Convertisseur pour sonde PT1000 compatible avec la sonde LM335 La sonde LM335 est intressante de par son prix. Sa tension est proportionnelle la temprature absolue en K ceci raison de 10 mV/K. Sa plage de tension de sortie est compatible un automate microcontrleur sous 5 V. Par contre, en boitier TO-92, celle-ci ne supporte que 120 C au maximum, et ne convient pas pour les capteurs solaire qui peuvent atteindre prs de 200 C vide en plein soleil. Ce convertisseur remplace une sonde LM335 par une PT1000 en dlivrant la mme plage de tension. La sonde LM335 : A 0C, soit 273,15 K, la LM335 dlivre 2,7315 V A 100C, soit 373,15 K, la LM335 dlivre 3,7315 V Sa pente est de 10 mV/K Elle fonctionne sous 5 V avec R1 = 1k En utilisant cette sonde sur un convertisseur 10 bits aliment 5,12 V de rfrence on obtient 0,5K/lsb directement. Dans la plage -20 C +125 C, nous aurions une tension allant de 2,5315 V 3,9815 V En boitier TO-92 (comme un transistor encapsul en plastique) cette sonde est trs conomique et cote environ 1,50 . Les versions LM135 et LM235 sont calibres +/-1K et +/-2K respectivement. La sonde PT1000 : Sa rsistance varie linairement avec la temprature. A 0C la sonde fait 1000 Ohms A 100C la sonde fait 1385 Ohms Sa pente est de 3,85 Ohms/K Elle supporte 200 C sans problme. Son prix est denviron 10 . Conception du convertisseur : A lentre du convertisseur nous avons une sonde PT1000. En sortie du convertisseur, nous obtiendrons une tension proportionnelle la temprature en degrs absolus (K) comme la sonde LM335. Par exemple, 0C, soit 273,15 K, la sortie du convertisseur dlivre 2,7315 V.

PT1000 R(K)

Tension Ve (K)

Courant Constant

Amplificateur haute impdance

Tension de sortie compatible LM335 Vs (K)

Afin de convertir la valeur de la rsistance de la PT1000 en tension linaire (Ve), celle-ci doit tre alimente par un gnrateur de courant constant indpendant de la temprature. La sonde ainsi alimente doit tre charge par un amplificateur haute impdance pour prserver la linarit. Dans le cas contraire, si lon chargeait la sonde par un amplificateur dimpdance de 12 kOhms, nous perdons 3% de linarit de 0 100C ! Soit 3K derreur. Lamplificateur et la source de courant donneront une tension de sortie identique la sonde LM335. La source de courant : Un courant trop fort provoque de lauto-chauffement et une erreur de mesure. Un courant trop faible entrainera un risque plus lev de perturbation cause des parasites. Avec un courant de 200 A, nous aurons 770 V/K par rapport sa pente de 3,85 Ohms/K. De 0 C 200 C nous aurons 0,2 V 0,354 V. La source de courant devra tre indpendante de la temprature raison de 1/1000 pour avoir une erreur infrieure 0,5 K de 0 200 C. En pratique, linterface de cette sonde sera dans le local de la chaufferie hors gel, dans une plage entre 0 40C. Lamplificateur : Lamplificateur devra augmenter la pente de 770 V/K 10 mV/K, soit un gain en tension thorique de 12,987. Un dispositif de dcalage (offset) devra donner 2,7315 V en sortie pour 0C (soit 273,15 K). Cet amplificateur ralis partir dun amplificateur oprationnel devra avoir une drive infrieure 1 mV en sortie (tension doffset) dans la plage de 0 30C. Il devra rejeter les parasites impulsionnels et les hautes frquences (bande GSM 900-1800 MHz, ISM 433-868 MHz et WiFi 2,4 GHz). Le schma : Le montage qui suit fut inspir de la fiche technique de Patrick Nies [1]. Quelques changements au niveau de la source de courant et de lamplificateur ont t apports. La source de courant est tablie partir dune tension de rfrence (TL431) et dun amplificateur oprationnel (1/2 de LM358 ou LM2904). Le TL431 est une diode zener programmable trs stable en temprature. Le jeu de rsistances (R2 et R3) et le potentiomtre ajustable multi-tours R1 permettent un ajustage du courant dans une plage de 5%. La stabilit de la contre raction est meilleure si le transistor PNP Q1 na pas trop de gain (suffixe A des sries BC557A, BC308A ou 2N2907). Cette source de courant alimente la PT1000 via un jeu de rsistance fixe R6 et ajustable R12 en srie pour donner 2,7315 V en sortie pour 0C. La deuxime moiti du double amplificateur oprationnel est configur en non-inverseur avec un gain de 13 = 1 + (12k/1k). La rsistance R10 de sortie, de 560 Ohms, vite linstabilit de lamplificateur si la charge est capacitive. Une capacit C4 de 100 nF en parallle sur la rsistance de contre raction R8 attnue les parasites impulsionnels. La rsistance R7 en srie avec lentre non-inverseuse sert compenser la drive doffset du LM358.

