Académie d'Aix-Marseille Pédagogie
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MISE EN OUVRE D'UN CAPTEUR DE TEMPERATURE :

LE LM 335

Jean-Claude Desarnaud
Professeur

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I- Programme

"3.Capteurs

3.2. Exemples

- dans le domaine thermique (température)

3.3 Etude et réalisation pratique d'un montage mettant en ouvre un capteur...

Instructions

Cette partie doit être relativement développée en travaux pratiques...

Travaux pratiques

En cours d'année les élèves peuvent notamment étudier :

  • ...
  • l'évolution de la température d'un calorimètre au cours d'une expérience de calorimétrie."

 

II- Aspect théorique

Objectif

Il s'agit d'analyser le montage électronique qui, à partir d'un capteur LM335, permet de repérer la température (en °C ou en K ) sur le cadran d'un voltmètre ou à l'aide d'un ordinateur.

Principe

Le LM335 est un capteur de température qui délivre entre ses bornes une tension proportionnelle à la température absolue. Pour cela, il doit être traversé par un courant dont l'intensité soit telle que :

400 µA < I < 5 mA.

On a alors U = a.T avec a = 10 mV.K -1. Exemple : T = 273 K : U = 2,73 V.

Le LM335 appartient à une famille de capteurs qui se distinguent par leurs plages d'utilisation:

LM135 : - 55 °C < T < +150 °C

LM235 : - 47 °C < T < +125 °C

LM335 : - 40 °C < T < +100 °C

Problèmes à résoudre :

  • Affichage de la température en degrés Celsius

La tension délivrée par le capteur est U1 = a .T = a (q + 273) avec T et q respectivement les températures en K et °C.

On peut donc écrire, compte tenu de la valeur de a : Us = U1 - 2,73 = a .q .

La tension U' est proportionnelle à la température en °C.

Pour obtenir une tension proportionnelle à la température en degrés Celsius, on retranchera 2,73 V à la tension délivrée par le capteur.

  • Accès au 1/10 de °C

Avec un LM 335, une variation de température de 1 K ou 1 °C se traduit à la sortie du capteur par une variation de tension de 10 mV. Une variation de 0,1 °C se traduit par une variation de tension à la sortie de 1 mV.

La plupart des interfaces ont des résolutions de l'ordre de 20, 10, 5 ou 2,5 mV. Ainsi, si l'on souhaite déceler une variation de température de 0,1 °C soit une variation de tension de 1 mV, il faut amplifier la tension à la sortie du capteur. En fait, on amplifiera la différence de tension : Ucapteur - 2,730 V.

Supposons que l'on amplifie 5 fois ; examinons quelques cas de figure.

  • interface (- 5V, + 5 V) avec une résolution de 2,5 mV (12 bits : par exemple CANDIBUS(PLUS)) : dans ces conditions on pourra suivre des variations de température de 0,1 °C et les mesures pourront s'effectuer sur toute la plage du capteur (- 40 °C , + 100 °C).

  • interface (- 10 V, + 10 V) avec une résolution de 5 mV (12 bits : par exemple FASTLAB): idem
  • interface (- 2,5 V, + 2,5 V) avec une résolution de 20 mV ( 8 bits : par exemple ORPHY-GTS ) : dans ces conditions, on pourra suivre des variations de température de 0,4 °C sur une partie de la plage du capteur (- 40 °C, + 50 °C) . Si l'on souhaite travailler entre 0 °C et 100° C, on pourra régler l'interface pour qu'elle accepte des tensions entre 0 et 5 V.

  • interface (- 2,5 V, + 2,5 V) avec une résolution de 5 mV (10 bits : par exemple ESAO3.1) : dans ces conditions, on pourra suivre des variations de température de 0,1 °C sur une partie de la plage du capteur (- 40 °C, + 50 °C) .

  • interface (- 5 V, + 5V) avec une résolution de 40 mV (8 bits: par exemple PMBSup) : dans ces conditions, on pourra suivre des variations de température de 0,8 °C sur toute la plage du capteur (- 40 °C, + 100 °C)

  • Elimination des parasites

Afin d'atténuer les fluctuations dues aux parasites 50 Hz, on ajoutera un filtre RC passe-bas en sortie du dispositif électronique.

Le montage

cliquez sur le dessin pour augmenter la résolution

  • Partie 1

A l'aide du potentiomètre P1 monté aux bornes d'une diode Zener filtrée par un condensateur C1, on produit une tension U1 de 2,730 V.

  • Partie 2

Le réglage du potentiomètre P2 permet de caler le LM335 sur sa caractéristique U2  = a .T.

  • Partie 3

Deux ampli-OP, montés en suiveur transmettent les tensions U1 et U2 à un troisième.

  • Partie 4

Le troisième ampli-OP est monté en amplificateur de différence : U = R4 / R3 (U2 - U1)

  • Partie 5

Un filtre passe-bas (fréquence de coupure 15 Hz) atténue fortement les parasites dues au courant du secteur.

 

III- Aspect pratique

Mettre en ouvre le capteur

Après avoir connecté l'alimentation symétrique il est indispensable de caler le LM 335 sur sa caractéristique. Pour cela, agir sur le potentiomètre P2 de telle sorte que la tension U (sortie S2) soit numériquement égale à la valeur de la température du capteur en kelvin divisée par 100.

Exemple : si la température du capteur est 20,0 °C soit 293,0 K alors la tension U2 = 2,930 V.

Mesurer la température en kelvin

Dès lors que le réglage précédent est effectué, la température du capteur, exprimée en kelvin, est numériquement égale à la tension U2 multipliée par 100 .

Repérer la température en degré Celsius

La température en degré Celsius est donnée par la mesure de la tension US2S1 = U2 - U1 Au préalable, il est nécessaire de régler la tension U1 (sortie S1)à la valeur constante de 2,730 V : agir pour cela sur le potentiomètre P1.

La température du capteur, exprimée en degré Celsius, est numériquement égale à la tension U2 - U1 = US2S1 multipliée par 100 .

Informatiser la prise de mesure

On doit disposer d'un ordinateur interfacé et d'un logiciel d'acquisition paramétrable (on lui communique la fonction de transfert : SYNCHRONIE d'eurosmart, REGRESSI de Micrelec...).

Ainsi, pour afficher une température en degré Celsius et compte tenu de l'amplification de différence par 5 du module, on écrira la fonction de transfert suivante : q = 0,05 x U + offset .

U = USM est la tension mesurée par la voie choisie de l'interface .

  • on néglige l'offset :la fonction de transfert s'écrit q = 0,05 x U
  • on tient compte de l'offset : il suffit d'effectuer un étalonnage en un point pour déterminer la valeur de l'offset et le communiquer à la fonction de transfert .
  • Il est à noter que certains logiciels d'acquisition permettent d'étalonner directement un capteur.

 

IV- Annexe technique :

Le composant LM335

Le typon

 

 

 

R1 = 4,7 kW

R2 = 1 kW

R3 = 2,0 kW +/- 1%

R4 = 10,0 kW +/- 1%

R5 = 1 kW

P1 = 10 kW

 

 

P2 = 10 kW

C1 = 100 µF

C2 = 10 µF

Z = 5,6 V

CI = TL084