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الجمھوریة الجزائریة الدیمقراطیة الشعبیة République Algérienne Démocratique et Populaire

وزارة التعلیم العالي والبحث العلمي

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Mustapha Ben Boulaid Batna 2

Faculté de Technologie

Département d’électrotechnique

)Cour(apteursC

Domaine : Sciences et Technologies

Filière : Électrotechnique

Spécialité : Licence L3 (ELT+ELM)

Matière : Capteurs (Cour)

Dr BENDJERAD Adel

2

Semestre: 5+6 Unité d’enseignement: UED, V1

Matière: Capteurs (Cours: 1h30), Mode d’évaluation: Contrôle continu: 100%.

Table des matières

Avant propos 11

Chapitre 1. Généralités

1.1. Définition 12

1.2. Etalonnage et calibration des capteurs 13

1.2.1. Introduction 13

1.2.2. Définitions 14

1.2.3. Etalonnage simple 15

1.2.4. Etalonnage direct ou absolu 16

1.2.5. Etalonnage indirect ou par comparaison 16

1.2.6. Etalonnage multiple 16

1.2.7. Validité d’un étalonnage: répétabilité et interchangeabilité 16

1.3. Les éléments constitutifs d’une chaine de mesure 17

1.3.1. Définitions 17

1.3.2. Constitution du capteur 17

1.4. Grandeurs d’influence 18

1.5. Différentes familles de capteurs 18

1.5.1. Capteurs actifs 19

1.5.2. Capteurs passifs 19

1.5.3. Capteurs composites 20

1.5.4. La constitution des capteurs 21

1.6. Les circuits de conditionnement 21

1.6.1. Diviseur 22

a. Diviseur de tension 22

b. Principe du diviseur de tension chargé 22

c. Diviseur de courant 22

1.6.2. Pont de wheatstone 23

1.6.3. Amplificateurs 24

1.6.4. Amplificateur d’instrumentation 24

1.6.5. Linéarisation et amplification 25

3

Chapitre 2. Les capteurs de température

2.1. Généralités 26

2.2. Introduction 26

2.3. Sonde de platine 27

2.4. Thermistance 27

2.4.1. Thermo-résistances 27

2.4.2. Thermistances 27

2.4.3. Capteurs de température au silicium 27

2.4.4.1. Thermomètre à résistance de platine 28

2.4.4.2. Pt 1000 28

2.4.5. Classification 28

2.4.5.1. Coefficient de Température Négatif (CTN) 29

2.4.5.2. Coefficient de Température Positif (CTP) 29

2.5. Thermocouple 30

2.5.1. L'effet Seebeck 30

2.5.2. Types de thermocouples 31

2.6. Confusion possible 31

Chapitre 3. Les capteurs photométriques

3.1. Introduction 32

3.2. Photorésistance 32

3.2.1. Définition d'une photorésistance 32

3.2.2. Principe et description 33

3.2.3. Propriétés 33

3.3. Photodiode 33

3.3.1. Principe 33

3.3.2. Application 33

3.4. Phototransistor 34

3.4.1. Principe 34

3.4.2. Application 34

Chapitre 4. Les capteurs de position4.1. Définition 35

4.2. Capteurs de position résistif 35

4.3. Capteurs de position inductif 36

4

4.3.1. Définition 36

4.3.2. Différents types de capteurs inductifs 37

4.3.3. Applications 38

4.3.4. Capteurs inductifs de nouvelle génération 38

4.4. Capteurs de position capacitif 39

4.4.1. Définition 39

4.4.2. Application 40

4.5. Capteurs de position digital 40

4.6. Capteurs de proximité 41

Chapitre 5. Les capteurs de déformation, force et pression

5.1. Les capteurs de déformation 42

5.2. Les capteurs de force 43

5.3. Les capteurs de pression 43

5.3.1. Le capteur de pression absolue 43

5.3.2. Le capteur de pression relative 44

5.3.3. Le capteur de pression différentielle 44

Chapitre 6. Les capteurs de vitesse de rotation

6.1. Les capteurs de vitesse 45

6.1.1. Les capteurs inductifs monopolaires 45

6.1.2. Les capteurs inductifs bipolaires 46

6.1.3. Les capteurs actifs (généralités) 47

6.1.3.1. Les capteurs actifs à effet hall 47

6.1.3.2. Les capteurs actifs magnéto-résistifs 48

6.2. Les capteurs de rotation 49

6.2.1. Capteurs inductifs passifs 49

6.2.2. Capteurs actifs 50

6.3. Tachymètre analogique ou numérique 50

6.3.1. Tachymètre mécanique 51

6.3.2. Tachymètre magnétique 52

6.3.3. Tachymètre électrique 52

6.3.4. Tachymètre électronique 53

5

Chapitre 7. Les capteurs de débit, niveau et d’humidité

7.1. Les capteurs de débit 54

7.1.1 Le Débit 54

7.1.1.1. Débit volumique (Qv) 54

7.1.1.2. Débit massique (Qm) 54

7.1.1.3. Régimes d'écoulement 54

7.1.1.3.a. L’écoulement laminaire 54

7.1.1.3.b. L’écoulement transitoire 55

7.1.1.3.c. L’écoulement turbulent 55

7.1.2. Le nombre de Reynolds 55

7.1.3. Relation débit / vélocité 56

7.1.3.1. Restriction sur conduite 56

7.1.3.2. Vanne sur conduite 56

7.1.4. Définition d’un capteur de débit (débitmètre) 56

7.1.4.1. Débit volumique 57

7.1.4.2. Débit massique 57

7.1.4.3. La différence entre un débitmètre volumique & massique 57

7.1.5. Méthodes de mesure de débit 57

7.1.6. Les différents types des débitmètres massiques 58

7.1.6.1. Les débitmètres électromagnétiques 58

7.1.6.1.a. Les composants 58

7.1.6.1.b. Principe de fonctionnement 58

7.1.6.1.c. Caractéristiques 59

7.1.6.1.d. Avantages/Inconvénients 59

7.1.6.2. Débitmètre massiques thermiques 60

7.1.6.2.1. Débitmètre massique thermique à dérivation 61

7.1.6.2.1.a. Les composants 61

7.1.6.2.1.b. Principe de fonctionnement 61

7.1.6.2.2. Débitmètre massique thermique à passage direct 62

7.1.6.2.2.a. Les composants 62

7.1.6.2.2.b. Principe de fonctionnement 62

7.1.6.2.2.c. Caractéristiques 62

7.1.6.2.3. Débitmètre à effet Coriolis 62

7.1.6.2.3.a. Les composants 63

6

7.1.6.2.3.b. Principe 63

7.1.6.2.3.c. Caractéristiques 64

7.1.6.2.4. Débitmètre à fil ou film chaud 64

7.1.6.2.4.a. Principe de fonctionnement 64

7.1.6.2.4.b. Caractéristiques 65

7.2. Les capteurs de niveau 66

7.2.1. Mesure de niveau 66

