Capteurs de température. Deuxième partie Thermistances

La première partie de l'article a brièvement évoqué histoire de différentes échelles de température et leurs inventeurs Fahrenheit, Reaumur, Celsius et Kelvin. Maintenant, il vaut la peine de se familiariser avec les capteurs de température, les principes de leur fonctionnement, les dispositifs de réception des données de ces capteurs.

La proportion de la mesure de la température dans les mesures technologiques

Dans la production industrielle moderne, de nombreuses grandeurs physiques différentes sont mesurées. Parmi ceux-ci, le débit massique et volumique est de 15%, le niveau de liquides est de 5%, le temps ne dépasse pas 4%, la pression est d'environ 10%, etc. Mais la mesure de température représente près de 50% du nombre total de mesures techniques.

Un pourcentage aussi élevé est atteint par le nombre de points de mesure. Ainsi, à une taille moyenne d'une centrale nucléaire, la température peut être mesurée à environ 1 500 points, et dans une grande usine chimique, ce nombre atteint 20 000 ou plus.

Une telle quantité indique non seulement une grande variété d'instruments de mesure et, par conséquent, une multitude de transducteurs primaires et de capteurs de température, mais également des exigences sans cesse croissantes concernant la précision, la vitesse, l'immunité au bruit et la fiabilité des instruments de mesure de la température.

Les principaux types de capteurs de température, le principe de fonctionnement

Presque tous les capteurs de température utilisés dans la production moderne utilisent le principe de conversion de la température mesurée en signaux électriques. Une telle conversion est basée sur le fait qu'il est possible de transmettre un signal électrique à grande vitesse sur de longues distances, tandis que toutes les quantités physiques peuvent être converties en signaux électriques. Convertis en code numérique, ces signaux peuvent être transmis avec une grande précision et également saisis pour être traités dans un ordinateur.

Thermocouples à résistance

Ils sont aussi appelés thermistances. Leur principe de fonctionnement repose sur le fait que tous les conducteurs et semi-conducteurs Coefficient de résistance à la température abrégé Tks. C'est à peu près le même que le coefficient de dilatation thermique connu de tous: lorsqu'ils sont chauffés, les corps se dilatent.

Il convient de noter que tous les métaux ont un TCS positif. En d'autres termes, la résistance électrique du conducteur augmente avec l'augmentation de la température. Ici, nous pouvons rappeler le fait que les ampoules à incandescence s'éteignent le plus souvent au moment de la mise en marche, alors que la bobine est froide et sa résistance est faible. D'où l'augmentation du courant lorsqu'il est allumé. Les semi-conducteurs ont un TCS négatif, avec l'augmentation de la température, leur résistance diminue, mais cela sera discuté un peu plus haut.

Thermistances métalliques

Il semblerait qu'il soit possible d'utiliser n'importe quel conducteur comme matériau pour les thermistances, cependant, un certain nombre d'exigences pour les thermistances disent que ce n'est pas le cas.

Tout d'abord, le matériau pour la fabrication de capteurs de température doit avoir un TCS suffisamment grand et la dépendance de la résistance à la température doit être assez linéaire dans une large plage de température. De plus, le conducteur métallique doit être inerte aux influences de l'environnement et assurer une bonne reproductibilité des propriétés, ce qui permettra le remplacement des capteurs sans recourir à divers réglages fins de l'appareil de mesure dans son ensemble.

Pour toutes ces propriétés, le platine est presque idéal (sauf pour le prix élevé), ainsi que le cuivre. Ces thermistances dans les descriptions sont appelées cuivre (TCM-Cu) et platine (TSP-Pt).

Les thermistances TSP peuvent être utilisées dans la plage de température -260 - 1100 ° C.Si la température mesurée est comprise entre 0 et 650 ° C, les capteurs TSP peuvent être utilisés comme référence et référence, car l'instabilité de la caractéristique d'étalonnage dans cette plage ne dépasse pas 0,001 ° C. Les inconvénients des thermistances TSP sont le coût élevé et la non-linéarité de la fonction de conversion dans une large plage de températures. Par conséquent, une mesure précise de la température n'est possible que dans la plage indiquée dans les données techniques.

