Cours technologie des systèmes I laca12

Cours technologie des systèmes I LACA12 Chap.III. Capteurs de température : Introduction De toutes les grandeurs physiques, la température est l’une des grandeurs physiques dont la mesure est la plus fréquente. Elle détermine et de façon décisive les propriétés de la matière, que ce soit de façon continue, pression ou volume d’un gaz par exemple, ou de façon discontinue, changements de phase ou points de Curie magnétiques et ferroélectriques. Dans l’industrie, et en plusieurs autres domaines, la mesure précise et le contrôle très stricte des températures sont indispensables. Du nombre important de propriétés de la matière et de phénomènes physiques sensibles à la température résulte une grande diversité de méthodes de mesure, on cite : Méthodes mécaniques. Dilatation d’un solide, liquide ou gaz, ... Méthodes optiques. Rayonnement infrarouge émis, ... Méthodes électriques. Variation de résistance, de bruit de fond, effet Seedbeck ... Les méthodes électriques basées sur l’emploi de capteurs spécifiques sont d’une grande généralité, d’une mise en œuvre relativement simple mais l’interaction réciproque du capteur et du milieu environnant pose souvent, lorsque la mesure doit être précise, un délicat problème d’évaluation et de minimisation de l’écart entre la température à mesurer et celle effectivement mesurée qui est celle du capteur. Pour mesurer la température, on a besoin, comme toutes les autres grandeurs, d’échelles et d’unité de mesure. Pour la température, on a : A l’échelle macroscopique : des échelles empiriques qui sont basées sur les modifications des propriétés physiques de matériaux par la température Echelles arbitraires qui ne donnent pas de signification intrinsèque à la température. A l’échelle atomique : La température est liée à l’énergie cinétique moyenne des constituants de la matière. Échelles de la température : Les propriétés physiques des matériaux dépendent de leur température et il est toujours possible, à partir des variations thermiques de l’une des caractéristiques physiques d’un matériau donné de définir une échelle permettant de repérer des températures et spécialement des constater l’égalité de deux températures. Cependant, une telle échelle est totalement arbitraire puisque liée à une propriété particulière d’un corps particulier. C’est uniquement à partir des lois de la thermodynamique que peuvent être définies des échelles de température ayant un caractère universel. Échelles thermodynamiques ou absolues: Échelle de Kelvin : L’unité est le Kelvin (K). Le Kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau. La température de zéro Kelvin (0 K) correspond au zéro absolu. A zéro absolu, les particules qui composent la matière sont toutes dans le même état d’énergie minimale, totale immobilité au sens classique. Échelle de Rankin : L’unité est le degré Rankin (°R) qui est égale à 5/9 de kelvin. La température du point triple de l’eau a donc pour valeur 491,69°R. Échelles dérivées : A partir des échelles thermodynamiques peuvent être définies par simple décalage des valeurs, de nouvelles échelles qui ne sont, dès lors, pas absolues d’origine. Échelle Celsius : Déduite de l’échelle absolue de Kelvin et son unité est le degré Celsius (°C), est égale à un Kelvin. T(°C)=T(K)−T0, avec T0=273, 15K. Échelle Fahrenheit : Elle s’obtient par décalage des valeurs de l’échelle absolue de Rankin, Son unité, le degré Fahrenheit (°F), etant égale à un degré Rankin : Avec : Conversion entre les échelles Celsius et Fahrenheit : Thermométrie par résistance : La composition de chaque métal lui confère une résistance spécifique au passage du courant électrique. On appelle résistivité cette valeur qui, pour la plupart des métaux, varie en proportion directe de la température. Sur certains intervalles de température, cette variation est linéaire. La pente de sa variation s’appelle coefficient de température de la résistance ou sensibilité thermique. Cette linéarité forme la base de la mesure de la température par la résistance électrique. Les thermomètres à résistance sont essentiellement une bobine de fil de haute précision dont la résistance varie avec la température. La mesure de la résistance électrique du fil nous donne indirectement sa température. On utilise divers métaux purs pour fabriquer les thermosondes, notamment le platine, le nickel et le cuivre. Une thermosonde typique contient une bobine de fil fin, ce qui maximise la variation de résistance, et minimise l’encombrement. À cause de leur précision et de leur linéarité, on choisit souvent les thermosondes de platine pour la mesure des températures des procédés De façon générale, la valeur d’une résistance dépend de sa température T : Avec :  : la résistance à la température