7.2.1.1. Mesure de pesage 66

7.2.1.2. Méthodes hydrostatiques 66

7.2.1.2.1. Mesure par flotteur 67

7.2.1.2.2. Mesure par plongeur 67

7.2.1.2.3. Mesure par un capteur de pression différentielle 68

7.2.2. Détection de niveau 68

7.2.2.1. Détection par micro-ondes 69

7.2.2.2. Détection par sonde(s) de conductivité 70

7.2.2.3. Détection par lames vibrantes 70

7.2.2.4. Détecteurs de niveau optiques 71

7.2.2.4.1. Ancien principe 71

7.2.2.4.2. Par fibre optique 71

7.3. Les capteurs d’humidité 71

7.3.1. Définition 71

7.3.2. Les type des capteurs d’humidités 73

7.3.2.1- Capteur d’humidité résistif 73

7.3.2.2- Capteur d’humidité à condensateur (capacitif) 73

7.3.2.3- Capteur d’humidité hygrométrie 73

Chapitre 8. Les capteurs : technologie d’actualité

8.1. Technologie des capteurs capacitifs miniatures silicon design 74

8.2. Capteur accéléromètres et technologies des MEMS 74

8.3. Capteurs médicaux ou biomédicaux 75

8.3.1. Capteur capsule de diagnostics 75

8.3.2. Capteurs photosensibles de l'œil 76

8.4. Les capteurs pour vêtements intelligents 77

8.5. Les capteurs arduino 77

7

Chapitre 9. Chaine d’acquisition de données

9.1. La chaîne d’acquisition d’une mesure 78

9.2. Principe rôle et constitution 79

9.3. Structure d’une chaîne d’acquisition 80

Sommaire des figures

Fig. 1.1: Etalonnage puis lecture d’un capteur 12

Fig. 1.2: Grandeur physique et signal électrique d’un capteur 17

Fig. 1.3: Constitution du capteur 18

Fig. 1.4: Capteurs composites 20

Fig. 1.5: constitution des capteurs 21

Fig. 1.6: La classes de capteurs (passifs / actifs) 21

Fig. 1.7: Diviseur de tension 22

Fig. 1.8: Diviseur de tension chargé 22

Fig. 1.9: Diviseur de courant 23

Fig 1.10: Montage en pont de résistance 23

Fig 1.11: Amplificateur d’instrumentation à deux amplificateurs opérationnels 24

Fig 1.12: Amplificateur d’instrumentation à trois amplificateurs opérationnels 25

Fig 1.13: Linéarisation par l’utilisation d’un amplificateur opérationnel 25

Fig 2.1: Les capteurs de température 28

Fig 2.2: capteur de température à résistance variable CTN/CTP 28

Fig 2.3: Caractéristiques typiques d'une CTN 29

Fig 2.4: Caractéristiques typiques d'une CTP 30

Fig 2.5: (1) Capteur thermocouple, (2) Schéma de principe du thermocouple 30

Fig 3.1: (a) Symbole d'une photorésistance, (b) photorésistance 32

Fig 3.2: (a) symbole de la photodiode, (b) photodiode 33

Fig 3.3: (a) symbole du phototransistor, (b) des Phototransistors 34

Fig 4.1: Géométries différentes pour les capteurs de position résistif 36

Fig 4.2: Différents types de capteurs inductifs 37

Fig 4.3: Principe du capteur tactile 39

Fig 4.4: La détermination de la distance à partir de la mesure de la capacité C 40

Fig 4.5: Disque de codage d'un capteur digital absolu 41

Fig 6.1: Principe du capteur de vitesse 45

8

Fig 6.2: Les capteurs inductifs monopolaires 46

Fig 6.3: Les capteurs inductifs bipolaires (Lecture radiale/axiale) 46

Fig 6.4: Synoptique interne du capteur 47

Fig 6.5: capteurs actifs magnéto-résistifs 48

Fig 6.6: principe de fonctionnement des capteurs actifs magnéto-résistifs 49

Fig 6.7: Les capteurs de vitesse de rotation de roues 49

Fig 6.8: Les capteurs de rotation actifs 50

Fig 6.9: un tachymètre en RPM et en pourcentage 51

Fig 6.10: Tachymètre mécanique 51

Fig 6.11: Tachymètre magnétique 52

Fig 6.12: Tachymètre électrique d’une voiture 52

Fig 6.13: Tachymètre électronique 53

Fig 6.14: Tachymètre électronique sans et avec contact 53

Fig 7.1: L’écoulement laminaire 54

Fig 7.2: L’écoulement Transitoires 55

Fig 7.3: L’écoulement Turbulent 55

Fig 7.4: Intervalle du nombre de Reynolds pour chaque régime 55

Fig 7.5: Restriction sur conduite 56

Fig 7.6: Vanne sur conduite 56

Fig 7.7: Débitmètre à cible 56

Fig 7.8: Débitmètre électromagnétique 58

Fig 7.9: Les composants 58

Fig 7.10: Schéma de principe de fonctionnement d’un débitmètre électromagnétique 58

Fig 7.11: la nature de la charge déviée dans un sens ou le sens opposé 59

Fig 7.12: Débitmètre massiques thermiques (le physicien canadien louis) 60

Fig 7.13: les composants d’un débitmètre massique thermique à dérivation. 61

Fig 7.14: Schéma électrique d’un Débitmètre électromagnétique 61

Fig 7.15 les composants d‘un débitmètre massique thermique à passage directe 62

Fig 7.16: Débitmètre massiques à éffet Coriolis 63

Fig 7.17: Les composants d’un débitmètre massique à accélération de Coriolis 63

Fig 7.18: Débitmètre fil chaud 64

Fig 7.19 : Mesure par flotteur 67

Fig 7.20: Mesure par plongeur 68

Fig 7.21: Mesure par un capteur de pression différentielle 68

Fig 7.22: Détection par micro-ondes 69

9

Fig 7.23: Détection de niveau par sondes conductimétriques 70

Fig 7.24: Détection par lames vibrantes 70

Fig 7.25: Détection de niveau optique 71

Fig 7.26: Détection de niveau par fibre optique 71

Fig 7.27.a: Capteurs d’humidité 72

Fig 7.27.b: Capteur d’humidité résistive 73

Fig 7.28 : Capteur d’humidité à condensateur (d‘humidité capacitif) 73

Fig 7.29: Capteur d’humidité hygrométrie 73

Fig 8.1: Capteur capacitifs miniatures silicon design 74

Fig 8.2 Capteur fortement miniaturise (technologies des MEMS) 75

Fig 8.3 : Capteur capsule de diagnostics 76

Fig 8.4: Capteurs photosensibles de l'œil (Anatomie) 76

Fig 8.5: Les capteurs arduino 77

Fig 9.1: Schéma de la chaîne d’acquisition d’une mesure 78

Fig 9.2: (a) montage d’une résistance seule, (b) montage en pont de Wheatstone 78

