Un altimètre de 0 à 1 999 mètres

Grâce à l’utilisation de capteurs de pression modernes, il est possible de concevoir des instruments avec lesquels on peut mesurer la hauteur d’un immeuble, d’un pylône ou d’une montagne et ce, jusqu’à une altitude maximale de 1 999 mètres. Dans cet article, nous allons décrire la façon de réaliser cet appareil de mesure : un altimètre simple et économique.


Voici déjà quelque temps, une entreprise japonaise spécialisée dans les capteurs de pression, nous a envoyé divers échantillons pour réaliser des altimètres et des baromètres simples.
A l’intérieur de ces capteurs se trouve un pont piézoélectrique, qui, suivant la variation de la pression, entraîne la modification de la tension disponible en sortie.
Lorsqu’un tel capteur est placé au niveau de la mer, il en sort une tension d’environ 4 volts. Lorsqu’il est placé à une altitude de 2 000 mètres, cette tension tombe à environ 3 volts.
Pour mettre au point notre altimètre, nous avons dû résoudre divers problèmes, car les seules données techniques en notre possession étaient les suivantes :

Tension d’alimentation ..................... 5 volts stabilisés
Consommation ............................... 10 mA maximum
Impédance de sortie ........................ 10 ohms
Précision .................................. ±2,5 %
Tension de sortie max. ..................... 4,7 volts
Pression maximale .......................... 863 mm/H
Pression minimale .......................... 112 mm/H

Sachant que mm/H signifie millimètres de mercure et qu’au niveau de la mer une colonne de mercure se positionne sur 760 mm alors qu’à 2 000 mètres elle se positionne sur 607 mm, nous avons vérifié la valeur des tensions qui sortaient de ce capteur à diverses hauteurs.
   0 mètre  4,0830 volts
50 mètres 4,0600 volts
70 mètres 4,0509 volts
100 mètres 4,0371 volts
150 mètres 4,1415 volts
200 mètres 3,9912 volts
250 mètres 3,9882 volts
500 mètres 3,8535 volts
1000 mètres 3,6240 volts
1500 mètres 3,3945 volts
1999 mètres 3,1654 volts

Comme vous pouvez le noter, de 0 mètre à 1 999 mètres, la variation est de seulement :
4,0830 – 3,1654 = 0,9176 volt !

En pratique, pour chaque mètre de variation en hauteur, nous constatons une variation de tension de seulement:
0,9176 : 1 999 = 0,000459 volt

Ce qui correspond à 0,459 millivolt.
Pour mesurer ces tensions très faibles, il suffit d’un millivoltmètre précis de type inverseur, sur l’afficheur duquel, le chiffre qui apparaît, augmente de manière proportionnelle à la tension décroissante qui est présente sur son entrée.
Ainsi, si nous calibrons le millivoltmètre de manière à faire apparaître le chiffre 000 avec une pression de 760 mm/H, en montant en altitude, nous obtiendrons les tensions suivantes :
à 100 mètres :
(4,083 – 4,0371) : 0,000459 = 100 millivolts,

à 200 mètres :
(4,083 – 3,9912) : 0,000459 = 200 millivolts,

à 500 mètres :
(4,083 – 3,8535) : 0,000459 = 500 millivolts,

à 1 000 mètres :
(4,083 – 3,6240) : 0,000459 = 1 000 millivolts,

et à 1 999 mètres :
(4,083 – 3,1654) : 0,000459 = 1 999 millivolts.

Si le nombre 46 apparaît sur l’afficheur, nous nous trouvons donc à une altitude de 46 mètres. Si c’est le nombre 108 qui apparaît, nous nous trouvons à une altitude de 108 mètres et si c’est le nombre 560 qui apparaît, nous nous trouvons à une altitude de 560 mètres.

