Nous avons préféré employer un capteur de pression,
et non pas un montage tout prêt. Cela représente certes du
travail, mais permet d'obtenir à moindre coût un montage utilisable
avec deux voltmètres, ou une carte d'acquisition de données,
selon la disponibilité de la salle d'informatique.
Nous avons choisi un Motorola MPX 2200 AP
La lettre P signifie qu'il est livré inclus dans un boîtier à pipe, permettant de brancher un tuyau. Le modèle sans pipe doit être placé directement dans l'enceinte dont on veut mesurer la pression. Après discussion avec les collègues, le modèle à pipe a été retenu, d'une part parce que la présence du tuyau montre mieux que c'est bien une pression qu'on mesure, d'autre part pour permettre une éventuelle expérience de cinétique chimique avec dégagement gazeux, sans risque pour le capteur.
Nous avons cherché ses caractéristiques sur le site Internet de Motorola : www.mot.com ; une fois sur le site, pourvu d'un moteur de recherche, il suffit de demander le mot : pressure. Malheureusement les liens ne fonctionnaient pas.
Nous savons qu'il existe un capteur avec amplificateur intégré, nommé MPX 5100, sensible de 0 à 1 bar, qui ne convient donc pas ici, mais nous ignorons s'il en existe des mieux adaptés à notre problématique (0 à 2 bars).
Voici quelques caractéristiques du capteur MPX 2200 AP :
(vous trouverez aussi des informations et des idées sur le B.U.P.
n° 775)
Gamme de pression : 0 à 2 bars (200 kPa ou 29 psi)
Sensibilité : 0,2 mV / kPa soit pour une pression variant de
0 à 2 bars, tension de sortie différentielle variant de 0
à 40 mV, ou encore tension sur la sortie - : 4,97 V et tension sur
la sortie + : 4,99 V (pour 1 bar).
Linéarité : 0,25 %
Tension d'alimentation : 10 V / 6 mA typique. Attention : La tension
différentielle de sortie est proportionnelle à cette tension
d'alimentation, donc aussi la pente de la courbe tension = f (pression).
Capteurs compensés en température et calibrés
en usine.
Les quatre bornes du capteur sont les suivantes :
Il est possible d'employer ce capteur directement, en T P, en utilisant
un voltmètre sensible au 1/10 de mV. Par contre il n'est pas envisageable
de le raccorder directement à une carte d'acquisition de données
numériques, du type Candibus, car cela monopoliserait les deux entrées
pour la seule mesure de pression, avec de surcroît de grosses incertitudes
de mesure.
Nous avons donc décidé de réaliser un amplificateur. Un montage est proposé dans le BUP n° 775, de Juin 1 995, dans l'article d' Alain Arbouet "réalisation d'un capteur de pression et de température".
Nous l'avons testé sur plaque d'essai :
Les deux sorties du MPX 2200 y attaquent chacune un montage suiveur, car la tension qu'elles délivrent chute dès qu'elles débitent sur une impédance inférieure à 10 mégohms. Les deux suiveurs sont suivis d'un amplificateur différentiel, de gain choisi égal à 10, pour les premiers essais. Dans le montage du BUP, le décalage de tension provoqué par ce choix est annulé par le potentiomètre nommé P3.
Car hélas, nous avons constaté que le moindre écart entre les valeurs réelles et les valeurs calculées des résistances employées, produit un fort décalage de la tension de sortie : La pression 0 ne correspond plus à 0 V !
Exemple : Pression 1 bar, gain x 10, capteur MPX à l'endroit, tension de 222,1 mV au lieu de 10 x 18,7 = 187 mV ; capteur à l'envers, tension de - 154,5 mV, au lieu de - 187 mV. Et cela pour des valeurs de résistance dans l'amplificateur différentiel de 4,65 et 47,2 kW (gain : 10,15) et 4,67 et 46,8 (gain : 10,02). Ainsi un faible écart change très peu la pente de la courbe (sensibilité en V/Pa), mais décale de manière trop importante le zéro, ici de 24 mV. C'est catastrophique pour trouver expérimentalement P V = n R T qui devient (P - X) V = n R T, avec X inconnu.
Bien sur, on peut corriger ce décalage, mais ce n'est pas très
satisfaisant.
Nous avons essayé de traiter les problèmes à la
source.
