Sonde et capteurs de température

Qu'est ce qu'une sonde ou capteur de température ?

Les types de sondes les plus couramment utilisés sont ceux qui détectent la température ou la chaleur. Ces types de sonde de température vont des simples dispositifs thermostatiques ON / OFF qui contrôlent un système de chauffage à eau chaude domestique aux types de semi-conducteurs hautement sensibles pouvant contrôler des installations de fours à régulation de processus complexes.

Les sondes de température mesurent la quantité d'énergie thermique, générée par un objet ou un système, nous permettant de détecter ou de mesurer tout changement physique de cette température, produisant une sortie analogique ou numérique.

Il existe de nombreux types de sondes de température disponibles et tous ont des caractéristiques différentes en fonction de leur application réelle. Les sondes de température se différencient par leur méthode de mesure:

Sondes de température de contact

Ces types de capteurs de température doivent être en contact physique avec l'objet à détecter et utiliser la conduction pour surveiller les changements de température. Ils peuvent être utilisés pour détecter des solides, des liquides ou des gaz dans une large plage de températures.

Sondes de température sans contact

Ces types de capteurs de température utilisent la convection et le rayonnement pour surveiller les changements de température. Ils peuvent être utilisés pour détecter des liquides et des gaz qui émettent une énergie rayonnante ou de convection.

Ces deux types de sondes de température à contact ou sans contact peuvent également être subdivisés en trois groupes de capteurs, électromécaniques, résistifs et électroniques, et les trois types sont discutés ci-dessous.



Les thermostats bi-métalliques

Lorsque la température est faible les contacts sont fermés et le courant passe à travers le thermostat. Lorsque la température est élevée, un métal se dilate plus que l'autre et la bande bimétallique liée se plie vers le haut pour ouvrir les contacts, empêchant ainsi le courant de circuler.Le thermostat est composé de deux métaux thermiquement différents collés dos à dos.


Il existe deux principaux types de bandes bimétalliques basées principalement sur leur mouvement lorsqu'elles sont soumises à des changements de température. Il existe des types «à action instantanée» qui produisent une action instantanée du type «ON / OFF» ou «OFF / ON» sur les contacts électriques à un point de température défini, et les types «à action lente» plus lents qui changent progressivement de position comme la température change.

Les thermostats à action instantanée sont couramment utilisés dans nos maisons pour contrôler le point de consigne de température des fours, fers à repasser, réservoirs d'eau chaude. 

Ils peuvent également être installés sur les murs pour contrôler le système de chauffage domestique.

Les thermostats à action lente sont généralement constitués d’une bobine ou d’une spirale bimétallique

Bien que très économiques et disponibles sur une large plage de température, les thermostats à action instantanée standard présentent un inconvénient majeur: ils ont une large hystérésis entre l'ouverture et la fermeture des contacts électriques.

La plage d’oscillation de température peut donc être assez élevée. Les thermostats bimétalliques pour usage domestique disponibles dans le commerce sont dotés de vis de réglage de température qui permettent de régler plus précisément le point de consigne de température et le niveau d'hystérésis souhaités.

Miniature

Standard

Bulbe capillaire

Câblé


Les thermistances

La thermistance est un autre type de sonde de température dont le nom est une combinaison des mots THERM (sensible à la température) ISTANCE . Une thermistance est un type spécial de résistance qui modifie sa résistance physique lorsqu'elle est exposée à des changements de température.


Les thermistances sont généralement constituées de matériaux céramiques tels que des oxydes de nickel, de manganèse ou de cobalt recouverts de verre, ce qui les rend facilement endommageables. Leur principal avantage par rapport aux types à action instantanée est leur rapidité de réponse aux changements de température, la précision, la répétabilité et le coût.

La plupart des types de thermistances ont un coefficient de température négatif ou (CTN) , c’est-à-dire que leur valeur de résistance diminue lorsque la température augmente, et certains ont bien sûr un coefficient de température positif (CTP) , car leur La valeur de résistance monte avec une augmentation de la température.

Les thermistances sont construites à partir d'un matériau semi-conducteur de type céramique utilisant la technologie des oxydes métalliques tels que le manganèse, le cobalt et le nickel, etc. Le matériau semi-conducteur est généralement formé de petits disques pressés ou de petites billes scellées hermétiquement afin de réagir relativement rapidement aux variations de température.

