Module thermomètre avec capteur linéaire

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1 MT05935 Module thermomètre avec capteur linéaire Descriptif Ce module est constitué, d une part du capteur à étudier, ici type LM35, d autre part du module électronique conditionnant le capteur. Ce conditionneur est didactisé : transparent et présentant le synoptique de fonctionnement. Toutes les connexions, alimentation, mesure et capteur sont assurées par des douilles de sécurité de 4 mm. Alimentation nécessaire : ± 15 V. Tension de sortie : 0 à 5 V. Dimensions du boîtier : 120 x 70 x 30 mm. 1

2 Un thermomètre à l aide d un capteur linéaire Mise en oeuvre Pour mettre en œuvre la chaîne de mesures, vous disposez du module thermomètre linéaire, d'un capteur (de type LM35dz) et d'un fichier Excel qui permet le fonctionnement de la chaîne de mesures. Connectez le capteur au module thermomètre linéaire et le module à la carte d'acquisition (voie 0 calibre 0 V - 5 V). Lancez la feuille de calculs LM35dz.xls. N'oubliez pas d'alimenter la carte d'acquisition et le module. Veillez à ce que les masses des alimentations soient communes. Sous Excel placez-vous en plein écran pour voir l'ensemble des boutons mis à votre disposition. Vous pouvez modifier la durée totale de l'acquisition, l'intervalle entre deux acquisitions (le minimum est de 1s. Le tableau de mesures se remplit automatiquement. L'acquisition terminée, vous pouvez lui faire subir le traitement que vous voulez dans Excel. Nous vous conseillons de copier le tableau de mesures dans un nouveau fichier ou sur une autre feuille du classeur pour ne pas modifier la feuille d'acquisition. Nous vous proposons les séances de TP suivantes afin de comprendre le fonctionnement de cette chaîne de mesures. Vous trouverez dans le classeur du fichier Excel une feuille de calculs avec les résultats d'une étude du capteur. 2

3 TP 1 : Etude et étalonnage d un capteur. Le LM35DZ est un circuit intégré et il doit être alimenté pour fonctionner. A la différence d autres composants électroniques comme la CTN (voir capteur non linéaire), la question n est pas de savoir s il peut être utilisé comme capteur de température car il est conçu et commercialisé à cet effet. Une recherche de sa fiche technique sur Internet est souhaitable et dans l'esprit de MPI. Lorsqu il est alimenté, sa tension de sortie est fonction de la température du milieu dans lequel il se trouve. L objectif est donc de trouver une relation mathématique liant Us (tension de sortie du capteur) avec la température. Le dispositif expérimental décrit ci-dessous permet d obtenir pour ce composant une distribution de valeurs expérimentales. Utilisez un tableur pour conduire la recherche du modèle mathématique correspondant à cet ensemble de points. Manipulation : Nous utilisons le régulateur intégré de tension (RIT 7805) du module CTN pour obtenir une tension régulée à 5 V. Le LM35DZ est un quadripôle même s il n a que trois pattes car sa patte de masse est commune à son alimentation et à sa sortie. Reportez-vous à sa fiche technique pour son brochage. On chauffe un ballon contenant de l'eau et de la glace pilée jusqu'à ébullition. Durant toute la manipulation, le LM35DZ est immergé dans ce milieu. Un thermomètre, -10 C +110 C, nous permet de suivre l'évolution de la température. Pour obtenir des mesures satisfaisantes, le composant étudié est placé à côté du réservoir du thermomètre. Un régulateur de chauffe peut être utilisé afin de ralentir l'élévation de température. Le capteur fourni dans la mallette peut-être immergé dans l'eau. Durant toute la manipulation, l'ordinateur est en fonctionnement car on place directement les valeurs expérimentales dans le tableur. La température (q) est relevée environ tous les 5 C. 3

4 La recherche du modèle mathématique correspondant à cette distribution de points est conduite avec le tableur Excel. Etude d'un LM35DZ Le modèle est linéaire et l on obtient : Us = 9,34E-3 θ avec θ compris entre 0 C et 100 C. Attention dans le tableur les valeurs expérimentales de Us sont en mv. Remarques : Une bonne connaissance du capteur. L utilisation de l outil informatique pour conduire l étude du capteur ne doit pas nous faire perdre le sens physique des résultats obtenus. L étude précédente permet d obtenir une relation qui permet à l ordinateur la mesure de la température. Chaque capteur a un domaine de validité correspondant à son domaine d utilisation. Le modèle retenu pour le LM35DZ permet son utilisation sur le domaine ; θ comprit entre 0 C et 100 C. Pour les capteurs linéaires, la valeur du cœfficient directeur de la droite est une constante très intéressante. Par exemple : pour le LM35DZ la pente est de 9,34. Son unité est le mv/ C On en déduit que sa sensibilité est de 9,34 mv/ C. Si le capteur est linéaire, on peut évaluer assez simplement l erreur absolue. En effet si y = ax + b et si x est l erreur absolue sur x, alors y = a x. Vérifions : Us = 9,34E-3 θ donc θ = 107 Us, si Us = 5 mv alors θ = 0,5 C Il n y a pas un meilleur capteur mais un capteur mieux adapté à l expérience que nous souhaitons réaliser. Avant d utiliser un capteur de température il faut donc bien le connaître. Il est bon de refaire régulièrement l étalonnage d un capteur pour vérifier son bon fonctionnement. 4