Une solution qui donne satisfaction consiste à alimenter le Motorola MPX 2200 entre - 5 et + 5 V (ces deux alimentations seront utiles aussi, pour le capteur de température évoqué plus loin). En ce cas, avec les mêmes composants, la tension de sortie bascule de + 189,6 mV à - 187,1 mV, lorsqu' on inverse les sorties du Motorola, soit 1,3 mV de décalage, au lieu de 24 auparavant. Par contre, les "masses" des capteurs de pression et de température ne sont plus communes, ce qui ne semble pas gênant.
Cette méthode permet de réduire fortement le décalage dû aux tensions de sortie du capteur proches de + 5 V et qui sont ainsi ramenées autour de 0 V. Par contre, les tensions de décalage (autour de 0,5 mV) dues aux défauts des deux amplificateurs suiveurs sont multipliées par le gain, soit x 10 ou plus.
Nous proposons donc d'amplifier immédiatement les deux tensions de sortie du capteur de pression, par deux montages amplificateurs non inverseurs de gain x 50 (ce gain permet d'obtenir en sortie une tension variant de 0 à 2 V, pour une pression absolue variant de 0 à 2 bars ; il évite de plus le changement de sensibilité du voltmètre, aux alentours de 1 bar que provoquerait un gain de x 100 avec un voltmètre 2 000 points). L' amplificateur relié à la sortie positive du capteur aura son gain réglé soigneusement, pour ne pas fausser la pente de la courbe pression -> tension ; le gain de l'autre amplificateur sera ajusté par un potentiomètre, de manière à annuler la tension de décalage. Les deux amplificateurs x 50 attaquent un amplificateur différentiel de gain unité. Cela fonctionne. L'étalonnage se fait à l'aide d'un ohmmètre et d'un voltmètre, pour l'appariement des résistances et le réglage du gain, ainsi que d'un baromètre à mercure, pour l'annulation de la tension de décalage.
Nous avons choisi R1 = R'1 = R4 = R5
= R6 = R7 = R8 = R9 (du changeur
de signe) = 10000 W, à couche métallique,
soigneusement appariées.
R2 = R'2 = 470 000 W.
R3 = R'3 = 47 000 W.
Ou bien court circuiter R2 et R'2 et choisir
R3 = R'3 = 470 000 W (multitours).
Les deux condensateurs sont de type milfeuil 47 nF. De plus, deux condensateurs
tantale goutte de découplage, de 1 microfarad sont placés
aux entrées entre +15V et masse et entre masse et -15V. Respectez
leur polarité !
Choisissez des composants de bonne qualité, pour les potentiomètres,
des ajustables multitours, en triangle (pour qu'ils s'adaptent au typon).
Le quatrième amplificateur du TL 084 peut être configuré
en changeur de signe (gain -1). Afin que le circuit tienne dans un boîtier
de 130 x 57 x 35 mm, nous avons dû vous imposer plusieurs liaisons
par fils, dans le montage ; veuillez nous en excuser. Les tensions + 5
V et - 5V sont fournies par des régulateurs de tension 7805 et 7905,
et des diodes de protection contre les inversions de polarité sont
prévues.
Télé charger le typon du montage, imprimable sous Word.
Pour l'emploi de ce fichier
(exploitation, impression, tirage), voir les indications données
dans les FAQ, ou foire aux questions.
Vous devrez ajouter 4 ponts en fil de cuivre sur ce typon qui ne respecte
pas les dimensions normalisées pour les résistances.
Nous avons retenu un LM 35CZ, capable de mesures de - 40 °C
à + 110 °C, car nous souhaitons explorer en travaux pratiques
une large gamme de températures, disons, de - 10 °C à
+ 60 °C. - 10 obtenus avec de la glace pilée et du sel, ou un
congélateur, + 60 car au-dessus, il y a risque de brûlures.
Il doit être alimenté en + 5 V (contrairement au capteur
de pression, ici la valeur n'est pas critique, en fait de 4 à 30
V conviennent). Il lui faut en plus une tension de - 5 V (par exemple)
pour mesurer des températures au-dessous de 0 °C.
Voici quelques unes de ses caractéristiques : sensibilité
: 10 mV par °C
0 °C correspond à une sortie à 0 V.