Thermistances de mesure

Ces thermistances sont définies par leur valeur de résistance à la température ambiante (habituellement à 25 o C), leur constante de temps (le temps de réagir au changement de température) et leur puissance nominale par rapport au courant qui les traverse. Comme les résistances, les thermistances sont disponibles avec des valeurs de résistance à la température ambiante allant de 100 kOhms à quelques Ohms.

7_1.jpgLes thermistances sont des dispositifs résistifs passifs, ce qui signifie que nous devons y faire passer un courant pour produire une sortie de tension mesurable. Ensuite, les thermistances sont généralement connectées en série avec une résistance de polarisation appropriée pour former un réseau diviseur de potentiel et le choix de la résistance donne une sortie de tension à un point ou une valeur de température prédéterminé, par exemple:

La thermistance suivante présente les caractéristiques suivantes 10 kOhm à 25oC et une valeur de résistance de 100Ω à 100 o C. Il est possible avec ces valeurs de calculer la chute de tension aux bornes de la thermistance et donc sa tension de sortie (Vout) pour les deux températures lorsqu'elle est connectée en série avec une résistance 1kW à travers une alimentation 12v.

En changeant la valeur de la résistance fixe de R2 (dans notre exemple 1 kOhm) à un potentiomètre, une tension de sortie peut être obtenue à une température prédéterminée. Par exemple, une sortie de 5 V à 60 ° C peut être obtenu en faisant varier le potentiomètre.

Il convient toutefois de noter que les thermistances sont des dispositifs non linéaires et que leurs valeurs de résistance standard à la température ambiante sont différentes entre les différentes thermistances, ce qui est principalement dû aux matériaux semi-conducteurs avec lesquels elles sont fabriquées. Les thermistances ont une variation importante en fonction de la température et ont donc une constante de température bêta ( β ) qui peut être utilisée pour calculer sa résistance pour n’importe quel point de température.

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Thermistances de détection

Ces thermistances sont définies par leur température de « déclenchement », une CTP 100°C verra sa résistance passer de 100Ohms à moins de 95°C à plus de 4000Ohms à 100°C. Ces sondes sont uniquement utilisé pour détecter de dépassement d’un seuil de température, elle ne permettent pas de mesurer une température. Contrairement aux thermistances linéaires les thermistances non linéaires ont une résistance standard et leur température de déclenchement est définie par la couleur normalisée des conducteurs, elles peuvent être montées en série afin de surveiller avec une seul sonde plusieurs points chauds. A l’inverse d’un bilame ou thermostat, les thermistances CTP ne contiennent pas d’actionneur c’est pour cela qu’il faut coupler ces sondes avec un relais qui détectera les évolution brusque de résistance.






Les sondes à résistance (RTD)

Un autre type de capteur de température est la sonde de température à résistance ou RTD. Les RTD sont des sondes de température de précision fabriqués à partir de métaux conducteurs de haute pureté, tels que le platine, le cuivre ou le nickel, enroulés dans une bobine ou à couche mince. Contrairement aux thermistances la résistance électrique des RTD varie de façon proportionnelle avec l’évolution de la température. Ces dispositifs ont un mince film de platine déposé sur un substrat en céramique blanche.

Les détecteurs de température résistifs ont des coefficients de température positifs (PTC), mais contrairement à la thermistance, leur sortie est extrêmement linéaire, produisant des mesures de température très précises.

Cependant, leur sensibilité thermique est très faible, c'est-à-dire qu'un changement de température ne produit qu'un très petit changement de sortie, par exemple 0,385Ω / o C.

Les types de RTD les plus courants sont fabriqués à partir de platine et sont appelés thermomètres à résistance platine ou PRT , le plus couramment étant la sonde Pt100, qui a une valeur de résistance standard de 100 Ω à 0 o C. L’un des principaux inconvénients de ce type d’appareil est son coût.

Comme les thermistances, les RTD sont des dispositifs résistifs passifs et en faisant passer un courant constant dans la sonde de température, il est possible d'obtenir une tension de sortie qui augmente de façon linéaire avec la température. Un RTD typique a une résistance à la base d'environ 100Ω à 0 ° C, ce qui augmente à environ 138.50Ω à 100 ° C avec une plage de température de fonctionnement comprise entre -200 à 600 °C.

