du thermomètre, une ampoule plus large que le tube est formée à l'une de ses extrémités et est remplie de mercure ; les petites variations de volume du mercure se traduisent alors par de grands déplacements de l'extrémité de la colonne. L'autre extrémité du tube est remplie d'azote, à une pression plus faible que la pression atmosphérique. Lorsque la température s'élève, le mercure ou l'alcool se réchauffe et son volume augmente. Le niveau de la colonne de liquide monte donc et on peut ainsi déterminer la température en lisant sa valeur sur l'échelle graduée.

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C) Thermomètre a pression de vapeur La tension de vapeur d'un liquide est la pression sous laquelle un liquide est en équilibre avec sa phase vapeur. la tension de vapeur est fonction de la température du liquide considéré. A une température correspond une pression. A l'augmentation de la température correspond une augmentation du passage de l'état liquide à gaz, un état d'équilibre se crée entre liquide et vapeur, de même que la pression a augmentée. Ces thermomètres sont très sensibles mais la graduation n'est pas linéaire. La précision de mesure est de 1%. La plage de température typique s'étend de 20°C à 280°C en fonction de la nature du gaz utilisé (propane, butane, ammoniac...) Equipement industriel, canalisation, chaudières, pipeline, chauffage, climatisation, ventilation... ces thermomètres sont souvent montés en ligne sur des conduites. La mesure de la tension de vapeur d'un liquide permet donc de connaître sa température. La mesure thermométrique se fait par l'intermédiaire d'une mesure de pression. Les thermomètres à tension de vapeur sont très sensibles. Mais la graduation n'est pas linéaire, comme le montre la courbe de tension de vapeur ci-dessus. La réalisation la plus simple est le thermomètre à simple remplissage. L'élément sensible est une sonde analogue à celle du thermomètre à gaz. Mais le tube de raccordement plonge dans la sonde. Celle-ci, le tube de raccordement et l'élément de mesure sont garnis de liquide vaporisable. Lorsque la sonde est placée dans une enceinte chaude, une partie du liquide se vaporise. Un équilibre liquide/vapeur s'établit, fonction de la température. En même temps, la pression a augmenté pour se fixer à la valeur de la tension de vapeur du liquide. Cette pression est transmise par le liquide au manomètre de mesure qui agit sur l'élément indicateur.

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D) Thermistance Variation importante de la résistance en fonction de la température, cette variation pouvant être assez régulière ou soudaine, dans un domaine étroit de température. Précision, Linéarité, valeur nominale pour une température donnée (à 25 °C), temps de réponse (en s), sensibilité ou coefficient de température de types CTNégatif ou CTPositif Les CTP sont à base de Titanate de Baryum , utilisé pour protéger les moteurs contre une élévation excessive de température , Protection contre sur les surintensités , Détecteur de niveau de liquide

Représentation symbolique d’une thermistance

E) Thermomètre à bilame Thermomètre à minimum et maximum à bilames (un ressort composé de 2 lames à coefficients de dilation différents se déforme en fonction des variations de température), permettant de mesurer les températures maximales et minimales atteintes. Deux marqueurs sont repoussés par l'aiguille principale jusqu'à la prochaine mise à zéro.   

Thermomètre à bilame - vertical sans tube de protection - modèle pour chimie - classe 1.0 - diamètre de 63 mm Pour produits agressifs en chimie, pétrochimie, ingénierie, ... Aussi pour la construction d'appareils, l'industrie alimentaire, etc.

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Avec un temps de réponse rapide, le thermomètre bimétallique à bilame convient parfaitement à la plupart des applications industrielles. De construction robuste, ce modèle de thermomètre bimétallique fonctionne sur le principe de l'expansion thermique (deux métaux avec coefficient de dilatation différent sont joints pour former un bilame). Cet instrument de mesure thermique est proposé avec un plongeur bas ou arrière et un boîtier orientable.

3) Description du banc d'essai

Le Seri H980/02134 c’est plus très vieux, nous nous n'avons pas trouvé dans cite officiel Mail nous nous avons trouvé un blanc On dirait que H980/02134.

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H112 de transfert de chaleur Unité de service

Un banc entièrement instrumentée supérieure Unité de service de transfert de chaleur d'alimentation en courant alternatif régulée et réglable pour l'ensemble des modules optionnels et un certain nombre de prises de courant auxiliaires. L'unité comprend une instrumentation qui est commun à tous les modules, ce qui est un indicateur numérique de la température de 12 points et numérique de mesure de courant et de tension. Le cas échéant, l'instrumentation supplémentaire est fournie avec les différents modules optionnels. La gamme de modules optionnels comprennent actuellement convection, conduction (régime permanent et transitoire), le rayonnement, les gaz parfaits, les propriétés thermodynamiques des fluides et des matériaux solides, des méthodes améliorées de transfert de chaleur, le transfert de chaleur thermoélectrique, point d'ébullition et de condensation transfert de chaleur et une chaleur à cycle fermé moteur. Cependant, la gamme est constamment élargie. dispositifs de sécurité électroniques et mécaniques internes pour permettre un fonctionnement sans surveillance par les étudiants. acquisition de données est disponible en option pour la fixation à cet appareil.

4) Mesure et discussion des résultats Parie 1

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Tableau 1 Appareil

Eau bouillant 100 °C

Eau Glass 0 °C

Remarque

100°C

1°C

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99°C

0,3°C

--

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Cet Appareil ne mesure pas température