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Cours #6:Mesure de température
GPA-668: Hiver 2010
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Capteurs et détecteurs de température
• La température est une grandeur non-directement mesurable, mais repérable par la variation d’une grandeur associée (résistance, dilatation).
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Critères de sélection
• Gamme de température• Précision souhaitée• Temps de réponse
• Masse/volume du capteur• Équilibre thermique
• Accessibilité/Environnement
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Capteurs et détecteurs de température (2)
• Avec contact:– Analogique:
• Couples thermoélectriques (Thermocouples);
• Thermomètres à résistance métallique;• Thermomètres à semi-conducteur;• Thermomètres à quartz;• Thermomètres à dilatation de fluide.
– Logique:• Thermostats à dilatation de solide.
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Capteurs et détecteurs de température (3)
• Sans contact:– Analogique:
• Pyromètres optiques;• Pyromètres optiques à dilatation de solide.
– Logique:• Thermostat à dilatation de solide.
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Unités de mesure thermiques
• Échelle Celsius (1742):– Échelle relative:
• Références:• Fusion de la glace à 0 °C;• Ébullition de l'eau distillée à 100 °C.
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Unités de mesure thermiques
Échelle Kelvin (1848):Échelle absolue:
• Références:• Zéro thermodynamique: 0 k;• Point triple de l'eau (0.01 °C): 273.16 k.
( ) ( ) 273.15T C T k
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Unités de mesure thermiques
• Échelle Fahrenheit (1707):– Échelle relative:
• Références:• T. minimun solution aqueuse de NaCl: 0 °F;• Température du corps humain: 96 °F;• Température d’un cheval sain: 100 °F.
T F T C( ) ( ) 95 3 2
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Unités de mesure thermiques
Échelle Rankine:Échelle absolue du Fahrenheit:
• Références:• Zéro thermodynamique: 0 °R;• Point triple de l'eau (0.01 °C): 459.7 °F.
T F T R( ) ( ) . 4 5 9 7
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Températures de référence
• -182,97 °C:• équilibre vapeur-liquide - oxygène;
• 0,00 °C:• équilibre solide-liquide - eau;
• 0,01 °C:• point triple de l'eau;
• 100,00 °C:• équilibre vapeur-liquide - eau;
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Températures de référence
• 419,58 °C:• équilibre solide-liquide - zinc;
• 444,67 °C:• équilibre vapeur-liquide - soufre;
• 961,62 °C:• équilibre solide-liquide - argent;
• 1064,43 °C:• équilibre solide-liquide - or.
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Relation énergie vs température
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Transmission d’énergie thermique
Équilibre thermiqueLa mesure de la température implique
qu’il y ait un équilibre thermique entre l’objet et le capteur.
La température mesurée n’est pas celle de l’objet, mais celle du capteur.
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Transmission d’énergie thermique
Dans le contact thermique entre le capteur et l’objet, 3 phénomènes entrent en jeu:La conductionLa convectionLe rayonnement
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Conduction thermique
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Conduction thermique
Loi de Newton:
k = conduction thermique W/(m.K); A = Section (m2); Dx = épaisseur d’une couche (m).
2 1cond
kAQ T T
x
xx/2
Noeud
Couche
Conduction
Convection
Radiation
1
2
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Convection thermique
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Convection thermique
Équation:
h = constante de convection W/(m2.K); A = Section (m2).
1convQ hA T T
xx/2
Noeud
Couche
Conduction
Convection
Radiation
1
2
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Radiation thermique
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Radiation thermique
Équation:
σ = constante de Stefan-Boltzmann 5.55x10-8 W/(m2.K4);
= émissivitée F = « view factor »
4 41Rad heaterQ A F T T
xx/2
Noeud
Couche
Conduction
Convection
Radiation
1
2
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Couples thermoélectriques
![Page 22: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/22.jpg)
Principe
• Effet Seebeck:• Lorsque deux conducteurs de métaux
différents sont connectés ensembles en 2 points, et que ces jonctions sont à des températures différentes, une F.E.M. apparaît.
Soudure
chaude
Soudure froide
FEM
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Couples thermoélectriques
• Comme la F.E.M. dépend de la différence de température entre les 2 jonctions, il faut s'assurer de connaître la température de l'une d'entre elle pour déduire la température de l'autre.
• La jonction dont la température est connue est dite "jonction de référence".
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Couples thermoélectriques
• Avec une jonction à 0 °C, les F.E.M. mesurées varient de -10 à +60 mV.
![Page 25: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/25.jpg)
![Page 26: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/26.jpg)
Plages des thermocouples
Source: http://www.peaksensors.co.uk/
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Erreur de mesure des thermocouples
Source: http://www.peaksensors.co.uk/
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Courbes des thermocouples
![Page 29: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/29.jpg)
Tables de thermocouples
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Méthode de mesure (type T)
• La jonction 2 ne génère pas de tension.• La jonction 3 sera la jonction de
référence.• Donc Vmesurée = V1-V3
Voltmètre(CUIVRE)
Métal A: Constantan
Métal B: CuivreT j
Jonction #1
Jonction #2
Jonction #3
+V1-+ V 2 -
- V 3 +
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Méthode de mesure (type J)
• Les 3 jonctions génèrent une tension.• Donc Vmesurée = V1 +V3 -V2
• Rien ne garanti que les jonctions 2 et 3 sont à la même température.
