regulation de temperature tor
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REGULATION DE TEMPERATURE TOR
Etudiants :François LARUAZ Coralie RAVIERRamia CHINTA Sébastien LESOIFSolène OZERE
Projet de Physique P6-3STPI/P6-3/2009 – 021
Enseignant-responsable du projet :Michel CLEVERS
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Date de remise du rapport : 22/06/09
Référence du projet : STPI/P6-3/2009 – 021
Intitulé du projet : Régulation de température TOR
Type de projet : expérimental
Objectifs du projet :L'objectif de ce projet est double :- Il doit nous permettre de revoir nous connaissances acquises lors des cours
et travaux pratiques de physiques en réalisant une régulation de température Tout ou Rien (TOR) se basant sur un principe relativement simple : à partir d'une température consigne, un relai statique devra chauffer un récipient d'eau jusqu'à atteindre la température désirée. Une fois cette dernière atteinte, il devra s'arrêter de chauffer.
- Il doit nous mettre dans une situation de travail en groupe pour nous faire découvrir les avantages, les difficultés d'un type d'organisation.
TABLE DES MATIERES
1. Introduction ................................................................................................................ 6 2. Méthodologie / Organisation du travail ...................................................................... 7
2.1. Description de la mise en place du montage ...................................................... 7 2.2. Organisation et répartition du travail .................................................................... 7
3. Travail réalisé et résultats ......................................................................................... 9 3.1. Le capteur de température à diode ..................................................................... 9
3.1.1. Le capteur ..................................................................................................... 9 3.1.2. Le soustracteur .......................................................................................... 11 3.1.3. L'amplificateur ............................................................................................. 11
3.2. Consigne ............................................................................................................ 14 3.3. Comparateur et comparateur à hystérésis ........................................................ 14
3.3.1. Comparateur soustracteur .......................................................................... 14 3.3.2. Comparateur à hystérésis .......................................................................... 15
3.4. La diode de Zener .............................................................................................. 15 3.5. Le régulateur ...................................................................................................... 15
3.5.1. TOR (régulateur Tout Ou Rien) .................................................................. 15 3.5.2. TOR avec Hystérésis .................................................................................. 16
3.6. Le relais statique ................................................................................................ 17 3.6.1. Définition ..................................................................................................... 17 3.6.2. Structure du relais statique ......................................................................... 18 3.6.3. Le thermoplongeur ..................................................................................... 19
3.7. Le circuit intégré ................................................................................................. 19 4. Conclusions et perspectives .................................................................................... 20 5. Annexe ................................................................................................................... 21 6. Bibliographie ............................................................................................................ 22
NOTATIONS, ACRONYMES
TOR: Tout Ou RienUd : tension aux bornes de la diode.US1: tension en sortie du module 1.US2: tension en sortie du module 2.US3: tension en sortie du module 3.Uc : tension de consigne.Tb: température du bain.
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1. INTRODUCTION
Réguler la température est une compétence essentielle à maîtrisée. En effet, la grande majorité des usines pour ne pas dire tout doit faire face au défie que constitue la régulation de température. Par exemple, qu'adviendrait-il si nous ne pouvions pas réguler la température dans le cœur d'une centrale nucléaire ? Les conséquences seraient bien évidemment catastrophiques. Il s'agit là d'un cas extrême mais qui montre l'importance de la maîtrise de cette régulation.
La régulation de température est très présente aussi au niveau domestique. D'ailleurs, nous régulons nous-même, manuellement, la température tous les jours lorsqu’on essaie de trouver la bonne température pour ne pas se brûler.
Ici, notre projet consiste à réguler la température automatiquement pour ainsi garder à une « même » température un bain d’eau.
Nous allons effectué une régulation de type Tout Ou Rien qui est l'une est plus simple qui existe. C'est à dire, sans rentrer dans les détails, que notre système de chauffage fonctionnera soit à puissance maximale soit à puissance nulle.
