capteurmeteo1

CAPTEURS PRESSION 1

 

Capteur de pression :    

Avertissement : 

Le fournisseur ou constructeur du capteur de pression MPX2200 fournit un schéma avec des amplificateurs LM358. Ce montage est difficile à mettre au point en raison du peu de performance du circuit intégré LM358. Pour information, ce schéma sera donné ( voir DOC pdf ) mais la description portera sur le montage avec des amplificateurs CA3140 qui sont bien plus performants et faciles à utiliser. De plus ce montage a été utilisé sur de nombreux vols avec succès. Le CA3140 supporte les basses températures.

vue en coupe. 

Il est très important de pouvoir mesurer la variation de la pression atmosphérique avec l'altitude car connaissant la pression à un moment donné, on en déduit la valeur de l'altitude. Connaître l'altitude en temps réel c'est très important notamment quand on procède à une prévision ou à un contrôle de la trajectoire.

Le GPS peut fournir la valeur de l' altitude à tout moment mais deux valeurs prises indépendamment l'une de l'autre assure une plus grande sécurité. D'autant plus que le système GPS peut apporter par moment ou en permanence des anomalies en raison d'interférences possibles extérieures ou intérieures avec d'autres expériences embarquées. 

On aura deux valeurs de l'altitude :   par sécurité en doublant la fonction

--- altitude pression

--- altitude GPS

Capteur de pression MPX2200AP de MOTOROLA : 

Le capteur de pression utilisé est le modèle MPX2200AP. Il donne la pression absolue sur une gamme de 0 à 2000 hPa, mais la pression atmosphérique au sol sera évidemment inférieure à 1100 hPa. Un autre modèle le MPX2200DP donne la pression différentielle, il ne faut pas confondre ces deux capteurs. 

La pression atmosphérique va diminuer lorsque le ballon va monter, il existe un certain nombre de relations ou tableaux qui donnent l'altitude atteinte en fonction de la pression mesurée. Par exemple : 

Cette relation reste une approximation très valable.

cliquez pour agrandir

Cette fonction peut s'écrire en inverse pour obtenir la valeur de la pression. 

Voir la feuille EXCEL :   

Pas de panique voici un tableau qui donne les altitudes en fonction de la pression  d'après cette formule : 

pression hPa altitude mètres pas
1013,25 0 10
1010 25,57273916 10
1000 104,7773727 10
990 184,7780461 10
980 265,590923 10
970 347,2326643 10
960 429,7204491 10
950 513,0719961 10
940 597,3055863 10
930 682,4400877 10
920 768,4949799 10
910 855,4903813 10
900 943,4470774 10
890 1032,38655 10
880 1122,33101 10
870 1213,303429 10
860 1305,327575 10
850 1398,428052 10
840 1492,630334 10
830 1587,960815 10
820 1684,446845 10
810 1782,116782 10
800 1881,000041 10
790 1981,127148 10
780 2082,529793 10
770 2185,240895 10
760 2289,294665 10
750 2394,726669 10
pression hPa altitude mètres pas
740 2501,573911 10
730 2609,874902 10
720 2719,669746 10
710 2831,000232 10
700 2943,909927 10
690 3058,444277 10
680 3174,65072 10
670 3292,578803 10
660 3412,280307 10
650 3533,809385 10
640 3657,22271 10
630 3782,579631 10
620 3909,942348 10
610 4039,376094 10
600 4170,949338 10
590 4304,734 10
580 4440,805689 10
570 4579,243961 10
560 4720,132595 10
550 4863,559899 10
540 5009,619043 10
530 5158,408421 10
520 5310,032053 10
510 5464,600017 10
500 5622,22893 10
pression hPa altitude mètres pas
490 5783,04248 10
480 5947,172006 10
470 6114,757144 10
460 6285,946537 10
450 6460,898635 10
440 6639,782567 10
430 6822,779132 10
420 7010,081892 10
410 7201,898402 10
400 7398,451598 10
390 7599,98135 10
380 7806,746222 10
370 8019,025469 10
360 8237,121303 10
350 8461,361484 10
340 8692,102277 10
330 8929,731864 10
320 9174,674267 10
310 9427,393906 10
300 9688,400895 10
290 9958,257247 10
280 10237,58415 10
270 10527,0706 10
260 10827,48361 10
250 11139,68049 10
pression hPa altitude mètres pas
240 11464,62356 10
230 11803,39809 10
220 12157,23412 10
210 12527,53345 10
200 12915,90316 10
190 13324,19778 10
180 13754,57286 10
170 14209,55383 10
160 14692,12582 10
150 15205,85245 10
140 15755,03571 10
130 16344,93517 10
120 16982,07512 10
110 17674,68568 10
100 18433,35471 10
90 19272,02442 10
80 20209,57738 10
70 21272,48727 10
60 22499,52668 10
50 23950,80627 10
40 25727,02894 10
30 28016,97824 10
20 31244,4805 10
10 36761,93205 10

