Etalonnage d'une PT100

Le transmetteur :

Nous allons étalonner une PT100 qui est un standard dans l'industrie.

La boucle de courant 4 -20 mA est aussi un standard dans l'industrie.
4 mA représente le minimum d'échelle (ici 0°C), et 20 mA représente le maximum d'échelle (ici 100°C).
Aussi nous trouvons facilement des transmetteurs 4 -20 mA
et des circuits intégrés spécialisés tel que le XTR105 pour réaliser un transmetteur 4 - 20 mA.

De plus le XTR105 grâce à sa structure proche d'un pont de Wheatstone
permet de corriger la résistance des fils pour une PT100 à 3 fils.

Le XTR105 implique un générateur de courant de 0,8 mA, ce qui limite l'auto-échauffement.
Si on considère que 3 mA implique 0,5°C d'auto-échauffement,
0,8 mA n'implique que (0,8/3)².0,5 = 0,03°C d'auto-échauffement.
ΔT est proportionnel à I² car P = R.I² = h.S.ΔT

La sensibilité d'une PT100 traversée par 0,8 mA est de 0,3 mV/°C.
Grâce à l'amplificateur d'instrumentation du XTR105 elle passe dans ce montage à 80 mV/°C.
Le XTR105 apporte ici une amplification de 260, soit un gain de 48 dB !

De plus le XTR105 divise l'erreur de linéarité par 40 !

L'étalonnage nous permetra de déterminer l'équation à utiliser avec un maximum d'exactitude.

Voici le schéma du branchement à réaliser :

Le protocole d'étalonnage :

Protocole 1: on fait chauffer un mélange eau + glace dans un chauffe ballon jusqu’à son ébullition. Cette opération dure de 20 à 40 minutes selon le réglage de la puissance du chauffe ballon. L’objectif est d’étalonner la PT100 associée à son transmetteur à l’aide de la sonde Sysam. Les mesures sont réalisées à la volée à raison d’une mesure toutes les 20 s.	Avantages : Automatisation des mesures, nombreux points de référence Inconvénients : Erreur de traînage due au temps de réponse des capteurs Etalon de la sonde Sysam bruité
Protocole 2 : (solution alternative) Matériel nécessaire : · 3 sources d’eau : * de la glace, * de l’eau à température ambiante * de l’eau chaude dans une bouilloire. · Un calorimètre, un mélangeur et un thermomètre Réaliser un mélange et stabiliser la température (attendre 1min) pour avoir 7 à 10 points d’étalonnage (tous les 10 °C environ)	Avantages : Assez proche d'un four d'étalonnage, Inconvénients : Peu de points de référence, beaucoup de manipulation

Etalonnage automatisé à l'aide de Labview

Après des tests nous avons constaté que le temps de réponse de l'étalon (9s) et de la PT100 (7s) utilisés étaient très proches.

Par conséquent si nous chauffons doucement ( environ 40 minutes soit ΔT=2400 s pour passer de 0°C à 100°C soit Δθ=100°C), l'erreur de trainage est minime.
Estimation :

Nous avons donc choisi d'automatiser l'étalonnage comme décrit dans le protocole 1.

Objectif du VI Labview :

lecture du capteur de température Sysam.
capturer VR (sortie convertisseur) à l’aide d’un multimètre de précision FI2960
tracer la courbe d'étalonnage en direct
écrire les résultats dans un fichier de mesure

Analyse des risques : quels sont les principaux risques liés à cette manipulation en salle J101 ?
Proposer des solutions pour minimiser ces risques.
Citez 1 ou 2 précautions à prendre pour garantir la qualité de votre étalonnage concernant :
- la connectique de la PT100,
- l'homogénéité du bain,
- la justesse...
Modifier le programme ci-dessous pour remplacer les mesures acquises par la moyenne de 25 mesures.
Quel est l'intérêt de cette modification ?

Modélisation – Estimation de l’incertitude

Si vous n'avez pas de mesures téléchargez cette série de mesures brutes pour traiter les questions suivantes.

