Mesure de température par CTN avec précision

[Bruno]

Bonjour,

Dans le cadre d'un projet type "station météo", je suis en train de concevoir un capteur de température destiné à fonctionner dans une plage de -20°C à 40°C avec une précision souhaitée de 0,1°C (si possible). Je sais qu'il existe des capteurs tout faits comme le LM35 mais ça enlève le plaisir de concevoir quelque chose soit-même...

J'ai donc acheté une thermistance CTN de 50K et choisi un simple montage en diviseur de tension. Comme la CTN sera juste à coté d'un Arduino chargé de mesurer la tension V_x à ses bornes et de la convertir en température (sans besoin de linéariser), le montage me parait suffisant. Dans un premier temps j'avais tenté de déporter la CTN avec un câble de 5m mais cela a provoqué des oscillations de 8°C (0,33°C en filtrant passe-bas....).

On a donc le montage suivant: GND -- 5V -- R₀ -- R_x (CTN) -- GND , avec :
- R₀ = 100 ± 5 kΩ
- β_CTN= 4400 ± 308 K

La précision du CAN est de 0,0049 V et j'ai choisi R₀ pour maximiser l'utilisation de la plage du CAN tout en gardant V_x la plus linéaire possible sur la plage [-20;40] °C. En l'état, j'ai calculé que ces trois incertitudes induisaient une erreur totale e(T) de 2,2°C à 3,1°C.

J'aimerais donc savoir si je m'y prends de la bonne façon ainsi que plusieurs manières de minimiser les erreurs sur R₀ et β. Voici ce que j'ai déjà fait :

a) au niveau de la conversion AD : utiliser le pin AREF et faire le calcul de R_x en ratiométrique => on se débarrasse des fluctuations sur la sortie 5V ;
b) au niveau de la résistance R₀: calcul de sa valeur lorsque mise en série avec un jeu de résistances mesurées au ohmmètre, on procède alors par encadrement en exploitant l'erreur du ohmmètre et prenant l'intersection des intervalles trouvés ;
c) au niveau de β: j'ai pris quelques points (R,T) en me servant d'un ohmmètre et d'une station météo électronique bon marché, puis fitté une exponentielle.

Avec le b), j'arrive à erreur sur R₀ de 0,12 kΩ. Pour β c'est un peu flou mais avec 7 points (R,T) ça semble osciller dans un intervalle de ~20 K autour de 4347 K. Ce qui donne un e(T) de [0,20 ; 0,28] °C: c'est plausible ?

Merci d'avance !
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[invite2313209787891133]

Bonjour

Pour linéariser au maximum la réponse il faut choisir une résistance qui soit proche de la valeur de la CTN a peu près dans le milieu de la gamme de mesure choisie (donc ici environ vers 10°C).
Pour augmenter la résolution tu peux alimenter le pont avec un peu plus de 5V, de façon à avoir le maximum de la plage de mesure de l'entrée 0-5V de l'Arduino.
J'utilise également des CTN pour mesurer des températures, et j'ai plutôt tendance à utiliser des 10K, de façon à garder une assez grande différence par rapport à l'impédance d'entrée de l'Arduino.

[Bruno]

En effet, la CTN vaut approx 100 kΩ à 10°C. Si je linéarise c'est surtout pour ne pas perdre en précision au niveau de la mesure de V_x, pour le calcul de température l'Arduino dispose de la fonction logarithme donc ce n'est pas un problème.

Pour l'impédance des entrées analogique je n'avais pas fait attention, mais avec 100k je doute que ça change quelque chose vu la faible fréquence de mesure que je vise.

Avec tes CTN, tu arrives à quelle précision ? Ce sont des CTN haut de gamme (la mienne n'a même pas couté 70cents...) ?

[invite2313209787891133]

La fonction log ne changera rien du tout (d'ailleurs elle ne sera pas utile), le but est d'avoir la plus grande variation de tension possible pour une certaine variation de température, et d'avoir une variation a peu près linéaire (pour ne pas avoir une grande précision dans une plage, et pas dans une autre). Cette condition est obtenue avec une résistance de valeur proche de la CTN, donc dans ton cas il faudrait la mettre en série avec une 100k.

