Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques Marc Silanus – marc.silanus@ac-aix-marseille.fr Génie Electronique – Lycée A. Benoit – Cours Victor Hugo – 84803 L’ISLE SUR LA SORGUE

Le référentiel de BTS SN Savoir S5.3. : STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques Le référentiel de BTS SN Savoir S5.3. : Détecteurs / capteurs industriels : position, vitesse, accélération, … Capteurs et périphériques multimédia : écrans, caméras, micros, hauts parleurs… Conditionnement et traitement du signal : Amplification, Filtrage analogique et numérique, compression Conversion de données : Échantillonnage, CAN/CNA compétences  C3.6 : recenser les solutions existantes répondant au cahier des charges C4.1 : câbler et/ou intégrer un matériel C4.2 : adapter et/ou configurer un matériel

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 1- Généralités Besoin de connaître certaines grandeurs physiques (courant ; couple ; vitesse ; température…) En automatique en particulier (régulation et asservissement)

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 1- Généralités

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 1- Généralités

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 2- Définition

2- Définition STS SN Capteur intégré Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 2- Définition Capteur intégré Composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d'épreuve et l'électronique de conditionnement.

3- Que peut-on capter ? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 3- Que peut-on capter ?

3- Que peut-on capter ? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 3- Que peut-on capter ?

4- Classification des capteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs

4- Classification des capteurs 4-1 Capteurs actifs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs 4-1 Capteurs actifs reposent sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d’énergie propre au mesurande (énergie thermique, mécanique ou de rayonnement).

4- Classification des capteurs 4-1 Capteurs actifs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs 4-1 Capteurs actifs Exemples :

4- Classification des capteurs 4-1 Capteurs actifs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs 4-1 Capteurs actifs Exemple : Effet Hall Lorsqu'un courant traverse un barreau en matériau semiconducteur (ou conducteur), et si un champ magnétique d'induction B est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant, une tension, appelée tension Hall, proportionnelle au champ magnétique et au courant apparaît sur les faces latérales du barreau.

4- Classification des capteurs 4-2 Capteurs passifs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs 4-2 Capteurs passifs Il s’agit principalement d’impédances dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande (effets sur la géométrie, les propriétés électriques des matériaux).

4- Classification des capteurs 4-2 Capteurs passifs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs 4-2 Capteurs passifs Exemples :

4- Classification des capteurs 4-2 Capteurs usuels - Tout ou rien STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs 4-2 Capteurs usuels - Tout ou rien

4- Classification des capteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 4- Classification des capteurs 4-2 Capteurs usuels – Numériques / Analogiques

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 5- Vocabulaire Mesurande : ce que l’on veut mesurer (température) Mesurage : l’action de mesurer Parasites : des grandeurs qui modifient la mesure (pression) Etendue de mesure : plage des valeurs du mesurande pour lesquelles le capteur répond aux spécifications du constructeur Méthode directe : mesurande obtenu directement Méthode indirecte : mesurande obtenu par l’intermédiaire d’autres variables

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 5- Vocabulaire Capteur Acquisition de la grandeur physique Conditionneur Adaptation de la grandeur électrique au traitement : - Amplification - Filtrage - Limitation du mode commun Système de traitement Electronique numérique : - Microcontrôleur - Ordinateur - DSP - FPGA - Automate industriel

6- La mesure et ses causes d’erreurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 6- La mesure et ses causes d’erreurs

6- La mesure et ses causes d’erreurs 6-1 Mesure et incertitude STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 6- La mesure et ses causes d’erreurs 6-1 Mesure et incertitude

6- La mesure et ses causes d’erreurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 6- La mesure et ses causes d’erreurs 6-2 Répartitions des résultats de mesure

6- La mesure et ses causes d’erreurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 6- La mesure et ses causes d’erreurs 6-3 : Modélisation des différentes erreurs

7- Zone de fonctionnement d’un capteur STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 7- Zone de fonctionnement d’un capteur

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 8- Sensibilité

9- Calcul d’incertitude Exemple : pont diviseur de tension STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 9- Calcul d’incertitude Exemple : pont diviseur de tension Déterminer la fonction de transfert entre Vs et Ve et donner sa valeur. Quelle est l’incertitude sur la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée (par rapport à la tension de sortie attendue) ?

