Objectifs généraux :
Étude et réalisation d’un adaptateur
Mise en œuvre d’un AO en régime linéaire.
Réalisation d’une chaîne de mesure.
Durée : Minimum 3 séances de 3H
L’étude de cette chaîne de mesure peut-être scindée et conduite tout au long de l’année comme pour le capteur de température. En fin d’année, les élèves ayant acquis une certaine autonomie, par groupe de deux ou trois, il est possible de leur confier un mini projet de type TPE. Ce travail fera l’objet du compte-rendu « html » et d’un exposé de 30 min à toute la classe.
Ce groupe d’élèves doit donc transformer l’ordinateur en pH-mètre à l’aide d’un nouveau capteur. Ce capteur est une électrode double (ou combinées) dont on dispose en laboratoire. La chaîne de mesure à réaliser, permettra la mesure du pH d’une solution aqueuse avec une précision d’environ 0,5 unité de pH.
Cette cellule pH-métrique
est en fait constituée de deux électrodes : une électrode de verre (mesure)
et une électrode au calomel (référence).
Il faut montrer que,
lorsque ce capteur est plongé dans une solution aqueuse, on mesure aux bornes
des deux électrodes une tension ( E ).
Les élèves
seront alors confrontés à une première difficulté car peu de multimètres
ont une impédance d’entrée suffisamment grande pour éviter que la pile
ainsi constituée ne débite un courant. La tension mesurée varie et chute
rapidement. En effet, la force électromotrice ( fem E ) d’une pile ne peut se
mesurer directement que si la pile ne débite aucun courant.
Cette première
difficulté est contournée en plaçant un montage suiveur (un tampon) entre la
cellule et le voltmètre, on s’assure ainsi que la pile ne débite aucun
courant.
L’ AO utilisé
est un TL081 alimenté en –15V, +15V car E doit pouvoir être négatif.
Sur le schéma précédent,
nous avons placé un condensateur car une deuxième difficulté apparaît. Si la
présence du suiveur permet effectivement de mesurer E , on observe une grande
variation de E, la mesure est parasitée. Le condensateur est alors présenté
comme un antiparasite qui va stabiliser la tension. Une sorte de réservoir d’énergie.
Sa valeur est de quelques microfarads. Même s’il stabilise la tension, la
mesure ne peut-être instantanée, il faut attendre qu’elle soit constante.
C’est une première approche de la notion de temps de réponse d’un capteur.
En fonction de la valeur du condensateur le temps de réponse sera différent.
L’estimation est importante car il faudra en tenir compte lors du paramétrage
de l’acquisition.
On mesure E pour trois solutions tampons.
Le graphe de E =f (pH) est une droite. Notre capteur est donc linéaire.
Sa sensibilité est
de
mV/unité de pH
Pour utiliser ce capteur dans une chaîne de mesure, il faut donc que le calibre de l’interface d’acquisition autorise la mesure de tensions négatives.
Pour une interface 8bits, en utilisant le calibre -5V +5V, la résolution est de 10/255 soit 40mV. E ne peut pas être mesurée directement par l’interface car une telle résolution ne permet de mesurer que des variations de l'ordre d'une unité de pH.
E doit donc être amplifiée.
Comme le montre le schéma ci dessus, un deuxième AO est utilisé pour amplifier E. Il est monté en amplificateur inverseur. Son gain ( -R2/R1 ) ne doit pas dépasser -20 pour rester dans un domaine de -5V +5V.
Exemple : R1 = 1k
et R2 = 18k
ainsi G = -18
A l'aide des trois solutions tampons précédentes on étudie Us = f (pH). Le graphe de f est une droite il existe une fonction de la forme pH = a Us + b .
On détermine a et b afin d’utiliser le capteur ainsi réalisé dans une chaîne de mesure.
L’image ci-dessous montre les possibilités qui s’offrent alors.
