1) mise en situation 2) identification des éléments...

BAC STI Génie Électronique Système technique : « station météorologique » /11

Etude de l’acquisittion de grandeurs physiques

G BERTHOME – Lycée Mireille GRENET – COMPIEGNE

1) Mise en situation La prévision météorologique repose sur la collecte de données métrologiques telles

que la température, l'humidité, la hauteur de précipitation, la pression, la vitesse et la direction du vent, …

Les mesures au sol sont réalisées par les centres d'observation et les stations météorologiques. 2) Identification des éléments constituant le système

Voir le diagramme sagittal représentant le système. STATION MÉTÉO : sur un site bien précis, elle permet l'acquisition des

données météorologiques, leur traitement et leur mémorisation temporaire en vue d'une transmission au centre départemental de Météo France.

OPÉRATEUR : il sélectionne le paramètre météorologique à visualiser, le type de visualisation. Il note les valeurs et les retransmet à heures fixes, via le téléphone, au centre départemental de Météo France.

3) Diagramme sagittal




4) Caractéristiques techniques Cette station météorologique permet de mesurer les paramètres suivants :

Paramètre Unité La température °C La pression atmosphérique kPa La vitesse du vent km/h La direction du vent ° La hauteur de précipitation mm 5) Analyse fonctionnelle de l’objet technique 5.1) Fonction d’usage La station météorologique permet :

-d'acquérir des grandeurs physiques, comme la température, la pression atmosphérique, la vitesse du vent, la quantité de pluie,

-de traiter ces grandeurs qui représentent des données météorologiques, -et restituer, sous la forme d'informations codées directement interprétables

par l'homme. 5.2) Schéma fonctionnel de niveau 2




5.3) Schéma fonctionnel de degré 1 :




5.3.1 Etude de FP3 « Acquisition de la température » Cette fonction permet de produire une grandeur électrique proportionnelle à la température : Cette fonction doit être capable d’acquérir des températures allant de –40°C à 100°C. Entrée : GP3 : grandeur physique représentant la température de l’air en degré Celsius (°C). Sortie : I3 : différence de potentiel analogique variant de 0V à 5V. Fonction de transfert :

Pour une température de –40°C la différence de potentiel I3 est égale à 0V. Pour une température de 100°C la différence de potentiel I3 est égale à 5V. 5.3.1.2 Schéma fonctionnel de second degré de FP3 « Acquisition de la température »




5.3.2.2 Etude de FS3.1 « Captage de la température »

P301=10kΩΩΩΩ ; R301=3,9kΩΩΩΩ; +VCC=+12V

TRAVAIL DEMANDE Question1 Flécher la différence de potentiel VVTEMP entre le point VTEMP du schéma et la masse. Encadrer alors la structure réalisant la fonction FS3.1 « Captage de la température ». Question2 La référence du capteur est LM335AH, à partir de la documentation constructeur, déterminer le type de boîtier du capteur. Justifier votre réponse. Question3 En fonction du schéma structurel, trouver le schéma de câblage proposé dans la documentation constructeur du capteur.

Dessiner sur votre feuille le schéma de la documentation constructeur. Noter les broches +, - et ADJ sur ce schéma.

Question4 Justifier alors que la valeur du potentiomètre P301 est correctement choisie. Quel est son rôle ? Question5 Définir la grandeur électrique de sortie de ce capteur.




Question6 Déterminer la valeur de cette grandeur électrique pour une température de 25°C. Question7 Déterminer la sensibilité S du capteur. Justifier votre réponse. Question8 Déterminer une expression de la grandeur électrique de sortie de ce capteur en fonction de la température T(°C). Question9 Déterminer les valeurs de la grandeur électrique pour des températures de –40°C et 100°C. Question10 Tracer la caractéristique de transfert de ce capteur. Question11 Définir le courant IR. Faire un schéma du composant interne au capteur en fléchant IR. Déterminer sa plage de variation pour un fonctionnement correct du capteur. Question12 Déterminer l’étendue de mesure de ce capteur. Valider qu’elle est suffisante dans le cadre de notre système technique.




5.3.2 Etude de FP4 « Acquisition de la pression atmosphérique »

Cette fonction permet de produire une grandeur électrique proportionnelle à la pression atmosphérique.