10- Conditionnement du signal STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal L’étage de conditionnement du signal des capteurs à un rôle très important : Il converti en tension la grandeur de sortie du capteur, adapte l’impédance pour le capteur limite l’amplification en mode commun, élimine les bruits électromagnétiques. Capteur Conditionneur Système de traitement

10- Conditionnement du signal STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Avec un capteur passif, on associe la variation d’impédance du capteur à une source de tension ou une source de courant et la grandeur exploitée est la tension de sortie. Montage potentiométrique

10- Conditionnement du signal STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage potentiométrique

10- Conditionnement du signal STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage potentiométrique

10- Conditionnement du signal STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage potentiométrique Conclusion : Ce montage donne une évolution linéaire de Vm en fonction de Rc/R mais il présente les inconvénients suivants : • faible variation de la tension de sortie pour une variation Rc donnée, • existence d’une tension de repos non nulle, • sensibilité de Vm par rapport à l’alimentation E.

Montage en pont de Wheastone avec un élément sensible STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage en pont de Wheastone avec un élément sensible

Montage en pont de Wheastone avec un élément sensible STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage en pont de Wheastone avec un élément sensible

Montage en pont de Wheastone à deux éléments sensibles STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage en pont de Wheastone à deux éléments sensibles

Montage en pont de Wheastone à deux éléments sensibles STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage en pont de Wheastone à deux éléments sensibles

Montage en pont de Wheastone à quatre éléments sensibles STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage en pont de Wheastone à quatre éléments sensibles

Montage en pont de Wheastone à quatre éléments sensibles STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Montage en pont de Wheastone à quatre éléments sensibles

Polarisation des capteurs par un courant STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Polarisation des capteurs par un courant Une polarisation par un courant est préférable à une polarisation par une tension quand on cherche à s’affranchir de la résistance des contacts ou de la résistance de la liaison (connexion de la partie électronique au capteur à jauge de contrainte).

Linéarisation et amplification STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Linéarisation et amplification Exemple :

Amplifications classiques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Amplifications classiques

Amplifications classiques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Amplifications classiques

Amplifications classiques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-1 Conditionnement des capteurs passifs Amplifications classiques

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-1 Importance de la réjection de mode commun En milieu industriel (milieu parasité par des bruits électromagnétiques), une tension parasite vient se superposer à celle délivrée par le capteur : • quand les câbles de liaison entre le capteur et l’amplificateur sont placés à proximité d’un fil secteur un couplage capacitif génère cette tension supplémentaire • quand le câble de liaison est sujet à des parasites d’origine magnétique

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-1 Importance de la réjection de mode commun

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-1 Importance de la réjection de mode commun Exemple : Mesure de l’ECG

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-1 Importance de la réjection de mode commun Exemple : Mesure de l’ECG

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-1 Importance de la réjection de mode commun Exemple : Mesure de l’ECG

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-2 Amplificateur différentiel Vs = Vd = Vmc = Donc Vs =

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-2 Amplificateur différentiel Taux de réjection du mode commun :

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Amplificateur d’instrumentation à 2 AOP La particularité d’un amplificateur d’instrumentation est qu’il amplifie la tension de mode différentielle sans (ou peu) amplifier la tension de mode commun. Ils consistent à utiliser un montage amplificateur avec plusieurs AOP qui optimise le rapport de l’amplification du mode différentiel par rapport à l’amplification de mode commun. Pour augmenter le Trmc, il faut : • présenter des entrées à impédance infinie pour éviter de délivrer des tensions différentes sur les deux entrées, • symétriser les deux voies pour traiter identiquement l’amplification des deux entrées.

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Amplificateur d’instrumentation à 2 AOP V1 = V2 = Vs =

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Amplificateur d’instrumentation à 2 AOP

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Amplificateur d’instrumentation à 2 AOP Ad = Amc = Conclusion :

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Ajustage du gain V1 = V2 =

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Ajustage du gain Vs = ?

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Ajustage du gain – Exemple de circuit

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Amplificateur d’instrumentation à 3 AOP

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Amplificateur d’instrumentation à 3 AOP

10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 10- Conditionnement du signal 10-2 Amplificateur d’instrumentation 10-2-3 Amplificateur d’instrumentation à 3 AOP Exemple : AD620

11- Transmission des signaux 11-1 Boucle de courant 4-20mA STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 11- Transmission des signaux 11-1 Boucle de courant 4-20mA Moyen de transmission  permettant de transmettre un signal analogique sur une grande distance sans perte ou modification de ce signal.