De la précision de l’appareil
Avant de poursuivre, nous devons apporter quelques détails concernant la calibration de l’appareil car sa précision en dépend.
Si nous nous trouvons dans une localité située à 200 mètres au-dessus du niveau de la mer et que nous étalonnons le millivoltmètre pour faire apparaître le nombre 000, il est bien entendu, que si nous montons en altitude jusqu’à ce qu’apparaisse le nombre 050, par rapport au niveau de la mer, nous nous trouvons en réalité à une altitude de :
50 + 200 mètres = 250 mètres

Il faut également préciser que la pression atmosphérique varie en fonction des conditions météorologiques. Ainsi, si au niveau de la mer, en présence d’une moyenne pression, la colonne de mercure est positionnée sur 760 mm/H, en présence d’une haute pression, la colonne de mercure peut monter à 770 mm/H et en présence d’une basse pression, elle peut descendre à 750 mm/H.
Evidemment, ces variations peuvent modifier de quelques millivolts la tension en sortie, donc affecter légèrement la précision de l’altimètre.
Comme de telles variations ne sont ni soudaines, ni rapides, nous pouvons régler le potentiomètre de mise à zéro de façon à lire 000 sur le millivoltmètre, en ayant conscience que si la pression atmosphérique change, il est possible de constater une erreur de quelques mètres.
Ces problèmes de précision sont le lot de n’importe quel altimètre, même des plus sophistiqués ou des plus chers.
Notre appareil peut soutenir la comparaison sans rougir !

Quelques exemples d’utilisation d’un altimètre
Après avoir effectué une mise à zéro de l’altimètre au rez-de-chaussée d’un immeuble, nous pouvons savoir de combien de mètres nous nous élevons en montant les escaliers.
Le passionné de deltaplane, de parapente, ou de parachute ascensionnel, pourra lire à quelle hauteur il se trouve par rapport au sol.
Les spéléologues pourront vérifier à quelle profondeur ils sont descendus sous terre car, sur l’afficheur, ils verront apparaître le signe “–” devant le nombre.
Ainsi, si le nombre –010 apparaît, ils se trouvent à une profondeur de 10 mètres, si le nombre –085 apparaît, ils sont descendus à 85 mètres.
Ayez toujours à l’esprit que la précision de cette sonde se situe aux alentours des ±2,5 %. Ainsi, si vous lisez 14 mètres, en pratique, cela pourrait être 14,7-14,8 ou bien 13,5-13,6 mètres.
Si vous lisez 110 mètres, cela pourrait être 107 ou même 112 mètres, une différence que l’on peut facilement accepter.
Après cette entrée en matière, nous pouvons passer à la description du schéma électrique complet de cet altimètre reproduit à la figure 2.

Figure 1 : Pour cet altimètre, nous avons utilisé un capteur de pression de la société Fujkura, référencé XFPM115P. En regardant le repère-détrompeur présent sur son corps, sur la gauche nous avons les broches 1, 2 et 3 et sur la droite les broches 4, 5 et 6.

Le schéma électrique
Tous les étudiants d’un lycée technique à qui nous avions fourni un circuit imprimé, le schéma électrique et une notice de montage de cet altimètre pour vérifier s’ils rencontraient des difficultés dans la réalisation, nous ont signalé que nous avions commis une erreur banale.
En fait, nous avions précisé dans le texte que le capteur devait être alimenté avec une tension de 5 volts stabilisés, alors que nous l’avons relié directement au positif des 9 volts de la pile.
En fait, pour stabiliser une tension, il n’est pas indispensable de relier le circuit intégré stabilisateur au positif de l’alimentation (voir figure 3), mais il est également possible de le relier au négatif (voir figure 4).
Dans ce montage, nous utilisons comme circuit intégré stabilisateur négatif la moitié d’un double amplificateur opérationnel LM358 (IC1/B).
Comme vous le noterez, la broche 6 de masse du capteur n’est pas reliée au négatif de la pile de 9 volts, mais bien à la broche de sortie 1 de IC1/B.
Le motif pour lequel nous avons utilisé cet amplificateur opérationnel, au lieu d’un simple circuit stabilisateur négatif comme le μA7905, est très simple.
Si on utilisait un circuit intégré μA7905, celui-ci absorberait un courant élevé et, de ce fait, nous nous retrouverions sans aucune tension stabilisée lorsque la pile commencerait à se décharger.
Comme il sort une tension stabilisée négative de 2,9 volts de la broche 32 du circuit intégré IC2 qui pilote l’afficheur LCD, même lorsque la pile est à moitié déchargée, nous utilisons ces 2,9 volts comme tension de référence.