Fig 9.3 : Chaine d’acquisition 79

Fig 9.4 : Principe rôle et constitution 79

Fig 9.5 : phases de traitement de l’information 80

Sommaire des Tableaux

Tableau 1.1 : le sept grandeurs d'unités du Système international 15

Tableau 1.2: les capteurs actifs 19

Tableau 1.3: Matériaux utiliser dans les capteurs 20

Tableau 2.1: Types des thermocouples les plus courants avec leurs caractéristiques 31

Tableau 5.1: le module élastique des matériaux 42

10

Liste des Symboles

Densité de flux magnétique B (T)

Champ magnétique H (Ampère/m) ou bien (Oe)

Perméabilité du matériau ferromagnétique (Henry/m)

Perméabilité relative du matériau

Perméabilité du vide (4 ×pi × 1e-7)

M Aimantation totale (A/m)

Susceptibilité magnétique du matériau

Induction rémanente (T)

Champ coercitif (A/m)

Abréviations

Lpm Libre parcours moyen

SCCM Centimètre Cube Standard par Minute

d diamètre

’’ (pouce) 1 Pouce=2,54 Centimètre

Pt Platine

Chromel alliage (Nickel+Chrome (10 %))

Constantan alliage (Nickel + Cuivre (45 %))

LVDT Linear Variable Differentiel Transformer

RVDT Rotary Variable Differentiel Transformer

MEMS Micro-ElectroMechanical System

RPM Rotations Per Minutes ou nombre de tours/min

G Grandeur mathématique

TRP Thermomètre à Résistance de Platine

CCD charge-couped device

CAN Codeur Analogique Numérique

AOP amplificateurs opérationnels

CTN Coefficient de Température Négatif (NTC: Negative Temperature Coefficient)

CTP Coefficient de Température Positif (PTC: Positive Température Coefficient)

11

Avant-propos

Ce présent support de cours pour la matière " Capteurs ", s'adresse aux étudiants de la

troisième année universitaire LMD spécialité ELT / ELM, profil Génie électrique du ministère de

l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique algérienne.

Il m'a été permis de concevoir ce support de cours tout au long de mon carrière

d’enseignement à l’université Mustapha Ben Boulaid Batna 2.

Ce support est constitué d'un plan de cours donnant les directives pédagogiques pour accomplir

le déroulement des séances de cours, également faciliter la compréhension et l’assimilation des leçons

d'électrotechnique du domaine capteur. Connaître les différents éléments constitutifs d’une chaine de

mesure: Le principe de fonctionnement d’un capteur, les caractéristiques métrologiques, le

conditionneur approprié et les connaissances de base concernant la chaine d’acquisition de données.

Il est conforme aux programmes d’une discipline et aux directives annoncées par ministère de

l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique (CPND) en Algérie; sa progression doit être

adaptée au niveau universitaire.

Nous recevrons avec plaisir toutes les critiques et suggestions destinées à améliorer ce travail

Connaissances préalables recommandées:

Mesures électriques et électroniques, électronique de base.

12

Chapitre 1. Généralités

Lorsque l’on souhaite traduire une grandeur physique en une autre grandeur, on fait appel à

ce que l’on nomme classiquement « capteur ». Son rôle est de donner une image interprétable d’un

phénomène physique de manière à pouvoir l’intégrer dans un processus plus vaste.

Les capteurs sont les premiers éléments rencontrés dans une chaîne de mesure. Ils

transforment les grandeurs physiques ou chimiques d’un processus ou d’une installation en signaux

électriques au départ presque toujours analogiques. Cette transformation doit être le reflet aussi

parfait que possible de ces grandeurs. Cet objectif n’est atteint que si l’on maîtrise en permanence la

réponse des capteurs qui peut être affectée par des défauts produits par les parasites qui se

superposent aux signaux, par les conditions d’utilisation, par le processus lui-même et par le milieu

qui l’entoure.

1.1. Définition

La quantité que l'on cherche à mesurer sera appelée le mesurande, soit m. Le but assigné au

capteur est de convertir m en une grandeur électrique que l’on appellera s.

La mesure s peut être une impédance, une charge électrique, un courant ou une différence de

potentiel. La relation qui lie s à m, soit s=f(m), dépend [1, 3, 5]:

- de la loi physique régissant le capteur

- de la construction pratique du capteur

- de l'environnement du capteur

L'expression f(m) est établie par une opération que l'on appelle l'étalonnage : on connaît

(à l'aide par exemple d'un étalon) différentes valeurs de m, on relève pour ces valeurs de m (m1, m2,

m3, …mi…) les signaux électriques délivrés par le capteur (s1, s2, s3, …si…) et on trace la courbe

qui est appelée courbe d'étalonnage du capteur (Fig.1.1) [1, 5, 8].

Fig. 1.1 : Etalonnage puis lecture d’un capteur

mesure smesure smesurande m mesurande m

mesure s mesure s

13

L'utilisation du capteur consiste à lire la valeur du signal électrique s lorsque’il lui est appliqué

un mesurande m inconnu. La courbe d'étalonnage permet alors d'en déduire m.

Différents domaines nécessitent le contrôle des grandeurs physique afin de pouvoir procéder à

un contrôle ou une commande. De ce fait, les capteurs sont nécessaires pour prélever les

informations relatives à un organe dont la nature est différente. Après réception des grandeurs

physiques comme la température, une force ou une pression, le capteur émet des signaux qui

peuvent être analogiques, numériques ou logiques [1, 6].

Chaîne de mesure: Généralement, le signal s n'est pas directement utilisable, on appelle

chaîne de mesure l'ensemble des circuits ou appareils qui amplifient, adaptent, convertissent,

linéarisent, digitalisent le signal avant sa lecture sur le support de sortie.

Corps d’épreuve: En mécanique, notamment, la conversion de m en s n'est pas directe. Par

exemple, la mesure d'une force nécessite de l'appliquer à un solide déformable auquel sera

fixé un capteur de déformation. Ce solide déformable, est plus généralement corps

intermédiaire entre le capteur et le mesurande, est appelé corps d'épreuve.

Grandeurs d’influence: la fonction f(m) dépend souvent d'autres grandeurs physiques

propres à l'environnement (par exemple la température ou l'humidité), ces grandeurs sont

appelées grandeurs d'influence.

Durée de vie et temps de réponse : parmi ces grandeurs d’influence on peut, de façon un peu

abusive, aborder le cas particulier du temps qui intervient dans les mesures.

Bande passante : lorsque le capteur mesure un mesurande dont la dépendance temporelle est

sinusoïdale, on montre que la sensibilité du capteur dépend de la fréquence du mesurande.

La gamme de fréquence dans laquelle le capteur présente une sensibilité constante est appelée

"bande passante". Le temps de réponse et la bande passante sont évidemment liés.

