Les capteurs de température

Etude bibliographique

Un capteur   :

Est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable

Capteurs passifs :

Ils ont besoin dans la plupart des cas d'apport d'énergie extérieure pour fonctionner, Ce sont des capteurs modélisables par une impédance.. Il faut leur appliquer une tension pour obtenir un signal de sortie.

Capteurs actifs (ou capteurs directs) :

On parle de capteur actif lorsque le phénomène physique qui est utilisé pour la détermination du mesurande effectue directement la transformation en grandeur électrique, Un capteur actif fonctionne assez souvent en électromoteur et dans ce cas, la grandeur de sortie est une différence de potentiel.

Caractéristiques des capteurs :

On caractérise un capteur selon plusieurs critères dont les plus courants sont :

la grandeur physique observée son étendue de mesure sa sensibilité sa précision sa linéarité son temps de réponse sa bande passante sa résolution son hystérésis sa gamme de température d'utilisation

Remarques : Pour utiliser un capteur dans les meilleures conditions, il est souvent utile de pratiquer un étalonnage et de connaître les incertitudes de mesures relatives à celui-ci.

Une Thermistance   :

Les principaux capteurs de température utilisés en électronique sont basés sur la loi de variation d’une résistance.

Thermo-résistances : variation de la résistivité de certains métaux (argent, cuivre, nickel, or, platine, tungstène, titane) en fonction de la température.

Thermistances : variation de la résistance d’oxydes métalliques en fonction de la température.

On trouve également des capteurs de température au silicium.

Principales Caractéristiques :

Les principales qualités de ces capteurs sont : Précision, Linéarité, Valeur nominale pour une température donnée (à 25 °C), Temps de réponse (en s), Sensibilité ou coefficient de température (variation de la résistance en fonction de la température), Etendue ou gamme de mesure (température min. et max. d’utilisation), Durée de vie, Stabilité (variation des différents paramètres dans le temps), Encombrement, coût, puissance.

Classification :

On distingue deux types de thermistances : les CTN et les CTP.

Caractéristiques typiques d'une CTN et d'une CTP

Symbole :

Il est basé sur celui d’une résistance :

CTN :

Les CTN (Coefficient de Température Négatif, en anglais NTC, Negative Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance diminue de façon uniforme avec la température.

[]Les CTN sont fabriquées à base d'oxydes de métaux de transition (manganèse, cobalt, cuivre et nickel). Ces oxydes sont semi-conducteurs.

Les CTN peuvent être utilisées dans une large plage de températures, de -200 °C 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 k ohms. Le temps de réponse dépend du volume de matériau utilisé.

Les CTN sont utilisées pour les mesures et le contrôle de la température, la suppression d'impulsions transitoires, la mesure de flux de liquides.

CTP   :

Les CTP (Coefficient de Température Positif, en anglais PTC, Positive Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance augmente fortement avec la température dans une plage de température limitée (typiquement entre 0 °C et 100 °C), mais diminue en dehors de cette zone.

Les CTP sont fabriquées à base de titanate de baryum. Elles sont comme les CTN, disponibles en différentes variantes et valeurs.

Les CTP peuvent être utilisées :

comme détecteur de température, pour protéger des composants (moteurs, transformateurs) contre une élévation excessive de la température ;

comme protection contre des surintensités ; comme 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.

Etudes théorique et pratique

But du TP :

Le but du travaille est de connaitre le fonctionnement et la modélisation d’un capteur de température.

Appareils et instrument utilisé :

Chauffe ballon, thermomètre, ohmmètre, thermistance CTN et CTP

A) Étude dune thermistance a coefficient de température négatif CTN :

Manipulation 1:

1 _ on note la valeur de température ambiante à l’aide du thermomètre :

On trouve Tamb = 22.5 C°.

