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CHAINE DE MESURE ET INSTRUMENTATION Thermomètre à capteur non linéaire. Mise en œuvre

Vous disposez sur le CD du classeur : CTNnew.xls. Ce classeur permet l’enregistrement des mesures. La durée de l’acquisition et l’intervalle de temps entre deux mesures sont paramétrables. Sous Excel placez-vous en plein écran pour voir l’ensemble des boutons mis à votre disposition. L’acquisition terminée, nous vous conseillons de copier le tableau de mesures dans un nouveau classeur ou sur une autre feuille du classeur pour ne pas modifier le module d’acquisition.

Etude du capteur Nous utilisons une CTN de 1000 ohms comme capteur de température Une CTN est un conducteur ohmique dont la résistance est fonction de la température du milieu dans lequel elle se trouve. Elle est fournie dans la mallette MPI 2, soudée au bout de deux fils jaunes terminés par deux fiches bananes. Nous l’avons conditionnée pour permettre son immersion dans l'eau. On rappelle que c’est un dipôle symétrique non polarisé.

Une parfaite connaissance du capteur est indispensable. On chauffe un ballon contenant de l'eau et de la glace jusqu'à ébullition. Durant toute la manipulation, la CTN est immergée dans ce milieu et reliée à un ohmmètre ce qui permet la

lecture directe de sa résistance. Un thermomètre analogique -10°C +100°C nous permet de suivre l'évolution de la température. Relevez la caractéristique de ce capteur de température de 0 à 100°C par pas de 10°. Durant toute la manipulation, l'ordinateur est en fonctionnement car on place directement les valeurs expérimentales dans Excel et on obtient une distribution de points.

Recherche d’un modèle mathématique. Il faut maintenant rechercher un modèle mathématique correspondant à cette distribution de points expérimentaux. On commence par chercher un modèle du type

Déterminez la constante a de l’équation précédente : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Toutes les valeurs de R du modèle sont calculées à l’aide du tableur. Superposer sur votre graphique les points expérimentaux et votre modèle mathématique. Que peut-on en conclure de ce modèle : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Cherchez alors un modèle du type

Superposez sur votre graphique vos points expérimentaux et votre nouveau modèle mathématique. Que peut-on en conclure de ce modèle: ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Conclusion : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Nous pouvons pousser l’étude de notre caractéristique un peu plus loin. R est appelée : grandeur thermométrique. Nous pouvons prendre le modèle suivant pour notre distribution :

Attention, T est en Kelvin. Déterminez les composantes α et β de ce modèle, Expliciter votre méthode de détermination : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Concluez sur l’utilité de choisir un bon modèle : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Mise en œuvre de l’adaptateur. On peut maintenant passer à la réalisation du thermomètre quel que soit le modèle retenu. Comme l’ordinateur ne mesure que des tensions, il ne peut donc pas mesurer R directement. Le module thermomètre avec capteur non linéaire contenu dans la mallette est conforme au montage électronique suivant :

Le régulateur intégré de tension délivre une tension U constante et R=1000Ω. L’ordinateur mesure la tension U1. Déterminer l’expression de T en fonction du montage ci-dessus ? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Manipulation : Brancher la sortie du module thermomètre en voie 0 (calibre 0-5V) du module EXAO. L’alimentation de ces deux modules est commune (+15V-0V). Si vous utilisez deux alimentations distinctes, reliez alors leur masse. L’ensemble étant sous tension, en l’absence de la CTN, on peut vérifier la valeur de U 0 avec un voltmètre ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Modifiez de même le calcul de la température en fonction du modèle retenu. Pour cela cliquez droit sur le bouton d’ « acquisition manuelle » allez dans « Affecter une macro », choisissez la macro « Acquisition manuelle » et faite modifier. Une fenêtre en Visual Basic apparaît, c’est dans cette page que nous allons créer le programme correspondant au modèle mathématique que nous avons défini au préalable. Cliquez sur le bouton de mesure de température et vérifier par rapport à celle de la salle. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Réalisez le mélange d’eau + glace et relancez l’acquisition automatique jusque 100°C et vérifiez le bon fonctionnement de votre thermomètre. Conclusion ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Un thermomètre à l’aide d’un capteur linéaire. Mise en œuvre

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 0V-5V). Lancez la feuille de calculs LM35dznew.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.

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. 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 5V. 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. 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. Durant toute la manipulation, l'ordinateur est en fonctionnement car on place directement les valeurs expérimentales dans le tableur. La température est relevée environ tous les 5°C. Complétez un tableau Excel avec vos valeurs. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… La recherche du modèle mathématique correspondant à cette distribution de points est conduite avec le tableur Excel. 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 un domaine comprit entre 0°C et 100°C. Déterminez la sensibilité de ce capteur de température : ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Si le capteur est linéaire, on peut évaluer assez simplement l’erreur absolue. Déterminez cette erreur et le ΔT correspondant. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… 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.

