La mesure de la température s’avère être une fonction fondamentale pour un grand nombre d’appareils. Le thermostat programmable et les horloges numériques de votre fournaise en sont des exemples évidents. Si vous aviez juste besoin de savoir si une certaine température est dépassée, vous pouvez utiliser une bobine bimétallique et un micro-interrupteur (ou un interrupteur à mercure comme c’était la méthode avec les anciens thermostats). Mais de nos jours, nous voulons de la précision sur une plage de lectures, il existe donc des thermocouples qui génèrent une petite tension, des RTD qui changent de résistance avec la température, des thermistances qui changent également de résistance avec la température, des capteurs infrarouges et des capteurs à fil vibrant. La tension de bande interdite d’une jonction semi-conductrice varie avec la température et c’est également prévisible et mesurable. Il existe probablement d’autres méthodes, dont certaines sont probablement assez créatives.

Bobine bimétallique par [Hustvede], CC-BY-SA 3.0.

Vous pouvez souvent penser à des moyens créatifs de faire n’importe quelle mesure. Il y a une vieille blague sur l’étudiant smart-alec en cours de physique. La question était de savoir comment trouver la hauteur d’un bâtiment à l’aide d’un baromètre. Une réponse a été de laisser tomber le baromètre du haut du bâtiment et de chronométrer le temps qu’il faut pour toucher le sol. Une autre réponse – sans doute un étudiant ingénieur – a voulu trouver l’ingénieur du bâtiment et lui proposer de lui donner le baromètre en échange de la hauteur du bâtiment. De la même manière, vous pourriez trouver la température en surveillant un thermomètre standard avec une caméra ou même un capteur de niveau qui est un sujet pour un autre article.

Le fait est qu’il existe de nombreuses façons de mesurer quoi que ce soit, mais dans tous les cas, vous convertissez ce que vous voulez savoir (température) en quelque chose que vous savez mesurer comme la tension, le courant ou la position physique. Jetons un coup d’œil à la façon dont certains des capteurs de température les plus intéressants accomplissent cela.

Thermocouples

Les thermocouples tirent parti de ce qu’on appelle l’effet Seebeck. Lorsque deux métaux différents forment une jonction et subissent un gradient de température, un potentiel électrique se forme. La clé est que c’est un gradient de température qui fait fonctionner l’appareil. Les thermocouples ont une jonction chaude et une jonction froide. Si vous souhaitez mesurer la température, vous avez besoin d’une jonction de référence. En passant, l’effet fonctionne en sens inverse – l’effet Peltier – où le passage du courant à travers une paire de jonctions rend un côté chaud et l’autre froid.

Autrefois, vous plongiez la jonction froide dans un seau de glace. Aujourd’hui, il est plus probable que vous utilisiez une autre méthode pour obtenir la température de la soudure froide, puis la compenser. Il y a des puces qui le feront pour vous, bien sûr.

Thermocouple par [Achim Hering] – CC-BY-SA-3.0.

Pourquoi ne pas simplement utiliser l’autre méthode pour commencer? Les thermocouples présentent plusieurs avantages. D’une part, vous pouvez mesurer jusqu’à quelques milliers de degrés avec un seul. Comme ce ne sont que deux morceaux de fil, ils sont robustes et fiables. Dans les environnements chauds ou difficiles, ils sont faciles à gérer et, généralement, à l’extrémité froide, vous avez un environnement un peu plus agréable.

L’inconvénient est que la lecture de la température n’est pas linéaire. Vous verrez différents types de thermocouples et chaque type utilise deux matériaux de fil différents. Le type vous indique la courbe d’étalonnage à utiliser et, bien sûr, vous sélectionnez le métal pour l’application dont vous avez besoin. Par exemple, un type J utilise du fer comme l’un des deux fils et un type T utilise du cuivre.

La seule autre grande considération est la façon dont vous faites passer les fils vers le thermocouple. Étant donné que l’appareil fonctionne sur une jonction entre deux types de fils différents, vous devez faire attention à la façon dont vous connectez les autres fils à l’appareil. Veut en savoir plus? [Bil Herd] a fait une plongée approfondie sur la façon de construire un amplificateur à thermocouple.

