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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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capteurs de température

quatrième partie (4/7)

capteurs intégrés
thermomètre électronique
capteurs de luminance infra-rouge
le bolomètre
caméra infrarouge
les applications
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capteurs intégrés

Une nouvelle génération reposant sur la miniaturisation des circuits intégrés a vu le jour depuis quelques années, dont le prototype fut le MTS 102 de Motorola. Ce fut d'ailleurs le premier type de capteur intégré commercialisé car sa conception ne supposait aucune innovation essentielle par rapport à celle des composants électroniques tels les ampli-opérationnels. Le principe est représenté sur la figure suivante.


Fig. schéma de principe du tout premier circuit intégré capteur de température (Motorola MTS 102)

On utilise la variation sensiblement linéaire du VBE d'un transistor avec la température, et au lieu de tenter de minimiser l'effet de la température par l'ajout de circuit de compensation à dérive de signe opposé, on va ici au contraire exacerber cette dérive en essayant de la linéariser au mieux.

[On sait que dans une jonction polarisée en direct le courant est du type I0 = Isat exp(qVBE/kT) ]

Précisons que Vref est réalisée via une diode zener et que la résistance ajustable diffusée dans le silicium sera ajustée avant encapsulation du composant afin d'obtenir typiquement un signal de sortie de 10 mV/K. En ajoutant un élément résistif suplémentaire on pourrait via un décalage d'offset réaliser un capteur de même sensibilité mais dont le signal de sortie s'annulerait pour 0°C et non 0 K.

Les circuits actuellement commercialisés permettent de réaliser des thermomètres électroniques à bas coût dont la plage s'étend de -40 à +150°C avec une résolution de 0.1°C (mais une précision souvent moindre). Ainsi que le montre la figure ci-dessous on dispose dorénavant de circuits dans lesquels on a intégré en outre diverses fonctions de contrôle et de correction. En particulier la linéarisation s'effectuera via un dispositif numérique classique de table de correspondance (LUT).

Les circuits intégrés utilisés sont montés dans divers types de boitiers ainsi que le montre la figure suivante.


Fig. divers types de présentations de capteurs intégrés de température (doc National Semiconductor Inc.).

capteurs de luminance infrarouge

Divers capteurs utilisent la mesure de la luminance infrarouge d'une surface pour estimer sa température. Le principe est simple et repose sur l'effet photoélectrique, engendré dans un semiconducteur convenablement dopé (Ge + Au) par les photons IR émis par une surface en regard du capteur. La grande incertitude dans l'emploi de ces dispositifs résulte de la non linéarité de la correspondance entre le courant photoélectrique détecté et la température, en raison de la non linéarité de l'émission trop importante pour permettre l'emploi aisé de tables de correspondance analogique-numérique ainsi que le montre la figure ci-dessous..

Outre l'émissivité qui est le plus souvent mal connue, la géométrie de la surface et son positionnement relatif par rapport au capteur sont aussi très souvent difficiles à apprécier ce qui rend toute interprétation quantitative sujette à caution. Cependant l'association caméra infra rouge et affichage vidéo permet des représentations de cartes thermiques en fausses couleurs très attrayantes, mais seulement qualitatives.

La figure ci-dessous donne un exemple de thermomètre IR basé sur le principe du bolomètre décrit par ailleurs. Afin d'éviter une élévation de température du capteur préjudiciable à la qualité de la mesure, on procède à une mesure intermittente (chopper) et une électronique synchrone permet d'apprécier la variation maximale d'amplitude du signal issu du thermosenseur et d'en déduire la température de l'objet visé.

Comme l'intérêt d'une mesure de température sans contact via un procédé optique est tout à fait évident, on a développé de nombreux dispositifs tels les pyromètres à disparition de filament pour apprécier les températures élevées (fours industriels, hauts fourneaux). Le principe repose sur la comparaison visuelle entre la luminance d'un filament contrôlé et celle de la source IR à quantifier. Lorsque la source réglable présente la même luminance que celle à mesurer la connaissance de la température de cette source contrôlée permet d'identifier celle de la source inconnue. La figure ci-dessous montre le principe manuel et son automatisation possible à l'aide d'un photodétecteur.

Le tableau ci-dessous donne un bilan comparatif de quelques dispositifs

type


résistance

Nickel

platine

Pt/Al2O3


thermistance

thermocouple

Cu/const

Fe/const

Pt/Pt-Rh


Infra Rouge

 domaine

en °C


-50 +250

-250+600

-250+1200


-50 +200

 

-250+200

-250+600

-50 +1300


0 +1400
 précision

% em


0.5 à 1

id



 
1



0.75 à 1

id

id


1 à 2
 réponse

à 63% em


10s à 2 mn

id



 
id

 

2s à 2 mn

id

id


0..3 à 1s

la caméra infrarouge

L'exploitation d'un capteur de type CCD (voir chapitre ad hoc) permet la réalisation d'appareils photo numériques, mais aussi de caméras sensibles non plus aux rayonnements visibles mais aux infrarouges. La quantité d'énergie rayonnante reçue en chaque point du capteur CCD sera convertie en une couleur (selon une palette arbitraire choisie en fonction de l'application et de la plage de température concernée) lors de sa transcription sur un écran informatique. Il est alors possible, moyennant certaines précautions ou avec certaines limitations de réaliser des images représentant des cartes thermiques qui se révéleront d'un grand intérêt dans nombre d'applications industrielles. Nous citerons particulièrement la mise en évidence de points chauds dans un dispositif qu'il s'agisse d'un circuit intégré, d'une carte supportant nombre de circuits ou d'un système mécanique tel un moteur ou un réacteur. Dans ces exemples il est clair que ce qui importe n'est pas la valeur exacte de la température en un point donné mais la mise en évidence d'anomalies thermiques ou de flux thermiques.

Si par contre on veut exploiter une image en fausse couleur pour en déduire des températures exactes, il faudra être capable de corriger chaque point de mesure en tenant compte de la géométrie spatiale du dispositif photographié, c'est à dire en introduisant un facteur cosinus convenable en chaque point de mesure. Il est clair que l'on peut réaliser une telle correction lorsqu'on a affaire à une caméra en position fixe regardant un dispositif lui-même immuable (ce qui nécessite quand même une étude préalable complexe), mais qu'on sera incapable d'apporter une correction correcte en présence de dispositifs mobiles relativement et variables dans le temps. Ainsi l'image infrarouge d'un corps humain exploitée en médecine ne pourra jamais être quantitativement significative car deux patients successifs n'auront jamais la même morphologie ni exactement le même positionnement vis à vis de la caméra.

Les progrès de l'informatique ont cependant permis dans le cas d'images fixes une analyse en temps réel des paramètres radiométriques et tout particulièrement l'identification de l'émissivité de la source (point par point) permettant ensuite de visualiser des écarts de température avec un maximum de précision et tout particulièrement de comparer une image instantanée avec une image antérieure ce qui permet à un service de maintenance d'identifier un éventuel problème avant qu'il ne provoque une panne, et donc de procéder à une maintenance préventive généralement moins coûteuse en milieu industriel. Les plages de température analysées s'étendent de -10°C à +350°C.