Les thermistances en cuivre moins chères de la marque TSM, dont la dépendance de la résistance à la température est assez linéaire, se sont généralisées. En raison du manque de résistances en cuivre, une faible résistivité et une résistance insuffisante aux températures élevées (oxydation facile) peuvent être envisagées. Par conséquent, les thermistances en cuivre ont une limite de mesure ne dépassant pas 180 ° C.

Une ligne à deux fils est utilisée pour connecter des capteurs tels que TCM et TSP, si la distance entre le capteur et l'appareil ne dépasse pas 200 m. Si cette distance est plus grande, une ligne de communication à trois fils est utilisée, dans laquelle le troisième fil est utilisé pour compenser la résistance des fils conducteurs. Ces méthodes de connexion sont décrites en détail dans les descriptions techniques des appareils équipés de capteurs TCM ou TSP.

Les inconvénients des capteurs considérés sont leur faible vitesse: l'inertie thermique (constante de temps) de tels capteurs varie de quelques dizaines de secondes à plusieurs minutes. De véritables thermistances à faible inertie sont également fabriquées, dont la constante de temps ne dépasse pas les dixièmes de seconde, ce qui est obtenu en raison de leurs petites dimensions. Ces thermistances sont constituées de microfils moulés dans une coque en verre. Ils sont très stables, scellés et à faible inertie. De plus, avec de petites dimensions, ils ont une résistance jusqu'à plusieurs dizaines de kilo-ohms.

Thermistances à semi-conducteur

Ils sont aussi souvent appelés thermistances. Comparés au cuivre et au platine, ils ont une sensibilité plus élevée et un TCS négatif. Cela suggère qu'avec l'augmentation de la température, leur résistance diminue. Les thermistances TCS sont d'un ordre de grandeur plus élevées que leurs homologues en cuivre et en platine. Avec de très petites dimensions, la résistance des thermistances peut atteindre jusqu'à 1 MΩ, ce qui élimine l'influence sur le résultat de la mesure de la résistance des fils de connexion.

Pour mesurer la température, les plus utilisées sont les thermistances à semi-conducteur KMT (à base d'oxydes de manganèse et de cobalt), ainsi que le MMT (oxydes de manganèse et de cuivre). La fonction de conversion des thermistances est assez linéaire dans la plage de température de -100 à 200 ° C, la fiabilité des thermistances à semi-conducteur est très élevée, les caractéristiques sont stables pendant longtemps.

Le seul inconvénient est qu'en production de masse il n'est pas possible de reproduire les caractéristiques nécessaires avec une précision suffisante. Un exemple est significativement différent de l'autre, à peu près de la même manière que les transistors: il semble provenir du même paquet, mais le gain est différent pour tout le monde, vous n'en trouverez pas deux des mêmes. Une telle dispersion des paramètres conduit au fait que lors du remplacement d'une thermistance, il est nécessaire d'ajuster à nouveau l'équipement.

Le plus souvent, un circuit en pont est utilisé pour alimenter les convertisseurs thermiques à résistance, dans lesquels le pont est équilibré à l'aide d'un potentiomètre. Lorsque la résistance de la thermistance change en raison de la température, le pont ne peut être équilibré qu'en tournant le potentiomètre.

Un schéma similaire avec réglage manuel est utilisé comme démonstration dans les laboratoires d'enseignement. Le moteur du potentiomètre a une échelle calibrée directement en unités de température. Dans les vrais circuits de mesure, bien sûr, tout se fait automatiquement.

La prochaine partie de l'article parlera de l'utilisation des thermocouples et des thermomètres à expansion mécanique - Capteurs de température. Thermocouples

Boris Aladyshkin, e.imadeself.com

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