Note :
Cette tension négative de 2,9 volts, est mesurée en reliant la pointe négative d’un multimètre sur les broches 31, 32 et 35 d’IC2 et la pointe positive aux + 9 volts de la pile d’alimentation car, si nous faisions la mesure par rapport à la masse, nous lirions 6,1 volts.

L’amplificateur opérationnel IC1/B est utilisé dans ce circuit comme amplificateur inverseur avec un gain de 1,73.
Sachant que la formule pour calculer le gain de cet amplificateur est la suivante :
gain = (R14 : R15) + 1

Ayant utilisé pour R14 une résistance de précision de 22000 ohms et pour la R15 une résistance de précision de 30100 ohms, nous obtenons un gain de:
(22000 : 30 100) + 1 = 1,73

Ainsi, de la broche de sortie 1, nous prélevons une tension stabilisée négative de :
2,9 x 1,73 = 5,01 volts

Nous appliquons cette tension sur la broche 6 du capteur. Si nous mesurons avec un multimètre la tension présente entre les broches 4 et 6, nous lirons 5,01 volts.
Le problème de cette tension stabilisée étant résolu, nous pouvons poursuivre notre description, en disant que de la broche 5 du capteur sort une tension de 4,083 volts au niveau de la mer, avec une pression atmosphérique moyenne, tension qui descend à 3,165 volts à 1 999 mètres.
Cette tension, est appliquée à travers la résistance R5, sur la broche non-inverseur 5 de l’amplificateur opérationnel référencé IC1/A, que nous utilisons pour la mise à zéro du millivoltmètre.
En fait, pour faire apparaître le nombre 000 sur l’afficheur du millivoltmètre lorsqu’une tension de 4,083 volts est présente sur la broche 5 de IC1/A, nous devons appliquer, sur la broche inverseur 6, une tension positive qui permettra de porter la broche d’entrée 30 de IC2 sur la moitié de la valeur de la tension présente sur la broche 32.
Lorsque la tension sur la sortie du capteur diminue avec l’augmentation de l’altitude, le nombre qui apparaît sur l’afficheur augmente, parce que la broche d’entrée 30 de IC2 est inverseuse.
Le trimmer multitours R9, implanté directement sur le circuit imprimé, permet de procéder à une mise à zéro sur l’altitude de la localité dans laquelle nous nous trouvons. Par contre, le petit potentiomètre R5, dont l’axe se trouve à l’extérieur du coffret, permet de rattraper la variation des valeurs de la pression atmosphérique, qui peuvent aller, d’un jour à l’autre, de 750 à 770 mm/H.
Le transistor TR1, que nous trouvons dans ce montage, ne s’occupe que d’une seule fonction, celle de faire apparaître sur l’afficheur, l’inscription “LO-BATT”, lorsque la pile de 9 volts est déchargée et qu’elle doit être remplacée.

Figure 2 : Schéma électrique de l’altimètre. Pour obtenir les 5 volts nécessaires pour alimenter le capteur de pression, il faut prélever une tension stabilisée négative de 2,9 volts de la broche 32 du circuit intégré IC2, pour ensuite l’amplifier avec un coefficient de 1,73 à l’aide de l’amplificateur opérationnel IC1/B.

Liste des composants de l’altimètre
R1 = 3,9 kΩ
R2 = 200000 Ω 1 %
R3 = 200000 Ω 1 %
R4 = 499000 Ω 1 %
R5 = 100 kΩ pot. Cermet
R6 = 499000 Ω 1 %
R7 = 1 MΩ 1 %
R8 = 15000 Ω 1 %
R9 = 10 kΩ trimmer 10 multitour
R10 = 6810 Ω 1 %
R11 = 200000 Ω 1 %
R12 = 200000 Ω 1 %
R13 = 1 MΩ
R14 = 22000 Ω 1 %
R15 = 30100 Ω 1 %
R16 = 47 kΩ
R17 = 27 kΩ
R18 = 47 kΩ
R19 = 100 kΩ
R20 = 470 kΩ
R21 = 100 kΩ trimmer 10 multitour
R22 = 200000 Ω 1 %
R23 = 100 kΩ
C1 = 680 pF céramique
C2 = 100 nF polyester
C3 = 1 nF polyester
C4 = 22 μF électrolytique
C5 = 100 nF polyester
C6 = 100 pF céramique
C7 = 220 nF polyester
C8 = 47 nF polyester
C9 = 1 nF polyester
C10 = 100 nF polyester
TR1 = Transistor NPN BC547
IC1 = Intégré LM358
IC2 = Intégré ICL7106
LCD = Afficheur LCD S5018/P
CAPTEUR = Capteur de pression XFPM-115KP
S1 = Inter. à glissière


Figure 3 : Pour obtenir une tension stabilisée de 5 volts, vous pouvez connecter au positif d’une pile, un circuit intégré 78L05. Dans ce cas, la masse sera représentée par la broche négative de la pile.

