Chapitre 2. Fiche SPCL - Instrumentation 1re STL
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La thermistance (CTN) : un capteur de température Fiche de mémorisation
1. Qu'est-ce qu'un capteur ?
Un capteur est un dispositif "transformant" une grandeur physique à mesurer en une grandeur électrique.
Exemple : La thermistance est un capteur de température car sa résistance dépend de la température : il
"transforme" la température en résistance.
2. Donner 4 exemples de capteurs rencontrés dans la vie quotidienne.
Quelques capteurs rencontrés dans la vie quotidienne : écran tactile, capteur de présence pour portes automatiques, capteur de température pour thermostat, capteur de luminosité pour éclairage automatique…
3. Que sont les grandeurs d'entrée et de sortie d'un capteur ?
Pour un capteur, la grandeur d'entrée est la grandeur physique à mesurer. Et la grandeur de sortie est la grandeur électrique qui en dépend.
Exemple : Pour une thermistance dont la résistance Rth dépend de la température θ , la grandeur d'entrée est la température θ et la grandeur de sortie est la résistance Rth.
Exemple : Pour une thermistance conditionnée telle que la tension UR dépende de la température θ , la grandeur d'entrée est la température θ et la grandeur de sortie est la tension UR .
4. Qu'est-ce que la caractéristique de transfert ?
La caractéristique de transfert est la relation mathématique ou la courbe donnant la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d'entrée.
Exemple : Pour une thermistance dont la résistance Rth dépend de la température θ , la caractéristique de transfert est Rth en fonction de θ (mais on préfère souvent utiliser θ en fonction de Rth).
5. Comment obtient-on expérimentalement la caractéristique de transfert d'un capteur ? Pour obtenir expérimentalement la caractéristique de transfert d'un capteur :
- il faut le capteur, un appareil pour mesurer la grandeur de sortie, un appareil pour mesurer la grandeur d'entrée et de quoi faire varier cette grandeur d'entrée ;
- pour différentes valeurs de la grandeur d'entrée, on mesure cette grandeur d'entrée et la grandeur de sortie ; - grâce à une modélisation graphique, on détermine la relation mathématique entre la grandeur de sortie et la grandeur d'entrée.
Exemple de la détermination de la caractéristique de transfert d'une thermistance (dont la résistance Rth dépend de la température θ ) :
- il faut la thermistance, un ohmmètre, un thermomètre et un bécher rempli d'eau sur un agitateur chauffant ; - pour différentes valeurs de la température θ , on mesure cette température θ et la résistance Rth de la thermistance ;
- grâce à une modélisation graphique (par exemple avec Regressi), on détermine la relation mathématique entre la résistance Rth et la température θ .
6. Pourquoi faut-il généralement conditionner les capteurs ?
Les capteurs sont généralement conditionnés pour "transformer" une grandeur électrique peu pratique en une plus pratique (généralement une tension électrique au bon format).
Exemple : Le conditionnement d'une thermistance (dont la résistance Rth dépend de la température θ ) pour un microcontrôleur micro:bit "transforme" la résistance Rth en tension comprise entre 0 et 3,3 V.
7. Que sont les grandeurs d'entrée et de sortie d'un conditionneur ou d'un transmetteur ?
Pour un conditionneur ou un transmetteur, la grandeur d'entrée est la grandeur électrique peu pratique qui provient du capteur. Et la grandeur de sortie est la grandeur électrique pratique.
Exemple : Une thermistance (dont la résistance Rth dépend de la température θ ) est conditionnée de façon à obtenir une tension UR . Pour un conditionneur la grandeur d'entrée est la résistance Rth et la grandeur de sortie est la tension UR .
Chapitre 2. Fiche SPCL - Instrumentation 1re STL
page 2 8. Comment peut-on conditionner un capteur résistif avec un pont diviseur de tension ?
Pour conditionner un capteur résistif, on peut effectuer un pont diviseur de tension en ajoutant un générateur et un résistor en série du capteur résistif et en exploitant la tension aux bornes de ce résistor (ce montage ne fonctionne que si le courant I d'exploitation du signal est nul).
9. Comment démontre-t-on la relation mathématique d'un pont diviseur de tension ?
Pour démontrer la relation mathématique d'un pont diviseur de tension, on utilise tout d'abord la loi des mailles mais aussi la loi des nœuds et deux fois la loi d'Ohm.
10. Qu'est-ce que la sensibilité d'un capteur conditionné ?
La sensibilité d'un capteur conditionné (autour d'une certaine valeur) est Δ grandeur de sortie Δ grandeur d'entré s
Exemple : Pour une thermistance conditionnée telle que la tension UR dépende de la température θ , la sensibilité est Δ
Δ R s U
θ .
11. Comment peut-on obtenir graphiquement la sensibilité d'un capteur conditionné ?
La sensibilité d'un capteur conditionné (autour d'une certaine valeur) est la pente de la caractéristique de transfert du capteur conditionné (ou plutôt le coefficient directeur de sa tangente).
Exemple : Détermination graphique de la sensibilité du capteur conditionné autour de 50 °C : la tangente à la courbe (à 50 °C) passe par (1,43 V ; 10 °C) et par (3,0 V ; 80 °C) donc
Δ 3,0 1, 43 Δ R 80 10 s U
θ
0,022 V/°C 22 mV/°C s
Autour de 25 °C, cette sensibilité est plus grande car la pente est plus petite et ici la sensibilité est son inverse (1/…).
12. Quel est le lien entre la sensibilité d'un capteur conditionné et les incertitudes-type ? Comme Δ grandeur de sortie
Δ grandeur d'entré
s on a grandeur de sortie
grandeur d'entré
s u
u et donc ugrandeur d'entré ugrandeur de sortie/s Exemple : Pour une thermistance conditionnée telle que la tension UR dépend de la température θ on a
Δ Δ R s U
θ donc UR
θ
s u
u et donc θ uUR
u s
… à suivre …
R
capteur résistif
I = 0 V G
V +
exploitation du signal Rth
I = 0 UR
θ (en °C)
UR (en V)
1,6 1,8 2
1,4 2,2 2,4 2,6 2,8 3
20 30 40
10 50 90
60 70
80 inverse de la caractéristique
de transfert
