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Sondes thermométriques
Mesure de la température
Sondes
Nous décrivons ici les thermomètres qui fournissent une tension électrique proportionelle à la température. Chaque thermomètre se compose d'une sonde et d'un amplificateur. Nous décrivons sur cette page les sondes qui déterminent la température de l'eau dans la chaudière. Les sondes d'ambiance sont décrites ici.
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Température de la chaudière

Mesure de la température avec un thermocouple

La mesure de la température de l'eau de la chaudière est effectué par un thermocouple, car il n'y a pas assez de place dans la buse de mesure. Seul un thermocouple peut être inséré dans le tuyau de mesure.

Le thermocouple fournit une tension relative, la différence entre la "soudure chaude" et la "soudure froide". Il faut donc utiliser un second capteur qui lui mesure une température effective. C'est la sonde de température de cave, qui ne sert qu'à fournir une température de référence. Sa température est ajoutée à celle du thermocouple, cela est effectué via le logiciel.

Un thermocouple fournit un signal infinitésimal de 41µV/°C pour le type K. Le type J fournit 55µV/°C mais est plus difficile à trouver. Le type K est souvent utilisé dans l'industrie lourde car il résiste relativement bien aux température élevées qui sont par exemple présentes dans les hauts fourneaux. Le type J est utilisé dans l'industrie du plastique, où on utilise de plus basses températures.

J'ai d'abord utilisé un système avec deux amplis opérationnels, un AD517 suivi d'un UA741, les deux en boitier métallique pour faire plus vintage. Le AD517 est spécialement conçu pour ce genre de travail, son offset est très faible. Malheureusement il a péri quand la soudure chaude a fait contact avec l'alimentation 240V du chauffage.

Je suis alors passé à un double op amp plus classique, le LF353. C'est pas ce qui se fait de mieux question offset, mais c'est le seul op amp que j'avais sous la main. Un offset rudimentaire a été ajouté via une résistance de 10MΩ et un potentiomètre.

Le signal de mesure doit être amplifié 2000× avant d'être numérisé. On utilise un amplificateur opérationnel double, le premier fournit une amplification linéaire, le second effectue une différentiation (calcul de la dérive) permettant de détecter plus rapidement les variations de température. La différentiation réduit également la masse thermique assez importante de la sonde. Un seul étage n'est pas en mesure d'effectuer ces deux fonctions: la différentiation d'un signal extrèmement faible produirait un bruit de fond important (l'amplificateur a un bruit propre de 10µV).

Voici le circuit complet qui amplifie le signal de 55µV/°C en un signal qui va d'environ 0.5 à 4.5V (la résistance de 10MΩ produit un léger offset). Le condensateur de 10µF est réalisé avec des condensateurs de qualité audiophile. Les condensateurs électrolytiques servent au découplage des lignes d'alimentation.

Un second calcul de la dérive est appliquée par le logiciel sur la valeur numérique. Cela permet de réagir plus rapidement aux changements de température. Il est nécessaire de pouvoir prédire la température, car elle continue à monter après l'arrêt du bruleur, à cause de l'inertie thermique des parois du bruleur. Le calcul est tellement complexe que je suis passé d'un système de régulation de type PID (proportionnel intégral dérivé) à une commande prédictive.

L'évolution des températures: la différentiation présente sur la température de l'eau du boiler est bien visible par une courbe plus "rugueuse".

Living

Chambre

Cave (référentiel soudure froide du thermocouple)

Jardin (influence de la température externe),
échelle des températures grise

Chaudière température de l'eau,
échelle rouge.

La différentiation produit un bruit de fond mesurable. En fait, ce bruit améliore le facteur de conversion A/D. Le bruit de fond est comparable à une petite oscillation superposée.

Chaque circuit reçoit son alimentation de l'ordinateur, pas besoin d'une alimentation séparée.

J'ai remarqué que le thermocouple réagit avec lenteur aux variations de température. Plusieurs systèmes de compensation sont nécessaires pour obtenir un fonctionnement stable. Le logiciel prévoit une anticipation automatique tout comme un ancien thermostat d'ambiance à bilame!

Au bout de quelques années, le premier thermocouple est tombé en panne. maintenant le second montre des signes très prononcés d'hystérésis: quand la température monte, la tension délivrée par le thermocouple ne monte pas. Il faut une augmentation de pratiquement 10°C pour que la tension augmente. C'est acceptable pour un processus indistriel qui travaille avec des hautes températures de plus de 1000°, ici, c'est inacceptable.

Mesure de la température
avec une diode

Je remplacerai “cet été” le thermocouple par une diode (la photo montre une diode comme celles utilisées pour la mesure de la température de l'air dans un four). J'utilise le coéfficient de température négatif d'une diode en conduction (-2mV/°C). Tout comme l'effet Seebeck (sur lequel est basé le fonctionnement d'un thermocouple) il s'agit d'une valeur constante qui permet donc une mesure de la température exacte. Une amplification de 35× est suffisante (au lieu de 2000× fois).

Ici aussi nous avons une valeur relative (à cause de la seconde diode de référence qui remplace la "soudure froide"). Un LM3911N monté dans le même boitier fournit un référentiel (la température de la cave). C'est le logiciel qui effectue le calcul de la température de l'eau, en additionnant la température ambiante à la température du capteur d'eau.

Mesure de la température avec une résistance de platine

Finalement, je n'ai pas remplacé le capteur de température de la chaudière par une diode, mais par un thermomètre à résistance de platine (TRP ou RTD en anglais). Le capteur est un Pt1000 dont la résistance varie de 1000Ω à 1200Ω pour une température de 0°C à 50°C. La résistance est mesurée en y envoyant un faible courant calibré. Le capteur produit ainsi une différence de tension de 4mV/°C.

Le circuit que j'utilise est construit autour d'un LM10 utilisé ici pour sa référence interne de 200mV. J'en fais une source de courant de 900µV avec un transistor supplémentaire.

La tension est négative par rapport à la masse, car le rérérentiel utilise le négatif comme commun (le LM10 n'est pas conçu pour travailler avec une alimentation symmétrique). L'ampli opérationnel doit donc être branché comme inverseur.

L'amplification est réglée sur environ 20×. Je dispose ainsi d'une tension qui va de 0 à 6V pour une température de l'eau de la chaudière qui va de 0 à 70°C. L'offset et le gain ont été réglé au labo grâce à un calibrateur.

Un différentiateur a été ajouté par après pour améliorer le fonctionnement inpulsionnel (fonction dérivée). Le circuit réagit ainsi plus rapidement aux variations de température. La constante de temps peut être changée selon le fonctionnement du circulateur. Quand il tourne, l'eau chaude arrive plus rapidement à la sonde et le système est intrinsèquement plus rapide. La fonction dérivée agit moins quand le circulateur tourne.

Si vous vous demandez la raison d'une diode en sortie: c'est pour éviter les tensions négatives (le convertisseur AD se bloque quand il reçoit une tension négative).

Ce circuit fournit une température absolue: la correction par le logiciel a été supprimée (ajout de la température de la cave, qui correspond à la 'soudure froide' ou à la 'diode froide').

Au bout de quelques mois, j'ai remarqué que la stabilisation de la température de la chaudière est plus précise avec un Pt1000 au lieu d'un thermocouple (réponse plus rapide). La température dans les locaux d'habitation est aussi mieux controlé et le système d'apprentissage ne doit plus modifier les paramètres.

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