Figure 4 : Pour obtenir une tension stabilisée de 5 volts, vous pouvez connecter au négatif d’une pile, un circuit intégré 79L05. Dans ce cas, la masse sera représentée par la broche positive de la pile.

Figure 5 : Voici comment se présente votre instrument lorsque vous l’aurez installé dans son boîtier. L’axe qui sort en bas à gauche est celui du potentiomètre R5, qui sert pour le réglage du zéro.

Figure 6: Photo du circuit imprimé vu du côté de l’afficheur LCD. Notez, en haut à gauche, le capteur de pression déjà en place sur les deux connecteurs femelles à 3 broches.

Figure 7 : Photo du circuit imprimé vu du côté des composants. De chaque côté du circuit intégré IC2, vous pouvez voir les deux trimmers multitours R9 et R21.

A propos du code des couleurs
Comme nous l’avons déjà dit, nous avons fait monter des prototypes à de jeunes étudiants et nous avons constaté que nombreux étaient ceux qui avaient des difficultés à déchiffrer les valeurs ohmiques des résistances.
Comme un rappel ne fait jamais de mal, dans la figure 8, nous avons reporté le code des couleurs, qui vous aidera à déterminer l’exacte valeur de toutes les résistances, y compris des résistances de précision. Vous pouvez le découper et l’afficher dans votre laboratoire.
Une résistance de 30 100 ohms à 1 % de tolérance, présente, si elles sont lues dans le bon ordre, les cinq couleurs suivantes :
orange - noir - marron - rouge et marron

En convertissant les quatre premières couleurs en chiffre, on obtient :
3 0 1 x 100 = 30 100 ohms

La dernière couleur de droite indique la tolérance :
marron = 1 donc tolérance de 1 %

Si vous essayez de déchiffrer la valeur de cette résistance en la retournant, la séquence des couleurs sera :
marron - rouge - marron - noir - orange

En convertissant les quatre premières couleurs, puis la couleur de tolérance, on obtiendrait :
1210 ohms avec une tolérance de 3 %

Comme dans ce montage, aucune résistance de 1 210 ohms n’est utilisée, il est facile d’en déduire que vous l’avez lue à l’envers.
En cas de doute, vous pouvez toujours établir si la résistance est de 30 100 ohms ou de 1 210 ohms, en la mesurant à l’aide d’un multimètre commuté en ohmmètre.

CODE DES COULEURS DES RÉSISTANCES

Figure 8: Comme dans ce montage plusieurs résistances de précision sont utilisées, nous vous donnons le code des couleurs.
Il vous permettra de déchiffrer leur valeur ohmique exacte. Vous pouvez le découper
pour l’afficher dans votre laboratoire.


La réalisation pratique
Cette petite mise au point terminée, vous pouvez à présent prendre le circuit imprimé et commencer le montage, en insérant les deux supports pour les circuits intégrés IC1 et IC2 en respectant leur sens d’implantation comme indiqué sur la figure 9.
Lorsque vous souderez leurs broches sur les pistes du circuit imprimé, évitez de déposer un excès d’étain, car vous courrez le risque de mettre en court-circuit deux pistes adjacentes.
Après cette opération, vous pouvez placer toutes les résistances. Afin de permettre un repérage immédiat des résistances de précision, sur le schéma pratique de câblage de la figure 9, nous avons repéré ces dernières à l’aide de trois traits jaunes.
Evidemment, ces traits ne permettent pas l’identification réelle de la valeur de ces résistances, que vous pouvez retrouver dans le tableau de la figure 8.
Avant de monter les deux trimmers multitours R9 et R21, il convient d’insérer, du côté opposé du circuit imprimé, les deux connecteurs femelles à 3 broches (barrette sécable), qui font office de support pour le capteur de pression (voir figure 10).
Après avoir soudé les pattes de ces connecteurs, vous pouvez insérer les deux trimmers multitours. A ce propos, pour ceux qui auraient des difficultés à déchiffrer toutes les inscriptions reportées sur leur corps, qui indiquent le modèle, la date de fabrication, etc., ce qu’il faut repérer c’est, en fait, uniquement le chiffre qui permet d’indiquer la valeur en ohms :
R9 = 103 = 10 000 ohms

