TP N°26 : CHAUFFE-EAU SOLAIRE, ACQUISITION DE LA TEMPÉRATURE ETT 3.2.3
Centres d'intérêt abordés Information Niveau d’analyse Comportemental
Ressources documentaires Aucune
Ressources matérielles Micro-ordinateur avec logiciel Matlab + Simulink Ce TP a pour objectif de simuler le fonctionnement d’une chaine d’acquisition (acquisition et numérisation) de la température de l’eau dans un chauffe-eau solaire
1. PRÉSENTATION
La chaine d’acquisition de la température est constituée d’une sonde de température PT100 et d’un convertisseur analogique / numérique (CAN) intégré à un microcontrôleur ARDUINO UNO.
La simulation sera réalisée à l’aide du logiciel Matlab + Simulink.
2. MESURE DE LA TEMPÉRATURE AVEC LE CAPTEUR PT100
La mesure de la température est réalisée par un capteur de température PT100 dont la résistance varie avec la température.
2.1. DOCUMENTATION TECHNIQUE DU CAPTEUR DE TEMPÉRATURE PT100 Connaissances 3.2.3 Acquisition et codage de l’information
Capacités
Identifier les caractéristiques d’un capteur Mesurer les performances de la chaine
d’acquisition Activités (1H30)
Modéliser un capteur de température Simuler le fonctionnement d’une chaine
d’acquisition de température
Figure 1
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2.2. SCHÉMA STRUCTUREL2.3. CARACTÉRISTIQUE THÉORIQUE TENSION DE SORTIE VT EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE T
À l'aide de la documentation technique de la sonde PT100 (figure 1), relever la valeur de la résistance du capteur pour les températures : 0 °C, 50 °C et 100 °C. Reporter ces valeurs dans le tableau ci-dessous.
Établir l'expression de Vt, la tension aux bornes de R1, en fonction de R1 et I :___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
Compléter le tableau en calculant Vs pour les températures : 0 °C, 50 °C °C et 100 °C.Température (°C) R1 (Ω) Vt (V) calculée Vt (V) simulée N 0
50 100
Tableau 1
2.4. SIMULATION DU FONCTIONNEMENT DU CIRCUIT 2.4.1. MODÉLISATION DU CAPTEUR DE TEMPÉRATURE PT100
Le modèle de simulation du capteur définit la résistance R du capteur en fonction de la température T par la relation :
R(T) = R0 + R0 * alpha(T-T0)) avec :
– R0, valeur de la résistance à la température T0 = 0°C ; – alpha, coefficient de température.
À l’aide de la documentation technique du capteur, relever la valeur R0 (à 0°C) : ____________
À l’aide de la documentation technique du capteur, calculer le coefficient directeur a de la de caractéristique R = f(T) :___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
En déduire la valeur de alpha (temperature coefficient) :___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
Reporter les valeurs sur la figure 2 : I = 1 mAR1
PT100 Vt
+
Figure 2
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Copier, sur votre lecteur personnel, le dossier TP26 présent dans le répertoire Documents en consultation du lecteur classe.
Double cliquer sur le fichier acquisition_temperature.slx pour l’ouvrir.
Double cliquer sur l’élément PT100 et compléter ses paramètres conformément à la figure 2.2.4.2. SIMULATION DU FONCTIONNEMENT DU CIRCUIT
Double cliquer sur le thermomètre et régler la température à 0°C.Lancer la simulation en cliquant sur le bouton ► (Start simulation)
Relever la valeur de la tension Vt aux bornes du capteur et reporter cette valeur dans le tableau 1.
Reprendre la simulation pour les températures 50 et 100°C. Reporter les valeurs dans le tableau 1.
Calculer l’écart relatif entre la valeur calculée et celle obtenue par simulation à la température de 100°C. Commenter ce résultat :___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
3. CONVERSION ANALOGIQUE NUMÉRIQUE (CAN)
La grandeur Vt (tension image de la température) est appliquée sur une entrée analogique du microcontrôleur ARDUINO UNO. Elle est convertie en un nombre binaire qui sera ensuite traité par un programme qui commandera la mise en marche et l’arrêt du chauffe-eau. La tension d’entrée comprise entre 0 et 5 V est convertie en un nombre binaire codé sur 10 bits.