Entrée : GP4 : grandeur physique représentant la pression atmosphérique

5.3.2.1 Schéma fonctionnel de degré2 de FP4 « Acquisition de la pression atmosphérique »

5.3.2.2 Etude de FS4.1 « Conversion de pression en tension »

VDD=+5V ; capteur de pression : MPX5100AP




TRAVAIL DEMANDE Question13 Déterminer l’étendue de mesures de ce capteur. Justifier votre réponse. Question14 A partir de la documentation constructeur du capteur, déterminer la tension d’alimentation de ce capteur (Supply voltage). Justifier que le capteur est correctement câblé (on suppose qu’on a un boîtier de type « Unibody package »). Question15 Quelle est la grandeur électrique fournie par ce capteur ? Question16 Déterminer la sensibilité de ce capteur. Question17 Déterminer la valeur de la grandeur électrique maximale de sortie. Pour quelle valeur de pression cette grandeur est-elle obtenue ? Question18 Déterminer une relation entre la grandeur électrique de sortie et la pression P(kPa). Question19 Tracer la caractéristique de transfert de ce capteur. Question20 Quel est le type de ce capteur ? Justifier votre réponse.




5.3.3 Etude de FP5 « Acquisition de la hauteur de précipitations »

Cette fonction permet de produire une grandeur électrique proportionnel à la quantité de pluie.

5.3.3.1 Schéma fonctionnel de second degré de FP5 « Acquisition de la hauteur de précipitations »

5.3.3.2 Etude de FS5.1 « Création d’impulsions en fonction de la quantité de pluie »




Ce capteur se présente sous la forme d’un récipient qui se vide à chaque fois qu’il a plu 2,5mm d’eau. Lorsque le récipient se vide, un interrupteur se ferme, tout le reste du temps l’interrupteur est ouvert. Lorsque l’interrupteur est fermé la différence de potentiel VPT1 (voir schéma structurel) est égale à 0V. Lorsque l’interrupteur est ouvert la différence de potentiel VPT1 (voir schéma structurel) est égale à 5V.

TRAVAIL DEMANDE Question21 Quel est le type de ce capteur ? Justifier votre réponse. Question22 Quelle est l’information donnée par la sortie de ce capteur ?

Le capteur seul permet-il de donner une information sur la hauteur de précipitations ? 5.3.3.3 Etude de FS5.2 « Comptage » Cette fonction produit un signal numérique (composé de 8 signaux logiques). Ce signal forme un nombre N entier qui peut varier de 0 à 255. Lorsque la hauteur de précipitations est de 0mm, N=0. Lorsqu’une impulsion 0V-5V apparaît sur la différence de potentiel VPT1 alors le nombre N est incrémenté (on rajoute 1 à la valeur précédente). Question23 En considérant que le captage de la hauteur de précipitations est réalisée par l’association des fonctions FS5.1 « Production d’impulsions » et FS5.2 « Comptage », déterminer l’étendue de mesure du captage de la hauteur de précipitations. Justifier votre réponse. En considérant l’association de ces deux fonctions, quel serait le type de ce capteur ? Question24 Déterminer la valeur de nombre N pour les hauteurs de précipitations suivantes : -hauteur de précipitation=10mm, -hauteur de précipitation=9mm, -hauteur de précipitation=301mm. Attention : N est un nombre entier.

LM135/LM235/LM335, LM135A/LM235A/LM335APrecision Temperature SensorsGeneral DescriptionThe LM135 series are precision, easily-calibrated, integratedcircuit temperature sensors. Operating as a 2-terminal zener,the LM135 has a breakdown voltage directly proportional toabsolute temperature at +10 mV/˚K. With less than 1Ω dy-namic impedance the device operates over a current rangeof 400 µA to 5 mA with virtually no change in performance.When calibrated at 25˚C the LM135 has typically less than1˚C error over a 100˚C temperature range. Unlike other sen-sors the LM135 has a linear output.

Applications for the LM135 include almost any type of tem-perature sensing over a −55˚C to +150˚C temperaturerange. The low impedance and linear output make interfac-ing to readout or control circuitry especially easy.

The LM135 operates over a −55˚C to +150˚C temperaturerange while the LM235 operates over a −40˚C to +125˚C

temperature range. The LM335 operates from −40˚C to+100˚C. The LM135/LM235/LM335 are available packagedin hermetic TO-46 transistor packages while the LM335 isalso available in plastic TO-92 packages.