L'impédance d'entrée n'est pas liée à la fréquence des mesures. Admettons que cette impédance soit de 100k, alors la tension de ton montage sera influencée par l'Arduino. Par ailleurs en travaillant avec de grandes valeurs de résistances tu es plus exposé aux parasites. Et enfin il n'y a pas d’intérêt à choisir de très grandes valeurs, il faut simplement être assez haut pour ne avoir une intensité trop grande dans le pont (qui provoquerait un échauffement de la sonde) et se placer quelques ordres de grandeur au dessus de la résistance des câbles. Avec une CTN de 1k ça fonctionnerait aussi.

J'utilise des CTN avec une valeur précise à 1%, mais le but n'est pas de viser la précision car une 10% fait aussi bien ; la raison est que je veux pouvoir la remplacer sans devoir recalibrer. J'obtiens une précision d'environ 0.2 à 0.3°C de 20 à 80°C.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Bruno]

Re,

La fonction log ne changera rien du tout (d'ailleurs elle ne sera pas utile), le but est d'avoir la plus grande variation de tension possible pour une certaine variation de température

J'avais bien compris, néanmoins la relation (R,T) est bien exponentielle: et calculer la température revient à inverser cette relation connaissant R, d'où le log de quelque chose. Bien sur on est en présence d'une relation (V_x, T) quasi linéaire mais garder la fonction log() ne coûte rien et épargne la mesure d'une erreur de linéarisation.

L'impédance d'entrée n'est pas liée à la fréquence des mesures. Admettons que cette impédance soit de 100k, alors la tension de ton montage sera influencée par l'Arduino. Par ailleurs en travaillant avec de grandes valeurs de résistances tu es plus exposé aux parasites.

Un point pour les parasites. Ceci dit une impédance d'entrée de 100kΩ me parait faible, ce doit être plutôt quelques MΩ mais ça change bien la résistance de 10kΩ ce qui est trop. Je vais ajouter un AOP suiveur entre Rx et l'ADC mais cette fois la résistance de sortie sera bien en-dessous de 10kΩ : est-ce que ça risque d'avoir un effet indésirable ?

Pour la fréquence des mesures, regarde à la page 8 de ce doc: http://www.atmel.com/Images/doc9135.pdf
The ADC is optimized for analog signals with an output impedance of approximately 10 kΩ or less. If such a source is used, the sampling time will be negligible. If a source with higher impedance is used, the sampling time will depend on the time the source needs to charge the S/H capacitor (which can vary widely). The user is recommended to only use low impedance sources with slowly varying signals since this minimizes the required charge transfer to the S/H capacitor.

J'utilise des CTN avec une valeur précise à 1%, mais le but n'est pas de viser la précision car une 10% fait aussi bien ; la raison est que je veux pouvoir la remplacer sans devoir recalibrer. J'obtiens une précision d'environ 0.2 à 0.3°C de 20 à 80°C.

Merci, j'en déduis que la précision que je cherche n'est pas impossible (je songe quand même à prendre des points (R,T) avec un LM35 pour conforter l'estimation de mon β).

[invite2313209787891133]

Plutôt que d'utiliser un AOP en suiveur il serait plus simple de prendre une CTN avec une valeur plus faible. Dans une chaine de mesure il faut éviter de rajouter des éléments, car chaque fois c'est une partie en plus à calibrer, mais si tu décide d'en utiliser tout de même ça résout le problème de l'impédance (mais pas forcément celui des parasites).
Pour ce qui est de la conversion par calcul : En effet c'est faisable, mais en pratique la courbe de la CTN ne sera pas exacte, donc il faudra passer de toute façon par une phase de calibration par points.

[Bruno]

Le choix de l'AOP suiveur c'est par pure facilité, j'ai plusieurs AOP sous la main mais qu'une seule CTN.