Utiliser le clic droit et le menu contextuel pour télécharger :

Joindre au compte rendu le tracé de Vs(T). Modéliser cette courbe avec Excel.
A l’aide de la notice du capteur de température, déterminer l’incertitude élargie de l’étalon

Uétalon = __________°C

Notices disponibles : Etalon Sysam-SP5 ST2 ou étalon Hanna
A l’aide de la notice du voltmètre ( FI2960MT)
déterminer l’incertitude élargie du voltmètre Uvoltmètre notice = __________ mV

L'usage montre que l'on se contente de relever la tension au mV près.
Dans ce cas l'incertitude de résolution q = 1mV (cf figure de la question 9) est plus importante.
On prendra Uvoltmètre = a = 0,5 mV.

Exprimer cette incertitude en °C : Uvoltmètre = ________°C

L'arrondi au mV vous semble-t-il justifié ?
Ce montage est-il linéaire ?
Erreur de prédiction : à l’aide d’Excel et de droitereg déterminer Sey=Sn-2 (écart-type des résidus)
On supposera que l'incertitude élargie sera : coefficient de Student t*Sey (après avoir vérifié que les résidus suivent une loi normale)
En déduire l’incertitude élargie due au modèle. Umodèle = __________°C
La carte Sysam est bruitée elle génère des points aberrants.
Puisque nous en avons beaucoup nous allons en éliminer alors que pour le protocole 1 on recommence les points aberrants.
Eliminer les points de mesure aberrants (ceux qui ont un z-score ou résidu normalisé supérieur à 2 ou inférieur à -2).
Quelle amélioration cela apporte-t-il ?
Notre thermomètre étalon a une résolution 0,1°C.
Cet affichage limité implique une incertitude de résolution non négligeable.
Lorsque le thermomètre affiche 21,7°C toutes les valeurs comprises entre 21,65°C et 21,75°C sont équiprobables.

Comment s'appelle cette loi de distribution ?
Calculer l'incertitude-type de résolution u_résolution de ce thermomètre.
Cette incertitude vous semble-t-elle importante par rapport à votre source d'incertitude principale ?

Tenir compte de cette incertitude dans la question suivante et dans votre tableau excel.
Composition des erreurs : en déduire l’incertitude élargie du modèle obtenu grâce à notre étalonnage.
La PT100 (sans son conditionneur qui apporte ses propres sources d'incertitudes) non étalonnée a une incertitude de 0,8°C.
Quel est l'apport de votre étalonnage (évaluation des incertitudes de type A) par rapport aux documents constructeurs (évaluation de type B) ?
D'après les docs constructeurs, sans étalonnage l'équation est : Vs(T) = 0,080*T + 2
Estimer en V, puis en °C l'erreur d'offset corrigée par votre étalonnage.
Estimer en % l'erreur de gain corrigée par votre étalonnage.

Appel 1 : présenter votre tableau excel au professeur.

Reporter les résultats de votre étalonnage dans le formulaire ci-dessous :
C'est indispensable pour valider vos résultats.

Mise en situation du capteur - Mesure du temps de réponse

Réaliser un programme Labview permettant la capture de la tension du voltmètre Vs
et à l’aide d’une boite de calcul en déduire le θ correspondant
(boite de calcul à compléter à l’aide de la modélisation obtenue).

Réaliser une mesure de la température ambiante et la comparer à la température mesurée par un thermomètre étalon.
Vérifier que les deux résultats sont compatibles en tenant compte de l'incertitude que vous avez calculée.

Appel 2 : Faites constater vos mesures au professeur.

Faites passer rapidement la sonde de température d'une source d’eau froide à une source d’eau chaude.
Effectuer le tracé de θ(t) à l’aide du programme
En déduire la constante de temps τ (tau) du capteur.
Proposer un protocole pour mesurer le temps de réponse du capteur à l'air ambiant.

Appel 3 : Faites constater la mesure du temps de réponse au professeur

Rappel :

A t = τ (tau), la réponse vaut 63% de l'échelon = Tf_in- T_début
inconvénient : le temps mort pour déplacer le capteur d'une source à l'autre est comptabilisé...

t_M : temps de montée pour passer de 10% de l’échelon à 90% de l’échelon. t_M = 2,2* τ
avantage : le temps mort pour déplacer le capteur d'une source à l'autre n'est pas comptabilisé...

Pour vos révisions un exercice avec aide vidéo sur la mesure d'un temps de montée.