5 TP 2 : Etude de la chaîne de mesure thermométrique utilisant le LM35. Le cahier des charges : Réalisation d une sonde thermométrique utilisant un LM35DZ. Cette sonde doit permettre l observation d une variation de 0,5 C et être adaptée à une interface 8 bits disposant des calibres 0 V, +5 V. Elle doit permettre de relever des températures sur le domaine [2 C, +100 C]. A) Réalisation de la chaîne de mesure. Une sonde thermométrique permet la mesure d'une température si elle est reliée à une interface d acquisition elle-même reliée à un ordinateur. Elle est constituée d'un capteur et de son conditionneur ou adaptateur. Le capteur (LM35) est relié à son module adaptateur. Sélectionnez le domaine 2 C ; 110 C. Alimentez le module et reliez sa sortie à l interface d'acquisition (module acquisition) en voie 0 calibre 0-5 V. Ne pas oublier de relier les masses. Le classeur LM35dz.xls transforme l ordinateur en thermomètre. Les réglages éventuels seront explicités par la suite. B) Etude théorique de la chaîne de mesure. Quel est le rôle de l adaptateur? Une carte d'acquisition possède un convertisseur analogique numérique de 8 bits, utilisée sur le calibre 5 V, +5 V sa résolution est de 10/2^8 soit un pas de 40 mv. Il lui faut donc une variation minimale de 40 mv pour déceler une variation de température. Le LM35DZ, dont la sensibilité est d environ 10 mv/ C, branché directement sur cette carte d acquisition ne permet d observer que des variations de température d un minimum de 4 C. Imaginons une variation de 1 C de la température du LM35DZ. Sa tension de sortie augmente alors d environ 10 mv. En multipliant par 4 sa tension de sortie avant de l appliquer à l interface d acquisition, la variation de 10 mv est portée à 40 mv et l ordinateur permet d observer cette variation de 1 C. Nous venons d adapter la réponse du capteur au pas de la conversion de l interface d acquisition. Tel est le rôle de l adaptateur. Sa conception dépend bien entendu des caractéristiques de l interface d acquisition à laquelle il sera connecté. L étude menée jusqu à présent a révélé le fait qu une sonde de température doit satisfaire aux exigences de l expérience que l on souhaite informatiser et être adaptée à l interface d acquisition que l on va utiliser. Avant de réaliser une sonde thermométrique, il faut donc faire un inventaire de ses caractéristiques et du cadre de son utilisation. 5

6 C) Comment fonctionne le module? L étude du capteur est déjà faite et nous avons sur le domaine de température correspondant au cahier des charges la relation : Us = 9,34E-3 θ La sensibilité du capteur est d environ 10 mv/ C. Sa tension de sortie va varier entre 0 V et 1,0 V pour ces températures. Pour observer une variation de 0,5 C, il faut qu'elle provoque une variation de 20 mv sur l entrée du système d acquisition étant donné le calibre utilisé et le CAN 8 bits. Une variation de 0,5 C provoque une variation de 5 mv à la sortie du capteur. Il faut donc multiplier par 4 la tension de sortie du capteur avant de l appliquer à l interface d acquisition. Nous disposons d un calibre 0 V, +5 V nous pouvons alors envisager un coefficient multiplicateur de 5 permettant l observation d une variation inférieure à 0,5 C tout en restant dans le domaine des tensions mesurables. En la multipliant par 10, on sortirait du calibre 0 V, +5 V. On utilise le montage électronique suivant : Une sonde thermométrique utilisant un LM35DZ. L adaptateur est un simple AO. Le gain du montage est réglé à exactement 5 grâce à une résistance variable. En effet si le gain n est pas connu avec exactitude, l erreur absolue ne peut pas être évaluée. L étude du capteur montre que θ = 107 Us 1, l adaptateur impose Us = 5Us 1 donc θ = 21,2 Us. La précision sur la mesure de Us vaut 20 mv, donc la précision sur la mesure de la température est évaluée à 21,2 20E - 3 soit environ 0,42 C. D) Comment régler le module? Conformément à ce qui vient d être dit, la tension de sortie du module doit-être exactement 5 fois la valeur de la tension délivrée directement par le capteur. Utilisez un petit tournevis pour faire un réglage sur le module. E) Autre possibilité Pédagogiquement, si vous jugez que l étude précédente est trop lourde, vous pouvez ne pas étudier l adaptateur et considérer l ensemble (capteur + adaptateur) comme un nouveau capteur. Recherchez alors directement la relation liant la tension de sortie du module adaptateur en fonction de la température. 6