Pour effectuer ce montage, nous étions encadrés par M. Clevers, que nous remercions pour ses conseils et explications et nous avions à notre disposition des schémas du processus, la salle de Travaux Pratiques ainsi que le matériel nécessaire à la réalisation de ce projet.
2. MÉTHODOLOGIE / ORGANISATION DU TRAVAIL
2.1. Description de la mise en place du montage
La première séance consistait à comprendre le sujet. C’est-à-dire lire les documents, et saisir le but du projet.
Nous avons commencer notre projet par la réalisation du montage permettant la conversion des températures relevées en volt, ainsi que l'étalonnage afin d'obtenir 1 volt pour 10°C.
L'étape suivante a été la réalisation de la consigne, grâce à un pont diviseur de tension.
Puis, nous avons procédé au montage du comparateur à hystérésis, qui compare la température de consigne à la température du bain et stabilise cette dernière autour de la consigne.
Le montage complet peut être résumer par le schéma suivant:
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2.2. Organisation et répartition du travail
Lors de toutes les séances, nous avons essayé de travailler tous ensemble, dans la mesure du possible. En effet, de cette façon tout le monde était au courant de l’avancement du projet, et ne loupait aucune étape dans le déroulement de la séance.
Ceci est notamment vrai pour les premières séances où nous tentions tous de réaliser le montage. Cependant, lors des dernières séances, en raison du manque de temps, nous avons été contraints de nous répartir les tâches lors du cours. Par exemple, quand il s’agissait de souder des composants sur une plaque, deux d’entre nous s’en chargeait tandis que les trois autres continuaient de faire avancer le montage. De même pendant que certains réalisaient les courbes, les autres commençaient à constituer le rapport. De plus, en ce qui concerne la rédaction du rapport en dehors des créneaux horaires de P6-3, nous avons réparti le travail en cinq parties que nous considérions comme équitables.
De ce fait, nous pouvons dire que durant ce projet, chacun a effectué sa part de travail, et que le travail a été réparti de manière équitable. De plus, la présence de tous les élèves du projet à chaque séance nous a aidé à mieux nous organiser.
3. TRAVAIL RÉALISÉ ET RÉSULTATS
3.1. Le capteur de température à diode
Un capteur de température est un composant dont une des grandeurs électriques varie en fonction de la température. Il devra produire une tension obéissant à la loi U = kθ.
Il s'agit d'une partie essentielle d’une régulation de température. En effet, le montage doit être capable de mesurer en permanence la température du bain d’eau pour savoir s’il est nécessaire ou non d’enclencher ou d’arrêter le chauffage et ainsi respecter la température de consigne.
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Nous avons utilisé pour notre projet un capteur de température à diode dont le schéma complet se situe en annexe. Ce capteur comporte quatre modules qui constituent un thermomètre électronique que nous allons détaillés.
3.1.1. Le capteur
Le module 1 inclue une diode de type 1 N 4148, entourée d’une gaine plastique lui permettant d’être plonger dans l’eau, dont la tension à ses bornes varie comme une fonction continue lorsqu'elle est traversée par une intensité constante.
L'utilisation d'une diode,qui conduit le courant en sens unique de l'anode à la cathode nous impose de faire traverser un courant supérieure à une tension seuil de la diode. Ainsi la tension de l'anode doit être de 0,7 V supérieur à celle de l'anode pour que la diode passe le courant.
La tension de seuil est déterminée par l'expérience en traçant la tension seuil aux bornes de la diode en fonction de la température. On obtient une droite Ud que l'on peut assimiler à Ud = aθ+ b avec a= 2,1.10-3V/°C et b=0,671 V.
La tension de sortie du module 1 nous est donnée par une loi des mailles :
Ud +ε + US1 = 0 avec ε =0 (amplificateur idéal en régime linéaire)
US1= -Ud
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3.1.2. Le soustracteur
Le module 2 correspond à un montage soustracteur qui va permettre de transformer la tension US1 sous la forme d'une tension U = aθ. C’est cette tension, directement proportionnelle à la température qui nous servira pour comparer la tension ( température du bain) par rapport à la consigne donnée.
