Capteurs pratiques : les nombreuses façons dont nous mesurons la chaleur par voie électronique

La mesure de la température s'avère être une fonction fondamentale pour un très grand nombre d'appareils. Le thermostat programmable et les horloges numériques de votre fournaise en sont des exemples évidents. Si vous avez 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 le cas 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 corde vibrante. La tension de bande interdite d'une jonction semi-conductrice varie avec la température et c'est aussi prévisible et mesurable. Il existe probablement d'autres méthodes, dont certaines sont probablement assez créatives.

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 (la température) en quelque chose que vous savez mesurer comme la tension, le courant ou la position physique. Voyons comment certains des capteurs de température les plus intéressants y parviennent.

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 voulez mesurer la température, vous avez besoin d'une jonction de référence. Soit dit 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, on plongeait 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 pour compenser. Il y a des puces qui le feront pour vous, bien sûr.

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 quelle courbe d'étalonnage 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 manière dont vous connectez les autres fils à l'appareil. Veulent en savoir plus? [Bil Herd] a étudié en profondeur comment construire un amplificateur à thermocouple.

Les thermocouples qui mesurent l'infrarouge à distance sont appelés thermopiles. Ceux-ci sont courants 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.

Il existe plusieurs types de matériaux différents qui peuvent présenter des changements 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 ?

Les thermistances sont de construction 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 du 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 utiliser le traitement mathématique pour obtenir de meilleurs ajustements de courbe, ou faire des calculs simples et obtenir moins de précision.

La tension de bande interdite du matériau semi-conducteur varie de manière prévisible avec la température. Si jamais vous approfondissez la conception à semi-conducteurs, vous verrez le terme T dans l'équation de la 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 par lesquels les circuits intégrés de capteurs autres que la température peuvent 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 processeur par rapport à une référence externe peut montrer des changements induits par la température.

Il existe une multitude d'autres façons de mesurer la température. Par exemple, un capteur à corde vibrante utilise ce qui équivaut à une corde de guitare. La mesure consiste à exciter la corde et à détecter la fréquence de vibration. Au fur et 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 gazouillis émis par les grillons. Comptez le nombre de gazouillis en 15 secondes, puis ajoutez 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 40 dans la vidéo ci-dessous, et non 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 via quelque chose comme un bus I2C. Il s'agit d'une abstraction de niveau, mais vous devez toujours 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.