Ce montage est particulièrement intéressant pour obtenir l'évolution de la pression dans les valeurs faibles, c'est à dire au moment où le ballon va atteindre sa plus grande altitude. Ce tableau donne les altitudes pour les valeurs faibles de la pression. On peut remarquer l'écart de l'altitude important pour chaque variation de la pression de 1 hPa. 

 

44 24968,35991
43 25151,35647
42 25338,65923
41 25530,47574
40 25727,02894
39 25928,55869
38 26135,32356
37 26347,60281
36 26565,69864
35 26789,93882
34 27020,67962
33 27258,3092
32 27503,25161
31 27755,97125
30 28016,97824
29 28286,83459
28 28566,16149
27 28855,64794
26 29156,06095
25 29468,25783
24 29793,2009
23 30131,97543
22 30485,81146
21 30856,11079
20 31244,4805
19 31652,77512
18 32083,1502
17 32538,13117
16 33020,70316
15 33534,42979
14 34083,61305
13 34673,51251
12 35310,65246
11 36003,26302
10 36761,93205
9 37600,60176
8 38538,15472
7 39601,06461
6 40828,10402
Un ballon hélium peut éclater vers 34 000 mètres,
la pression atmosphérique est alors à la valeur de 14 hPa. 

Avec ce capteur associé à un montage électronique, il est possible de relever : 

p = f ( t )   :   l'évolution de la pression en fonction du temps pendant un vol.

h = f ( t )   :   l'évolution de l'altitude en fonction du temps pendant un vol. 

avec  h  =  f ( p ). 

Le montage se nomme "capteur de pression inversé". La solution électronique est issue directement de la notice du constructeur Motorola. La courbe de la tension de sortie passe par une valeur maximum à l'altitude la plus élevée, d'où le nom de capteur de pression inversé.

En réalité, la courbe de pression présente un minimum au moment de l'éclatement d'un ballon hélium, au sommet de la trajectoire.

Le constructeur nous donne la "droite" de variation Usortie = f ( p ). 

La tension de sortie est prise entre les bornes 2 et 4 sur la capsule. ( voir le brochage ).

Par exemple : 

20 mV pour 1000 hPa. 

Cette tension étant très faible, il faut l'amplifier pour pouvoir la mesurer. Le premier ampli op est un montage de type "suiveur". Il est chargé d'isoler le capteur par rapport aux étages suivants, avec sa très grande impédance d'entrée. Nous utilisons pour cela des circuits intégrés CA3140 parfaitement adaptés. L'alimentation sera positive avec +10 volts et négative avec du -10 volts. Cette dernière tension est une polarisation que l'on obtiendra avec un composant spécial chargé de produire une tension négative à partir d'une tension positive. ( voir alimentation ).

D'autres circuits intégrés ont été testé mais c'est le type CA3140 qui est le plus adapté.

Sa température de service peut atteindre -55°C. 

Quelques valeurs repères :  

P = 0 U2-4 = 0 Us = 4 V 
P = 1000 hPa  U2-4 = 20 mV Us = 2 V 
P = 1250 hPa U2-4 = 25 mV Us = .....

 

Schéma du montage "capteur de pression inversé" : 

remarques :  placer un condensateur céramique de 47 pF entre les broches 1 et 8 de chaque circuit intégré. La broche 1 est repérée par une encoche. 

La tension de la broche 3 du capteur est branchée sur la polarité positive +10 volts. ( tension constante ). 

