Comment transformer son ordinateur
en appareil de mesure ?

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Prérequis

Comment mesurer une tension avec un comparateur, un générateur et des résistances ?

Réaliser une acquisition avec DATADIRECT

Réaliser une acquisition avec CANDIBUS

Introduction

Il est clair désormais que la carte d'acquisition (DATADIRECT ou CANdibus) est composée de deux parties principales : un réseau R-2R , équivalent à un CNA, permettant de balayer tout une gamme de tensions, et d'un comparateur indiquant la valeur de la tension inconnue au moment de la bascule.

Il reste cependant à comprendre comment le logiciel automatise les mesures de manière à renseigner un tableau de valeurs bien rempli ou construire un graphique suffisamment précis. C'est l'objectif de ce TP qui nous mènera jusqu'à la réalisation de toute la chaîne de mesure !

Utilitaire

Lancement de Elwin

Travail à faire

Ouvre le compte rendu, et enregistre-le dans ton dossier. Tu le complèteras au fur et à mesure...

Plan

1 - Du contrôle manuel à la génération de signaux
2 - Transformons l'ordinateur en voltmètre numérique !
3 - Application : Mesure de pression
     a - Réglage du capteur de pression
     b - Acquisition avec "notre CAN"
4 - Souvenez-vous de nos premières acquisitions...

5 - Perspectives

Rédacteur CG

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1 - Du contrôle manuel à la génération de signaux

Contrôle manuel avec ELWIN

Nous voulons contrôler la tension à la sortie d'un réseau R-2R. Pour cela réalise le montage adéquat et utilise les fonctionnalités d'ELWIN pour répondre aux questions suivantes.

Pourquoi est-ce un CNA ? Montre-le notamment en retrouvant, sans calcul, la valeur du pas pour un tel réseau R-2R.

Comment prévoir la valeur de la tension de sortie U_S à partir de la valeur envoyée ?
Ou, à l'inverse, détermine quelle est la valeur envoyée pour obtenir la tension affichée (voir photo du montage).

Génération de signaux avec ELWIN

L'intérêt d'un tel logiciel est de pouvoir faire varier la tension de manière régulière, même automatique, bref de générer des signaux (sinusoïdal, carré, triangulaire, rampe) qui permettront la comparaison avec la tension recherchée.

Envoie en sortie du réseau R-2R un signal sinusoïdal : Qu'indique le voltmètre ?
Remplace le voltmètre par un appareil plus adéquat afin de mesurer T et U_max puis de calculer la tension efficace et la fréquence d'un tel signal. Demande alors au professeur de vérifier avec un multimètre...

En sortie du comparateur, l'information logique 0 ou 1 (correspondant à -13 V ou + 13V) est transmise à l'ordinateur. L'ordinateur peut alors facilement repérer la valeur de la tension pour laquelle la bascule a lieu.

Visualise les autres signaux.

Si on cherche à déterminer une tension appliquée en entrée E+, quel signal est-il préférable d'envoyer à l'entrée E- du comparateur ? Justifie.

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2 - Transformons l'ordinateur en voltmètre numérique !

Expérience

Prenons une pile "usée" : L'objectif est de mesurer la tension existant entre ses bornes à l'aide de notre montage.

  Rappelle le schéma du montage : Pourquoi est-il assimilé à un CAN ?

Réalise le montage après accord du professeur.

Simulation

Pour mieux comprendre le principe de cette mesure, utilise la simulation mise à disposition : CAN ® Principe.

  Fais une capture d'écran du simulateur et repère le comparateur ainsi que le CNA (représenté par un réseau R-2R à 8 bits).

Essaye de comprendre les deux méthodes proposées et retrouve la valeur de la tension de la pile "usée" en utilisant uniquement les deux flèches aux deux bout de la barre de défilement.

Si en sortie du comparateur il est indiqué "inférieur", clique à droite de la barre de défilement car cela veut dire que la tension de comparaison envoyé par le CNA est inférieure à la tension que l'on souhaite mesurer.

Décris les deux méthodes. Compare-les : Quelle est celle qui te semble la plus rapide ? Explique.

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3 - Application : Mesure d'une pression
a - Réglage du capteur de pression

Désormais la tension inconnue sera issue d'un capteur : Ici, nous allons choisir un capteur de pression (entouré en vert).

Ce capteur mesure la pression relative, c'est à dire la différence entre une pression et la pression atmosphérique qui vaut environ 1 bar.

Exemple : L'air à l'intérieur d'un pneu totalement dégonflé est à la même pression que l'atmosphère. Sa pression relative est nulle. Une fois bien gonflé, si sa pression est supérieur de 2 bars à la pression de l'atmosphère, alors sa pression relative vaut  2 bars, alors que sa pression absolue vaut 3 bars. 

Ses caractéristiques sont les suivantes : - Réglage du zéro à l'aide d'un potentiomètre (entouré en rouge) : 0 volt doit correspondre à la pression atmosphérique du moment - Pression maximale : 2 bars soit 2.105 Pa - Capteur protégé à 4 bars - Sortie : quelques dizaines de mV

  Pourquoi faut-il relier le Module Pression à un Module Ampli d'instrumentation ?