L'impédance de sortie est très faible 0,1 ohm si le capteur débite 1 mA. Attention toutefois à ne pas employer de courants trop intenses, car le capteur pourrait s'échauffer. Et c'est bien connu, un thermomètre mesure la température ... du thermomètre. Le LM 35 est garanti ne pas s'échauffer de lui même de plus de 0,08 °C dans de l'air calme.
Ici R = 100 kW puisque -Vs = - 5V.
Le capteur ne peut pas être directement plongé dans l'eau qui le court-circuite. On peut l'enduire de colle de très bonne qualité (bien poisseuse, même à froid) à l'aide d'un pistolet à colle, puis l'entourer dans de la gaîne thermorétractable. Mais attention aux colles qui fondent à 70 ou 80 °C !
Télé charger
le typon du montage (commun pour P et T), imprimable sous Word.
Vérifiez les soudures, le sens de branchement des composants
polarisés, diodes, condensateurs tantale. Ne placez pas le quadruple
amplificateur sur son support, ne raccordez pas la résistance R7
à la masse. Mesurez R'1 et ajustez R'3 pour
que R'2 + R'3 = 49 R'1.
Placez le quadruple amplificateur et alimentez le montage. Les sorties
pression doivent donner autour de + 1 V et - 1 V. Sinon, vérifiez
la masse, l'alimentation, + 15 V et - 15 V. Vérifiez les sorties
+ 5 V et - 5 V des régulateurs. Vérifiez à nouveau
le sens des diodes, les soudures, s'il n'y a pas de court-circuit entre
deux pistes.
S+ et S-, sorties du capteur de pression doivent donner quelques dizaines
de millivolts. Vérifiez si les - 15 et + 15 V sont bien présents
sur le quadruple amplificateur.
Si une sortie est saturée, cela signifie qu'il n'y a pas de
contre réaction (fil coupé ou mauvaise soudure) ou que la
référence de tension est déconnectée.
Voici comment faire pour étalonner ce montage. Tout d'abord,
le composant de mesure de température ne nécessite pas d'étalonnage,
mais nous avons constaté des différences sensibles entre
les températures données par une dizaine de thermomètres
(fluctuation estimée à un demi degré au maximum).
Pour le capteur de pression, nous supposons que celui-ci est correctement
étalonné en usine. Le gain total de nos amplificateurs doit
donc être de 50 exactement. Nous commençons par apparier les
résistances, ce qui est possible si nous avons pris soin d'en acheter
une quantité sensiblement supérieure à ce qui est
strictement nécessaire : Testez-les une par une et notez la valeur
sur la bande de papier qui les maintient. Soudez les composants sur le
circuit imprimé, ne placez pas l'amplificateur, ni le fil de liaison
qui permet de connecter R6, R7 et la masse. Mesurez
R'2 + R'3 et ajustez R'3 pour que la somme
fasse exactement 49 fois la valeur de R'1. Puis terminez les
soudures et placez le quadruple amplificateur sur son support. Traquez
les faux contacts et autres courts circuits. Lorsque le signal de sortie
est correct, terminez l'étalonnage. Mesurez la pression atmosphérique,
à l'aide d'un baromètre à mercure. Faites la conversion
cm de mercure -> hectopascals (par exemple dans notre petite ville de moyenne
montagne, nous avons trouvé 69,1 cm de mercure, soit (1013 x 69,1)/76
= 921 hPa. Ajustez le potentiomètre de décalage R3
pour afficher la bonne tension, soit 0,921 V. Pour contrôler le tout,
raccordez le capteur de pression à une pompe à vide (en bricolant
un bouchon caoutchouc). L'indication du voltmètre doit se rapprocher
de zéro. Pour notre part cela a assez bien marché, mais nous
avons trouvé un capteur (sur dix) dont la pente semble incorrecte
(en ce cas il faut réajuster R'3) et dans quelques cas,
les potentiomètres de décalage R3 se sont retrouvés
en butée, alors que nous n'étions pas tout à fait
à la bonne valeur, d'où le conseil d'augmenter R3
et de diminuer voire annuler R2.
Un logiciel d'acquisition avec une carte Candibus et de traitement des données P et T (y compris transfert dans Excel) est proposé en télé chargement gratuit ; si vous souhaitez son adaptation à d'autres cartes, veuillez contacter l'auteur de ce site. Revenez nous voir.
Pour l'instant, du code source Delphi des prémices
de ce logiciel est proposée avec les sujets de travaux pratiques
en page 13 et 14 de ce
chapitre.
