Capteur de température à thermistance

Il existe deux types de thermistances : 

le coefficient de température négatif (NTC ou CTN) 

et le coefficient de température positif (PTC ou CTP). 

Avec une sonde CTN, lorsque la température augmente, la résistance diminue. Inversement, lorsque la température diminue, la résistance augmente. Ce type de thermistance est le plus utilisé.

Une thermistance PTC fonctionne un peu différemment. Lorsque la température augmente, la résistance augmente et lorsque la température diminue, la résistance diminue. En règle générale, une thermistance atteint une précision élevée dans une plage de température limitée d’environ 50 ° C autour de la température cible. Cette plage dépend de la résistance de base.

La flèche à côté de T signifie que la résistance est variable en fonction de la température. La direction de la flèche ou de la barre n'est pas significative.

Les capteurs à thermistances sont faciles à utiliser, peu coûteux, robustes et réagissent de manière prévisible aux changements. Bien qu'ils ne fonctionnent pas bien avec de très basse ou hautes températures, ils constituent le capteur de choix pour les applications qui prennent la température sur une faible plage de mesure. La thermistance est idéale lorsqu'un contrôle précis de la température est requis.

Certaines des utilisations les plus courantes des thermistances sont les thermomètres numériques, la mesure de la température de l'huile et du liquide de refroidissement, les appareils ménagers tels que les fours et les réfrigérateurs.

Figure 1: Symbole de thermistance - États-Unis et Japon

En réalité, une thermistance ne « lit » rien, la résistance d’une thermistance change avec la température. Le degré de variation de la résistance dépend du type de matériau utilisé dans la thermistance.

Contrairement aux autres sondes de mesure, les thermistances sont non linéaires, ce qui signifie que les points d'un graphique représentant la relation entre la résistance et la température ne formeront pas une ligne droite. La construction de la thermistance détermine l’emplacement de la ligne et son évolution. Un graphique typique de thermistance ressemble à ceci :

Figure 2: résistance en fonction de la température

En plus des thermistances, plusieurs autres types de capteurs de température sont utilisés. Les plus courants sont les détecteurs de température à résistance (RTD) et les circuits intégrés (IC). La sonde de mesure qui fonctionne le mieux pour un usage particulier est basé sur de nombreux facteurs. 

Plage de température : La plage globale approximative de températures dans laquelle un type de sonde peut être utilisé. Dans une plage de température donnée, certains capteurs fonctionnent mieux que d'autres.

Coût : Coût relatif lorsque ces capteurs sont comparés les uns aux autres. Par exemple, les thermistances sont peu coûteuses par rapport aux RTD, en partie parce que le matériau de choix pour les RTD est le platine.

Sensibilité : temps approximatif requis pour passer d'une valeur de température à une autre. C'est le temps, en secondes, nécessaire à une thermistance pour atteindre 63,2% de la différence de température entre la lecture initiale et la dernière.

Les capteurs de température à thermistances se présentent sous différentes formes: disque, puce, perle ou tige, et peuvent être montées en surface ou intégrées à un système. Elles peuvent être encapsulées dans de la résine époxy, du verre, de la résine phénolique cuite ou peints. La meilleure forme dépend souvent du matériau surveillé, tel qu'un solide, un liquide ou un gaz.

Une puce à thermistance est normalement montée sur une carte de circuit imprimé. Il existe de très nombreuses formes différentes de thermistances.

Choisissez une forme qui permette un contact de surface maximal avec le dispositif dont la température est surveillée. Quel que soit le type de thermistance, la connexion à l'appareil surveillé doit être réalisée à l'aide d'une pâte à haute conductivité thermique ou d'une colle époxy. Il est généralement important que cette pâte ou cette colle ne soit pas conductrice de l'électricité.

La thermistance est principalement utilisée pour mesurer la température d'un appareil. Dans un système à température contrôlée, la thermistance est une pièce petite mais importante d'un système plus important. Un contrôleur de température surveille la température de la thermistance. Il indique ensuite à un radiateur ou à un refroidisseur quand s'allumer ou s'éteindre, afin de maintenir la température de la sonde.

La tête du capteur est fixée sur la plaque de refroidissement qui doit maintenir une température spécifique pour refroidir le périphérique, et les fils sont reliés au contrôleur de température. Le contrôleur de température est également connecté électroniquement au dispositif Peltier, qui chauffe et refroidit le dispositif cible. Le dissipateur thermique est fixé au dispositif à effet Peltier pour faciliter la dissipation de la chaleur.

L'emplacement de la sonde à thermistance dans le système affecte à la fois la stabilité et la précision de mesure du système de contrôle. Pour une meilleure stabilité, la thermistance doit être placée aussi près que possible du chauffage thermoélectrique ou résistif. Pour une meilleure précision, la thermistance doit être située à proximité de l'appareil nécessitant un contrôle de la température.