[invite2c278084]

bonjour

tuxgraphics.org fournit hardware et software
il décrit le calcul de conversion CTN/volts et son algotithme, pour Atmel ATmega8 ça doit être adaptable à l'arduino
en fait il est en train d'arrêter la livraison de la carte digital thermometer with I2C interface basé sur CTN, il faut se depêcher tant qu'il en a encore (à 9€ comprenant 2 CTN 4k7)
et l'a remplacé par Mini-DVM module avec le même at mega8 (9€55 plus mega8 à 2€) mais pour lequel il utilise un DS1820 comme capteur
avec la CTN 4k7 livrée et montage ratiométrique, pas besoin d'ampli et ça marche bien (d'accord avec Dudulle).

saluts

[Bruno]

Rebonjour à tous,

J'ai effectué l'essai à 25°C avec et sans AOP suiveur, résultat: aucun changement sur la valeur renvoyée par analogRead(). L'impédance d'entrée des CAN doit être de, au moins, plusieurs dizaines de MΩ. Sur simulateur: au moins 10MΩ pour un ∆V_x de 5mV (résolution du CAN). L'impact sera certainement plus important lorsque la CTN montera au-delà de 100kΩ donc je vais laisser l'AOP. Par contre l'AOP que j'utilise est conçu pour [0;70] °C donc je suis bon pour en recommander un et tant qu'à faire une CTN 10kΩ

@zibuth27: J'imagine que vous parlez de ça: http://tuxgraphics.org/electronics/2...cle07051.shtml ?

[invite2313209787891133]

L'AOP est prévu pour fonctionner à une température ambiante de 0 à 70°C, mais il ne sera pas exposé à la même température que la sonde. Si vraiment tu veux en utiliser un tu peux garder celui que tu as.

[Bruno]

J'ai prévu de placer le tout (Arduino + CTN + montage) dans le milieu dont je cherche à mesurer la température, donc l'AOP sera exposé.

[gcortex]

pourquoi pas un LM35 à 3€ ?

[Bruno]

Parce que :

Je sais qu'il existe des capteurs tout faits comme le LM35 mais ça enlève le plaisir de concevoir quelque chose soit-même...

[invite2313209787891133]

J'ai prévu de placer le tout (Arduino + CTN + montage) dans le milieu dont je cherche à mesurer la température, donc l'AOP sera exposé.

Je ne sais pas si c'est une bonne idée, tout le montage va connaitre des dérives. Pourquoi ne pas déporter la sonde ? Si tu as peur des parasites tu utilises un câble blindé (du câble pour écouteurs suffit, c'est d'ailleurs ce que j'ai utilisé), en reliant la tresse à GND. Tu ne la relie pas coté sonde.

[Bruno]

Je ne sais pas si c'est une bonne idée, tout le montage va connaitre des dérives. Pourquoi ne pas déporter la sonde ? Si tu as peur des parasites tu utilises un câble blindé (du câble pour écouteurs suffit, c'est d'ailleurs ce que j'ai utilisé), en reliant la tresse à GND. Tu ne la relie pas coté sonde.

C'était donc ça J'avais bien tenté avec un câble blindé mais distrait comme je suis j'avais complètement oublié de relier le blindage à la masse En le reliant ça va tout de suite beaucoup mieux, merci !

[bobflux]

À chaque échantillon, L'ADC d'un microcontroleur connecte son condensateur de s&h à l'entrée, pendant un certain temps. La valeur du condensateur et le temps de connection sont dans la datasheet. Donc on a 3 étapes :

1- le condensateur est chargé à une tension indéterminée
2- on le connecte à l'entrée et il se charge (courbe RC habituelle) avec R=résistance du switch + impédance de la source
3- on le déconnecte et on convertit la tension qui est dessus en chiffres.

Donc une impédance d'entrée trop élevée induit deux erreurs, l'une due au courant qui va circuler (proportionnel à nombre d'échantillons par seconde * C) et l'autre au fait que le condensateur ne sera peut-être pas complètement chargé à la bonne tension si l'impédance est trop élevée.

La solution à la première erreur est de diminuer la fréquence d'échantillonnage (facile pour une température... elle change pas 1000 fois par seconde). La solution à la 2ème est de mettre un condensateur d'au moins 2^(nb bits+1)*C en parallèle avec l'entrée... et c'est tout. Un bête 100nF suffit à échantillonner sans problème une source d'impédance 1 MOhm sans perdre le moindre bit de précision, pourvu qu'on n'abuse pas sur la fréquence... avec en prime un petit filtrage des parasites, pas d'offset, etc.

[Gérard]

CTN et précision de 0,1°C sont incompatibles.

[invite2313209787891133]

CTN et précision de 0,1°C sont incompatibles.

Pourquoi ce serait incompatible ?