1.2. Etalonnage et calibration des capteurs

1.2.1. Introduction

Le capteur, premier élément de la chaîne de mesure est la source déterminante du signal

électrique que le reste de la chaîne doit traiter et exploiter. L’adaptation du capteur et de la chaîne

de mesure implique que celle-ci n’ajoute pas au signal initial des incertitudes ou limitations

supérieures à celles apportés par le capteur [1, 3, 6, 8].

C’est donc de la qualité du capteur que dépendent, d’une part, la plus ou moins bonne

concordance entre valeur mesurée et valeur vraie du mesurande, et d’autre part, les limites de

l’incertitude sur la valeur mesurée [1].

14

1.2.2. Définitions

Erreur absolue (e) : Écart entre la valeur mesurée Xm et la vraie valeur e= Xm – X (1.1)

Erreur relative (ε) : Quotient entre erreur absolue et vraie valeur ε = ≈ (1.2)

a. Erreurs systématiques: Pour une valeur donnée du mesurande, une erreur

systématique est soit constante, soit à variation lente par rapport à la durée de mesure. Parmi les

causes fréquentes d’erreurs systématiques on retrouve :

a.1. L’erreur sur la valeur d’une grandeur de référence comme dans le cas d’un décalage

du zéro d’un appareil de mesure à déviation qui peut être réduit par la vérification soignée des

appareillages associés.

a.2. L’erreur dues au mode ou aux conditions d’emploi comme les erreurs de rapidité, ici

on parle du temps de réponse du capteur vis-à-vis son environnement.

b. Erreurs accidentelles: l’apparition des ces erreurs comme leur amplitude et leur signe

sont considérées comme aléatoires. Certaines des causes peuvent être connues mais les valeurs des

erreurs qu’elles entraînent au moment de l’expérience sont inconnues.

Divers causes possibles d’erreurs accidentelles notamment :

b.1. Erreur de lecture d’un appareil à déviation ou bien l’erreur d’hystérésis qui se

manifeste lorsque l’un des éléments de la chaîne de mesure a un comportement présentant de

l’hystérésis (hystérésis mécanique d’un ressort, hystérésis magnétique d’un matériau

ferromagnétique) sa réponse dépend, dans une certaine mesure, de ses conditions d’utilisation

antérieures.

b.2. L’erreur due à la prise en compte par la chaîne de mesure de signaux parasites de

caractères aléatoire comme les inductions parasites dues aux rayonnements électromagnétiques, à

fréquence industrielle en particulier.

b.3. L’erreur dues à des grandeurs d’influence : un appareillage ayant été étalonné à

20°C, toute variation de température de part et d’autre de 20°C pourra entraîner des variations de

performances et donc du signal mesuré.

La précision peut être spécifiée numériquement par l’erreur de précision qui, compte tenu de

toutes les causes d’erreurs, délimite l’intervalle autour de la valeur mesurée à l’intérieur duquel on

est assuré de trouver la valeur vraie [1, 3-7];

La mesure d’une grandeur physique avec une précision donnée exige:

Le choix d’une méthode de mesure.

La sélection du capteur approprié.

La conception et la réalisation de la chaîne de mesure associée.

15

On utilise un phénomène de référence pour chaque grandeur mesurable. A une époque, les

grandeurs étaient évaluées en comparaison avec des références humaines, comme le pied, le pouce

ou la ligne (1/12e de pouce) pour les longueurs (souvent les organes des rois et empereurs), le

journal pour la surface. Comme il est possible d'exprimer des grandeurs à partir d'autres, le système

international d'unités s'appuie sur sept grandeurs pour définir ses unités de base (SI) [1, 5-9]:

Longueur: mètre (m) Masse: Kilogramme (Kg) Durée: seconde (s) Intensité du courant électrique: ampère (A)

Quantité de matière: mole (mol) Luminosité: candela (cd) Température: Kelvin (K) ; ou degré Celsius (°C)

Tableau 1.1 : le sept grandeurs d'unités du système international (SI)

Les autres unités sont définies sans avoir à utiliser d'autre phénomène physique, par exemple :

• à partir du mètre (m), on définit la surface unité (m²), et le volume unité (m³)

• Pour la vitesse, le phénomène de référence est défini par la distance unité parcourue en une

durée unité.

• pour l'accélération, le phénomène de référence est défini par une augmentation de la vitesse

d'une unité durant une durée unité.

• une force étant un phénomène qui provoque l'accélération d'un objet matériel, le

phénomène de référence est défini par la variation de vitesse de référence (accélération) et l'inertie

de référence (la masse) ; l'unité de force (le newton) est définie avec l'unité de longueur, de temps et

de masse [1, 4-9].

L’étalonnage du capteur comprend l’ensemble des opérations qui permettent d’expliciter,

sous forme graphique ou algébrique, la relation entre les valeurs du mesurande et celles de la

grandeur électrique de sortie et ceci, compte tenu de tous les paramètres additionnels susceptibles

de modifier la réponse du capteur. Ces paramètres additionnels peuvent être soit des grandeurs

physiques liées au mesurande et auxquelles le capteur est sensible (sens et vitesse de variation du

mesurande, propriétés physique du support matériel du mesurande), soit des grandeurs physiques

indépendante du mesurande auxquelles le capteur est soumis pendant sont utilisation et qui peuvent

modifier sa réponse (grandeurs d’influence d’ambiance comme la température, l’humidité, ou

grandeurs d’influence d’alimentation comme l’amplitude et la fréquence des tensions nécessaires

au fonctionnement du capteur) [1-11-29].

1.2.3. Etalonnage simple

Il s’applique à un mesurande défini par une grandeur physique unique et à un capteur non

sensible ou non soumis à des grandeurs d’influence. Il s’agit en particulier de mesurande statiques,

16

c'est-à-dire à valeurs constantes. Mesure de distance fixe à l’aide d’un capteur potentiométrique

dont l’indication ne dépend pas de la température, grandeurs d’influence, mesure d’une force

constante (pesage) au moyen de jauges compensées en température. Dans ces conditions,

l’étalonnage consiste à associer à des valeurs effectue par parfaitement déterminées du mesurande

les valeurs correspondantes de la grandeur électriques de sortie, l’étalonnage s’effectue par un seul

type d’expériences et par l’une ou l’autre procédure décrite ci-après.

1.2.4. Etalonnage direct ou absolu: les diverses valeurs du mesurande sont fournies soit

par des étalons soit par des éléments de référence dont la valeur est connue avec des précisions très

supérieure, de l’ordre de cent fois, à celle recherchée pour le capteur.

1.2.5. Etalonnage indirect ou par comparaison: on utilise un capteur de référence dont on

possède la courbe d’étalonnage et dont on est assuré de la stabilité. Le capteur de référence et le

capteur à étalonner sont soumis dans les mêmes conditions, simultanément si possible, à l’action de

mesurande identiques dont le capteur de référence permet de connaître les valeurs.

1.2.6. Etalonnage multiple: lorsque le mesurande à lui seul ne permet pas de définir la

réponse du capteur, il faut qu’il soit précisé par une série d’étalonnages successifs, l’influence de

chacun des paramètres actifs additionnels.