Idéalement, la thermistance est intégrée dans l'appareil, mais elle peut également être fixée à l'aide d'une pâte ou d'une colle thermo conductrice. Même si un appareil de mesure est intégré, les espaces d'air doivent être éliminés avec de la pâte thermique ou de la colle.

Les limites de tension du capteur renvoyées à un contrôleur de température sont spécifiées par le fabricant. L'idéal est de sélectionner une thermistance et une combinaison de courant de polarisation qui produisent une tension dans la plage autorisée par le contrôleur de température.

La loi d'Ohm

La tension est liée à la résistance (loi d'Ohm). Cette équation est utilisée pour déterminer quel courant de polarisation est nécessaire. La loi d'Ohm stipule que le courant traversant un conducteur entre deux points est directement proportionnel à la différence de potentiel entre les deux points et que, pour ce courant de polarisation, il s'écrit:

U = R x I

Où:

U est la tension, en Volts (V)

I BIAS est le courant, en Ampères ou en Ampères (A)

I BIAS signifie que le courant est fixé

R est la résistance, en Ohms (Ω)

Le contrôleur produit un courant de polarisation pour convertir la résistance de la thermistance en une tension mesurable. Le contrôleur n'acceptera qu'une certaine plage de tension. Par exemple, si une plage de contrôleur est comprise entre 0 et 5 V, la tension de la thermistance ne doit pas être inférieure à 0,25 V afin que le bruit électrique de bas niveau n’interfère pas avec la lecture, et ne soit pas supérieure à 5 V pour pouvoir être lue.

Exemple

Supposons l’utilisation du contrôleur ATR121 et d’une thermistance de 10 kΩ (B25/85:3435K), telle que la capteurs NTC universelle étanche 10kOhm B3435 1500mm - Guilcor , et que la température que le dispositif doit maintenir soit de 20 ° C. Selon la fiche technique, la résistance est de 10 000 Ω à 25 ° C. Pour déterminer si la thermistance peut fonctionner avec le contrôleur, nous devons connaître la plage utilisable des courants de polarisation. En utilisant la loi d'Ohm pour résoudre I, nous savons ce qui suit:

V / R = I BIAS
0,25 / 10 000 = 25 µA est l'extrémité la plus basse de la plage
5,0 / 126700 = 500 µA est la plus haute

Oui, cette thermistance fonctionnera si le courant de polarisation du régulateur de température peut être réglé entre 25 µA et 500 µA.

Lors de la sélection d'une thermistance et d'un courant de polarisation, il est préférable de choisir un capteur dont la tension est au milieu de la plage. L'entrée de retour du contrôleur doit être sous tension, dérivée de la résistance de la thermistance.

Le modèle le plus précis utilisé pour convertir la résistance des thermistances en température s'appelle l'équation de Steinhart-Hart.

L'équation de Steinhart-Hart est un modèle qui a été développé à une époque où les ordinateurs n'étaient pas omniprésents et où la plupart des calculs mathématiques étaient effectués à l'aide de règles à calcul et d'autres outils mathématiques, tels que les tables de fonctions transcendantales. L'équation a été développée comme une méthode simple pour modéliser les températures des thermistances facilement et avec plus de précision. L'équation de Steinhart-Hart est la suivante:

1 / T = A + B (lnR) + C (lnR) 2 + D (lnR) 3 + E (lnR) 4…

Où:

T est la température, en Kelvin (K, Kelvin = Celsius + 273,15),

R est la résistance en T, en Ohms (Ω).

A, B, C, D et E sont les coefficients de Steinhart-Hart qui varient en fonction du type. de la thermistance utilisée et la plage de température détectée.

ln est Natural Log ou Log base Napierian 2.71828

L'équation standard de Steinhart-Hart utilisée est la suivante:

1 / T = A + B (lnR) + C (lnR) 3

L'un des avantages des programmes informatiques est que les équations qu'il aurait fallu des jours, voire des semaines, pour résoudre sont résolues en quelques instants. Tapez "Calculateur d'équation Steinhart-Hart" dans n'importe quel moteur de recherche et les pages de liens vers des calculatrices en ligne sont renvoyées.

Cette équation calcule avec plus de précision la résistance réelle d'une thermistance en fonction de la température. Plus la plage de température est étroite, plus le calcul de la résistance sera précis. La plupart des fabricants de thermistances fournissent les coefficients A, B et C pour une plage de température typique.

John S. Steinhart et Stanley R. Hart ont d'abord développé et publié l'équation de Steinhart-Hart dans un article intitulé «Courbes d'étalonnage pour thermistances» en 1968, alors qu'ils étaient chercheurs à la Carnegie Institution de Washington. Steinhart est ensuite devenu professeur de géologie et de géophysique, puis a étudié les sciences de la mer à l'Université de Wisconsin-Madison et Stanley R. Hart est devenu chercheur principal à la Woods Hole Oceanographic Institution.