Typon : 

 

Liste des composants sur la carte électronique : 

 

P1 1  Mohm   multitour 20 tours
P2 1 kohm ou 470 ohms  multitour 20 tours
R1 150 kohms  1/2 W   
R2 39 kohms   1/2 W   
C1 47 pF céramique   
C2 0,1 microfarad ou 100 nF  (jaune)
C3 47 pF céramique   
IC1 CA3140 DIL 8 broches
IC2 CA3140 DIL 8 broches
2  supports 8 broches   
4 contacts "tulipes" en ligne support pour capsule
1 capsule MPX 2200AP  Motorola embout 4mm 
1  carte circuit imprimé 0,8 mm époxy
2  condensateurs chimiques 22 ou 47 pF 16 V découplage alim. 

Méthode de réglage : 

 

1. enlever délicatement avec un petit tournevis, le circuit intégré CA3140 proche de la capsule MPX2200AP. 
2. régler P2 de valeur 1 kohm  ( ou 470 ohms ) à la valeur exacte de 430 ohms.
3. replacer le circuit intégré CA3140 sur son support 8 broches.
4. vérifier la présence et la valeur des tensions d'alimentation  :  +10 V et -10 V. 
5. mettre la carte sous tension.
6. régler P1 de valeur 1 Mohm pour avoir une tension de sortie de 3,25 V à la pression normale ou ambiante. 
7. retoucher P2 de valeur 1 kohm pour avoir Us = 2 V en sortie. 
8. vérifier si la tension de sortie varie si la pression varie, utiliser le tuyau souple sur la capsule et une seringue plastique.
9. brancher le tuyau sur la pompe à vide, et relever la tension Us et la pression au manomètre.  descendre jusqu'à 10 hPa. 
10. vérifier que pour la pression minimale, la tension de sortie est inférieure à 4 volts. 
11. limiter les variations de tensions entre 0,6 et 4,6 volts en utilisant un étage additionneur de 0,6 v. voir schéma. 

Recherche des équations :  

Il est assez pratique d'écrire des équations pour retrouver les valeurs facilement et faire des exploitations avec des logiciels ou Excel. 

Par exemple :  

pour P = 764,5 mm  la tension de sortie mesurée est  Us =  1,969 V  et le code transmis par radio est  N=87. 

La pression est 1019 hPa. 

Les essais nous donnent les équations suivantes : 

Us = - 0,002 . P  +  4

P =  - 501,731 . Us  +  2006,92 

P =  - 11,355 . N  +  2006,92     (  avec un CAN )  

N =  - 0,088 . P +  176,74  

Toutes ces équations doivent être communiquées avec le fichier des données numériques pour retrouver les vrais valeurs. 

Equations générales :   à titre d'exemple

1.  Us =  f ( P )  :

coordonnées du point bas :   Y1 = Usb    et   X1 =  Pb  

coordonnées du point haut :    Y2  =  Ush  et   X2  =  Ph

2. N = f ( P ) :

coordonnées du point bas :   Y1 = Nb    et   X1 =  Pb  

coordonnées du point haut :    Y2  =  Nh  et   X2  =  Ph

3. Us =  f ( N ) :

coordonnées du point bas :   Y1 = Usb    et   X1 =  Nb  

coordonnées du point haut :    Y2  =  Ush  et   X2  =  Nh

4. P = f ( Us )   à déduire de l'équation (1)

5. P = f ( N )  à déduire de l'équation (2)

6. N = f ( Us )  à déduire de l'équation (3)

Compléments : 

Le capteur MPX 2200AP  a une gamme de mesure de 0 à 2 bars  ou  0 à  200 kPa. 

1 bar =>  100 000 Pa =  100 kPa  

La sensibilité est de  0,2 mV / kPa , donc la tension de sortie maximale sera   0,2  . 200 =  40 mV .  Mais dans la pratique, la pression atmosphérique ne dépassera pas 1100 hPa. Prenons comme exemple :   1013,25  hPa   -->   la tension sera alors  0,2  .  101,325  =  20,265  mV.  Il faut amplifier cette tension de sortie 50 fois. 

 

 Voir la notice complète :     document PDF  taille :   

à suivre, 

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