Thème : HABITAT Sous-thème : La communication dans l habitat Activité expérimentale : Quels sont les éléments qui composent une chaîne de mesure de température? Objectifs : Réaliser un thermomètre numérique qui permettra d afficher directement la température en C sur un un voltmètre ou sur l afficheur de LATISPRO. Matériel : 1 transducteur 3 multimètres 2 amplificateurs opérationnels 1 alimentation +15/-15V 1 thermomètre électronique 3 résistances de 100k 3 résistances de 10k 1 résistance de 1k 1 potentiomètre de 4,7k 1 chauffe-ballon 1 agitateur 1 support pour thermomètre et transducteur Exemple de protocole avec un LM35 capteur+conditionneur intégré Problématique : Afin d effectuer des économies d énergie en chauffage, un installateur préconise de placer une sonde de température extérieure qui sera reliée à la chaudière ainsi qu un boîtier de commande à l intérieur de l habitat pour réguler la température intérieure. Ainsi la chaudière régulera la température intérieure en fonction de la consigne donnée, de la température intérieure de la pièce et des variations importantes de la température extérieure. Voici les précautions indiquées sur la notice d installation pour la sonde de température extérieure : - En aucun cas ne placer dans un même conduit ou chemin de câbles les fils de sonde et des fils véhiculant du 230V. Placement du boîtier de commande à l intérieur de l habitat (celui-ci renseigne sur la température intérieure de l habitat) : - Mesurer avec un thermomètre la température ambiante dans la pièce où est installé le régulateur. Appuyer sur calibrage et faire coïncider l affichage avec la mesure du thermomètre. K_bodet_lycée_Heinrich_haguenau Page 1
INTRODUCTION : On veut réaliser une chaîne de mesure permettant d afficher sur un voltmètre une température en C variant de 0 C à 100 C. On peut représenter cette chaîne par le schéma ci-dessous : θ. Transducteur conditionneur L objectif de l activité est de déterminer les caractéristiques des deux blocs symbolisant le transducteur et le conditionneur, éléments toujours présents dans une chaîne de mesures. Figure 1 Partie 1 : ETUDE DU TRANSDUCTEUR en A. Etude qualitative : 1. Relever la température ambiante de la salle à l aide d un thermomètre. 2. Réaliser le montage ci-dessous, puis relever la valeur de la tension Ud. 6V Rp=100kΩ U d V Figure 2 3. Prenez la diode dans la main et mesurer Ud. Comment évolue cette tension? 4. Préciser les grandeurs physiques converties par ce transducteur. Noter sur la figure 1 la grandeur en sortie du transducteur. 5. Ce transducteur est-il du type actif ou passif? 6. Quelle caractéristique faut-il connaître afin d avoir la valeur de la température de votre main? B. Relevé de la caractéristique du transducteur : 1. Proposer un schéma de montage permettant de relever cette caractéristique. 2. Faire une série de mesures et présenter les résultats sous forme de tableau. 3. Entrer les valeurs sous REGRESSI et tracer la caractéristique Ud=f(θ) avec Ud en mv et θ en C. 4. Modéliser la courbe obtenue à l aide du logiciel. En déduire une relation entre Ud et θ. K_bodet_lycée_Heinrich_haguenau Page 2
