Capteurs de température sous la forme d'un circuit intégré

Ils ont l'avantage de fournir un signal linéaire et suffisamment élevé pour l'usage courant. Un op-amp peut malgré tout être nécessaire pour relever le niveau du signal à la plage la mieux adaptée d'un convertisseur A/D.

Le signal que fournit un tel circuit est de 10mV/°C. Il faut corriger le zéro soi-même. Le gain est parfois réglable, par exemple de 10 à 100mV/°C.

Pour les hobbyistes: Il s'agit d'une solution prêt-à l'emploi avec un petit circuit intégré sur une plaquette. Ce capteur est idéal pour les températures courantes (thermomètre d'ambiance). Le capteur est assez grand et ne peut pas passer dans une tige de mesure (sauf peut être le LM35 qui a la forme d'un petit transistor). La plage des températures est limitée, souvent de 0 à 50°C.

Thermocouple

Le thermocouple est un standard industriel et est utilisé dans les hautes températures (fours, processus industriels). Une installation se compose d'une longue tige creuse contenant le capteur et d'une calotte contenant l'électronique, voir photo à droite. Le signal de sortie est par exemple du 4-20mA (également un standard industriel).

Un thermocouple fournit une très petite tension qu'il faut nécessairement amplifier. La mesure est relative par rapport à la "soudure froide" (en pratique le coté froid où se trouve l'ampli). La calotte avec l'ampli contient une compensation intégrée. Le signal du thermocouple se dégrade avec le temps et il apparait un hystérésis. Le gradient des tensions n'est pas linéaire pour les grands écarts de température. On préfère utiliser un autre type de capteur si les températures à mesurer ne sont pas trop élevées.

Pour les hobbyistes: un set complet (buse de mesure et calotte) est assez cher. Il vaut mieux acheter un thermocouple seul et s'occuper soi-même de l'électronique. Le signal que fournit un thermocouple est très faible (50µV/°C), ce qui nécessite un amplificateur opérationnel de haute stabilité avec gain élevé.

RTD

Nous avons les thermomètres à résistance (RTD en anglais: Resistance Temperature Detector). En français, on utilise le terme TRP (thermomètre à résistance de platine), alors qu'il existe d'autres matériaux résistifs.

Ce type de capteur se compose d'une résistance dont la valeur change à la température. Il faut donc un courant de mesure très faible pour mesurer cette résistance.

Pour les hobbyistes: c'est la meilleure solution pour mesurer la températire d'une chaudière. Il faut également de l'électronique pour amplifier le signal, mais avec une sensibilité d'environ 30mV/°C, l'amplification peut être moindre qu'avec un thermocouple.

Pyromètre

Le pyromètre mesure la radiation infra-rouge d'un corps chauffé. Il n'y a pas de contact entre le corps à mesurer et le capteur. Ce type de système est souvent utilisé pour mesurer la température dans les fours. La précision de la mesure dépend du type de matériau dont on mesure la température. Pour avoir une mesure plus correcte, on mesure plusieurs bandes de radiations et un microprocesseur calcule le rapport et donne la température exacte.

Informations techniques

Le graphique à droite montre le coefficient de température d'une diode de type 1N4148. La tension peut aisément être envoyée à un ampli opérationnel qui amplifie le signal jusqu'à une valeur utile de 200mV/°C. L'ampli opérationnel LM10 peut être configuré pour fournir un courant constant à la diode.

Thermistances
Les thermistances (terme générique) ont souvent un mauvais nom en ce qui concerne la linéarité, la fiabilité et la stabilité. C'est normal, car le terme de thermistance englobe de nombreux matériaux résistifs, dont certains ne sont pas conçus pour une mesure exacte de la température, mais par exemple pour protéger un appareil électronique d'une trop forte hausse en température (fonction de limiteur). Parmi les thermistances nous avons principalement les NTC et PTC.

Les thermistances ont une forte variation de la résistance, mais qui n'est ni linéaire ni calibrée.

Les PTC ont une variation brusque le la résistance à partir d'une certaine température. Ils servent ainsi à protéger certains appareils (fusibles automatiques à réenclenchement automatique). Quand le courant excède une valeur donnée, la dissipation augmente, la température monte. La résistance augmente, ce qui augmente à nouveau la dissipation. Passé une certaine température, la résistance augmente brusquement, ce qui produit pratiquement une coupure du circuit.

Les NTC sont utilisé dans les thermostats (fonction tout-ou-rien), pour stabiliser le fonctionnement de certains circuits (amplificateurs), etc. Donc principalement des applications où une mesure exacte de la température n'est pas nécessaire.

