Mesure de température

Groupe 1

Objectif

• Acquérir et enregistrer la température à l’intérieur et à l’extérieur de la nacelle, pendant tout le vol.

Challenge : comparer les performances (précision, sensibilité, …) entre plusieurs moyens de mesure :

• Moyens « modernes » : capteurs analogiques ou numériques couramment utilisés (thermistance, PT, DHT, D S, …)
• Moyens « physiques » : utilisation d’une bilame (lame bimétallique)

Tâches à réaliser

Analyse fonctionnelle

La pression atmosphérique baisse de 1 hPa chaque fois que l’on s’élève de 8 mètres, et la température baisse d’environ 1 °C chaque fois que l’on s’élève de 150 m.

C’est à l’altitude de la tropopause (limite troposphère/stratosphère), au environs de 12km, que la température sera la plus basse. Selon les sources elle devrait être entre -50 et -60 °C.

Problème : Réussir à capturer la température au cours de l’expérience en fonction de l’attitude et de la durée.

Amplitudes de températures mesurables avec les différents appareils :

• – DS18B20 :  -55 à +125 °C  – un peu limite
  
• – Thermistance :  -50 à 300°C – insuffisant
  
• – PT100 : -200 °C à 850 °C – correct
  
• – DHT22 : -40 à +80°C – insuffisant
  

Mise en œuvre de différents capteurs « modernes »

DS18B20

C’est le capteur le plus simple à mettre en œuvre : il est numérique et fonctionne sur un bus à 1 seul fil (one Wire) :

#include <OneWire.h>

const byte DS_PIN = 7;

OneWire ds(DS_PIN);

void getTemperature(float *temperature) {
  byte data[9], addr[8];
  ds.reset_search();
  if (!ds.search(addr)) return;
  if (OneWire::crc8(addr, 7) != addr[7]) return;
  if (addr[0] != 0x28) return;

  ds.reset();
  ds.select(addr);

  ds.write(0x44, 1);
  delay(800);

  ds.reset();
  ds.select(addr);
  ds.write(0xBE);

  for (byte i = 0; i < 9; i++) {
    data[i] = ds.read();
  }
  *temperature = ((data[1] << 8) | data[0]) * 0.0625;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  float temperature;

  getTemperature(&temperature);

  Serial.print(F("Temperature : "));
  Serial.print(temperature, 1);
  Serial.write(176);
  Serial.write('C');
  Serial.println();
}

Thermistance

PT100

DHT22

Réalisation d’un capteur « maison »

Principe de fonctionnement

Fabrication du capteur

#include "HX711.h"

// HX711 circuit wiring
const int LOADCELL_DOUT_PIN = 2;
const int LOADCELL_SCK_PIN = 3;

HX711 scale;

void setup() {
  Serial.begin(38400);
  Serial.println("HX711 Demo");

  Serial.println("Initializing the scale");

  scale.begin(LOADCELL_DOUT_PIN, LOADCELL_SCK_PIN);

  Serial.println("Before setting up the scale:");
  Serial.print("read: \t\t");
  Serial.println(scale.read());

  Serial.print("read average: \t\t");
  Serial.println(scale.read_average(20));

  Serial.print("get value: \t\t");
  Serial.println(scale.get_value(5));

  Serial.print("get units: \t\t");
  Serial.println(scale.get_units(5), 1);

  scale.set_scale(2280.f);
  scale.tare();

  Serial.println("After setting up the scale:");

  Serial.print("read: \t\t");
  Serial.println(scale.read());

  Serial.print("read average: \t\t");
  Serial.println(scale.read_average(20));

  Serial.print("get value: \t\t");
  Serial.println(scale.get_value(5));

  Serial.print("get units: \t\t");
  Serial.println(scale.get_units(5), 1);

  Serial.println("Readings:");
}

void loop() {
  Serial.print("one reading:\t");
  Serial.print(scale.get_units(), 1);
  Serial.print("\t| average:\t");
  Serial.println(scale.get_units(10), 1);

  scale.power_down(); // Extinction
  delay(100);
  scale.power_up(); // Allumage
}

Conception d’un montage

Cellule de force + bilame

Capteur terminé

Modèle Solidworks :

Après découpage laser des pièces (PMMA transparent 3mm) :

Étalonnage

Procédure d’étalonnage du capteur :

On place les deux capteurs (DS et bilame) à l’intérieur de congélateurs (jusqu’à -25°C) et on attend que les valeurs mesurées n’évoluent plus (régime permanent).

#include "HX711.h"
#include <OneWire.h>

// HX711.DOUT	- pin #A1
// HX711.PD_SCK	- pin #A0
// Connecteur numérique relié à DQ
const byte DS_PIN = 7;

HX711 scale(3, 2);

OneWire ds(DS_PIN);
float temperature;
unsigned long t = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Temps écoulé [ms] :
  Serial.print(millis(), 1);
  Serial.print("\t");
  
  // Valeur "brute" du capteur :
  Serial.print(scale.read(), 1);
  Serial.print("\t");

  // Température [°C] mesurée par le DS18B20
  getTemperature(&temperature);
  Serial.println(temperature, 1);


  // Extinction du capteur (pour économies d'énergie) :
  scale.power_down();			       
  delay(10000);
  scale.power_up();
}

//
// Fonction de lecture de la température
//
void getTemperature(float *temperature) {
 byte data[9], addr[8]; // Données et Adresse du module DS18B20
 
 // Réinitialisation du bus
 ds.reset_search();
 
 // Recherche du capteur
 if (!ds.search(addr)) return;
 
 // Vérification de l'adresse reçue
 if (OneWire::crc8(addr, 7) != addr[7]) return;
 
 // Vérification du modèle de capteur (DS18B20)
 if (addr[0] != 0x28) return;
 
 // Sélection du capteur
 ds.reset();
 ds.select(addr);
 
 // Lancement de la mesure
 ds.write(0x44, 1);
 delay(800);
 
 // Resélection du capteur
 ds.reset();
 ds.select(addr);
 
 // Envoie d'une demande de lecture
 ds.write(0xBE);
 
 // Lecture des données
 for (byte i = 0; i < 9; i++) {
 data[i] = ds.read();
 }
 
 // Conversion des données en degrés Celcius
 *temperature = ((data[1] << 8) | data[0]) * 0.0625;
}

On relève les valeurs (valeur « brute » du capteur bilame et valeur en °C du capteur DS) et on les met sur une feuille de calcul :

Analyse des résultats

Chaque « point » est obtenu par copier/coller de plusieurs mesures (20 environ) affichées sur le Terminal du logiciel Arduino.

On constate qu’ils sont très resserrés, la résolution du capteur est donc très bonne !

Par contre, on n’obtient pas une loi très cohérente, cela provient sans doute du fait que le capteur est très sensible aux perturbations extérieures : pesanteur, petits choc lors du passage d’un congélateur à un autre, …

Répartition des taches