En sortie du module 2, nous avons une tension telle que US2 = US1- UE2.(démonstration par Millman que nous avons fournie pour le module 3).
Pour éliminer la constante b, nous avons plongé la diode dans un bain d'eau glaçante (température de 0 °C) et ainsi obtenir U0 = ax0+ b. Nous avons ensuite régler le potentiomètre P2 de telle manière à obtenir U0 = 0 V.
3.1.3. L'amplificateur
Nous obtenons donc une tension en sortie du soustracteur sous la forme Us = aθ. Cependant, cette tension est trop faible pour pouvoir être comparer à la tension de consigne, il est donc nécessaire de l'amplifier. C'est le rôle du module 3.
En sortie de ce module, nous obtenons une tension Us3= Us2(1+P3/R3)
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Démonstration: Application du Théorème de Millman
V+= VS2
V-= (Vm/R3+VS3/P3)/(1/R3+1/P3) avec Vm = 0 V (potentiel de la masse).
L'amplificateur opérationnel idéal fonctionne en régime linéaire donc V+=V-.
D'où VS2= (VS3/P3)/(1/R3+1/P3) <=> (1/R3+1/P3)Vs2 = (VS3/P3)
<=> Vs3= (1+ P3/R3)Vs2
Ce module nous permet également de réaliser une échelle de température.
Pour ce faire, nous avons placé la diode dans un bain à 60°C et réglé le potentiomètre P3 de telle sorte à obtenir Us3 = 6V. Nous avons relevé plusieurs valeurs, récapitulées dans le tableau ci-après, et tracé la courbe de la tension Us3 en fonction de la température sur synchronie.
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Tableau regroupant les valeurs de la tension Us3 en fonction des variations de la température
TENSION Us3 (V) TEMPERATURE (°C)
8,30 83
8,06 80
7,50 75
6,51 65
6,00 60
5,54 55
5,07 50
4,56 45
4,02 40
3,45 35
3,04 30
2,54 25
1,93 20
1,49 15
0,97 10
0,45 5
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On observe une droite, avec un coefficient de corrélation de 0,9999, l'équation de cette droite est y=0,1x. Nous obtenons donc en sortie de l'amplificateur :
US3=0,1 Tb
3.2. Consigne
La consigne représente ce que nous voulons obtenir, c'est-à-dire la température désirée. Le montage représentant la consigne est constitué d'une résistance et une résistance réglable, réalisant un pont diviseur de tension.Le montage est le suivant:
En prenant une résistance R1 de 3,9 KΩ et une alimentation E0= 15V, on peut déterminer R2 : Uc = (15xR2) / (3,9+R2) => (3,9xUc) /( 15-Uc) avec 0 < Uc < 10 => 0 < R2 < 7,8.
Nous avons donc choisi une résistance réglable de 0 à 10 KΩ.
3.3. Comparateur et comparateur à hystérésis
3.3.1. Comparateur soustracteur
Il compare en permanence la consigne et la grandeur réglée et donne le résultat de cette comparaison au régulateur.
Le comparateur soustracteur reçoit deux tensions, la consigne (w) et la grandeur réglée (x) et donne le résultat de cette comparaison au régulateur.
Son rôle est de faire la différence entre la consigne et la valeur mesurée de la grandeur que l'on veut contrôler.
Le but est de maintenir cette différence le plus proche possible de zéro. Xd=W-X
Le régulateur est le cerveau de la boucle de régulation, c'est lui qui régit toute la boucle.
Le problème de ce comparateur réside dans le fait que une fois la température de consigne atteinte, le comparateur donne l'ordre au relai statique d'arrêter de chauffer mais celui reste chaud et la température désirée est dépassée. C'est pourquoi il faut, pour réduire cet écart de température, utiliser un comparateur à hystérésis.