7 TP 3 : Un autre cahier des charges. Réalisation d une sonde thermométrique utilisant un LM35DZ. Cette sonde doit permettre l observation d une variation de 0,5 C et être adaptée à une interface 8 bits disposant des calibres 0 V, +5 V et 5 V,+5 V. Elle doit permettre de relever des températures sur le domaine [-20 C, +20 C]. Il faut refaire l étude du capteur car le domaine de température inclut maintenant des températures négatives. L étude du capteur est conduite comme précédemment selon le dispositif suivant : grâce à un mélange de glace pilée sèche (sans eau liquide) et de chlorure de sodium solide, on refroidit de +20 C à -20 C, une petite quantité d'eau placée dans un tube à essai et contenant le capteur. On peut alors constater que la tension de sortie délivrée par le capteur reste bloquée à la valeur 0 V alors que la température devient négative. Ce capteur ne semble pas adapté aux contraintes du cahier des charges. L étude de la fiche technique distribuée par son constructeur indique que son utilisation pour la mesure de températures négatives nécessite une alimentation symétrique (- U A, + U A ) et l adjonction d une résistance dont la valeur est : R = U A / 60 E - 6. Le schéma électronique du nouveau capteur est représenté ci-dessous. L étude de ce capteur montre que la relation Us = 9,34E-3 θ reste vraie sur le domaine [-20 C, +20 C]. La sensibilité du capteur est d environ 10 mv/ C. Sa tension de sortie est comprise entre -0,20 V et 0, +20 V pour ces températures. L utilisation du calibre 5 V, +5 V parait indispensable à l observation de températures négatives. En utilisant un gain de 5 pour son adaptateur, on fabrique une sonde thermométrique dont le domaine de validité s étend de -20 C à 100 C. La précision sur la mesure de Us vaut 40 mv donc la précision sur la mesure de la température est évaluée à 0,8 C. On utilise le module d acquisition, en plaçant la barrette de connexion de la voie 0. Son calibre est alors de 5 V ; + 5 V. Utilisez le module adaptateur du LM35dz en ayant placé le commutateur sur le calibre -40 C ; 110 C et la feuille LM35dz1 pour transformer l ordinateur en thermomètre. Procédez au réglage comme précédemment. 7

8 Environnement nécessaire Soit une interface d'acquisition déjà en votre possession Soit la mallette MPI réf Soit l'interface d'acquisition modulaire réf Soit le module d'acquisition réf Une alimentation +/- 15V réf multimètre numérique réf Quelques cordons de raccordement Entretien, garantie et dépannage 1. Entretien Aucun entretien particulier n est nécessaire au fonctionnement de votre appareil. Toutes les opérations de maintenance ou de réparation doivent être réalisées par PIERRON EDUCA- TION. En cas de problème, n hésitez pas à contacter le Service Clients. 2. Garantie Les matériels livrés par PIERRON sont garantis, à compter de leur livraison, contre tous défauts ou vices cachés du matériel vendu. Cette garantie est valable pour une durée de 2 ans après livraison et se limite à la réparation ou au remplacement du matériel défectueux. La garantie ne pourra être accordée en cas d'avarie résultant d'une utilisation incorrecte du matériel. Sont exclus de cette garantie : la verrerie de laboratoire, les lampes, fusibles, tubes à vide, produits, pièces d'usure, matériel informatique et multimédia. Certains matériels peuvent avoir une garantie inférieure à 2 ans, dans ce cas, la garantie spécifique est indiquée sur le catalogue ou document publicitaire. Le retour de matériel sous garantie doit avoir notre accord écrit. Vices apparents : nous ne pourrons admettre de réclamation qui ne nous serait pas parvenue dans un délai de quinze jours après livraison au maximum. A l'export, ce délai est porté à un mois. La garantie ne s'appliquera pas lorsqu'une réparation ou intervention par une personne extérieure à notre Société aura été constatée. PIERRON Education - Parc Industriel Sud - Z.I. Gutenberg - 2, rue Gutenberg- B.P SARREGUEMINES CEDEX Tél. : Fax : education-france@pierron.fr 8

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