R21 = 104 = 100 000 ohms

Vous pouvez revoir avec intérêt la leçon sur les résistances publiée dans ELM numéro 2, page 81 et suivantes.
Cette opération terminée, vous pouvez mettre en place les deux condensateurs céramiques, puis tous les polyesters et le condensateur électrolytique C4, en respectant la polarité +/– de ses deux pattes.
A proximité du trimmer R9, positionnez le transistor TR1, en orientant la partie plate de son boîtier vers la gauche.
Pour compléter le montage, il faut mettre en place l’afficheur LCD sur le côté opposé du circuit imprimé, ainsi que le potentiomètre professionnel R5, après en avoir raccourci l’axe (voir figure 10).
Aucun support n’étant disponible pour l’afficheur, en remplacement, nous avons réalisé deux connecteurs femelles de 20 broches avec de la barrette sécable.
Au lieu de souder ces deux connecteurs directement sur le circuit imprimé, nous vous conseillons de les insérer directement sur l’afficheur, après quoi, vous pouvez insérer le bloc ainsi constitué sur le circuit imprimé, en orientant le repère de positionnement vers la gauche (voir figure 10).
La soudure s’en trouvera nettement facilitée.
Ce repère de positionnement, est toujours constitué par une goutte en verre ou par une encoche en forme de “<” visible sur le contour interne de son corps (voir figure 14).
Pour ceux qui voudraient insérer en premier les connecteurs femelles sur le circuit imprimé, puis installer l’afficheur ensuite, nous leur conseillons de ne jamais appuyer avec les doigts sur la partie centrale du verre de l’afficheur, car il pourrait se briser.
Le montage terminé, avant de fixer cette carte à l’intérieur du coffret, vous devez insérer les deux circuits intégrés IC1 et IC2 dans leur support respectif en orientant leur repère-détrompeur en forme de U convenablement (voir figure 9).
Sur le côté opposé du circuit imprimé, installez dans son support le capteur de pression, en orientant son repèredétrompeur (DÉT.) vers le bas (voir figure 10).
Après avoir placé le circuit intégré IC2 dans son support, contrôlez que toutes les broches soient bien rentrées dans les lyres, car il arrive parfois que l’une d’elles sorte en se repliant vers l’intérieur ou vers l’extérieur.
Procurez-vous un coffret en plastique, pouvant contenir le circuit et la pile, avec une face en aluminium.
La face avant du coffret prévu pour l’altimètre est déjà percée et sérigraphié.
Sur cette face avant, fixez l’interrupteur à glissière S1 à l’aide de deux vis et de deux écrous, puis, placez-la sur le coffret avec quatre vis. Ces vis vous serviront également pour tenir écarté le circuit imprimé de la face avant à l’aide d’écrous (voir figure 13). Pour compléter le montage, il faut seulement relier au circuit imprimé, les deux fils qui partent des cosses de S1 et les fils rouge et noir de la prise de la pile 9 volts.

Figure 9 : Schéma d’implantation de l’altimètre vu du côté des composants. Les deux points tests TP1 situés sur le côté supérieur du circuit imprimé, vous serviront pour régler cet appareil, à l’aide d’un multimètre (lire le paragraphe “réglages de l’altimètre”).

Figure 10: Sur le côté opposé du circuit imprimé sont insérés les connecteurs femelles pour le capteur et pour l’afficheur LCD (voir repère de positionnement) ainsi que le potentiomètre R5 de réglage du zéro. Avant d’insérer le potentiomètre, il faut raccourcir son axe à 10 mm.

Figure 11 : Le montage du circuit terminé, vous devez le fixer à l’intérieur du boîtier plastique, en le bloquant sur la face avant en aluminium (voir figures 12 et 13).