Le principe d’un comparateur simple est le suivant:
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Si V+ > V- alors Vs=+Vsat
Si V- < V+ alors Vs=-Vsat
Ce montage permet de comparer deux tensions.
3.3.2. Comparateur à hystérésis
Le rôle du comparateur à hystérésis est donc de faire en sorte que le relais statique arrête de chauffer un peu avant d'atteindre la température de la consigne de sorte que la température mesurée dépasse le moins possible la température demandée.
Dans un montage d’un comparateur à hystérésis, il y a une boucle fermée.Si le montage ne présente pas de contre-réaction (boucle fermée entre entrée
et sortie), l’amplificateur opérationnel est en régime saturé.
3.4. La diode de Zener
L'organe de commande «relais statique» ne fonctionnant qu'avec une tension d'entrée de 5V, nous avons choisi une diode de Zener de 5,1V. La diode de Zener permet de stabiliser la tension Vsat en entrée en une tension de sortie de 0V à 5V grâce à une résistance qui limite le courant de la diode.
3.5. Le régulateur
3.5.1. TOR (régulateur Tout Ou Rien)
Notre sujet étant la régulation de la température, il semble normal de se servir de la régulation Tout ou Rien (TOR), car c’est la plus simple des régulations.
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Un régulateur «Tout Ou Rien» est un régulateur qui élabore une action de commande discontinue qui prend deux positions ou deux états 0 et 1 (ou 0 et 100%).
Pour une boucle de régulation de température, ce type de régulateur enclenche 100% de la puissance de chauffe, puis la coupe (0%) lorsque la consigne (valeur de référence) est atteinte. Lorsque la température de référence est dépassée, le système se remet à chauffer.Résultat: la température oscille constamment autour de la consigne (phénomène de pompage). Ce système n'est pas idéal car il en résulte de trop nombreuses permutations du régulateur et de l'organe de puissance.
Ce type de régulateur dont la grandeur de sortie (Y) ne peut prendre que 2 ou plusieurs valeurs fixes. La valeur de sortie (Y) varie brusquement d'une valeur à l'autre c'est-à-dire de façon non progressive (tout ou rien).Les régulateurs tout ou rien sont utilisés pour la commande des systèmes ayant une grande inertie où la précision de régulation n’est pas importante. A titre d’exemple la régulation d’un four à l’aide d’une résistance chauffante.
3.5.2. TOR avec Hystérésis
Cette régulation ressemble beaucoup avec le TOR normal, même si les deux diffèrent sur certains points.
Tout comme le TOR normal pour une boucle de régulation de température, ce type de régulateur enclenche 100% de la puissance de chauffe. Cependant, il la coupe (0%) lorsque la consigne est atteinte ou dépassée de quelques degrés. La chauffe est ré-enclenchée lorsque l'on repasse de quelques degrés en-dessous de la consigne. Cette régulation est utilisée pour les systèmes thermiques stables de faible puissance ou de forte inertie thermique.
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Résultat: la température oscille autour de la consigne mais avec une plus grande fourchette (écart). L’écart varie selon l’hystérésis choisi. Plus celui-ci est grand plus la fourchette est grande. Le système est moins précis. L'organe de puissance et le régulateur commutent moins souvent.Plus celui-ci est petit plus la fourchette est petite. Le système est plus précis. L'organe de puissance et le régulateur commutent plus souvent.
Ce système est tout à fait acceptable pour les systèmes thermiques stables de faible puissance ou de forte inertie thermique. Il en résulte des permutations moins nombreuses du régulateur et de l'organe de puissance mais le système est moins précis.
3.6. Le relais statique
3.6.1. Définition
Le terme relais statique désigne un système de commutation isolé électriquement, à base de composants électroniques. Également appelé SSR (Solid State Relay), il permet de réaliser une fonction d’interfaçage entre un circuit de commande et un circuit de puissance (alternatif ou continu) connecté à des charges de fortes puissances tels que les moteurs, pompes, ou résistances. En d’autres termes, il sert en premier lieu à faire une transition entre un courant faible et un courant fort.