Dans le cas où le capteur est constitué de composants successibles de l’hystérésis,

mécaniques ou magnétiques, la valeur de la grandeur de sortie dépend non seulement de la valeur

actuelle du mesurande mais aussi de la suite de ses valeurs antérieures. L’obtention d’une courbe

d’étalonnage parfaitement définie exige alors une procédure d’étalonnage spécifiée de valeurs du

mesurande [1, 3, 15-40].

La procédure généralement employée est la suivante :

Remise à zéro du capteur: le mesurande et la grandeur de sortie ont les valeurs

correspondant à l’origine de leurs variation.

Relevé de la grandeur de sortie, d’abord pour une suite croissante de valeurs du mesurande

puis, pour une suite de valeurs décroissant depuis la valeur maximale atteinte

précédemment.

1.2.7. Validité d’un étalonnage: répétabilité et interchangeabilité

La confiance que l’on peut accorder aux résultats d’un étalonnage doit être évaluée lorsque

ces derniers sont utilisés pour l’exploitation de données fournies soit par le capteur ayant été

étalonné, soit par un capteur de même fabrication mais n’ayant pas fait l’objet d’un étalonnage

individuel.

17

La répétabilité est la qualité du capteur qui assure l’utilisateur de l’identité de la grandeur de

sortie, dans des limites spécifiées, chaque fois que ce même capteur est utilisé dans des conditions

identique : même mesurande et même paramètres additionnels. L’erreur répétitivité est déterminée

en effectuant au moins deux étalonnes successifs, elle trouve son origine principale dans les erreurs

aléatoire faites lors de l’étalonnage [1, 6, 40-43].

L’interchangeabilité d’une série de capteurs d’un même type est la qualité de cette série qui

garantit à l’utilisateur des résultats identique, aux tolérances près, chaque fois qu’un quelconque

capteur de cette série est utilisé dans des conditions identique.

1.3. Les éléments constitutifs d’une chaine de mesure

1.3.1. Définition

Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on a

besoin de contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position, vitesse,

luminosité, ...) Fig. 1.2.

Le capteur est l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques. C’est un

organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique, une autre

grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la

grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande [1,33].

Fig. 1.2 : Grandeur physique et signal électrique d’un capteur

1.3.2. Constitution du capteur

Un capteur est constitué des parties suivantes (Fig. 1.3) :

Corps d'épreuve: élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer, dont

le but est de transformer la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite

mesurable.

Elément de transduction: élément sensible lié au corps d'épreuve. Il traduit les réactions du

corps d'épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.

Grandeurphysique

Signalélectrique

Energie

18

Boîtier : élément mécanique de protection, de maintien et de fixation du capteur.

Module électronique: il a, selon les cas, les fonctions suivantes :

o alimentation électrique du capteur (si nécessaire)

o mise en forme et amplification du signal de sortie

o filtrage, amplification

o conversion du signal (CAN,...)

Fig. 1.3 : Constitution du capteur

1.4. Grandeurs d’influence

Les grandeurs d'influence sont des grandeurs étrangères qui, selon leur nature et leur

importance, peuvent provoquer des perturbations sur les capteurs. C'est donc une cause d'erreurs

agissant sur le signal de sortie [1, 4, 7, 9, 11].

Exemple :

la température

la pression environnante

les vibrations mécaniques ou acoustiques

la position du capteur et sa fixation

l'humidité, la projection d'eau, l'immersion

les ambiances corrosives

les perturbations électromagnétiques

les rayonnements nucléaires

les accélérations et la pesanteur

l'alimentation électrique du capteur.

1.5. Différentes familles de capteurs

Les capteurs fonctionnent selon deux principes de base suivant l'origine du signal électrique

de sortie. On distingue les capteurs actifs fonctionnant en générateur et les capteurs passifs

fonctionnant en modulateur [1, 9, 13-16].

19

1.5.1. Capteurs actifs: Dans ce type de capteurs, une partie de l'énergie physique prélevée

sur le mesurande est transformée directement en une énergie électrique qui constitue le

signal de sortie. Ce signal est un courant, une tension ou une quantité d'électricité. Les

signaux de sortie délivrés par les capteurs actifs sont de faible puissance. Ils sont dits de bas

niveau et doivent être amplifiés pour pouvoir être ensuite transmis à distance. Les effets

physiques les plus classiques (Tableau 1.2) sont [1, 3, 8]:

Effet thermoélectrique: Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique

différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une

force électromotrice d'origine thermique f (T1,T2).

Effet piézo-électrique: L’application d'une contrainte mécanique sur deux faces à

certains matériaux dits piézo-électriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition

d'une déformation et d'une même charge électrique de signes différents sur les faces

opposées.

Effet d'induction électromagnétique: La variation du flux d'induction magnétique

dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un

objet métallique).

Effet photo-électrique: c’est la libération de charges électriques dans la matière sous

l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde

électromagnétique.

Effet hall: Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau

une différence de potentiel Hall UHall.

Effet photovoltaïque: Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une

jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.

Mesurande Grandeur de sortie Mesures

Température Thermoélectricité ou thermocouple tension

Flux lumineux

Photoémission courant

Pyroélectricité charge

Force, pression, accélération Piézoélectricité charge

Position Effet hall tension

Vitesse Induction tension

Tableau 1.2: Les capteurs actifs

1.5.2. Capteurs passifs: Dans ce type de capteurs, c'est l'impédance du capteur qui est

sensible aux variations du mesurande. Ces variations d'impédance ne sont mesurables que par

l'intermédiaire d'un circuit électronique de préconditionnement. Les capteurs passifs doivent être

alimentés par une source d'énergie extérieure. Cette source peut être une tension continue ou

modulée en fréquence [1, 40-43].

Ces modes de fonctionnement correspondent à des principes de base et s'adapte

essentiellement aux capteurs à sortie analogique. Le mode de fonctionnement des capteurs à sortie

numérique et logique sont des cas particuliers Tableau 1.3 [1-13].

Mesurande Grandeur de sortie Matériaux

Température Résistivité Platine, nickel, semi-conducteurs

Flux lumineux Résistivité semi-conducteurs

Position Résistivité Polymères résistifs

Humidité Résistivité Chlorure de lithium, ZrCrO4

Déformation Résistivité Platine, nickel, semi-conducteurs

Déplacement Self inductance Bobine, matériaux magnétiques

Déplacement Couplage mutuel Transformateur magnétique

Déformation Capacité Vide

Humidité Capacité Polymère, or

Tableau 1.3: Matériaux utiliser dans les capteurs

1.5.3. Capteurs composites

Pour des raisons de coût ou de facilité d’exploitation, on peut être amené à utiliser un

capteur, non pas sensible au mesurande mais à l’un de ses effets. C’est le cas en résistance des

matériaux lorsqu’on utilise des jauges extensométriques Fig. 1.4 [12, 18-24].