11- Transmission des signaux 11-1 Boucle de courant 4-20mA STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 11- Transmission des signaux 11-1 Boucle de courant 4-20mA

11- Transmission des signaux 11-2 Bus de terrains spécialisés STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 11- Transmission des signaux 11-2 Bus de terrains spécialisés

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 12- La norme NF E 04-203 Elle définit la représentation symbolique des régulations, mesures et automatisme des processus industriels. Les instruments utilisés sont représentés par des cercles entourant des lettres définissant la grandeur physique réglée et leur(s) fonction(s). La première lettre définit la grandeur physique réglée, les suivantes la fonction des instruments.

STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 12- La norme NF E 04-203

13- Les capteurs de température 13-1 Pourquoi mesurer la température? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-1 Pourquoi mesurer la température? La mesure de température est certainement l’une des plus fréquentes. Cette mesure détermine de façon décisive les propriétés de la matière : de manière continue (pression ou volume d’un gaz PV=nRT) de manière discontinue (changements de phase ou point de Curie magnétiques ou ferroélectriques) C’est pourquoi, en recherche comme dans l’industrie, la mesure précise et le contrôle très strict des températures sont indispensables.

13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? Mesure indirecte Variation d’une grandeur associée Résistance, Volume Déformation mécanique Rayonnement émis ou élargissement des raies spectrales (effet Dopler) Choix d’un capteur Gamme d’utilisation Précision Temps de réponse Environnement, accessibilité

13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? Equilibre thermique : Objet / capteur Température mesurée : Celle du capteur ! Contact thermique : Conduction / Convection / Rayonnement

13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? Conduction

13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? Convection

13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-2 Comment mesurer la température? Rayonnement

13- Les capteurs de température 13-3 Les différents capteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Les différents capteurs Avec contact Logique (TOR) Thermostat à dilatation solide (bilame) Analogique Résistances métalliques (ex: Pt 100) Thermistances CTN,CTP (plus grande sensibilité) Thermométrie à semi-conducteur (diode, transistor) Couples thermoélectriques (Thermocouples) Thermomètres à dilatation fluide

13- Les capteurs de température 13-3 Les différents capteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Les différents capteurs Sans contact Analogique Pyromètres optiques (relation entre la température d’un corps et le rayonnement optique) … à dilatation de solide (quartz avec oscillateurs d’une très grande stabilité) Logique Thermostat à dilatation de solide

Détection de seuils de température STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Les bilames Température -> déformation du bilame -> ouverture d’un contact Laiton et invar ou ferro-nickel et invar Invar = Fe (64%) – Ni (36%) : absence de dilatation entre 0 et 363K Détection de seuils de température

13- Les capteurs de température 13-3 Les bilames STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Les bilames

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques Fil métallique cylindrique R= ρl/s R( θ) = Ro (1 + a θ + b θ²+ ...) Pour des petites variations ∆θ : R( θ) = Ro (1 + a ∆ θ ) Métaux : a >0 exemple : platine : a = 3,85.10-3 (°C) -1

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques la plus courante = PT100 : sonde de 100Ω à 0°C ; diamètre de fil ~ 10 µm longueur ~ 10 cm, après bobinage 1 cm matières isolantes autour des bobinages choisies en fonction des températures d'utilisation (verre, céramique, ciment, plastique)

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) Domaines d'utilisation : -200 à 850°C Sensibilité: environ 0,4Ω /°C si le courant de mesure est de 5mA , on a alors 2mV/ °C aux bornes de la sonde. Attention à l’autoéchauffement (en général I < 10 mA) Rapidité : Temps de réponse dépend de l’enrobage, gaine. ~ 1 s dans l'eau, ~ 10 s dans l'air.

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) Circuit de mesure

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) Circuit de mesure : montage 2 fils

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) Circuit de mesure : montage 3 fils

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) Circuit de mesure : montage 4 fils

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) Exercice : La notice précise qu'il faut éviter les intensités supérieures à 3 mA, car un risque d'auto-échauffement excessif de la sonde préjudiciable à la mesure existe alors ( élévation de température de 0,5 K quand l'intensité traversant la sonde est de 3 mA).

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) Que signifie K dans 0,5 K qui apparaît dans la notice? Quelle relation relie une température exprimée en K et la même exprimée en °C ? Soit U() la tension entre Q et N quand la température de la sonde est  et UPt la tension aux bornes de la sonde Pt100 à cette même température. On prendra pour les applications numériques R1=R2=R3=100 W et E= 10 V. Comment appelle t-on la partie du circuit, située entre M et P et constituée de conducteurs ohmiques. Exprimer UPt en fonction de E et de certaines résistances constituant le circuit. En déduire l'intensité IPt circulant dans la sonde de platine en fonction de E et de certaines résistances constituant le circuit. Exprimer U1 =UMQ en fonction de E et de certaines résistances constituant le circuit. Déduire des questions précédentes l'expression U() en fonction de E, R0, R1, R2, R3, a et .