De 0 C 40 C le montage drive de moins de 1,5 mV, ce qui reprsente 0,15 K ! Les diffrentes capacits en cramique (C1 et C2) servent attnuer les parasites et les hautes frquences.

Pour dlivrer 4,73 V en sortie avec la sonde 200 C, il faut une tension dalimentation minimale de 6,5 V sur le broche 8 de IC 1. La plage de tension dalimentation sans rgulateur est de 7 16 V pour une drive relative de +/- 0,5 K en sortie. Avec un rgulateur 78L08 le montage devient insensible la tension dalimentation qui stend alors de 11,5 30 V.

On peut aussi stabiliser la tension du montage avec une diode Zener de 6,8 8,2 V et une rsistance srie de telle sorte que le courant dans la diode Zener soit entre 5 et 15 mA. Cette mthode est plus robuste contre les surtensions parasites en provenance de la source dalimentation, car le 78L08 supporte au maximum 30 V son entre.

Tension de la diode Zener

Plage de Tension

dalimentation

Valeur de la rsistance

R10 en Ohms

6,8 V 9 11 V 180

6,8 V 11 13 V 330

6,8 V 20 26 V 1,2 k

8,2 V 11 13 V 220

8,2 V 20 26 V 1 k

A 8 V de tension dalimentation, sans le rgulateur ou la Zener, le montage consomme moins de 7 mA.

Circuit imprim lchelle 1 : vue face soudures.

Implantation des composants.

Choix des composants : Les rsistances seront de prfrence couche mtallique : le corps de la rsistance est vert ou bleu (la couleur beige ou brune est rserve aux rsistances couche carbone). Les rsistances ajustables sont des trimmers 10 tours rglage par le haut. Les composants actifs se trouvent chez les distributeurs cits en fin darticle, ou bien ils peuvent tre rcuprs. Le TL431 se rcupre dans les alimentations de PC ATX et les petites alimentations dcoupage. Prfrez les suffixes B, AC ou C qui sont plus stables en temprature dans notre plage de 0 40C. Le double amplificateur oprationnel LM358 est trs courant. Les modles avec le suffixe A ont moiti moins de tension doffset que ceux sans le suffixe A. Les LM158, LM258 ou LM2904 conviennent aussi par leur plage de temprature plus tendue. Ne pas prendre le LM1458. Il ne convient pas pour cette application par sa plage de tension de mode commun en entre non compatible avec ce convertisseur. Le TLC272 est une version CMOS qui apporte davantage dimmunit aux perturbations. Les suffixes suivants donnent la tension doffset et la plage de temprature par ordre de prfrence : TLC277IP, TLC272BIP, TLC272BCP, TLC272AIP, TLC272ACP, TLC272IP, TLC272CP. Le transistor PNP de la source de courant nest pas critique mais il ne devra pas avoir un gain en courant trop lev (< 300) ; ceci afin de garantir une bonne stabilit du courant. Les suffixes A sont prfrer aux suffixes B et C. Conviendront les BC556A, BC557A, BC558A, BC559A, BC560A, BC327-16 et aussi le 2N2907. Les condensateurs seront en cramique multicouches ou film MKT . Nous avons cart les condensateurs lectrochimique aluminium qui ont une dure de vie limite dans le temps. C1, C3, C4, C6 100nF cramique

C2 1nFcramique

C5 220nF ou 100 nF cramique

D1 BZX85C8V2 ou ZX85C6V8 (voir texte)

D2 1N4148

IC1 LM358N our LM358A (voir texte)

IC2 78L08 (ou diode zener voir texte)

Q1 BC556A ou BC557A, BC558A, BC559A, BC560A, BC327-16, 2N2907

R1 2k2 trimmer 10 tours vertical

R2 3k9 5%

R3 22k 5%

R4 1k 5%

R5 15k 1%

R6 22 5% R7 12k 5%

R8 12k 1%

R9 1k 1%

R10 560 5% ou 330 470 R11 330 voir texte R12 47 trimmer 10 tours vertical VR1 TL431

X1 bornier vis 2 ports

X2 bornier vis 3 ports

Procdure de rglage : Le prrglage du convertisseur permet dobtenir une prcision absolue de +/- 2 K quelque soit la sonde.

- Alimenter le montage avec une tension de 12 V ; le courant consomm ne doit pas dpasser 10 mA.

- Sans la sonde, court-circuiter lentre sur un ampremtre et rgler la source de courant avec R1 pour avoir 200 A.