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Dans le cadre de notre manipulation, le relais délivre une tension de 220 V au dispositif de chauffage (thermoplongeur) s’il reçoit lui-même une tension de 5 V. Concrètement, le chauffage s’enclenche uniquement lorsque la tension d’entrée Up
vaut 5 V. Dans le cas contraire, pour une valeur de Up nulle, le chauffage ne se met pas en route.
Up = 5 V → Ud = 220 VUp = 0 V → Ud = 0 V
3.6.2. Structure du relais statique
Parmi les composants électroniques présents dans le relais statique, on peut tout d’abord citer l’optocoupleur. Celui-ci permet le transfert d'informations entre deux parties électroniques isolées l'une de l'autre d'un point de vue électrique. La première partie est un émetteur tandis que la seconde partie constitue un récepteur.
On peut ainsi l'assimiler à un composant qui a une entrée (émetteur) et une sortie (récepteur). Dans ce cas précis, de la lumière est émise d’où le préfixe opto de optocouleur. L'émetteur produit donc de la lumière (qui peut être visible ou invisible), et le récepteur, qui est sensible à la lumière émise par l'émetteur (sensibilité maximale à la longueur d'onde utilisée pour la partie émission), réagit plus ou moins en fonction de la quantité de lumière reçue.
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3.6.3. Le thermoplongeur
Il s’agit en fait d’une résistance électrique. Cela implique donc l’intervention de l’effet Joule pour chauffer le bain lorsque ce dernier est alimenté sous une tension de 220 V.
3.7. Le circuit intégré
Afin de ne pas perdre de temps dans la réalisation de notre projet, nous avons commencé à construire un circuit intégré qui reprenait tout le montage à une échelle plus petite.
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4. CON CLUSIONS ET PERSPECTIVES
Nous avons réalisé une régulation de température, un sujet utile pour la majorité d'entre nous puisque nous sommes quatre sur cinq désirant intégrer le département MRIE.
Pour résumer le principe de notre projet, il s'agissait de chauffer ou non un bain d'eau où l'enclenchement du chauffage se fait à partir d'une comparaison d'une tension de consigne (température souhaitée par l'utilisateur) et la tension en sortie d'un capteur (température dans le bain) Ce chauffage se fait soit à puissance maximale soit à puissance nulle d'où le nom de régulation Tout ou Rien.
Cependant, nous avons dû faire face à certaines difficultés :
– la qualité du matériel n'était pas toujours optimale. Nous avions des amplificateurs opérationnels et des diodes Zener qui ne marchaient pas bloquant ainsi le fonctionnement de notre montage que nous n'avons réussi à résoudre qu'avec l'aide de M. Clevers..
– le prélèvement de matériels et le dérèglement des potentiomètres sur notre montage qui nous obligeaient à refaire le montage perdant ainsi du temps précieux.
Au niveau humain, le fait de mener ce projet en groupe a été l’un des aspects les plus positifs de l’EC P6-3. Nous ne connaissions pas la plupart des membres du groupe. Pourtant, nous avons dû apprendre à nous organiser pour que le projet prenne forme. Cela a nécessité un bon travail de communication. Nous avons donc trouvé cette expérience très intéressante sachant qu’en tant que futurs ingénieurs nous serons sûrement amenés à travailler en équipe.
Ensuite, l’autonomie accordée à cette EC nous a été bénéfique. Nous avons dû nous débrouiller, prendre des initiatives et apprendre à gérer les problèmes rencontrés.
Nous retiendrons donc que des points positifs de ce projet.
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5. ANNEXE
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6. BIBLIOGRAPHIE
http://home.scarlet.be/lestechniques/regulation.htm (valide à la date du 02/06/2009).
http://www.crouzet.com/catalogue_web/pdf/FRA/ndb17_fra.pdf (valide à la date du 08/06/2009).Cours de l' UV P3, M. Montier.TP P6-2 (2008), “Transfert thermique”.