Soutenance mémoire
Simulation et Réalisation d’un thermomètre à bargraph
Les capteurs sont largement utilisés dans une multitude de domaines et sont employés dans la vie quotidienne pour transformer des événements mécaniques, chimiques ou thermiques en signal électrique. Ils forment ainsi une partie centrale et fondamentale de l’interface entre le monde physique et le monde électrique. Les cinquante dernières années et plus spécialement la première décennie du XXIème siècle ont été le siège d’un réel progrès technologique dans les activités capteurs [1]. On a également, assisté à la multiplication des types de capteurs de température, ces composants répondent à la demande croissante pour des réseaux de capteurs communicants autonomes pour des applications distribuées de surveillance, d’analyse ou encore de diagnostique [2]-[3]. Dans le but d’évaluer le potentiel de capteur de température LM35 et pour réaliser un thermomètre visuel à LEDs, nous avons décidé de le faire à l’aide d’un histogramme numérique qui se présente sous la forme d’un bargraphe à 10 LEDs. Il sera alimenté par une batterie de 9V, donc une consommation limitée. La gamme de la température à mesurée est entre 10°C et 40°C. Nous verrons donc comment étalonné, mesuré et visualisé la température à l’aide d’un bargraph à LEDs. Tout d’abord nous présenterons comment mettre en œuvre la détection de la température. Ensuit en expliquerons le fonctionnement complet du circuit intégré qui permet d’allumer les LEDs en fonction d’une tension .
Thermométrie et capteurs de température
Le terme « thermomètre » a été inventé en 1624 par le jésuite Jean Leurechon dans son ouvrage « Récréation mathématique ». Le principe qu’il décrit (un changement de température faisant monter le niveau de l’eau dans une conduite) fut expérimenté par un médecin vénitien Sanctorius, ami de Galilée à qui la paternité de l’invention est souvent attribuée. En 1654, le grand-duc de Toscane à Florence, Ferdinand II de Médicis, perfectionna l’instrument de Sanctorius et créa le premier véritable thermomètre en emprisonnant de l’alcool dans un tube de verre hermétique2 . Il portait 50 graduations. En hiver, il descendait jusqu’à 7 degrés et montait, en été, à 40 degrés. Dans la glace qui fond, il montrait 13 degrés. Au départ la température a un lien avec la sensation de chaud et de froid. Par ailleurs les premiers thermoscopes étaient gradués en très chaud, chaud, tempéré, froid, très froid. Mais très vite nous pouvons voir les limites de cette notion. En effet si vous plongez la main dans de l’eau froide puis dans de l’eau tiède, celle-ci vous paraitra chaude, maintenant plongez la main dans de l’eau chaude et remettez-la dans la même eau tiède, celle-ci vous paraitra plus froide qu’après. Cette notion n’étant ni précise, ni fidèle, les scientifiques ont voulu trouver un autre moyen de définir et de mesurer la température. Ainsi la physique statistique est venue pour définir la température comme un degré d’agitation des atomes et/ou des molécules. Un peu plus tard viendra la notion de désordre avec l’entropie. La thermodynamique apporte une énorme contribution dans la définition de la température. En effet celle-ci est introduite par Sadi Carnot en 1824 dans la notion de machine thermique parfaite décrite par un cycle. Dans cette notion le rapport de températures est défini par un rapport d’énergies. La température est une grandeur intensive, c’est-à-dire qu’elle traduit un « état » du système étudié au même titre qu’une tension électrique, une altitude ou un potentiel chimique, etc. On peut comparer les valeurs d’une grandeur intensive de deux systèmes, mais on ne peut pas en faire la somme. Une grandeur intensive est un potentiel d’où dérive un champ. À une grandeur intensive est associée une grandeur extensive. En thermique, la grandeur extensive associé à la température est l’entropie. Afin de mesurer la température il est nécessaire que le capteur mesure une grandeur physique qui dépend de la température de l’élément à mesurer [4].
Échelles des températures
Pour réaliser une mesure, il faut définir une échelle de température ayant un caractère universel et donc il faut qu’elle soit basée uniquement sur des lois de la thermodynamique.
Échelles thermodynamiques ou absolues :
La température thermodynamique est la température définie uniquement à partir du premier et second principe de la thermodynamique. Elle ne dépend donc pas des thermomètres utilisés pour mesurer la température et possède ainsi une définition universelle [3].
Échelle de Kelvin :
L’unité est le Kelvin (K). Cette échelle se base sur la valeur de la température du point triple de l’eau étant fixé à 273,16. Le point triple de l’eau est la température d’équilibre entre la phase solide, liquide et vapeur.
Échelle de Rankin :
L’unité est le degré Rankin (°R) qui est égal à 9/5 de kelvin; la température du point triple de l’eau est donc de 491,69 °R.
Thermométrie par résistance
La thermométrie par résistance utilise, comme son nom l’indique, la variation de la résistance d’un matériau en fonction de la température. Cette variation de résistance peut être faite aussi bien avec un métal (dans ce cas-là nous parlerons de résistance métallique) mais aussi avec des oxydes (dans ce cas-là nous parlerons de thermistances[3].
Thermistances :
Pour les thermistances, le matériau dont on observe la résistance est un agglomérat d’oxydes métalliques rendus compacts par haute pression exercée à température élevée. Il existe trois grandes sortes de thermistance : les Coefficient de Température Négatif (CTN), les Coefficient de Température Positif (CTP) et les résistances à variation critique (critical variation resistor) qui sont des CTN à variation brusque de résistance. Les CTN ont la particularité de voir sa résistance diminuer avec la température ce qui en fait une des thermistances les plus utilisés. Les CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques, barreaux, pastilles, rondelles, puces etc.