La valeur d'une NTC est donnée pour 25°C, par exemple 100Ω. La résistance à 0° est alors de 280Ω. Mais un NTC de 10Ω a une résistance de 17Ω à 0° (et non 28Ω): ce ne sont donc pas des références.

RTD
Une thermistance de qualité industrielle est la sonde Pt100 (un fin fil en platine qui a une résistance de 100Ω à 0°C). Les métaux ont généralement un coëfficient de température positif, et c'est également le cas pour ce capteur. La résistance atteint environ 120Ω à 50°C.

Il faut compenser la résistance des conducteurs quand on utilise des cables assez longs, car la résistance du fil joue un rôle. Il existe plusieurs moyens de neutraliser cette résistance parasite.

• Système 4 fils
  C'est le système le plus simple qui fournit la meilleure précision. On utilise deux conducteurs pour le courant de mesure (fils bleus), et on utilise les deux autres conducteurs pour la mesure de la tension sur la résistance (fils violets). Comme il n'y a pas de courant qui circule dans les conducteurs de mesure, il n'y a pas non plus de chute de tension. Le PT100 avec ces 4 branchements est en cyan. Avec un courant de mesure de 1 mA, on obtient une tension de 100mV pour une température de 0°C.

  

• Système 3 fils
  On part du principe que chaque fil a la même résistance (ce qui est le cas avec les méthodes de fabrication actuelles). Quand on connait les pertes dans un conducteur, (celui qui a le conducteur de mesure), on peut interpoler les pertes dans l'autre conducteur. Il faut pour cela un petit circuit compensateur standardisé.

  Le circuit à 3 fils ne permet pas de compenser les différences entre cables ou contacts, par exemple causés par la corrosion, toujours présente en milieu industriel.

Un second op-amp est parfois nécessaire pour amplifier le signal à une valeur idéale pour le convertisseur A/D, mais le faible facteur d'amplification nécessaire fait qu'un peut utiliser un seul ampli pour la compensation et l'amplification, sans perte de précision.

Si le convertisseur A/D n'a qu'un nombre de bits limités, on peut utiliser un différentiateur (utilisation de la dérivée) pour augmenter la précision de la mesure. Le lissage du bruit provoqué par le différentiateur produit un signal 10× mieux défini que ce qui n'est possible sans différentiateur analogique et lissage numérique.

Pour mesurer la température, il faut envoyer un courant dans le capteur. Pour éviter un échauffement, il faut que le courant soit très faible (normalement 1mA), mais cela signifie également que la chute de courant est assez faible, environ 100mV. Un ampli opérationnel est ici aussi nécessaire. Il existe également un Pt1000 (1kΩ à 0°C) qui produit une chute de tension plus élevée. Il est utilisé pour les mesures de température dans l'air et les gaz, car l'échauffement de la résistance est moins bien absorbé en comparaison de liquides qui ont une inertie thermique plus grande.

Le schéma d'un thermomètre simple réalisé à partir d'un Pt100. La sortie est envoyée à un indicateur analogique, par exemple un indicateur 0-500µA. Pour avoir une indication suffisamment précise, il faut utiliser un indicateur qui a une déviation de 270°.

Le circuit n'est pas conçu pour mesurer les températures négatives; il suffit d'utiliser une alimentation double +12V -12V à partir d'un transfo 8V. Il faut également changer la valeur de certains composants. Un exemple de schéma avec alimentation double est donné ici: mesure de la température avec un arduino qui commande des tubes nixie.

La résistance de sortie (j'utilise ici une valeur de 1kΩ) doit être adaptée à l'indicateur utilisé, pour avoir une indication maximale avec une tension de sortie à l'ampli de 6V.

La consommation du circuit est extrèmement faible: 1mA pour le pont de mesure et 1mA pour l'ampli. Le plus petit transfo de 12V fait l'affaire. Le transfo utilisé fournit 2 × 12V, redressé cela me donne 18V.

L'ampli opérationnel compare la tension au Pt100 avec une tension fixe. Le réglage de l'offset et du gain sont classiques, mais les deux réglages s'influencent mutuellement. La clalibration s'effectue avec une résistance de 100Ω (0°C) pour l'offset et de 120Ω pour le gain (52°). Après cela, controlez à nouveau l'offset et le gain.

Nous utilisons un ampli opérationnel LM10 qui a spécialement été conçu pour de telles applications. La seconde partie de la puce nous sert à fournir un courant de mesure de 1mA.

Pour mesurer les températures à l'intérieur, il vaut mieux utiliser un Pt1000 qui permet une déviation de tension plus élevée. La résistance de 10kΩ (entrée négative de l'ampli) doit alors être augmentée à 100kΩ.

Ci-dessous: indicateur de la température de l'eau de la chaudière (capteur Pt1000 et amplificateur).