Relie les deux modules et alimente le Module Ampli d'instrumentation.
NB : Ne débranche pas ton montage CAN mais récupère dessus l'alimentation -15V / + 15V.

Choisis les résistances adéquates pour régler correctement l'amplificateur .

Place un voltmètre en sortie de ce dernier :  Vérifie que la tension est nulle ; dans le cas contraire règle le zéro à l'aide du potentiomètre (entouré en rouge).

A présent, la tension indiquée par le voltmètre est proportionnelle à la pression relative détectée par le capteur : 1V correspond à 1 Bar.

Branche une seringue au bout du capteur de pression et vérifie que la pression évolue correctement en compression ou en dilatation (voir caractéristiques du capteur).

Schématise cette partie de la chaîne de mesure qui se situe avant le CAN.

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3 - Application : Mesure d'une pression
b - Acquisition avec "notre CAN"

Il suffit de comparer la tension délivrée par notre montage "capteur de pression" avec la tension envoyée depuis l'ordinateur par l'intermédiaire du réseau R-2R. Pour cela, il faut faire les bons branchements au niveau du comparateur...

Petit jeu

Augmenter la pression à l'intérieur de la seringue ; repérer sa valeur à l'aide d'un voltmètre en sortie de l'amplificateur. Noter cette valeur.

Demander alors à un autre groupe de mesurer la pression avec la méthode de son choix (rampe ou dichotomie). Bien sûr, l'autre groupe vous présente le même défi ! Lequel ira le plus vite ?

Montage conseillé

Au niveau du comparateur :

• en E- : envoyer  la tension en sortie analogique du réseau R-2R

• en E+ : envoyer la tension en sortie de l'amplificateur d'instrumentation

  Au lieu d'augmenter la pression diminue-la en tournant la seringue dans le sens adéquat : Quel est le problème de "notre CAN" constitué simplement d'un réseau R-2R et d'un comparateur ?

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4 - Souvenez-vous de nos premières acquisitions...

Pour mémoire

Réaliser une acquisition avec DATADIRECT

Réaliser une acquisition avec CANDIBUS

Expérience

L'objectif de cette partie est d'utiliser une chaîne de mesure relativement performante pour reproduire la première acquisition avec DATADIRECT ou CANDIBUS réalisée en début d'année... à quelques différences près :

- notre carte d'acquisition est composée de plusieurs modules (dont vous connaissez bien le fonctionnement) et non d'une carte placée dans l'unité centrale

- le logiciel est un peu différent mais présente les mêmes fonctionnalités : c'est ELWIN.

Réglage Remplacer donc le Module R-2R par le Module CAN. En sortie analogique, placer un voltmètre. Vérifier que la tension lue sur le voltmètre correspond bien à la tension envoyée par l'ordinateur. Le faire pour les deux réglages possibles : 0 à 5V ou -2,5 à 2,5V (voir interrupteur entouré en rouge). Le choix fait sur le module doit être cohérent avec le choix fait au niveau d'ELWIN : Module ® Caractéristiques du module CAN

Lequel de ces deux réglages est le plus pertinent ? Justifie brièvement.   Acquisition

Envoyer la tension issue de l'amplificateur d'instrumentation au niveau de l'entrée analogique. Procéder à un étalonnage dynamique sachant que 1 V correspond à 1 bar et la pression atmosphérique est réglée à 0. Choisir les conditions d'acquisition : Mode : en fonction du temps Maximum et minimum : valeurs adéquates Intervalle de temps : 500 ms Nombre de mesures : on peut laisser 101
Lancer l'acquisition et faire varier la pression en la diminuant ou en l'augmentant... Alors ça marche ?

  Reproduis schématiquement la chaîne de mesure complète en précisant la nature de l'information entre deux composants. Détaille symboliquement le CAN.

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5 - Perspectives

Une première

Il y a un composant de notre chaîne que nous n'avons pas étudié : L'amplificateur. Dans notre cas, c'est un amplificateur d'instrumentation.

Quels sont les composants principaux que tu peux reconnaître ? (recopier l'image et les entourer en les nommant)   Pour avoir un petit avant goût, voici une petite expérience simple. Mesurer la tension en entrée de l'amplificateur puis la la tension en sortie. Faire le rapport G = US / UE : C'est le gain.

  Noter les mesures et le résultat du calcul. Essayer de définir le gain et expliquer ainsi pourquoi ce composant se fait nommer "amplificateur".

D'ailleurs à votre avis, comment changer le gain ? Réfléchissez...

Une dernière

Par ailleurs, vous semble-t-il possible de remplacer ELWIN par un programme en QUICKBASIC de votre cru ? Cet exercice est intéressant !

En effet, seuls ceux qui ont bien compris le principe d'un CAN, sauront aligner les quelques commandes adéquates...

Seront-ils nombreux ?