Détection du dépôt d’eau

Le point de liquéfaction est défini par la température pour laquelle une fine pellicule d’eau se dépose sur la surface de quartz. La détection de la liquéfaction se fait par des ondes de sur- face générées par une paire de transducteurs déposés sur la surface de quartz. Ces ondes sont fortement absorbées lorsque de l’eau se dépose sur la ligne. La connaissance de la température ambiante (avant activation du module Peltier) et lors de la liquéfaction définit le degré d’humi- dité ambiant.

Un problème majeur lié à l’utilisation du module Peltier pour faire varier la température est apparu lors de la réalisation d’un prototype d’hygromètre autonome et embarqué : la consom- mation d’un module Peltier est très importante (1 à 1,5 A sous 12 V) et la dissipation de chaleur

4.2. Détection du dépôt d’eau L293 AD595 chauffage refroidissement amplitude G=31.5 dB ∆Φ température

FIG. 4.6: Montage expérimental : contrôle de la température au moyen d’un module Peltier

dirigé par un circuit d’alimentation de moteur pas à pas décrit à la figure4.22

sur sa face chaude lente. Ce dernier paramètre est un facteur limitant pour la fréquence à laquelle les mesures d’humidité peuvent être effectuées, et peuvent être la source d’un biais après une utilisation prolongée (incapacité de la ligne à revenir à la température ambiante dans un délai raisonnable). Dans un souci d’économie d’énergie, nous avons remplacé une implémentation d’un algorithme visant à stabiliser la température sur la ligne à ondes de surface (par une boucle de type PID utilisant le module Peltier comme actuateur et un thermocouple comme capteur) par un algorithme plus simple appliquant des crénaux de tension aux bornes du module Peltier. La température initiale est supposée être la température ambiante, et peut donc être lue par le thermocouple collé àla surface de la plaque de quartz. Nous appliquons un crénau de tension aux bornes du module Peltier visant à refroidir la ligne à ondes de surface, et ce jusqu’à ce que le point de rosée soit atteint (effondrement de l’amplitude d’oscillation). Cette température est lue au moyen du thermocouple collé à la plaque de quartz, et la tension aux bornes du module Peltier est coupée de façon à permettre le retour à la température ambiante du dispositif. Deux problèmes sont apparus :

- la consommation importante lors de l’application du crénau de tension aux bornes du module Peltier (et échauffement important du composant – L293 – utilisé pour l’alimentation du Peltier) - la dissipation de chaleur une fois le crénau de tension coupé.

La capacité calorifique du quartz est cp ➆ 63 J.mol

➇

1_.K

➇

1_{, et sa densité est de 2,6 (soit}

une masse volumique de 2,6 g.cm➇

3_{). Nous utilisons une lame de quartz de 10}

➈ 20➈ 1 mm

3

soit environ 0,5 g de quartz, ou 8,7.10➇

3 _{moles. L’énergie nécessaire à faire varier de 1 K la}

température de la lame de quartz est donc U ➆ 63

➈ 8➉ 7➊10➇ 3 ➈ 1 ➆ 0 ➉55 J.K➇ 1_{. Le courant}

électrique appliqués au module Peltier est de 1 A sous 12 V soit une puissance de 12 J.s➇

1_.

Si nous considérons l’efficacité du module Peltier à 50%, il faut donc 1 s pour faire varier de 10 K la température de la plaque de quartz. Cette durée est raisonnable pour la fréquence des

filter MAR1 amplifier AD595 (temperature measurement) 104 MHz SAW amplitude and temperature amplifications RS232 communication dual (+/−15 V) power supply µm 10 thermocouple LC comm. 16 MHz 68HC11 microcontroler Darlington transistors heat sink Peltier module SAW thermocouple RS232 AD595

FIG. 4.7: Dispositif expérimental réalisé pour la détection de dépôt de vapeur d’eau (point de

liquéfaction) au moyen de la variation de la transmission d’ondes acoustiques de surface. Nous avons pris soin d’adapter l’électronique de contrôle et d’acquisition de façon à être directement adaptable à un micro-contrôleur et ainsi permettre la réalisation d’un système souple d’emploi

et transportable (cf annexeD).

mesures que nous désirons effectuer. Cependant, le rendement de 50% signifie que nous devons aussi être capable de dissiper les 6 J qui se sont accumulés du côté de la face chaude du module Peltier au cours du refroidissement. Un simple radiateur passif, tel que celui dont nous avons équipé notre système, est capable de dissiper de l’ordre de 5 K.W➇

1_{(ce qui signifie qu’au cours}

de la seconde pendant laquelle nous avons refroidi de 10 K la lame de quartz, la température du radiateur s’est élevée de 5➈ 6

➆ 30 K). Il faut un temps considérable pour que le radiateur retourne à la température ambiante (quelques minutes), incompatible avec une fréquence élevée de mesure du taux d’humidité. La solution à ce problème serait :

- l’utilisation d’une plaque de quartz plus petite et plus fine nécessitant donc moins d’énergie pour être refroidie

- l’utilisation d’un radiateur actif (avec ventilateur ou refroidissement à eau). Un radiateur re- froidi par eau a été réalisé, mais son encombrement est beaucoup plus important et sa consom- mation d’énergie très élevée, le rendant incompatible avec une application embarquée auto- nome.

4.2. Détection du dépôt d’eau

FIG. 4.8: En bas à gauche : la courbe du bas montre le signal observé dans la PLL (le signal

observé au moyen d’un oscilloscope numérique de bande passante 60 MHz oscille à 104 MHz, d’où son aspect sinusoïdal alors qu’en fait il est relativement déformé du fait du gain très im-

portant (➄ +13 dB) de l’amplificateur dans la PLL) et, courbe du haut, mesure de l’amplitude

correspondante (diode-filtre passe bas-amplificateur inverseur). En bas à droite : mêmes condi- tions expérimetales, mais avec dépôt de vapeur d’eau sur la ligne à ondes de surface (l’onde acoustique est absorbée par la couche d’eau, d’où l’absence d’oscillation dans la PLL et un déplacement de 3,33 V du signal d’amplitude – cette variation est facilement observable au moyen du convetisseur analogique-numérique 8 bits de notre microcontroleur). En haut : évo- lution temporelle du signal d’amplitude d’oscillation (courbe du haut) et de la température lue sur la ligne à ondes de surface (courbe du bas). Noter la lente (pendant environ 160 secondes) décroissance de la température lors du réchauffement (courbe décroissante) qui s’oppose à la montée rapide lors du refroidissement, et la capacité du dispositif à rapidement détecter le dépôt de vapeur d’eau (en soufflant sur la lame de quartz). L’influence de la température sur l’amplitude d’oscillation est négligeable par rapport à l’effet du dépôt de vapeur d’eau.