Comme le RTD est un dispositif résistif, Il faut faire passer un courant à travers la sonde et mesurer la tension résultante. Toute variation de résistance due à la résistance propre des fils résistifs lorsque le courant le traverse,  I 2 R  (loi d'Ohm) provoque une erreur de lecture. Pour éviter cela, le RTD est généralement connecté à par 3 ou 4 fils afin de déduire la résistance des câbles.

2 fils: Connexion de base où le conducteur est court. Pas de fil de compensation.

3 Fils : Le plus commun avec 3 fils de connexion, l'instrument mesure la résistance du fil B et la déduit de sa mesure.

4 Fils : La connexion à 4 fils est la mesure la plus précise. L'instrument mesure la résistance des quatre fils conducteurs et la déduit de sa mesure.

Double Pt100 : Connexion RTD double 3 fils avec deux élements sensibles différents.


Les thermocouples

Le thermocouple est le plus utilisé de tous les types de sondes de température. Les thermocouples sont populaires en raison de leur simplicité, de leur facilité d'utilisation et de leur rapidité de réaction aux changements de température, dus principalement à leur petite taille. Les sondes thermocouples ont également la plage de température la plus large de tous les capteurs de température de -200°C à plus de 2000°C.

Les thermocouples sont des sondes thermoélectriques constituées essentiellement de deux jonctions de métaux différents, tels que le nickel chrome et le nickel aluminium, soudées ou serties ensemble. Une des jonctions est maintenue à une température constante appelée jonction de référence (à froid), tandis que l’autre est la jonction de mesure (à chaud). Lorsque les deux jonctions se trouvent à des températures différentes, une tension est développée aux bornes de la jonction, cette tension est comme indiqué ci-dessous.


Le principe de fonctionnement d'un thermocouple est très simple et basique. Lors de la jonction de deux métaux différents, tels que le cuivre et le constantan, un effet «thermoélectrique» se produit ce qui donne une différence de potentiel constante de seulement quelques millivolts (mV) entre eux. La différence de tension entre les deux jonctions est appelée « effet Seebeck » car un gradient de température est généré le long des fils conducteurs produisant une force électromotrice. L’évolution de la tension de sortie du thermocouple est ensuite fonction de l’évolution de la température.

Si les deux jonctions sont à la même température, la différence de potentiel aux deux jonctions est nulle, autrement dit, aucune sortie de tension n'est égale à V 1  = V 2 . Cependant, lorsque les jonctions sont connectées à l'intérieur d'un circuit et qu'elles sont toutes deux à des températures différentes, une différence de tension sera détectée par rapport à la différence de température entre les deux jonctions, V 1  - V 2 . Cette différence de tension augmentera avec la température jusqu'à ce que le niveau de tension de crête des jonctions soit atteint. Ceci est déterminé par les caractéristiques des deux métaux utilisés.

Les thermocouples peuvent être réalisés à partir de différents matériaux permettant des mesures de température extrêmes comprises entre -200°C à plus de 2000°C. Avec un si grand choix de matériaux et de gamme de température, des normes internationalement reconnues ont été développées avec des codes de couleur de thermocouple afin de permettre à l'utilisateur de choisir le capteur de thermocouple approprié pour une application particulière.


Les Sondes Numériques

Concernant les sondes Numériques, nous allons développer le fonctionnement du type le plus répandu. La sonde numérique DS18B20. 

Le capteur numérique à un fil nécessite une seule ligne de données (et GND) pour communiquer. Il peut être alimenté par une alimentation externe ou dériver de la ligne de données (appelé «mode parasite»), ce qui élimine le besoin d'une alimentation externe. Chaque capteur de température possède un code série 64 bits unique. Cela vous permet de connecter plusieurs capteurs au même câble de données. Ainsi, vous pouvez obtenir la température de plusieurs capteurs en utilisant une seule broche numérique.

Le thermomètre numérique fournit des mesures de température en degrés Celsius de 9 à 12 bits et a une fonction d'alarme programmable par l'utilisateur.

Le DS18B20 communique sur un bus 1-Wire qui, par définition, ne nécessite qu'un seul ligne de données (et masse) pour la communication.

Ainsi, il est simple d'utiliser un microprocesseur pour contrôler de nombreux DS18B20 répartis sur une grande surface. Les applications qui peuvent bénéficier de cette fonctionnalité incluent Contrôles environnementaux HVAC, surveillance de la température systèmes à l'intérieur des bâtiments, des équipements ou des machines et systèmes de surveillance et de contrôle des processus.

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