5 - Pression - Mano-baromètre
Principe :
Le montage utilise un capteur piezo-résistif Motorola MPX2200 AP et deux CI LM324
MPX 2200 AP LM 324
- Tension d'alimentation : 10 V [broches 1 et 3] Quadruple ampli opérationnel
- Gamme de mesures : 0 - 2000 hPa Alimentation simple 0 - 3 à 30 V
- Tension de sortie : 0 - 40 mV (± 1,5 mV) [broches 2 et 4]
- Compensé en température
Le montage :
A partir d'une tension d'alimentation de 12 à 15 V, on fabrique la tension nécessaire au capteur (10 V) par l'intermédiaire d'un régulateur 7810. Le condensateur de 10 mF améliore la stabilité de la tension d'alimentation, la DEL et sa résistance de protection sert de voyant d'alimentation.
La tension de sortie du capteur est trop faible pour une utilisation directe, et de plus il n'y a pas de référence à 0V.
les deux premiers AOP (AOP1 et AOP2) amplifient les tensions récupérées aux broches 2 et 4 (par rapport à 0 V), AOP3 monté en amplificateur de différence réalise la soustraction des deux tensions (mise en référence à 0 V) et continue l'amplification. Le coefficient total d'amplification sera réglé en jouant sur P1 de manière à obtenir en sortie de AOP3 une tension de 2 V pour une pression de 1000 hPa.
AOP4, associé à P2 et à la résistance de 10 kOhms montée en série avec ce dernier permet d'obtenir une tension de 1,8 V. AOP5 permet de soustraire cette tension de 1,8 V à la tension de sortie de AOP3 et d'amplifier la différence d'un facteur 10.
L'inverseur permettra de choisir d'utiliser la tension issue d'AOP3 (position U1) lorsque l'on veut travailler sur la gamme 0 - 2000 hPa, par exemple pour étudier PV= cte, ou la différence amplifiée (position U2) pour la gamme 900 - 1100 hPa utile pour un suivi fin de la pression atmosphérique.
AOP6, AOP7, AOP8 sont utilisés en suiveurs de tension pour éviter les perturbations en cas d'utilisation sur un module à trop faible impédance d'entrée.
La tension finale sera envoyée sur la carte d'acquisition par l'intermédiaire d'AOP8 (sortie 0 - 4 V), P3 et ses 2 résistances associées de 100 kOhms permettent de diviser par deux cette tension (sortie 0 - 2 V) pour affichage direct sur voltmètre.
Réalisation :
Circuit imprimé (l'échelle de gauche est graduée en 1/10 de pouces)
Schéma d'implantation des composants
Alimentation :
Le montage peut être alimenté à partir d'une alimentation de labo 12 à 15 V. Si vous souhaitez pouvoir utiliser l'appareil de façon autonome sur des relevés de courte durée (par exemple étude des différences de pression d'un étage à l'autre, avec sortie sur voltmètre), vous pouvez prévoir une alimentation sur piles. Dans ce cas, pour que la tension d'alimentation du capteur de pression ne chute pas en dessous de 10 V dès que les piles sont un peu usées, il faut alimenter le montage en 13,5 V par 3 piles de 4,5 V en série ou 9 piles de 1,5 V (un coupleur 12 V [8 piles] + 1 pile sur support individuel).
On peut remplacer l'interrupteur Marche / Arrêt et l'inverseur ( 0 - 2000 hPa ou 900 - 1100 hPa) par un composant unique : un selecteur 3 circuits 4 positions (3 seulement sont utilisées).
Etalonnage :
1 - Après avoir réalisé le circuit, téléphonez au centre de Météo-France le plus proche de chez vous pour connaître la pression atmosphérique du moment. Demandez aussi l'altitude de ce centre. Calculez la pression à votre altitude à l'aide de la Loi de Laplace (simplifiée) :
Z = 18405 log ( P/P') P = P’ x 10 (Z/18405)
Z = Différence d'altitude entre deux points (en mètres)
P, P' = Pressions atmosphériques aux deux points étudiés
Soit P la pression à votre altitude, exprimée en hPa
2 - Réglez P1 de manière à obtenir U1 (sortie de AOP3) en mV = 2 x P
3 - Réglez P2 de manière à obtenir 1,8 V en sortie de AOP4 (point 1,8 V sur le montage).