Featuresn Directly calibrated in ˚Kelvinn 1˚C initial accuracy availablen Operates from 400 µA to 5 mAn Less than 1Ω dynamic impedancen Easily calibratedn Wide operating temperature rangen 200˚C overrangen Low cost

Schematic Diagram

DS005698-1

May 1999

LM135/LM

235/LM335,LM

135A/LM

235A/LM

335AP

recisionTem

peratureS

ensors

© 1999 National Semiconductor Corporation DS005698 www.national.com

Connection Diagrams

TO-92Plastic Package

DS005698-8

Bottom ViewOrder Number LM335Z

or LM335AZSee NS Package

Number Z03A

SO-8Surface Mount Package

DS005698-25

Order Number LM335MSee NS Package

Number M08A

TO-46Metal Can Package*

DS005698-26

*Case is connected to negative pin

Bottom ViewOrder Number LM135H,LM135H-MIL, LM235H,

LM335H, LM135AH,LM235AH or LM335AH

See NS PackageNumber H03H

www.national.com 2

Absolute Maximum Ratings (Note 4)

If Military/Aerospace specified devices are required,please contact the National Semiconductor Sales Office/Distributors for availability and specifications.

Reverse Current 15 mAForward Current 10 mAStorage Temperature

TO-46 Package −60˚C to +180˚CTO-92 Package −60˚C to +150˚CSO-8 Package −65˚C to +150˚C

Specified Operating Temp. Range

Continuous Intermittent(Note 2)

LM135, LM135A −55˚C to +150˚C 150˚C to 200˚CLM235, LM235A −40˚C to +125˚C 125˚C to 150˚CLM335, LM335A −40˚C to +100˚C 100˚C to 125˚CLead Temp. (Soldering, 10 seconds)

TO-92 Package: 260˚CTO-46 Package: 300˚CSO-8 Package: 300˚C

Vapor Phase (60 seconds): 215˚CInfrared (15 seconds): 220˚C

Temperature Accuracy (Note 1)LM135/LM235, LM135A/LM235A

Parameter Conditions LM135A/LM235A LM135/LM235 Units

Min Typ Max Min Typ Max

Operating Output Voltage TC = 25˚C, IR = 1 mA 2.97 2.98 2.99 2.95 2.98 3.01 V

Uncalibrated Temperature Error TC = 25˚C, IR = 1 mA 0.5 1 1 3 ˚C

Uncalibrated Temperature Error TMIN ≤ TC ≤ TMAX, IR = 1 mA 1.3 2.7 2 5 ˚C

Temperature Error with 25˚C TMIN ≤ TC ≤ TMAX, IR = 1 mA 0.3 1 0.5 1.5 ˚C

Calibration

Calibrated Error at Extended TC = TMAX (Intermittent) 2 2 ˚C

Temperatures

Non-Linearity IR = 1 mA 0.3 0.5 0.3 1 ˚C

Temperature Accuracy (Note 1)LM335, LM335A

Parameter Conditions LM335A LM335 Units


Operating Output Voltage TC = 25˚C, IR = 1 mA 2.95 2.98 3.01 2.92 2.98 3.04 V

Uncalibrated Temperature Error TC = 25˚C, IR = 1 mA 1 3 2 6 ˚C

Uncalibrated Temperature Error TMIN ≤ TC ≤ TMAX, IR = 1 mA 2 5 4 9 ˚C

Temperature Error with 25˚C TMIN ≤ TC ≤ TMAX, IR = 1 mA 0.5 1 1 2 ˚C

Calibration

Calibrated Error at Extended TC = TMAX (Intermittent) 2 2 ˚C

Temperatures

Non-Linearity IR = 1 mA 0.3 1.5 0.3 1.5 ˚C

Electrical Characteristics (Note 1)

LM135/LM235 LM335

Parameter Conditions LM135A/LM235A LM335A Units


Operating Output Voltage 400 µA≤IR≤5 mA 2.5 10 3 14 mV

Change with Current At Constant Temperature

Dynamic Impedance IR=1 mA 0.5 0.6 ΩOutput Voltage Temperature +10 +10 mV/˚C

Coefficient

Time Constant Still Air 80 80 sec

100 ft/Min Air 10 10 sec

Stirred Oil 1 1 sec

Time Stability TC=125˚C 0.2 0.2 ˚C/khr

www.national.com3

Typical Performance Characteristics (Continued)

Application Hints

CALIBRATING THE LM135

Included on the LM135 chip is an easy method of calibratingthe device for higher accuracies. A pot connected across theLM135 with the arm tied to the adjustment terminal allows a1-point calibration of the sensor that corrects for inaccuracyover the full temperature range.