[invitee05a3fcc]

Parce qu'il ne faut pas confondre précision et résolution ......
Pour du 0,1% (de précision) il faut de la PT100 ou, à la rigueur, du capteur numérique. Reste à voir si il a vraiment besoin de 0,1% (de précision) !

[invite2313209787891133]

Je suis d'accord que la PT100 est plus adaptée, mais une CTN arrive très bien à faire du 0.1°C de précision, une fois calibrée.

[invitee05a3fcc]

Et tu fais comment l'opération de calibration ? avec un bain avec agitateur et un thermomètre de labo ? Et ensuite tu rentres ta table d'étalonnage avec lecture avec une interpolation linéaire ?
Ne casse pas ta CTN ..... tout est à refaire !

[Bruno]

Et tu fais comment l'opération de calibration ? avec un bain avec agitateur et un thermomètre de labo ? Et ensuite tu rentres ta table d'étalonnage avec lecture avec une interpolation linéaire ?

Je n'utilise pas l'interpolation linéaire, je garde la relation exponentielle (je dois juste connaitre ß). On peut imaginer une calibration de cette façon, quitte à corriger l'inévitable dérive par une régulation se basant sur un LM35.

[invitee05a3fcc]

je garde la relation exponentielle

Et tu penses obtenir une précision de 0,1% ?#(:!&??]!!?? Fait vite breveter ton idée .......

[invite2313209787891133]

Et tu fais comment l'opération de calibration ? avec un bain avec agitateur et un thermomètre de labo ? Et ensuite tu rentres ta table d'étalonnage avec lecture avec une interpolation linéaire ?
Ne casse pas ta CTN ..... tout est à refaire !

Oui, mais c'est possible, tu ne pourra pas dire le contraire.
Une pt100 et un transmetteur ça coute environ 100 euros, une CTN dans un pont environ 3 euros.

[Bruno]

Et tu penses obtenir une précision de 0,1% ?#(:!&??]!!?? Fait vite breveter ton idée .......

Je vise 0,1°C et pas 0,1%.

[invitee05a3fcc]

Erreur de ma part ..... mais c'est aussi utopique !
Tu cherches à faire quoi ? Une régulation à 0,1° ? OK !
Un thermomètre ? Niet .....
Et pour une station météo, tu n'as pas besoin de 0,1° . Prend un LM35, LM75 ou autre

[Bruno]

Bonjour,

Dans l'absolu, qu'est-ce qui m'empêche de m'arranger pour que la mesure sur CTN indique la même chose que le LM35 (qui est précis à 0,3°C, ce qui me convient toujours) ? C'est pour une station météo et comme déjà dit je ne souhaite pas me contenter d'un circuit intégré prémâché.

[invite2313209787891133]

Erreur de ma part ..... mais c'est aussi utopique !
Tu cherches à faire quoi ? Une régulation à 0,1° ? OK !
Un thermomètre ? Niet .....
Et pour une station météo, tu n'as pas besoin de 0,1° . Prend un LM35, LM75 ou autre

C'est quand même phénoménal comme tu peux être têtu. Je pense que tout le monde a compris qu'il existe des sondes plus adaptées pour faire de la mesure précise, mais si on prend le temps de calibrer la CTN alors elle sera capable d'une assez bonne précision. J'ai moi même calibré des sondes CTN pour avoir une précision d'environ 0.2°C.
Ici le but est justement de corriger la réponse d'une CTN (l'auteur l'a bien spécifié), donc autant essayer de le faire du mieux possible.

[invitee05a3fcc]

qu'est-ce qui m'empêche de m'arranger pour que la mesure sur CTN indique la même chose que le LM35 (qui est précis à 0,3°C, ce qui me convient toujours) ?

Parce qu'il faut faire un étalonnage (voir ma réponse #21) et ensuite un bout de soft pour faire les corrections.
Pourquoi faire simple quand on peut faire compliquer !

[Bruno]

Parce qu'il faut faire un étalonnage (voir ma réponse #21) et ensuite un bout de soft pour faire les corrections.
Pourquoi faire simple quand on peut faire compliquer !

J'ai bien compris que tu détestais les CTN, mais le fait que ce soit compliqué fait justement partie de la partie intéressante ! De quel genre de correction soft parles-tu ?