Figure 12: La face avant est fixée sur le coffret au moyen de quatre vis en métal, que vous utiliserez aussi comme entretoises pour bloquer le circuit imprimé. Sur cette face avant, vous fixerez aussi le petit interrupteur à glissière S1 de mise en service.

Figure 13: Après avoir fixé la face avant sur le boîtier, vérifiez à quelle distance vous devez positionner les quatre écrous pour que les filetages dépassent suffisamment pour permettre la fixation du circuit imprimé tout en laissant dépasser légèrement le petit tube central du capteur de pression (voir figure 5).

Figure 14 : Lorsque vous installerez l’afficheur LCD sur le circuit imprimé, vous devez orienter la petite goutte en verre qui fait office de repère de positionnement, vers la gauche (voir figure 10).

Figure 15 : Brochages du circuit intégré LM358 vu de dessus et du transistor BC547 vu de dessous.

Réglage de l’altimètre
Le montage de l’altimètre étant terminé, vous pouvez le régler, avec ou sans multimètre.

Important : le réglage est effectué en tenant le circuit à quelques centimètres de hauteur du sol.

Si vous habitez au deuxième étage d’un immeuble, situé à 4 mètres de hauteur, vous ne devez pas le régler pour faire apparaître 000, mais de manière à faire apparaître 004 mètres et si vous réglez l’appareil sur une table de 1 mètre de hauteur, vous devez tenir compte également de cette hauteur ; ainsi, vous devez régler l’appareil de façon à faire apparaître sur l’afficheur 4 + 1 = 5 mètres.
Si vous ne voulez pas utiliser le multimètre, vous devez tourner l’axe du potentiomètre R5 à mi-course, puis le trimmer multitours R9 de 10 000 ohms jusqu’à l’apparition sur l’afficheur du chiffre 000.
Comme nous l’avons déjà indiqué, vous ne devez faire apparaître ce chiffre que si vous vous trouvez au niveau du sol.
Pour régler le trimmer multitours R21 de 100000 ohms, vous devez vous placer à une hauteur d’au moins 30 ou 40 mètres, car plus haut vous serez, plus faible sera la tolérance de lecture.
Admettons que vous soyez montés en haut d’un immeuble d’une hauteur de 32 mètres, vous devez tourner le curseur de ce trimmer jusqu’à ce qu’apparaisse le chiffre 32.
Si vous voulez effectuer les réglages en utilisant un multimètre, vous devez relier ses pointes aux deux points TP1, situés sur le circuit imprimé, après quoi, il faut tourner le curseur du trimmer R21 de 100 000 ohms, jusqu’au moment où vous lirez une tension de 0,46 volt.
Cette tension obtenue, tournez l’axe du potentiomètre R5 à mi-course, puis le curseur du trimmer R9 de 100 000 ohms, jusqu’au moment où vous lirez 000 sur l’afficheur.
Nous répétons, que vous ne devez faire apparaître ce chiffre que si vous êtes au raz du sol.
Si, durant la phase de réglages, le chiffre –000 apparaît, vous pouvez considérer ce chiffre comme valide, car l’erreur maximum que vous obtiendrez, se situe autours des 0,5 mètre.
Partons du principe que l’altimètre est correctement réglé.
Le lendemain, vous allumez l’appareil et vous voyez apparaître sur l’afficheur 002 ou bien –002, cela ne signifie pas qu’il se soit déréglé mais seulement que la pression atmosphérique a changé. Dans ce cas, pour faire apparaître de nouveau le chiffre 000, vous devez seulement tourner l’axe du potentiomètre R5 de mise à zéro.
Il en est de même, si vous avez fait vos réglages à 720 mètres et que l’afficheur, le lendemain, indique 722 ou 718 mètres. Avec le potentiomètre R5, ramenez le réglage à 720.

Conclusion
Cet altimètre n’a rien à envier aux altimètres commerciaux. Sa marge d’erreur de ±2,5 % est tout à fait acceptable.
En disposant d’une carte d’état major, vous pourrez vérifier l’exactitude des courbes de niveau mais également la précision de votre appareil.

1 commentaires:

  1. bonjour je suis italien, je voulais savoir si lcd s5018 / p est alimenté par 5 V ou en partie, comme l'a fait dans votre régime?

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