PARTIE 2 : ETUDE DU CONDITIONNEUR A. Etude qualitative : 1. Le signal en sortie du transducteur permet-il une lecture directe de la température? 2. Le rôle du conditionneur est de rendre cette lecture plus aisée, il se situe après le transducteur. 3. On notera sa sortie Uc, compléter la figure 1 en plaçant cette tension. B. Mise au point du conditionneur : 1. On veut que Uc=0,00V pour 0,00 C et Uc=1,00V pour 100 C. En vous aidant de l annexe 1, quelles sont les deux opérations mathématiques que vous proposez de réaliser sur Ud afin de respecter cette condition? Compléter la figure 3 en écrivant dans chaque bloc le nom du montage et la relation entre U d et U 1 puis entre U 1 et U c à effectuer. Montage 1 Montage 2 Ud U 1 Uc. C. Etude du montage 1 : Réaliser le montage représenté figure 4. Figure 3 L amplificateur opérationnel doit être alimenté en +/-15 V avant d appliquer les tensions U 0 et U d. Fixer la tension U 0 à 6V, et proposer un protocole expérimental pour relever U 1 en fonction de U d. U 0 U d R2 R4 R5 R3 R 3 =R 2 =10kΩ R 4 =R 5 =100kΩ U 1 Figure 4 1. Tracer sous régressi la caractéristique U 1 =f(u d ). 2. Donner une relation liant U 0,U d et U 1. Cette relation est-elle toujours vérifiée quelle que soit la valeur de U d? 3. Dans le cas de la chaîne de mesure que l on veut réaliser quelle valeur faut-il donner à U 0? K_bodet_lycée_Heinrich_haguenau Page 3
D. Etude du montage 2 : Réaliser le montage représenté figure 5. L amplificateur opérationnel doit être alimenté en +/-15 V avant d appliquer la tension U 1. proposer un protocole expérimental pour relever Uc en fonction de U 1. U 1 R 6 R 7 R 6 =1kΩ R 7 =10kΩ U c Figure 5 1. Faire une série de mesures et présenter les résultats sous forme de tableau (faire varier U 1 de -2V à +2V). 2. Tracer sous régressi la caractéristique U c =f(u 1 ). 3. Pour quel domaine de valeurs de U1 peut-on considérer que le montage fonctionne en amplificateur de tension? 4. Remplacer R 6 par un potentiomètre de 4,7kΩ. Proposer un protocole afin de déterminer son influence sur le montage. PARTIE 3 : ETUDE DE LA CHAÎNE DE MESURE. 1. Réaliser la chaîne de mesure en reprenant les montages de la figure 2,4, et 5. 2. Régler U 0 à la valeur de la partie 2 question C.3. et Brancher un voltmètre à la sortie Uc. 3. Plonger le transducteur dans de l eau glacée, vérifier que la valeur indiquée est 0,0. Régler la valeur de U 0 si nécessaire. 4. Plonger le transducteur dans de l eau chaude, relever la température avec un thermomètre puis régler le potentiomètre R 6 afin qu il indique la valeur lue au thermomètre. 5. Plonger la diode dans une eau de température inconnue et effectuer une mesure. Vérifier celle-ci à l aide d un thermomètre électronique. Effectuer cette mesure en plusieurs points de température de l eau. 6. À partir de l annexe 1 proposer un montage en sortie de Uc permettant de visualiser un dépassement de température à l aide de diodes électroluminescentes. PARTIE 4 : MISE EN ŒUVRE PRATIQUE : 1. Reprendre la problématique et expliquer les précautions à prendre lors d une régulation de chauffage d une maison. 2. Pour transporter l information de la chaîne de mesure à un automate situé une distance non négligeable deux solutions peuvent être envisagée : une liaison 0-10V ou une liaison 4-20mA. Quelle liaison vous paraît la plus fiable? K_bodet_lycée_Heinrich_haguenau Page 4
ANNEXE 1 Nom des montages Montage Relation Additionneur Additionne deux tensions Vs = Ve 1 +Ve 2 Si R 1 =R 2 =R 3 =R 4 Soustracteur : Soustrait deux tensions U 4 =U 3 -U 1 Comparateur Compare deux tensions Vs=+V sat si V + >V - Vs=-V sat si V + <V - Amplificateur inverseur Inverse la tension d entrée et l amplifie s= - K e avec K=R 2 /R 1 Amplificateur non inverseur Us= K Ue Avec K=1+R 2 /R 1 K_bodet_lycée_Heinrich_haguenau Page 5