Chapitre 4. Débitmètre
4.3 Mesure de débit
4.3.2 Circuit électronique
Etant donné que les analyseurs ne peuvent pas mesurer la résistance instantanée du fil chaud, un circuit électronique a été implémenté afin de caractériser temporellement la réponse du fil en fonction du débit de liquide injecté dans le canal. Ce circuit électronique comporte un pont de Wheatstone, un amplificateur différentiel et un trigger de Schmidt. Ces éléments sont présentés dans les sections suivantes.
4.3.2.1 Pont de Wheatstone
Un pont de Wheatstone est un montage électronique qui permet de mesurer une résistance électrique inconnue par équilibrage. Le schéma électrique du pont est donné Figure 4.15.
Figure 4.15 : Schéma électrique du pont de Wheatstone.
Le pont est constitué de trois résistances et un potentiomètre. Deux résistances (�1, �3) ont des valeurs connues, la troisième (��) est la résistance du fil chaud dont on veut mesurer les variations. Le potentiomètre (�4) permet d’équilibrer le pont. Le pont est alimenté par un générateur de tension. La tension de sortie du pont s’écrit :
�� =��− ���� = �� �� 1+��− �4 �4+�3���� 4.6 C ha pi tr e : D éb itmè tr e
103
Le pont est dit équilibré lorsque la tension de sortie �� est nulle quelle que soit l’entrée ���. Afin d’équilibrer le pont, les résistances doivent respecter la relation suivante :
�1�4−���3= 0 4.7
Lorsque le débit de liquide est nul, la résistance �� est à sa valeur nominale on peut donc équilibrer le pont à l’aide du potentiomètre. Lorsque le liquide est en mouvement, la valeur de �� change, ce qui déstabilise le pont. C’est cette variation de tension qui indique la température du fil chaud.
La sensibilité du pont de Wheatstone en fonction de la variation de la valeur de la résistance de chauffe est donnée par :
��� ��� =
�1
(�1+��)2��� 4.8
La sensibilité du pont de Wheatstone est la même que celle d’un diviseur de tension. L’avantage du pont de Wheatstone est de mesurer la variation de résistance du fil chaud en supprimant l’offset de tension à débit nul. Le résultat est un rapport signal sur bruit amélioré. De plus, une variation de tension d’alimentation a moins d’influence sur ce type de montage que sur un simple diviseur de tension.
Il est possible d’augmenter la sensibilité du pont en augmentant la tension d’alimentation du pont de Wheatstone et en modifiant la valeur des résistance �� et �1. Lors de la chauffe du fil, la résolution en sortie du pont de Wheatstone est déterminée par la relation :
∆�� = �� �1��2
(�1+��)4���3 4.9
Où � est le coefficient de température de la résistance de chauffe, � la pente de la caractéristique de l’élévation de température en fonction de la puissance de chauffe � = ��
(�1+��)2���2 dans le fil de résistance �� (∆�=��).
La résistance �� du fil chaud est de 1600Ω. Ainsi, dans le cas de la chauffe de la résistance, pour obtenir une résolution minimale de 1mV, la résistance �1 doit être comprise entre 10Ω et 3kΩ dans le cas de la chauffe et pour une tension d’alimentation de 10V (relation 4.9). Si on veut que le fil consomme un maximum de 25mW, la résistance du fil doit être inférieure à 1kΩ. Dans le cas du refroidissement du fil, sa résistance doit être comprise entre 130 et 7600 dans le cas du refroidissement et pour une tension d’alimentation de 1V. Ainsi, on choisit une résistance �1 de 1kΩ.
Les résistances �3 et �4 sont choisies afin que cette partie du pont de Wheatstone
consomme le minimum de puissance. On choisit donc �3à 160kΩ et �4 à 100kΩ. C
ha pi tr e : D éb itmè tr e
104
Le coefficient de température α de la résistance est très faible de l’ordre de 10-3
K-1. Or, la consommation électrique du pont augmente avec la sensibilité. Il est donc préférable d’augmenter la sensibilité du signal de sortie en l’amplifiant (de l’ordre de quelques mV à la dizaine de mV) afin d’avoir une meilleure résolution et une meilleure sensibilité.
4.3.2.2 Amplificateur différentiel
L’amplification du signal est effectuée par un amplificateur différentiel d’instrumentation (amplificateur AD620). Il est particulièrement adapté aux capteurs. En effet, il possède un gain élevé et réglable à l’aide d’une simple résistance Rg. Il nécessite un très faible courant de polarisation (2nA) et il induit un faible bruit. Enfin, il consomme seulement 2.3mW ce qui le rend particulièrement intéressant pour notre application. Le montage électrique de l’amplificateur est donné sur la Figure 4.16.
Figure 4.16 : Schéma électrique de l'amplificateur AD620.
La tension Vs en sortie de l’amplificateur s’écrit sous la forme suivante :
�� =�(�� − ��) 4.10
Avec � = 1 +49400�
� le gain de l’amplificateur et Rg la résistance à câbler en dehors du circuit qui permet de régler le gain entre 1 et 10000.
4.3.2.3 Trigger de Schmitt
Lors de la caractérisation pulsée, on a besoin de mesurer le temps de descente ou de montée de la température de la résistance, pour cela on fait appel à un trigger de Schmitt. Le trigger de Schmitt est un amplificateur opérationnel avec une boucle de contre-réaction sur l'entrée non-inverseuse, il fonctionne en mode saturé, et non en mode linéaire. La tension de sortie Vout ne peut prendre que deux valeurs VCC ou GND. Le schéma électrique du trigger de Schmitt est donné sur la Figure 4.17.
C ha pi tr e : D éb itmè tr e
105
Figure 4.17 : Schéma électrique du trigger de Schmitt.
La tension de sortie réalise un cycle d’hystérésis et prend la valeur Vcc lorsque VIN est supérieur à une tension ��, et GND lorsque VIN est inférieur à une tension ��. La caractéristique du trigger est donnée sur la Figure 4.18.
Figure 4.18 : Cycle d'hystérésis du trigger.
La tension ����� permet de régler ces seuils de tension �� et ��. Les valeurs de �� et �� sont données par les formules suivantes.
��=������1 +�1 �2�+����1 �2 4.11 ��=������1 +�1 �2�− ����1 �2 4.12
Ces trois composants sont intégrés dans le circuit électronique global en fonction de l’application demandée. Ce sont les briques de base du circuit électronique de mesure de la vitesse du liquide.