Thermométrie par thermocouple
Les thermocouples sont des capteurs actifs qui délivrent une f.é.m. lorsque ceux-ci sont soumis à une modification de la température. Une fois que l’on a la f.é.m. pour pouvoir remonter à la valeur de la température, il faut connaître l’une des deux jonctions et surtout sa température. Celle-ci se nommera jonction de référence. La nature des matériaux conducteurs utilisés définit le type du thermocouple. Il existe beaucoup de type de thermocouple qui sont pour la plupart repérée par une lettre ainsi un thermocouple de type J est constitué d’une jonction en fer et d’une jonction en constantan .
Simulation et Réalisation d’un thermomètre à bargraph
Présentation du Thermomètre à LEDs
Notre projet est basé sur le capteur de température LM35 et le circuit intégré LM3914 . La sortie de capteur est 10mV/°C, nous devrons donc convertir cette tension à un signal visuel. Le LM3914 (Dot / Bar Display Driver) est un circuit intégré qui détecte les niveaux de tension analogiques et entraîne 10 LEDs, fournissant un affichage analogique linéaire dépendant de la tension d’entrée. Dans notre projet on a enchaîné trois LM3914 pour former un écran de 30 LEDs. Avec la bonne adaptation de la gamme de chaque LM3914 on à réussis à faire le premier écran pour une plage d’affichage du 10 °C à 19 °C, le deuxième écran pour afficher les températures comprises entre 20 °C et 29 °C et ainsi de suite.
Conclusion générale
Parmi les éléments de réponse apportés par ce sujet de mémoire, les résultats les plus importants à retenir restent la validation et la faisabilité du principe de la transduction thermique. A-partir de ces recherches, deux axes devront être améliorés. Le premier concerne la conception. Plusieurs paramètres conditionnent le fonctionnement du capteur, à partir d’une combinaison entre ces paramètres et le circuit, on peut extraire un schéma électrique équivalent, qui permettra d’une part une miniaturisation de l’appareil, d’autre part, une amélioration de l’interaction entre la chaleur et l’organe de mesure, et ainsi, une amélioration de la sensibilité. Le deuxième axe vise les simulations électriques et thermiques de la structure. L’utilisation de logiciels ISIS a permis une meilleure prise en compte du profil de la réponse thermique. Dans ce projet nous avons donc réussis à mesuré la température et visualisé le changement de cette dernière à laide d’un driver de barre graphes complet associé à des circuits intégrés, tel que le LM35DZ puis nous avons inséré un module de détection fait à partir d’un capteur de température et le LM3914. Enfin, ce projet nous a permis de mettre en œuvre nos connaissances en électronique, espérons qui soit amélioré par d’autre gent.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Thermométrie et capteurs de température
Histoire
I.1. Échelles des températures
I.1.1 Échelles thermodynamiques ou absolues
I.1.1.1 Échelle de Kelvin
I.1.1.2 Échelle de Rankin
I.1.2 Échelles dérivées
I.1.2.1 Échelle de Celsius
I.1.2.2 Échelle de Fahrenheit
I.1.2.3 Conversion entre échelle de Celsius et de Fahrenheit
I.1.3 Échelles Internationale de Température (EIT 90)
I.1.4 Étalonnage d’un capteur
I.2 Thermométrie par résistance
I.2.1 Résistance Métallique
I.2.2 Thermistances
I.3 Thermométrie par thermocouple
I.4 Thermométrie par semi-conducteurs
Chapitre II : les composants utilisés dans le thermomètre à bargraph
II.1 Description de LM35 (capteur de température)
II.1.1 Configuration et fonctions de broches
II.1.2 Conditions de fonctionnement recommandées
II.1.3 Caractéristiques typiques
II.2 Le LM3914 pilote de LEDs / bargraphs
II.2.1 Description
II.2.2 Explication schématique interne du LM3914
II.2.2.1 Le comparateur
II.2.2.2 Tampon d’entrée (the buffer)
II.2.2.3 Tension de référence
II.2.3 Applications typiques
II.2.3.1 Un Bargraph pour voltmètre de 0 V à 5 V
II.2.3.2 Un Bargraph avec alarme visuelle
II.2.3.3 Un Bargraph à plage variable
II.3 Quelques exemples utilisant le LM3914
II.3.I Indicateur de niveau de liquides
II.3.2 Diagnostique d’une batterie
II.3.3 Un voltmètre
II.4 La LED
II.4.1 Principe physique de la LED (l’Electroluminescence)
II.4.2 Caractérisations électriques de la LED
II.4.3 Affichage à bargraph
Chapitre III : Simulation et Réalisation d’un thermomètre à bargraph
III.1 Présentation du Thermomètre à LEDs
III.2 Etude théorique du thermomètre visuel
III.2.1 Le capteur de température LM35
III.2.2 Le circuit intégré LM3914
III.2.3 Le conditionneur
III.2.4 Explication Modérée de fonctionnement du thermomètre visuel
III.3 Simulation sous ISIS
III.4 Réalisation du thermomètre
III.4.1 Réalisation du thermomètre sous plaque d’essai
III.4.2 Réalisation du thermomètre sous circuit imprimé
III.5 Réalisation du thermomètre visuel avec des LEDs ordinaires
III.6 Nomenclature
Conclusion générale
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