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 8bits disposant des calibres 0V,+5V. Elle doit permettre de relever des températures sur le domaine [2°C, +100°C]. 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 0-5V. Ne pas oublier de relier les masses. Le classeur LM35dznew.xls transforme l’ordinateur en thermomètre. 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 -5V, +5V. Déterminez sa résolution, commentez. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… D’après la résolution de la carte d’acquisition et celle du capteur de température, quel problème va-t-il se présenter compte tenu du cahier des charges défini au préalable. ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Comment pouvons nous résoudre ce problème ? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… 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. Réalisez des relevés de température avec votre nouvelle chaîne de mesure, et comparer la avec celle trouver précédemment. Commentez ? ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Colorimétrie : Une photodiode comme capteur A. Introduction. La teinte des solutions colorées, par exemple la solution de permanganate de potassium (KMnO4 aq ), diffère selon leur concentration. Une solution aqueuse de KMnO 4, faiblement concentrée, est de couleur rose alors qu'une solution plus concentrée est nettement violacée. Une solution dans l’eau de sulfate de nickel ( Ni SO 4 aq ) est de couleur vert pâle à faible concentration et vert soutenu pour des concentrations plus élevées. Il existe donc un lien entre la teinte d'une solution aqueuse colorée et sa concentration.

B . Principe de fonctionnement du module colorimètre On utilise maintenant très couramment des panneaux solaires. Ils sont constitués de capteurs sensibles à la lumière : les cellules solaires. Ces cellules sont en fait des photodiodes. Nous allons utiliser ce type de composant électronique pour réaliser le colorimètre. Le schéma de principe du colorimètre est le suivant :

La référence de la photodiode est BPW34, elle est utilisée comme capteur sensible à la lumière.

Une diode électroluminescente éclaire une cuve contenant une solution colorée. Le flux lumineux qui traverse la solution éclaire la photodiode. Plus la photodiode est éclairée plus l’intensité du courant qui la traverse augmente. A la différence d’une simple diode une photodiode est passante même en sens inverse. Cependant l’intensité du courant reste extrêmement faible, il y a donc nécessité d’utiliser un conducteur ohmique de forte résistance (R = 470 kΩ) pour obtenir une tension mesurable par l’ordinateur. L’étude d’une photodiode peut montrer que le courant qui la traverse est directement proportionnel à son l’éclairement lorsqu’elle est utilisée en récepteur. Nous nous contentons d’utiliser cette propriété et de chercher une relation liant la tension U1 et la concentration de la solution afin d’informatiser la mesure de la concentration d’une solution donnée.

Etude du capteur. L’étude du capteur colorimétrique est conduite en deux temps. On suppose dans un premier temps que la relation liant U1 et c, est de la forme c = aU1 + b.

PREPARATION DES SOLUTION

Alimentez le module colorimètre comme l’indique le schéma de principe. A l’aide d’un voltmètre, on peut mesurer U 1 et vérifier en plaçant successivement dans la cuve du colorimètre deux solutions de concentrations différentes, que, plus la solution est colorée, plus la tension aux bornes du conducteur ohmique R diminue. En effet, plus la solution est concentrée, plus l’éclairement de la photodiode diminue. Le physicien parle de l’absorbance (A) de la solution anciennement appelée la densité optique. L’absorbance (A) d’une solution colorée est donc fonction de sa concentration. En fonction du calibre de la carte d’acquisition que nous utilisons, réalisez un blanc de notre colorimètre. Explicitez votre méthode ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Placez ensuite successivement dans la cuve les solutions aqueuses de ???? et relevez à l’aide d’un voltmètre, les valeurs de U1 correspondantes. Respectez l’ordre croissant des concentrations pour ne pas avoir à nettoyer la cuve à chaque nouvelle mesure.

Utilisez Excel et tracez c = f (U1 ). Utilisez l’outil de régression linéaire et afficher l’équation de la courbe correspondante. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Commentez la qualité de la régression, le modèle utilisé est-il bien adapté. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Lorsqu’on cherche à étudier le phénomène d’absorption de la lumière par une solution, on fait souvent référence à la loi de Beer-Lambert. Cette loi relative à l’absorbance (A) d’une substance, dit notamment que A est proportionnelle à la concentration de la solution. L’absorbance est par définition : A = log (F i/Ft ), F i est le flux lumineux incident et F t est le flux transmis. Comme le prouve la définition, l’absorbance d’une solution est un nombre sans unité compris entre 0 et l’infini. Le rapport (F i/Ft ) croît de la valeur1 pour une solution qui n’absorbe pas de lumière jusqu’à l’infini si la solution absorbe quasiment toute la lumière incidente. Chercher à exprimer l’absorbance (A) en fonction de U1. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Utilisez le tableur afin d'obtenir un graphique C = f (A ), la loi de Beer-Lambert est-elle vérifiée ? ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Transformer l’ordinateur en colorimètre. On utilise la carte d’acquisition en voie 0, sur le calibre 0V ; + 5V. Le classeur Colorinew.xls transforme l’ordinateur en colorimètre. Vérifiez le fonctionnement de ce colorimètre en utilisant les solutions qui ont servi à l’étalonnage. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Ce colorimètre est une application pratique de la loi de Beer-Lambert.

La chaîne de mesure pH-métrique. Introduction Les pH-mètres de laboratoire sont constitués d’une cellule pH-métrique et d’un dispositif électronique qui affiche le pH mesuré. Nous allons étudier cette cellule pH-métrique dans le but de l’utiliser pour réaliser une chaîne informatisée. En somme l’objectif est de transformer l’ordinateur en pH-mètre. Etude du capteur. Une cellule pH-métrique est en fait constituée de deux électrodes : une électrode de verre et une électrode au calomel. Il existe des électrodes doubles (ou combinées ) c’est à dire deux en une. Attention ces électrodes sont fragiles et doivent être manipulées avec une grande précaution. Utilisez la cellule double ...