13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-3 Résistances métalliques (PT100) A.N : calculer U() et IPt quand: la sonde est en contact avec un thermostat dont la température est 0°C. la sonde est en contact avec un thermostat dont la température est 100°C. La sonde est-elle utilisée dans de bonnes conditions ? Justifier. Quel phénomène physique permet d'expliquer l'auto-échauffement ? Comment faire pour diminuer le phénomène d’auto-échauffement ? Ces choix ne sont pas sans conséquences sur U() : pour certaines valeurs de E, R2 et R3 ( différentes de celles utilisées dans l'énoncé), cette tension varie alors seulement de 0 mV à 32 mV. Proposer un schéma de montage permettant d'amplifier cette tension.

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances Une thermistance est un capteur qui permet d'obtenir une variation de résistance en fonction de la température. Des petits grains de semi-conducteurs et d'oxydes métalliques (fer, titane, etc...) appellés oxydes céramiques sont utilisées pour mesurer des températures entre – 46 °C et 150 °C. Résistances non linéaires. Il en existe deux types : La CTN (NTC), coefficient de température négatif la CTP (PTC) , coefficient de température positif

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances Relation Résistance / Température :

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances Avantages : Sensibilité thermique élevée : 10 fois supérieure à celle des résistances métalliques. Coefficient de température généralement négatif : CTN Résistance élevée (>1000 Ω) : montage 2 fils OK… Grande résistivité : dimensions réduites (qqmm), mesures quasi ponctuelles Capacité calorifique réduite (due à leurs faibles dimensions) : temps de réponse court

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances Avantages : Sensibilité thermique élevée : 10 fois supérieure à celle des résistances métalliques. Coefficient de température généralement négatif : CTN Résistance élevée (>1000 Ω) : montage 2 fils OK… Grande résistivité : dimensions réduites (qqmm), mesures quasi ponctuelles Capacité calorifique réduite (due à leurs faibles dimensions) : temps de réponse court Inconvénients : Coefficient de température dépend fortement de T Sensibles à la corrosion chimique et aux chocs thermiques Dérive des caractéristiques au cours du temps Interchangeabilité médiocre (tolérances de ±10%)

13- Les capteurs de Résistances température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de Résistances température 13-4 Les thermistances Utilisation : -100 à 400°C sur un intervalle restreint (50°à 100° C max.) Détection Mesure de (très) faibles variations de température (jusqu'à 10-4K). Méthodes de mesure identiques à celles des résistances métalliques

13- Les capteurs de Résistances température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de Résistances température 13-4 Les thermistances Exemple d’utilisation :

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances Exercice : On utilise une CTN comme capteur de température sur une plage allant de -35°C à 195°C. La relation Résistance / Température est : avec T : Température en K On a mesuré les résistances de CTN pour les températures suivantes : t1= 25°C => R1=10k t2=125°C => R2=425k Calculer le coefficient B Le constructeur indique que B=3750K à 5% près pour une température comprise entre 25°C et 85°C. La valeur calculée précédemment est elle dans la fourchette de tolérance ? Calculer R0. Le constructeur donne R0=30k. Quel est l’écart relatif avec la valeur calculée ?

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances La caractéristique du capteur sur la plage de mesure est la suivante :

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances On linéarise la caractéristique du capteur autours de 115°C en plaçant en parallèle sur la CTN une résistance Rp dont la valeur est donnée par l’expression : avec Tm température au point de fonctionnement. Calculer Rp.

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances Calculer la sensibilité du capteur obtenu.

13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-4 Les thermistances On monte le capteur Rc dans le montage suivant : On considère Rc comme parfaitement linéraire en fonction de la température : Rc = R4 + R avec R fonction linéaire de T UAB est-elle une fonction linéaire de la température ? Donner l’expression de UAB en fonction de Rc. R4=Rc(Tm) R3=R1=860 U=15V

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples Effet Seebeck

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples Le thermocouple permet des mesures de température ponctuelles. La capacité calorifique du capteur peut être très réduite assurant une vitesse de réponse élevée. Le thermocouple délivre une fem dont la mesure ne nécessite pas la circulation d’un courant dans le capteur. Ceci permet de l’utiliser pour des mesures sur des systèmes à faible inertie thermique ou à basse température.