4 - Placez l'inverseur sur U1 (gamme 0 - 2000 hPa)
5 - Réglez P3 de manière à obtenir en sortie voltmètre une tension en mV égale à la pression P en hPa.
Utilisation :
1 - Sortie sur voltmètre
1.1 Gamme 0 - 2000 hPa.
La pression (en hPa) est égale à la tension (en mV)
Résolution : 1 hPa avec un appareil 2000 points.
Reliez la sortie du capteur, à l’aide d’un petit tuyau plastique (type tuyau pour aquarium) à une seringue de 20 mL, piston positionné sur 10 mL.
Faites varier le volume de l’air emprisonné dans la seringue, lisez les valeurs correspondantes de la pression.
Sur une feuille de papier millimétré, tracez P = f(V), puis 1/P = f(V). Conclure.
1.2 Gamme 900 - 1100 hPa.
La pression (en hPa) est égale à 900 + 0,1 x la tension (en mV)
Résolution : 0,1 hPa avec un appareil 2000 points.
Vu la sensibilité du montage (0,1 hPa), une différence d’altitude d’un ou deux mètres dans l’air, d’un à deux millimètres dans l’eau est perceptible.
- Dans l’air :
Placez le capteur au sol, lire la pression.
Levez le capteur à bout de bras, ou mieux grimpez d’un étage si vous alimentez le montage par piles et si la géométrie des lieux le permet; relevez la pression. Conclure.
- Dans l’eau :
Reliez la sortie du capteur à un tuyau plastique. Plongez l’extrémité de ce dernier dans l’eau et relevez la pression pour différentes profondeurs. Conclure. Avec une bonne classe, on faire tracer le graphe de P = f(h), [h=profondeur], puis leur demander de calculer par extrapolation, ou en recherchant l'équation de la droite, la pression à 10, 20, 100 m de profondeur.
Attention : la profondeur doit être mesurée entre la surface libre et le niveau de l’eau dans le tuyau, ce qui impose d’utiliser un tuyau plastique transparent, ou de le raccorder à un tube de verre qui servira de sonde.
On pourra, en utilisant un fin tuyau souple et en modifiant l’orientation de son ouverture (vers le bas, le haut, latérale) montrer que la pression ne dépend que de la profondeur. Cela permettra d’aborder l’étude de la poussée d’Archimède.
2 - Sortie sur carte d'acquisition
Reliez la sortie [0 - 4 V] à la carte d'acquisition.
2.1 Etude de la pression atmosphérique :
Exemple de réglage (Physcope) pour une saisie sur une semaine :
Résultat de la saisie :
L'étude comparée de la courbe, des cartes météo publiées par les quotidiens et des observations visuelles faites par les élèves (état du ciel, vent, pluie, ...) permettra de mettre en évidence les conséquences du passage d'une dépression ou d'une cellule anticyclonique.
2.2 Autres expériences possibles avec ce capteur :
De nombreuses expériences mettant en oeuvre un enregistrement de pression peuvent être réalisées avec ce capteur.
En particulier, les manipulations décrites par Gérard LERICHE dans le livret
P.C.A.O.
Physique Chimie Assistée par Ordinateur
au collège
- Compressibilité isotherme de l'air (Loi de Mariotte) --> Gamme 0 - 2000 hPa
- Compressibilité isochore de l'air (Loi de Charles) --> Gamme 900 - 1100 hPa
- Etude de la pression dans l'eau --> Gamme 900 - 1100 hPa
sont réalisables.
Tous les capteurs étant opérationnels, vous pouvez alors réaliser une capture simultanée des cinq paramètres si vous disposez d'une carte d'acquisition au nombre d'entrées suffisante (8 disponibles sur les cartes EUROSMART) et compléter votre "station météo" par d'autres instruments plus traditionnels (pluviomètre par exemple).
Je laisse à d'autres l'étude d'autres capteurs pour lesquels je n'ai pas trouvé de solution. Exemple : détecteur de pluie, sensible aux faibles précipitations et qui ne réagisse ni au brouillard ni à la rosée.