3.1. SAISIE DU MODÈLE DE SIMULATION
Compléter le modèle de simulation conformément à la figure 3 en suivant le mode opératoire donné ci- après.
3.1.1. PLACEMENT DES ÉLÉMENTS
cliquer sur le Simulink library browser afin d’accéder aux bibliothèques de composants.
Dans la fenêtre de recherche, entrer le nom des éléments à insérer sur le schéma : – idealized ADC quantizer, CAN ;– display, afficheur.
Les composants sont placés sur le schéma par un glisser déposer.
Figure 3
3.1.2. LIAISON ENTRE LES ÉLÉMENTS
Pour établir une liaison entre deux éléments, placer la souris sur la broche de connexion (la flèche devient une croix). Cliquer au début et à la fin de la connexion.
Établir les connexions entre les différents éléments. Connecter le CNA à un afficheur et nommer cette liaison N (double clic sur le fil).3.1.3. CONFIGURATION DES ÉLÉMENTS
Double cliquer sur le CNA. Dans la fenêtre de paramétrage, entrer le nombre de bits du convertisseur.3.2. SIMULATION DU FONCTIONNEMENT
Double cliquer sur le thermomètre et régler la température à 0°C. Lancer la simulation
Relever le nombre N (binaire codé en décimal) en sortie du CNA. Reporter cette valeur dans le tableau 1.
Reprendre la simulation pour les températures 50 et 100°C. Reporter les valeurs dans le tableau 1.ETT 3.2.3 ACQUISITION ET CODAGE DE L’INFORMATION page 3 / 4
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3.3. VÉRIFICATION DES RÉSULTATS DE SIMULATION
Calculer le quantum q du convertisseur et donner la relation liant le nombre N de sortie du convertisseur à la tension Vt :___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
Calculer la valeur décimale de sortie du convertisseur N lorsque la température vaut 100°C : ___________________________________________________________________________________
Comparer la valeur calculée à celle obtenue par simulation :___________________________________________________________________________________
4. RÉSOLUTION DE LA CHAINE D’ACQUISITION
La résolution de la chaine d’acquisition représente la plus petite valeur de la grandeur d’entrée qui peut être mesurée. Elle peut être calculée ou mesurée à partir de la caractéristique N = f(T) donnée figure 4.
4.1. MESURE DE LA RÉSOLUTION
Repérer, sur la figure 4, la résolution R de la chaîne d’acquisition et relever sa valeur (en °C) : ___________________________________________________________________________________
Indiquer pourquoi la résolution de la chaine d’acquisition n’est pas adaptée à la mesure à réaliser :___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
4.2. OPTIMISATION DE LA RÉSOLUTION
Pour diminuer la valeur de la résolution, on insère un amplificateur entre la sortie du capteur et l’entrée du convertisseur. Cet élément fournit une tension de sortie Vs telle que :
Vs = K * Vt où K représente le coefficient d’amplification
Calculer K pour obtenir une tension Vs égale à 5 V lorsque la température vaut 100°C :___________________________________________________________________________________
4.3. SIMULATION DU FONCTIONNEMENT
Dans le modèle de simulation, insérer un amplificateur (gain) entre la sortie du capteur et l’entrée du convertisseur. Double cliquer sur l’élément et modifier la valeur du gain K conformément au résultat trouvé précédemment.
Double cliquer sur le thermomètre et régler la température à 0°C. Lancer la simulation
Relever le nombre N en sortie du CNA. Reprendre la simulation pour une température de 100°C.Reporter les valeurs dans le tableau : .
Température (°C) Vs (V) N
0 100
Tableau 2
À l’aide des valeurs relevées dans le tableau 2, calculer la nouvelle résolution R = ΔT / ΔN : ___________________________________________________________________________________Figure 4
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