Voltmètre(CUIVRE)
Métal A: Fer
Métal B: ConstantanT j
Jonction #1
Jonction #2
Jonction #3
+V1-+ V 2 -
+ V 3 -
![Page 32: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/32.jpg)
Méthode de mesure (type J)
• Le bloc isothermique maintient les jonctions 2 et 3 à la même température.
• Loi des métaux intermédiaires.
• Donc Vmesurée = V1-VREF avec VREF =V2 -V3
Voltmètre(CUIVRE)
Métal A: Fer
Métal B: ConstantanT j
Jonction #1
+V1-+ V 2 -
+ V 3 -
Jonction #2
Jonction #3
Cu
Cu
Bloc Isothermique
![Page 33: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/33.jpg)
Loi des métaux intermédiaires
![Page 34: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/34.jpg)
Sonde de thermocouple(canne pyrométrique)
![Page 35: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/35.jpg)
Sonde de thermocouple(canne pyrométrique)
Source: http://gatt.club.fr/page1/page29/page29.html
![Page 36: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/36.jpg)
Compensations desthermocouples
• Pour s’assurer que la mesure est de qualité, deux types de compensations de la jonction de référence existent:
• Compensation "software"
• Compensation "hardware"
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Compensation « software »
• Mesure de la température du bloc isothermique par une sonde RTD (ou une Thermistance).– Correction logicielle
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Compensation « software » (2)
• Procédure:• (1) Mesurer le RTD et obtenir TREF;
• (2) De TREF, déduire la tension VREF;
• (3) Mesurer la tension VM et soustraire VREF pour obtenir V1;
• (4) De V1, déduire T1.
![Page 39: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/39.jpg)
Compensation « hardware »(glace électronique)
• Pont de résistances avec source de tension et RTD sur bloc isothermique.
![Page 40: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/40.jpg)
Bilan
• Très grande étendue de mesure de -270 à 2700 °C;
• Précision dans l'ordre de ± 0.2 %;• Temps de réponse rapide;• N'exigent pas d'alimentation
extérieure;• Signaux de faible amplitude;• Prix modéré.
Code de couleur:
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Thermomètres à résistance métallique (RTD)
Source: Omega.com
![Page 42: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/42.jpg)
Principe
La résistance d'un conducteur varie avec la température.
R lA
To
( )1
![Page 43: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/43.jpg)
Matériaux typiques
• Mesure par un pont de Wheatstone
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Montage et installation
![Page 45: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/45.jpg)
Montage à 3 fils
![Page 46: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/46.jpg)
Courbe des RTD
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Table du Pt100
Source: http://gatt.club.fr/page1/page29/page29.html
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Bilan
• Bonnes reproductibilité, stabilité et interchangeabilité;
• Précision de ± 0.2 %;
• Temps de réponse de 0.5 à 5 secondes;
• Influençable par l'humidité et les gaz corrosifs;
• Effet Joule perturbant la mesure.
Tables chez Minco:
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Thermomètres à semi-conducteurs (Thermistance)
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Principe
Variation de la résistance d'un semi-conducteur avec T, dû au fait que le nombre de couples électron-trou augmente, ce qui diminue la résistivité.
ÉN
ER
GIE
Bande de conduction
Bande de valence
Trous
e-
Température T 1
ÉN
ER
GIE
Bande de conduction
Bande de valence
Température T 2 > T 1
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Courbe d’une Thermistance
• … à coefficient de température positif (CTP)
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• … à coefficient de température négatif (CTN)
Courbe d’une Thermistance
![Page 53: Cours #6: Mesure de température GPA-668: Hiver 2010](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062307/551d9dbf497959293b8e0a5f/html5/thumbnails/53.jpg)
Équation de Steinhart-Hart
• Approximation de la courbe d’une thermistance:• T en °K
1 3
TA B R C RT T ln ln
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L’auto-échauffement
• Peut mener à une destruction du capteur (CTN).
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Bilan
• Étendues de mesure de -110 à +250 °C
• Circuits miniatures, donc temps de réponse très courts;
• précision de l'ordre de ± 0.1 %;• Échelle non-linéaire et étendue
réduite;• Problème d'auto-échauffement
(CTN).
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Pyromètres optiques
Raytek®
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Principe
• Comparaison entre la brillance d'une lampe étalon et la source de radiation thermique.
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Principe
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Types de pyromètres optiques
• Si au point focal, on retrouve:
– Un thermocouple ou un RTD:• Pyromètre à radiation totale.
– Oeuil humain:• Pyromètre à disparition de filament.
– Capteur photovoltaïque:• Pyromètre à capteur photoélectrique.
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Spécifications
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Bilan
• Plage de 300 à 3000 °C;
• Précision de ± 5 °C (dépend de l'utilisateur);• Meilleur au niveau des pyromètres
électroniques.
• Fonctionnement automatique possible.• Capteur infrarouge avec thermocouple.
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Imagerie thermique
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Pyromètres à dilatation de solide
• Existe en deux versions:– Pyromètre à tige (mesure de la
dilatation d'une tige):– Mesure jusqu'à 1000 °C.
Pyromètre à bilame: (voir thermostat à bilame).
– Mesure de -50 à +500 °C, précision de ± 1 %.
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Thermostats à dilatation de solide (ou bilames)
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Principe
• Deux métaux ayant des coefficients de dilatation thermiques différents sont soudés ensemble.
• Flexion du bilame si la température change.
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Bilan
• Système de mesure simple et courant;
• Mesure de -50°C à 500°C;• Volume réduit;• Précision de +/-1%.
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Aspect calibration
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Aspect calibration