T0, La fonction  : Une fonction caractéristique du matériau, avec (correspond à ). Deux matériaux sont couramment employés, les métaux et les thermistances, l’expression de la valeur de la résistance est donnée par : Pour les métaux. T étant la température exprimée en °C, T0=0°C. Les thermistances : ce sont des mélanges d’oxydes semi-conducteurs : T étant la température absolue. Les coefficients de la loi de variation de R ayant été préalablement précisés par un ensemble de mesure à température connues, la détermination de la valeur de R permet d’en déduire sa température. Pour de petites variations ∆T de température autour d’une valeur T, la loi générale de variation de résistance peut être linéarisée : Ou est le coefficient de température de la résistance ou sensibilité thermique à la température T. dépend évidemment de la température et du matériau. Le type le plus courant, appelé «Pt100», a une résistance de 100Ω à 0°C et 138,5Ω à 100°C (variation quasi linéaire entre -200 et 800°C) Ainsi, par exemple, à 0°C : Pour le platine :  Pour un certain type de thermistance : Le branchement du thermomètre à résistance : Le branchement du thermomètre à résistance dépend du conditionneur choisi, montage potentiomètrique ou pont, Le pont de Wheatstone, qui est le plus adopté, permet de mesurer de très petites variations de résistance électrique. Le pont de Wheatstone qui sert de transmetteur de température, compare la résistance de la thermosonde à celle de trois résistances de haute qualité dont la résistance électrique est très bien connue. Fig 1 : Un thermomètre à résistance branché à un pont de Wheatstone Un pont de Wheatstone est constitué d’une thermosonde à résistance, de trois résistances, d’un voltmètre et d’une source de tension (figure 1). Lorsque le courant dans le fil du milieu est nul, donc que la tension électrique aux points A et B est la même, le pont est dit en équilibre. Cet équilibre est le point zéro de l’indication de température du thermomètre à résistance. Avec l’augmentation de la résistance, la tension lue par le voltmètre augmentera. Si on remplace le voltmètre par un transducteur de tension, on pourra générer un signal d’interface 4-20 mA, proportionnel à l’intervalle de température considéré. Comme pour les thermocouples, on ne peut déporter le transmetteur loin de la thermosonde. Les fils de connexion étant longs, leur résistance électrique pourrait changer avec les fluctuations de la température ambiante. Ces variations introduiraient une erreur de mesure. On peut résoudre ce problème en utilisant une sonde à trois fils. Fig2 Thermomètre à résistance avec sonde à trois fils La figure 2 montre un montage avec une sonde thermométrique à trois fils. Les fils de raccordement (w1, w2 et w3) ont la même longueur et donc la même résistance électrique. La source de tension est branchée à un bout de la résistance et au sommet du pont de Wheatstone. Avantages et inconvénients des thermomètres à résistance Avantages Le temps de réaction des résistances est beaucoup plus court que celui des thermocouples : de l’ordre d’une fraction de seconde. Ces capteurs n’ont pas de problèmes de dérive, puisque contrairement aux thermocouples, ils ne sont pas auto-alimentés. Dans leur intervalle d’utilisation ils sont plus précis et plus sensibles que les thermocouples. Il faut, dans certains montages, installer de longs fils de connexion, les thermomètres à résistance ne nécessitent pas de câbles de rallonge particuliers. Contrairement aux thermocouples les thermomètres à résistance sont peu sensibles au rayonnement (bêta, gamma et neutronique). La quantité mesurée est la résistance et non la tension électrique. Inconvénients Le métal utilisé pour fabriquer les thermomètres à résistance doit être aussi pur que possible. Ils sont en conséquence beaucoup plus chers que les thermocouples. En général l’intervalle de température mesuré par un thermomètre à résistance est plus restreint que celui d’un thermocouple. Une défaillance de l’alimentation électrique peut fausser la mesure. Puisque l’on mesure de petits changements de résistance, les joints doivent donc être petits, serrés et sans corrosion. Modes de défaillance L’ouverture de la thermosonde ou du câblage la reliant au point de Wheatstone sera interprété comme une élévation de température. Une chute de tension électrique ou un court-circuit dans la thermosonde sera interprété comme une baisse de température. Thermocouples : Principes Les phénomènes thermoélectriques dans les chaînes de conducteurs métalliques ou semi-conducteurs décrivent les conversions d’énergie qui s'opèrent en leur sein, effet Joule mis à part, entre énergie d'agitation thermique et énergie électrique des charges en mouvement. Trois effets décrivent ces phénomènes : Effet Peltier : A la jonction (M, N) de deux conducteurs A et B différents mais à la même température θ, s'établit une différence de potentiel PTAB qui ne dépend que de la nature des conducteurs et de leur température θ commune. Avec : M N Conducteur B UMN T= θ PTAB T= θ Conducteur A Selon la loi des mailles, on a dans un circuit isotherme, constitué de conducteurs différents, la somme des f.e.m. de Peltier est nulle. On a donc : Effet Thomson : Entre deux points M et N à température différente, à l'intérieur d'un conducteur homogène A s'établit une force électromotrice qui ne dépend que de la nature du conducteur et des températures aux points M et N : C’est la force électromotrice, elle est fonction de la température. θM θN : Coefficient de Thomson du conducteur. UNM Effet Thomson Effet Seebeck : Soit un circuit fermé, constitué de deux conducteurs A et B dont les jonctions sont à des températures et . Ce circuit constitue un couple thermoélectrique. Ce couple est le siège d'une force électromotrice dite de Seebeck qui résulte des effets de Peltier et de Thomson qui s'y produisent. 9. Les thermocouples Un thermocouple, ou couple thermoélectrique, est formé de deux fils d’un métal différent joints à leurs extrémités (par torsion, soudure ou brasure). Le chauffage de cette jonction génère une tension électrique (ou force électromotrice : FEM) de quelques millivolts (mV). On dit des thermocouples qu’ils sont auto-alimentés. T1 T2 B M U Le thermocouple Comme tous les conducteurs sont soumis à l'effet Seebeck, y inclus les fils dans un voltmètre, il est évident que l'on ne peut pas mesurer directement la tension U avec un voltmètre. Pour que le voltmètre indique les valeurs calibrées, il faut que ses bornes soient à la même température. De chauffer le fils seulement au milieu et de maintenir les extrémités à la même température n'aide pas non plus, puisque la tension thermoélectrique s'annule exactement. Le seul moyen de mettre en évidence cette tension est d'utiliser deux (ou plusieurs) fils ayant des coefficients S différents et de veiller à ce que les bornes du voltmètre aient la même température. La tension thermoélectrique mesurée se compose des forces électromotrices des fils A et B avec : Alliages servant à la fabrication des thermocouples : En principe, n'importe quelle combinaison de deux fils peut servir comme thermocouple, pourvu que la tension thermoélectrique c.à.d. la différence entre les deux coefficients de Seebeck ne soit pas trop faible. Dans la pratique, seul un nombre restreint de combinaisons s'est établi. Le tableau 1 montre les couples les plus courants et le tableau 2 les compositions de quelques alliages thermoélectriques. Les températures de service maximales indiquées dans ce tableau ne sont pas des limites impératives comme les températures de fusion. Mais une application prolongée au delà de ces limites accélère le vieillissement. La précision indiquée et demandée par les normes n'est valable que pour le premier échauffement. Les variations ultérieures des caractéristiques thermoélectriques dépendent surtout du type et des propriétés de l'atmosphère dans le four. Fig. 2 montre les tensions thermoélectriques des thermocouples courants. Avantages et inconvénients des thermocouples Avantages On utilise des thermocouples sur la plupart des transformateurs. La jonction chaude est plongée dans l’huile du transformateur et la jonction froide est placée à l’extérieur près du transmetteur. Cette installation simple et robuste permet de détecter directement la montée de la température de l’huile par rapport à l’air ambiant. En général, seul des thermocouples sont utilisés dans la salle des turbines, à cause de leur robustesse et leur faible coût. Les thermocouples peuvent mesurer des températures dans un intervalle plus étendu que les résistances. Inconvénients Pour mesurer d’une température loin de l’emplacement du transmetteur et de la référence on devra installer des fils d’extension de thermocouple ou des câbles de compensation. On ne peut pas utiliser de thermocouples dans les zones de rayonnement intense (la voûte du réacteur par exemple). Le rayonnement, notamment les rayons bêtas produits par l’activation neutronique, produira une FEM dans les fils du thermocouple. Le signal du thermocouple étant une FEM, la tension électrique induite provoquera une erreur dans l’indication de température. La réponse des thermocouples est plus lente que celle des thermomètres à résistance. Si l’électronique de commande n’est pas à proximité et que l’on utilise des transmetteurs de températures (des transducteurs de millivolts à des milliampères), une défaillance du bloc d’alimentation produira évidemment des lectures erronées.

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