Le corps d’épreu

traduction en une autre

électrique.

- L’association c

primaire

Fig. 1.

ve est le disposi

grandeur physique

orps d’épreuve + ca

Corps d’épreuveCapteur actif

Mesurande

4 : Capteurs composites

tif qui, soumis au mesurande en

non électrique, qu’un capteur adéq

pteur actif ou passif est un capteur

ou passifsecondaire é

Signal

Mesurande

20

assure une première

uat traduit en grandeur

composite.

lectrique

1.5.4. La constitution des capteurs [1, 9-26]

Transducteur (Elément secondaire ou de mesure): Dispositif qui transforme le signal émis

par le capteur en une indication locale plus ou moins soignée Fig. 1.5.

Transmetteur : Elément secondaire (éléments électroniques) qui transmet un signal

normalisé après conditionnement et amplification Fig. 1.5.

1.6. Les circui

Le circ

(filtrage du

analogique/num

exploitable par

Le sign

de commande.

de rendre plus

intégration). C

Ces cap

utilisable Fig.

Gra

phy

étu

(entr

mesu

Grandeurphysique

Fig. 1.5: Constitution des cap

ts de conditionnement

uit de conditionnement optimise les caractéris

bruit, amplification, suppression de compo

érique du signal peut également être faite a

un calculateur [1, 3, 9, 15] Fig. 1.6.

al analogique est converti en signal numériqu

Cette numérisation a pour but de conserver en

facile les multiples opérations à réaliser su

es opérations sont réalisées par des micros proc

teurs ont besoin d’un circuit d’adaptation pour

1.6.

Fig. 1.6: La classes de capteurs (pas

Corps d’épreuve Transducteur Transmetteur

ndeur

sique

diée

ée, ou

rande)

Capteur

passif

excitation

amplification

Classes de capteurs: capteurs

Capteur

actif

éRéaction

Signal

teurs

tiques du signal de sortie

sante continue…). Une

fin par exemple de rendre

e à l’intérieur du module é

mémoire certaines valeurs

r le signal (amplification,

esseurs.

fournir un signal électrique

sifs / actifs)

Grandeur

sortie d

capteu

(répons

(passifs / actifs)

lectrique d

Signal

21

du capteur

conversion

la mesure

lectronique

mais aussi

dérivation,

de mesure

de

u

r

e)

e mesure

22

1.6.1. Diviseur [1, 13, 24, 29, 33, 38].

a. Diviseur de tension : est un montage électronique simple qui permet de diviser

une tension d'entrée. Un circuit constitué de deux résistances en série est par exemple un montage

élémentaire qui peut réaliser cette opération. Il est couramment utilisé pour créer une tension de

référence ou comme un atténuateur de signal à basse fréquence Fig. 1.7.

U = I. (R1+R2) (1.3)

avec U2 = I. R2 et (1.4)

donc : (1.5)

Fig. 1.7: Diviseur de tension

b. Principe du diviseur de tension chargé Fig. 1.8

Le montage est identique au précédent mais avec en sortie une résistance de charge RL.

Celle-ci est en parallèle avec la résistance R2. La résistance équivalente vue par U2 s'exprime donc:

(1.6)

L’équation du diviseur de tension peut alors s’écrire :

(1.7)

Fig. 1.8: Diviseur de tension chargé

Application : le pont diviseur de tension sert généralement à conditionner un signal afin de

le traiter par un circuit tout en respectant sa dynamique d’entrée.

c. Diviseur de courant: C’est le montage dual du diviseur de tension, il est constitué

de deux résistance en parallèle et permet de déterminer le courant qui traverse l’une d’elle donc est

un montage dans la formule du diviseur de courant permet de calculer l'intensité du courant dans

une résistance lorsque celle-ci fait partie d'un ensemble de résistances en parallèle et lorsque l'on

connaît le courant total qui alimente cet ensemble. C'est le montage dual du diviseur de tension Fig.

1.9.

I

R1

R2

U

U1

U2

U2

U1

I

R1

R2

U

RL

IL

23

La loi des nœuds donne :

(1.8)

(1.9)

(1.10)

Fig. 1.9: Diviseur de courant

1.6.2. Pont de Wheatstone

Le pont de Wheatstone est utilisé dans les applications suivantes:

• capteur de couple ou de pression. La grandeur physique mesurée engendre une variation de

la résistance d’un ou de plusieurs éléments du pont de Wheatstone. Une mesure de la tension

différentielle aux bornes du pont délivre une tension proportionnelle à la grandeur physique à

mesurer [1, 4, 5].

• la quantité de carburant injectée dans un moteur thermique dépend de la masse de l’air et

du débit de l’air (débit massique). Le débit massique est déterminé par un montage en pont de

Wheatstone. Un élément de ce pont est chauffé et son refroidissement par l’air aspiré est

proportionnel au débit massique. Une mesure de la tension différentielle aux bornes du pont délivre

une information sur le débit massique.

• capteur magnétique. Avec des magnétorésistances, la résistance est dépendante du champ

magnétique appliqué.

Exemple : Montage en pont de Wheatstone avec un élément sensible: Le montage est

présenté sur la Fig 1.10. L’élément sensible délivre une variation de résistance en fonction de la

grandeur à mesurer.

Fig 1.10: Montage pont de Wheatstone

R1 UI0

I0

I1 I2

R2

E

R1 R2

R3R4

ABUAB

24

Le pont de Wheatstone est le plus adapté pour la mesure de faibles variations de résistance,

car à l’équilibre la tension de sortie UAB est nulle ; si une des résistances varie légèrement on obtient

une variation proportionnelle à cette résistance qui pourrait être un capteur passif

(Théorème de Millman) (1.11)

On dit que le pont est à l’équilibre lorsque la tension de sortie UAB est nulle soit lorsque

R2R3=R1R4.

Exemple : si R1=R2=R3=R et si R4 est un capteur résistif tel que : R4=R+R α ou R4=R (1+ α)

On obtient à la sortie UAB = E×(α/4)

1.6.3. Amplificateurs

C’est un système électronique qui augmente la tension et/ou l’intensité d’un signal

électrique. L’énergie nécessaire à l’amplification est tirée de l’alimentation électrique du système.

Un amplificateur parfait ne déforme pas le signal d’entrée : sa sortie est une réplique exacte de

l’entrée mais d’amplitude majorée [1, 6, 8].

1.6.4. Amplificateur d’instrumentation

L’amplificateur d’instrumentation est un amplificateur destiné au traitement des signaux

électriques de faibles amplitudes. Il est le plus souvent réalisé à partir d’un ou de

plusieurs amplificateurs opérationnels (AOP), où il améliore leurs caractéristiques intrinsèques :

composante continue, dérive, bruit, gain en boucle ouverte, taux de réjection du mode commun,

impédance d'entrée. Il existe aussi en circuits intégrés [1, 4, 8].