Les thermocouples qui mesurent l’infrarouge à distance sont appelés thermopiles. Celles-ci sont courantes dans les thermomètres sans contact et les capteurs IR passifs (PIR). Un capteur PIR détecte la différence de température entre deux capteurs et en déduit que quelque chose a changé dans le champ de vision.

Dispositifs de résistance

Il existe plusieurs types de matériaux qui peuvent présenter des variations de température avec résistance. Le facteur le plus important est si l’appareil a un coefficient de température positif ou négatif. En d’autres termes, la résistance augmente-t-elle ou diminue-t-elle en réponse à un changement de température?

Thermistance (à gauche); par [gratuit], CC-BY-SA-3.0

La plupart de ces appareils sont également non linéaires, mais ils sont également peu coûteux et faciles à utiliser. Vous pouvez mesurer la résistance en utilisant n’importe quelle méthode que vous aimez. Une technique courante consiste à utiliser la résistance dans le cadre d’un diviseur de tension ou d’un pont et de mesurer la tension de sortie. Cependant, si vous préférez ne pas attacher une entrée analogique, vous pouvez connecter la résistance à un condensateur et mesurer le temps de charge.

La construction des thermistances est légèrement différente des détecteurs de température à résistance ou RTD. Habituellement, les thermistances ont moins de problèmes d’hystérésis et d’auto-échauffement que les RTD à base de métal (souvent en platine). Cependant, dans les deux cas, vous devrez mesurer la résistance et l’adapter à une courbe pour obtenir la température réelle.

La lecture des thermistances est une opération très courante et il existe de nombreuses astuces que les gens ont développées au fil des ans. Vous pouvez également passer du traitement mathématique pour obtenir de meilleurs ajustements de courbe, ou faire des calculs simples et obtenir moins de précision.

Jonctions de semi-conducteurs et capteurs accidentels

La tension de bande interdite du matériau semi-conducteur varie de manière prévisible avec la température. Si jamais vous vous intéressez à la conception à semi-conducteurs, vous verrez le terme T dans l’équation de diode et toutes ses manifestations. Il n’est donc pas surprenant que de nombreux circuits intégrés utilisent cette propriété pour détecter la température.

Certaines puces sont conçues pour être des capteurs de température. Par exemple, les puces LM34 et LM35 communes exploitent cette propriété avec quelques circuits supplémentaires pour fournir un joli 10mV par degré (le LM34 mesure Farhenheit et le LM35 mesure Celcius). Cela les rend très faciles à utiliser.

Certaines puces, comme le processeur de votre PC, utilisent la même méthode pour mesurer la température interne pour les rapports et la gestion thermique. Cependant, il existe d’autres moyens pour les CI sans capteur de température de mesurer la température.

Il s’avère que presque tous nos circuits sont sensibles à la température d’une manière ou d’une autre. La mesure de l’horloge interne d’un CPU par rapport à une référence externe peut montrer des changements induits par la température.

Capteurs bizarres

Il existe une multitude d’autres façons de mesurer la température. Par exemple, un capteur à fil vibrant utilise ce qui équivaut à une corde de guitare. La mesure consiste à exciter la corde et à détecter la fréquence des vibrations. À mesure que la structure de support se rétrécit et se dilate avec les changements de température, le ton de la corde change.

Vous pouvez obtenir une température approximative en degrés Fahrenheit en comptant le nombre de grillons qui pépient. Comptez le nombre de pépiements en 15 secondes, puis ajoutez-en 37. Cela ne me surprendrait pas si quelqu’un avait fait cela dans un instrument obscur. [Kevin] à Terre Haute dit que le nombre est de 40 dans la vidéo ci-dessous, et non de 37, mais je suppose que ce n’est pas une science exacte.

Bien sûr, une façon de plus en plus courante de mesurer la température consiste à utiliser une forme de capteur intelligent. Un module ou un circuit intégré peut utiliser l’une des méthodes dont nous avons parlé, le convertir en unités d’ingénierie et envoyer les données sur quelque chose comme un bus I2C. Il s’agit d’une abstraction de niveau, mais vous devez tout de même comprendre les avantages et les limites sous-jacents du capteur que vous souhaitez utiliser.

Bien qu’il puisse y en avoir plus, il n’y a pas d’autres techniques courantes pour mesurer la température. Mais il reste encore beaucoup de capteurs à aborder dans les prochains articles.

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