- Placer une rsistance de 1000 Ohms 1% (ou mieux 0,1%) la place de la sonde. Rgler lajustable R12 pour avoir 2,732 V en sortie (correspondant 0C).

- Placer une 2e rsistance de 1000 Ohms 1% en srie avec la premire et rgler lajustable R1 pour avoir 5,195 V en sortie.

A cette tape le convertisseur est prrgl pour recevoir une PT1000, mais il est possible dobtenir davantage de prcision en procdant ltalonnage de la sonde avec lamplificateur.

1- Plonger la sonde PT1000 et un thermomtre de rfrence ( alcool, ou thermocouple) dans un bol deau avec des glaons. Attendre environ 10 15 minutes pour que la glace soit fondante. Rajouter de la glace et remuer le mlange.

2- A 0C rgler lajustable R12 pour avoir 2,732 V en sortie. Tenir compte de la temprature affiche sur le thermomtre de rfrence et corriger la tension en consquence ( raison de 10 mV/K)

3- Plonger la sonde PT1000 et un thermomtre de rfrence dans de leau bullition (la temprature dbullition dpend de laltitude et de la pression atmosphrique !). En tenant compte de la temprature affiche sur le thermomtre de rfrence dterminer la tension de sortie pour avoir (2,732+ (Tx0,01), soit 3,32 V pour 100C) et lajuster par R1.

4- Reprendre le rglage partir du point 1- jusqu atteindre la prcision souhaite. Pour converger plus rapidement, il faut dcaler chaque rglage un peu au-del de la valeur attendue. Terminer par une dernire mesure 0C.

Ci-contre, talonnage du convertisseur laide dun multimtre de prcision (Fluke 45). Pour la validation, le convertisseur fut cbl sur un circuit imprim pastill avec le plan de masse. La sonde, le thermomtre alcool et le thermomtre digital sont maintenus avec un lastique. Pour la liaison entre cette carte dinterface et la sonde PT1000, il est prfrable dutiliser du cble blind (cble dantenne satellite/TNT noir rsiste aux UV) ou de la paire torsade (cble tlphone). La tresse en aluminium de certains cbles coaxiaux dantenne TV ne peut pas se souder: lastuce est de la serrer avec un petit collier, un presse toupe ou une fiche F avec une embase soudable. On protgera les connexions dans des boitiers tanches au sec (sous les tuiles), leau provoque de la corrosion et une mesure errone ! Avec le cble rseau Ethernet, il est conseill de mettre les paires en parallle afin de rduire la rsistance linique de pertes au-del de 10 mtres. A dfaut de blindage, on relie la masse toute paire non utilise. On peut compenser la perte du cble avec la rsistance ajustable R12, mme aprs ltalonnage avec la sonde. La mthode consiste prendre une rsistance de 1000 Ohms 1% que lon connectera directement au montage en notant la tension de sortie x V avec prcision. Puis, cette mme rsistance est monte au bout du cble et on ajustera pour avoir la mme tension x V. Le cble est ainsi compens ! Pour viter les courants de mode commun, le blindage sera reli la masse des deux cts :

- A la masse de la carte dinterface dun ct. - A la sonde, le blindage sera reli celle-ci avec un cble coaxial seul et aussi avec

le ct masse de la paire torsade. La masse de la sonde ne devra pas tre relie la tuyauterie, mais le cble devra longer le tuyau pour limiter toute surface dinduction.

Ces dispositions permettent une compatibilit lectromagntique efficace contre les hautes frquences, les parasites de commutation et les inductions provenant dorages proximit. Du ct de lentre analogique de lautomate microcontrleur, on ne manquera pas de retirer la rsistance dalimentation qui tait prvue dorigine pour la sonde LM335. Bonne ralisation ! Jean-Matthieu STRICKER F5RCT Ingnieur INSA en lectronique et radiofrquences dans lindustrie automobile

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ dition du 15 Aot 2012

Rfrences : [1] Convertisseur PT100, PT1000 ou KTY - 0/10V : http://www.apper-solaire.org/Pages/Electronique/Electro/conv_pt1xxx_10v/PT100new3_1.pdf fournisseurs de composants : Radiospares : http://radiospares-fr.rs-online.com/web/p/capteurs-de-temperature-et-

humidite/1594685/

Gotronic : http://www.gotronic.fr/art-lm335z-10307.htm

Reichelt (pour les frontaliers avec lAllemagne) : http://www.reichelt.de/

Dahms Electronic Strasbourg : http://www.dahms-electronic.com/

Extrait de la datasheet de la sonde LM335 :

Pour de plus amples renseignements sur la sonde LM335 rechercher la datasheet sur le site http://www.alldatasheet.com