Un exemple en est donné en Fig 1.11, réalisé à partir de deux amplificateurs opérationnels.

(1.12)

Si R1=R2=R3=R4 on obtient (1.13)

Fig 1.11: Amplificateur d’instrumentation à deux amplificateurs opérationnels

V’1

R/α α R

25

Fig 1.12: Amplificateur d’instrumentation à trois amplificateurs opérationnels

L’amplificateur d’instrumentation de la Fig 1.12 est constitué par un amplificateur

différentiel A3. A1 et A2 n’amplifient pas la tension de mode commun mais amplifient le mode

différentiel. En effet, pour une tension de mode commun présente sur les deux entrées U1 et U2

1.6.5. Linéarisation et amplification

Avec un seul élément sensible, il est possible en utilisant le montage de la Fig 1.13 de rendre

la tension de sortie Us linéaire en fonction de α [1, 3, 5, 8].

Us= - R (1+α) ie1+UR

UR=R ie2 donc ie2= UR/R comme ie1 = ie2

Car R ie1 –Ud – R ie2 = 0 => ie1 = ie2

Donc Us= - R (1+α) (VR/R) +UR

Us= UR [- (1+α) +1] donc

Us = (- (α× E)/2)

On constate que la tension de sortie US est linéaire en fonction de α :

La tension de sortie est donnée par la relation

(1.14)

Fig 1.13: linéarisation par l’utilisation d’un amplificateur opérationnel

ieie1

ie2

ie2

Vd

26

Chapitre 2. Les capteurs de température

2.1. Généralités

Au départ la température a un lien avec la sensation de chaud et de froid. Par ailleurs les

premiers thermoscopes étaient gradués en très chaud, chaud, tempéré, froid, très froid. Mais très

vite nous pouvons voir les limites de cette notion. En effet si vous plongez la main dans de l'eau

froide puis dans de l'eau tiède, celle-ci vous paraitra chaude maintenant plongez la main dans de

l'eau chaude et remettez-la dans la même eau tiède celle-ci vous paraitra plus froide qu'après. Cette

notion n'étant ni précise, ni fidèle, les scientifiques ont voulu trouver un autre moyen de définir et

de mesurer la température. La physique statistique définit la température comme un degré

d'agitation des atomes et/ou des molécules. Un peu plus tard viendra la notion de désordre avec

l'entropie. La thermodynamique apporte une énorme contribution dans la définition de la

température. En effet celle-ci est introduite par Sadi Carnot en 1824 dans la notion de machine

thermique parfaite décrite par un cycle. Dans cette notion le rapport de températures est défini par

un rapport d'énergies. La température est une grandeur intensive, c'est-à-dire qu'elle traduit un "état"

du système étudié au même titre qu'une tension électrique, une altitude ou un potentiel chimique,

etc. On peut comparer les valeurs d'une grandeur intensive de deux systèmes, mais on ne peut pas

en faire la somme. Une grandeur intensive est un potentiel d'où dérive un champ. À une grandeur

intensive est associée une grandeur extensive. En thermique, la grandeur extensive associé à la

température est l'entropie. Afin de mesurer la température il est nécessaire que le capteur mesure

une grandeur physique qui dépend de la température de l'élément à mesurer. C'est-à-dire qu’il existe

une relation mathématique qui relie la grandeur G à la température [1, 3, 5-8, 28]:

G = f(T) (2.1)

Afin de mesurer la température de manière indirecte, il à fallu mettre en place une échelle de

température puis ensuite fabriquer des capteurs mesurant la température à partir de grandeur telle la

résistivité, le potentiel, etc.

2.2. Introduction

Les 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 a fallut trouver

27

le moyen de traduire les températures en signaux numériques compréhensibles par des machines.

Dans ce chapitre nous allons étudier différents capteurs de température:

2.3. Sonde de platine

La sonde à résistance de platine est constituée d'un filament de platine (Pt), entourant une

tige de verre ou non, dont la caractéristique est la variation de sa changer de résistance en fonction

de la température. Sa résistance augmente en même temps que la température.

Les sondes les plus couramment utilisées sont de type Pt100 (100 Ω à 0°C).

Il en existe de plusieurs tailles et formes en fonction de l'utilisation Fig 2.1.a.

C'est le modèle le plus couramment employé dans l'industrie, Une sonde Pt100 est un type de

capteur 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. Le capteur Pt 500 à une résistance de 500 ohms à 0°C et le capteur Pt1000 a

une résistance de 1000 ohms à 0°C. Normalement, ces capteurs sont équipés d'une gaine de

protection ou de montage pour former une sonde de température et ceux-ci sont couramment

appelés des PRT ou TRP (Thermomètre à Résistance de Platine) ou des sondes Pt100.

Comparativement aux thermocouples Fig 2.1.e, ils présentent les avantages suivants:

* Grande plage de température de -200 °C à 850 °C,

* Courbe caractéristique quasi linéaire,

* Précision élevée,

* Bonne interchangeabilité [1, 6, 13-42].

2.4. Thermistance

Les principaux capteurs de température utilisés en électronique sont basés sur la variation de

la résistance électrique en fonction de la température [1, 5, 36-39].

Couramment, on différencie les thermo-résistances des thermistances comme suit :

2.4.1. Thermorésistances augmentation régulière de la résistivité de certains métaux

(argent, cuivre, nickel, or, platine, tungstène,titane) avec l'augmentation de la température Fig 2.1.b.

2.4.2. Thermistances variation (plus importante) de la résistance d'autres matières (oxydes

métalliques, composites) en fonction de la température, cette variation pouvant être assez irrégulière

ou soudaine, dans un domaine étroit de température Fig 2.1.c.

2.4.3. Capteurs de température au silicium dont la plupart basés sur la dépendance de la

tension d'une jonction diodes en fonction de la température plutôt que de la résistance proprement

dite. Suivant le niveau de dopage, les résistances à base de matériaux semi-conducteurs peuvent

avoir un coefficient en température négatif (dopage faible) ou positif (dopage élevé) Fig 2.1.d.

28

2.4.4.1. Thermomètre à résistance de platine

Le thermomètre à résistance de platine est un dispositif (un type de thermistance) permettant

de mesurer la température. Il est basé sur le fait que la résistance électrique du platine varie selon la

température. Le thermomètre à résistance de platine fut développé en 1888. En anglais on parle

généralement de sonde RTD pour Resistance Température Detector [1, 7, 9, 21-42].

La production des thermomètres à résistance de platine est standardisée, voir normalisée. La

variété de produit sur le marché est donc limitée. En pratique, les thermomètres à résistance de

platine se distinguent par la valeur de référence de leur résistance à la température t90= 0 °C. Elles

sont nommées Pt-X, Pt pour platine et X étant la valeur de référence de la résistance (en ohm). Par

exemple, une sonde Pt100 possède une résistance de 100 ohms à la température t90 de 0 °C.

