Ce document pédagogique propose une étude simplifiée de la mesure de température à travers l'expérimentation de deux capteurs distincts : une diode électroluminescente (DEL) utilisée comme thermomètre à diode et une résistance industrielle de platine Pt100. Rédigé par André Méraud du lycée Arsonval à Saint-Maur, ce document s'adresse principalement aux élèves de seconde option M.P.I., STL CLPI et aux étudiants en BTS chimie.
L'étude s'articule autour de plusieurs parties expérimentales et théoriques. Elle commence par la caractérisation des capteurs, l'analyse de leur réponse linéaire sous forme de fonction affine, puis aborde la mise en œuvre de montages conditionneurs à base d'amplificateurs opérationnels (AOP de type TL081) pour exploiter et linéariser les signaux électriques. Enfin, une application pratique permet d'observer et de modéliser le comportement dynamique d'une sonde Pt100 lors d'un changement brutal de température.
La première partie utilise une DEL polarisée en sens direct et alimentée par un générateur de courant continu constant d'environ 10 à 15 mA. En plongeant le montage dans un récipient d'eau chauffée progressivement à partir du mélange eau-glace, on relève l'évolution de la tension aux bornes de la diode en fonction de la température. Les données recueillies permettent de mettre en évidence une fonction affine décroissante. Pour exploiter cette mesure, un montage conditionneur comprenant un étage soustracteur pour éliminer le terme constant et un étage inverseur à gain ajustable est mis en place.
La seconde partie se concentre sur la sonde Pt100, un capteur industriel largement répandu. À l'aide d'un ohmmètre et d'un dispositif de chauffage progressif allant de 0 °C à 100 °C, les élèves établissent la fonction de transfert traduisant la variation de la résistance en fonction de la température. Un montage conditionneur spécifique est ensuite étudié, combinant un générateur de courant de 1 mA, un étage amplificateur non inverseur et un étage soustracteur permettant d'obtenir une lecture directe et proportionnelle de la température sous forme de tension.
Le document propose également une approche expérimentale et théorique du régime transitoire. En soumettant la sonde Pt100 à un échelon thermique brusque (passage de l'eau bouillante à un bain de glace fondante), l'acquisition automatique via une interface FastLab et le logiciel Synchronie permet de tracer l'évolution de la température au cours du temps. Une modélisation mathématique s'appuyant sur une équation différentielle est ensuite introduite pour analyser le comportement thermique du capteur.
Ce support constitue une base de travail complète pour relier la théorie physique à la pratique instrumentale en laboratoire. Il met en œuvre des composants électroniques usuels comme les amplificateurs opérationnels et s'appuie sur l'utilisation d'outils informatiques de traitement de données et d'acquisition. Les aspects matériels détaillés, de la verrerie aux calibres des appareils de mesure, facilitent la mise en place des TP en milieu scolaire.
Le document étudie une diode électroluminescente (DEL) exploitée en tant que thermomètre et une résistance industrielle en platine de type Pt100.
Le conditionnement fait appel à des amplificateurs opérationnels (de type TL081), alimentés en +15V/-15V, montés en étages soustracteurs et inverseurs ou non-inverseurs pour assurer la linéarisation et l'ajustement du gain.
L'acquisition et le suivi temporel des mesures de température reposent sur le logiciel Synchronie 2000 associé à une interface FastLab de chez Eurosmart.
L'objectif est d'observer et de modéliser à l'aide d'une équation différentielle le temps de réponse du capteur lorsqu'il est soumis à un changement brutal de température.
Quel composant est utilisé pour alimenter la diode électroluminescente lors du relevé de sa caractéristique ?
Réponse correcte : Un générateur de courant continu constant
Explication : La DEL est alimentée avec un générateur de courant continu fournissant une intensité constante pour garantir la variation affine de la tension en fonction de la température.
Quel est le rôle principal du premier étage monté en soustracteur avec l'AOP ?
Réponse correcte : Éliminer le terme constant b de l'équation caractéristique
Explication : Le montage soustracteur permet de retrancher une tension de référence URef afin de supprimer la composante constante b présente dans l'équation reliant la tension du capteur à la température.
Quelle est la valeur nominale de la résistance d'une sonde Pt100 à 0 °C ?
Réponse correcte : 100 ohms
Explication : Par définition, une sonde de température Pt100 possède une résistance nominale de 100 ohms à 0 °C.