2_ a l’aide d’un ohmmètre en vas mesurer la résistance De la thermistance a la température ambiante et une autre mesure en tenons la sonde du capteur entre nos mains :

On aura RCTN = 7.6 k Ω a Tamb = 22.5 c° a sonde mise en aire

Et RCTN = 5 k Ω a Tcorps = 34 c° a sonde tenu dans la main

Remarque : la température du corps Tcorps = 37c° a l’intérieur du corps d’ou je ne peux avoir cette température dans mes mains donc j’ai du les échauffé en les frottant pour me rapprocher de la température interne du corps.

Note : le constructeur indique une valeur de

RCTN = 4.7 k Ω a Tamb = 25 c°

a) Comment varie la résistance du capteur en fonction de la température ? :La valeur de la résistance RCTN diminue de façon uniforme avec la température T.

b) Définir la thermistance CTN :C’est un dispositif que en fonction de la chaleur il change sa valeur, diminue quand la chaleur augmente et le contraire est vrai.

Manipulation 2:

1) Etudier la résistance RCTN en fonction de la température T :

Remplir le fond du ballon avec de l’eau froid sur 2 ou 3 cm, plonger le thermometre et le capteur CTN, reliés avec un élastique. Régler le chauffe ballon au maximum, puis on aura à relever simultanément avec l’ohmmètre et la température sur le thermometre tous les 5c° jusqu’a 80 c° et remplie le tableau si dessous :

Temp(c°) 22.7 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

RCTN(KΩ) 7.7 7 5.8 4.7 3.9 3.2 2.6 2.2 1.8 1.4 1.2 1.0 0.85

2) Etudier la résistance Rctp en fonction de la température T :

Refaire les mêmes manipulations précédentes et on remplie le tableau :

Temp(c°) 23 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

RCTN(Ω) 36 36.7 37.6 39 41.5 46 53 67 94 310 625 1300 150

Modélisation de la thermistance CTN :

a) Tracer de la courbe RCTN = f (temp) : voir la feuille millimétréeb) L’allure des courbes :

c) oui la résistance de la thermistance varie, et elle le fait dan sens négatif

d) modèle en RCTN = R0 expo [a (1/T – 1/T0)] a T0= 298k (25c°)

B) Étude dune thermistance a coefficient de température négatif CTP :

Manipulation 1:

1 _ on note la valeur de température ambiante à l’aide du thermomètre :

On trouve Tamb = 22.5 C°.

2_ a l’aide d’un ohmmètre en vas mesurer la résistance De la thermistance a la température ambiante et une autre mesure en tenons la sonde du capteur entre nos mains :

On aura RCTp = 36.7 Ω a Tamb = 23 c° a sonde mise en aire

Et RCTp = 39 k Ω a Tcorps = 34 c° a sonde tenu dans la main

Remarque : la température du corps Tcorps = 37c° a l’intérieur du corps d’ou je ne peux avoir cette température dans mes mains donc j’ai du les échauffé en les frottant pour me rapprocher de la température interne du corps.

Note : le constructeur indique une valeur de

Rctp = 30 Ω a Tamb = 25 c°

c) Comment varie la résistance du capteur en fonction de la température ? :La valeur de la résistance RCTN diminue de façon uniforme avec la température T.

d) Définir la thermistance CTN :C’est un dispositif que en fonction de la chaleur il change sa valeur, diminue quand la chaleur augmente et le contraire est vrai.

Manipulation 2:

1) Etudier la résistance RCTp en fonction de la température T :

Remplir le fond du ballon avec de l’eau froid sur 2 ou 3 cm, plonger le thermometre et le capteur CTN, reliés avec un élastique. Régler le chauffe ballon au maximum, puis on aura à relever simultanément avec l’ohmmètre et la température sur le thermometre tous les 5c° jusqu’a 80 c° et remplie le tableau si dessous :

Temp(c°) 23 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

RCTN(Ω) 36 36.7 37.6 39 41.5 46 53 67 94 310 625 1300 1500

Modélisation de la thermistance CTN :

c) Tracer de la courbe RCTN = f (temp) : voir la feuille millimétréed) L’allure des courbes :

c) oui la résistance de la thermistance varie, et elle le fait dan sens négatif

d) modèle en RCTp = ????????, a T0= 298k (25c°)