2.4.4.2. Pt 1000

La valeur élevée de la résistance de cette sonde permet de limiter, pour une tension donnée,

l'influence sur la température à mesurer de la dissipation thermique par effet Joule dans la résistance

(auto-échauffement, voir ci-dessous). On peut ainsi travailler avec des courants de mesure

nettement plus faibles Fig 2.1.f [1, 18, 36-41].

2.4.5. Classification

Il est basé sur celui d’une résistance ou on classe deux types de thermistances (Fig 2.2.a) :

les CTN et les CTP (Fig 2.2.b).

(a) Sonde de platine (b) (c) thermistance (d) (e) (f) Pt 100

Fig 2.1 : Les capteurs de température

Fig 2.2: Capteur de température à résistance variable CTN/CTP

(a) Représentation schématique, (b) sonde électronique CTN ou CTP

(a) (b)

29

2.4.5.1. Coefficient de Température Négatif (CTN)

Les CTN (Coefficient de Température Négatif, en anglais NTC, Negative Temperature

Coefficient) sont des thermistances dont la résistance diminue de façon uniforme quand la

température augmente et vice-versa (Fig 2.3)

Les CTN sont fabriquées à base d'oxydes de métaux de transition (manganèse, cobalt, cuivre

et nickel). Ces oxydes sont semiconducteurs.

Les CTN peuvent être utilisées dans une large plage de températures, de -200 à + 1 000 °C,

et elles sont disponibles en différentes versions : perles de verre, disques, barreaux, pastilles,

rondelles, puces, etc. Les résistances nominales vont de quelques ohms à une centaine de kilo ohms.

Le temps de réponse dépend du volume de matériau utilisé (Fig 2.2.b). Les CTN sont utilisées pour

les mesures et le contrôle de la température [1, 8, 22-24].

Fig 2.3: Caractéristique typique d'une CTN

2.4.5.2. Coefficient de Température Positif (CTP)

Les CTP (Coefficient de Température Positif, en anglais PTC, Positive Température

Coefficient) sont des thermistances dont la résistance augmente avec la température. On distingue

les thermo-résistances (augmentation continue et régulière de la résistance avec la température) des

CTP dont la valeur augmente fortement avec la température dans une plage de température limitée

(typiquement entre 0 °C et 100 °C) Fig 2.4.

Pour ces dernières, il y a deux types principaux :

CTP fabriquées à base de titanate de baryum. Leur valeur augmente brutalement dans un

domaine étroit de température, puis diminue progressivement au-delà de cette zone. Elles sont

comme les CTN, disponibles en différentes variantes et valeurs, et sont plutôt utilisées comme

capteurs.

CTP polymère-carbone. Leur valeur augmente aussi brutalement dans un domaine de

température étroit, mais sans diminution au-delà. Elles sont principalement utilisées comme fusibles

réarmables.

Les CTP peuvent être utilisées comme (Fig 2.2.b):

Détecteur de température, pour protéger des composants (moteurs, transformateurs)

contre une élévation excessive de la température;

Résistance

CTN (NTC)

Température

30

Protection contre des surintensités;

Détecteur de niveau de liquide : la température de la CTP et donc sa résistance, sera

différente lorsque le capteur est dans l'air ou plongé dans un liquide [1, 8, 16-25].

Fig 2.4: Caractéristique typique d'une CTP

2.5. Thermocouple

Un thermocouple (ou couple thermoélectrique, Fig 2.5.1), est un système constitué de deux

fils métalliques de nature différente reliés par des jonctions (Métal A et B) Fig 2.5.2. Il permet la

mesure de température par application de l’effet Seebeck (par le physicien allemand Thomas

Johann Seebeck en 1821). La principale limite est la précision obtenue. Il est relativement difficile

d'obtenir des mesures avec une incertitude inférieure à 0,1 °C [1, 25-31].

2.5.1. L'effet Seebeck

Lorsque deux métaux sont utilisés pour former une boucle ouverte (pas de courant circulant

dans les fils) (Fig 2.5.2), un potentiel électrique peut être généré entre les deux bornes non reliées

de la boucle s'il existe un gradient de température dans la boucle. Le potentiel électrique généré peut

être calculé à partir de l'équation suivante [1, 7, 13-19]:

dU=Sab (T).dT (2.2)

Sab : est nommé coefficient Seebeck (les indices a et b représentent la nature différente des

métaux employés) ou coefficient de sensibilité.

Fig 2.5 : (1) Capteur thermocouple, (2) Schéma de principe du thermocouple

Résistance

CTP (PTC)

Température

(1) (2)

t1

t2

bougie

Jonctionfroide

Métal B

Milieuambiant

mV

(=)

Métal A

T

31

2.5.2. Types de thermocouples

Un thermocouple peut être formé à partir de n'importe quel couple de métaux. En pratique,

pour des questions de coût, de sensibilité, de gamme de mesure, d'oxydation, de résistance

mécanique, etc., les couples de métaux utilisés sont restreints.

Dans la liste qui suit, il est indiqué usage « continu » et « intermittent » pour les plages de

températures. Chaque type de thermocouple peut être utilisé dans toute sa plage d'usage

intermittent. Cependant, utiliser un thermocouple hors de sa plage d'usage continu trop longtemps

peut dégrader le thermocouple et ses performances, il est donc conseillé de ne l'utiliser dans cette

plage d'usage intermittent que de manière ponctuelle [1, 12-19, 23-26].

Types des thermocouples les plus courants

Type Métal A (+) Métal B (-) Limites théoriques Coef Seebeck SAB (µV/°C) à T°C Erreur standard Erreur Mini

B Pt 30% Rhodium Pt 6%

Rhodium

0 à 1820°C 5,96 µv à 600°C 0,5% 0,25%

E Nickel 10% Cr Constantan -270 à 1000°C 58,67 µV à 0°C 1,7% à 0,5% 1% à 0,4%

J Fer Constantan -210 à 1200°C 50,38 µV à 0°C 2,2% à 0,75% 1,1% à 0,4%

K Chromel Alumel -270 à 1372°C 39,45 µV à 0°C 2,2% à 0,75% 1,1% à 0,2%

N Nicrosil Nisil -270 à 1300°C 25,93 µV à 0°C 2,2% à 0,75% 1,1% à 0,4%

R Pt 13% Rhodium Pt -50 à 1768°C 11,36 µV à 600°C 1,5% à 0,25% 0,6% à 0,1%

S Pt 10% Rhodium Pt -50 à 1768°C 10,21 µV à 600°C 1,5% à 0,25% 0,6% à 0,1%

T Cuivre Constantan -270 à 400°C 38,75 µV à 0°C 1% à 0,75% 0,5% à 0,4%

Tableau 2.1: Types des thermocouples les plus courants avec leurs caractéristiques.

2.6. Confusion possible

Il ne faut pas confondre ce dispositif avec le thermocouple platine/platine rhodié, qui est un

autre dispositif de mesure de température en platine, mais utilisant un autre phénomène physique.