This single point calibration works because the output of theLM135 is proportional to absolute temperature with the ex-trapolated output of sensor going to 0V output at 0˚K(−273.15˚C). Errors in output voltage versus temperature areonly slope (or scale factor) errors so a slope calibration atone temperature corrects at all temperatures.

The output of the device (calibrated or uncalibrated) can beexpressed as:

where T is the unknown temperature and To is a referencetemperature, both expressed in degrees Kelvin. By calibrat-ing the output to read correctly at one temperature the outputat all temperatures is correct. Nominally the output is cali-brated at 10 mV/˚K.

To insure good sensing accuracy several precautions mustbe taken. Like any temperature sensing device, self heatingcan reduce accuracy. The LM135 should be operated at thelowest current suitable for the application. Sufficient current,of course, must be available to drive both the sensor and thecalibration pot at the maximum operating temperature aswell as any external loads.

If the sensor is used in an ambient where the thermal resis-tance is constant, self heating errors can be calibrated out.This is possible if the device is run with a temperature stablecurrent. Heating will then be proportional to zener voltageand therefore temperature. This makes the self heating errorproportional to absolute temperature the same as scale fac-tor errors.

WATERPROOFING SENSORS

Meltable inner core heat shrinkable tubing such as manufac-tured by Raychem can be used to make low-cost waterproofsensors. The LM335 is inserted into the tubing about 1⁄2"from the end and the tubing heated above the melting pointof the core. The unfilled 1⁄2" end melts and provides a sealover the device.

Typical Applications

Thermal Response in Stirred Oil Bath

DS005698-36

Forward Characteristics

DS005698-37

Basic Temperature Sensor

DS005698-2

Calibrated Sensor

DS005698-9

*Calibrate for 2.982V at 25˚C

Wide Operating Supply

DS005698-10

www.national.com5

MOTOROLASEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA

© Motorola, Inc. 2004

Order number: MPX5100/DRev 9, 3/2004

Integrated Silicon Pressure SensorOn-Chip Signal Conditioned,Temperature Compensatedand Calibrated

The MPX5100/MPXV5100 series piezoresistive transducer is a state-of-the-art monolithic silicon pressure sensor designed for a wide range of appli-cations, but particularly those employing a microcontroller or microprocessor with A/D inputs. This patented, single element transducer combines advanced micromachining techniques, thin-film metallization, and bipolar processing to provide an accurate, high level analog output signal that is proportional to the applied pressure.

Features• 2.5% Maximum Error over 0° to 85°C• Ideally suited for Microprocessor or Microcontroller-Based

Systems• Patented Silicon Shear Stress Strain Gauge• Available in Absolute, Differential and Gauge Configurations• Ideal for Automotive and Non-Automotive Applications

Figure 1. Fully Integrated Pressure Sensor Schematic

VS

SENSINGELEMENT

GND

GAIN STAGE #2AND

GROUNDREFERENCE

SHIFT CIRCUITRY

PINS 1 AND 5 THROUGH 8 ARE NO CONNECTSFOR SMALL OUTLINE PACKAGE

PINS 4, 5, AND 6 ARE NO CONNECTS FORUNIBODY PACKAGE

Vout

THIN FILMTEMPERATURECOMPENSATION

ANDGAIN STAGE #1

INTEGRATED PRESSURE SENSORDifferential 0 to 100 kPa (0 to 14.5 psi)Absolute 15 to 115 kPa (2.18 to 16.68 psi)

0.2 to 4.7 Volts Output

MPX5100/MPXV5100SERIES

PIN NUMBER1 N/C 5 N/C2 VS 6 N/C

3 GND 7 N/C4 Vout 8 N/C

NOTE: Pins 1, 5, 6, 7, and 8 are internal device connections. Do not connect to external circuitry or ground. Pin1 is noted by the notch in the lead.