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples Le thermocouple permet des mesures de température ponctuelles. La capacité calorifique du capteur peut être très réduite assurant une vitesse de réponse élevée. Le thermocouple délivre une fem dont la mesure ne nécessite pas la circulation d’un courant dans le capteur. Ceci permet de l’utiliser pour des mesures sur des systèmes à faible inertie thermique ou à basse température.

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples La non linéarité de la relation fem du thermocouple forme polynomiale de l’équation qui les lie. Pour chaque type de thermocouple, une norme définit : Une table de valeurs de la fem E en fonction de la température T Une expression polynomiale qui traduit algébriquement la relation entre E et T (Souvent noté es)

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples

13- Les capteurs de température STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples – Détermination de la fem On cherche la FEM fournie par le thermocouple pour le couple de température : Température soudure froide : 4˚C Température soudure chaude : 27˚C FEM = 1381µV − 202µV = 1179µV

13- Les capteurs de température STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples – Détermination de la fem L’expression de la fem de Seebeck est souvent réduite au 3 premiers termes : Pour un thermocouple au plomb, on a : a0=0

13- Les capteurs de température STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples – Détermination de la fem Pour un thermocouple Cu-Pt : Cu-Pt = Cu-Pb + Pb-Pt = Cu-Pb - (Pt-Pb) Si T=100°C => es = Généralement, on donne l’équation inverse :

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples - Constitution STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples - Constitution La soudure chaude ou jonction de mesure La soudure froide ou jonction de référence : Les appareils sont équipés d’une compensation de soudure froide électronique. La température de référence est donnée par une sonde platine, une thermistance ou une diode.

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples Exercice : On mesure la température grâce à un thermocouple de type k dans le circuit suivant:

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples Pour un thermocouple de type k : Extrait de la table des FEM (mV) d’un thermocouple type K Quelle est la température pour une FEM de 3,7mV

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples Donner l’expression de la température en °C en fonction de E (en mV) sous la forme polynomiale de degré 2 : Calculer la température lorsque le thermocouple fourni une tension E = 3,7mV Calculer le facteur d’amplification du circuit de conditionnement.

13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les Thermocouples Vout est connectée à l’entrée A0 d’une carte Arduino. Complétez le programme : void setup()  {   Serial.begin(9600); } void loop() {   int N = analogRead(A0);   float Vout =_________________________________________;   float Temperature = _________________________________;   Serial.println(Temperature); delay(1000); }

13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs Composé de diode ou de transistor monté en diode Polarisé dans le sens direct à courant constant : La tension générée peut donc être utilisée comme grandeur de sortie du capteur de température

13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs

13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs

13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs

13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-5 Les capteurs à semi-conducteurs

13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques L'utilisation préférentielle des pyromètres optiques concerne les mesures : sans contact (corps en mouvement, à grande distance ou dans le vide). Insensible aux interférences électromagnétiques de températures de surface. de très hautes températures. sur des corps de faible capacité thermique. Utilise la propriété des corps émettre un rayonnement dans l’infrarouge en fonction de sa température de surface

Spectre de rayonnement d’un corps noir pour différentes températures STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques Les rayonnements infrarouges : Spectre de rayonnement d’un corps noir pour différentes températures Objets réels => pas des corps noirs Réglage : Emissivité

13- Les capteurs de température STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques - Composition Thermocouple / Thermistance / Silicium

13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques Exemple : TPA81 = Matrice de 8x1 thermopiles

13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-6 Les capteurs pyrométriques Exemple : TPA81 = Matrice de 8x1 thermopiles Insensible à la lumière ambiante Températures de 8 zones Température ambiante Plage de mesure de la température : 2°C à 100°C Précision : ± 2% Commande servomoteur Communication I2C

13- Les capteurs de température 13-7 Comparaison des solutions STS SN Acquisition et conditionnement des grandeurs physiques 13- Les capteurs de température 13-7 Comparaison des solutions Capteur Temp. Conditionnement Précision Sensibilité Comparaison Thermocouple -250°C à 2000°C • Amplification • Filtrage • Compensation de soudure froide Bonne Non linéaire • Auto-alimenté • Bon marché • Durci • Vaste gamme de températures Pt 100 -200°C à 800°C • Amplification • Filtrage • Excitation en courant Excellente Meilleure Linéaire • Très précis • Très stable Thermistance -90°C à 130°C • Amplification • Filtrage • Excitation en tension • Haute résistance • Masse thermique faible Optique IR -100°C à 5000°C • Peu ou pas d'amplification • Filtrage • Bonne pour les environnements dangereux • Bonne sur de longues distances • Insensible à toute interférence électromagnétique • Compacte, légère