MPX5100DCASE 867

MPX5100DPCASE 867C

MPX5100GSXCASE 867F

MPXV5100GC6UCASE 482A

MPXV5100GC7UCASE 482C

UNIBODY PACKAGESMALL OUTLINEPACKAGE

PIN NUMBER1 Vout 4 N/C

2 GND 5 N/C3 VS 6 N/C

NOTE: Pins 4, 5, and 6 are internal device connections. Do not connect to external circuitry or ground. Pin1 is noted by the notch in the lead.

Fre

esc

ale

Se

mic

on

du

cto

r, I

Freescale Semiconductor, Inc.

For More Information On This Product, Go to: www.freescale.com

nc

...

MPX5100/MPXV5100 SERIES

2 Motorola Sensor Device Data MOTOROLA

NOTE: Exposure beyond the specified limits may cause permanent damage or degradation to the device.

NOTES:1. 1.0kPa (kiloPascal) equals 0.145 psi.2. Device is ratiometric within this specified excitation range.3. Offset (Voff) is defined as the output voltage at the minimum rated pressure.4. Full Scale Output (VFSO) is defined as the output voltage at the maximum or full rated pressure.5. Full Scale Span (VFSS) is defined as the algebraic difference between the output voltage at full rated pressure and the output voltage at the

minimum rated pressure.6. Accuracy (error budget) consists of the following:

• Linearity: Output deviation from a straight line relationship with pressure over the specified pressure range.• Temperature Hysteresis: Output deviation at any temperature within the operating temperature range, after the temperature is

cycled to and from the minimum or maximum operating temperature points, with zero differential pressure applied.

• Pressure Hysteresis: Output deviation at any pressure within the specified range, when this pressure is cycled to and from minimum or maximum rated pressure at 25°C.

• TcSpan: Output deviation over the temperature range of 0° to 85°C, relative to 25°C.• TcOffset: Output deviation with minimum pressure applied, over the temperature range of 0° to 85°C, relative to 25°C.• Variation from Nominal: The variation from nominal values, for Offset or Full Scale Span, as a percent of VFSS at 25°C.

7. Response Time is defined as the time for the incremental change in the output to go from 10% to 90% of its final value when subjected to a specified step change in pressure.

8. Warm-up Time is defined as the time required for the product to meet the specified output voltage after the Pressure has been stabilized.9. Offset Stability is the product's output deviation when subjected to 1000 hours of Pulsed Pressure, Temperature Cycling with Bias Test.

Table 1. MAXIMUM RATINGS(NOTE)

Rating Symbol Value UnitMaximum Pressure (P1 > P2) Pmax 400 kPa

Storage Temperature Tstg –40° to +125° °C

Operating Temperature TA –40° to +125° °C

Table 2. OPERATING CHARACTERISTICS (VS = 5.0 Vdc, TA = 25°C unless otherwise noted, P1 > P2. Decoupling circuit shown in Figure 4 required to meet electrical specifications.)

Characteristic Symbol Min Typ Max UnitPressure Range(1)

Gauge, Differential: MPX5100D/MPX5100G/MPXV5100GAbsolute: MPX5100A

POP 015

——

100115

kPa

Supply Voltage(2) VS 4.75 5.0 5.25 Vdc

Supply Current Io — 7.0 10 mAdc

Minimum Pressure Offset(3) (0 to 85°C)@ VS = 5.0 Volts

Voff 0.088 0.20 0.313 Vdc

Full Scale Output(4) Differential and Absolute (0 to 85°C)@ VS = 5.0 Volts

VFSO 4.587 4.700 4.813 Vdc

Full Scale Span(5) Differential and Absolute (0 to 85°C)@ VS = 5.0 Volts

VFSS — 4.500 — Vdc

Accuracy(6) — — — ± 2.5 %VFSS

Sensitivity V/P — 45 — mV/kPa

Response Time(7) tR — 1.0 — ms

Output Source Current at Full Scale Output Io+ — 0.1 — mAdc

Warm-Up Time(8) — — 20 — ms

Offset Stability(9) — — ± 0.5 — %VFSS

Table 3. MECHANICAL CHARACTERISTICSCharacteristics Typ Unit

Weight, Basic Element (Case 867) 4.0 gramsWeight, Basic Element (Case 482) 1.5 grams

Fre

esc

ale

Se

mic

on

du

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r, I

Freescale Semiconductor, Inc.

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1) mise en situation 2) identification des éléments...

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