TP instrumentation et mesures – M. Moreira

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TP 3 Comprendre l’amplification des faibles courants

Le but du TP est de comprendre comment on amplifie les faibles courants en spectrométrie de masse. Il s’agit ici de simuler une cage de faraday et son système d’amplification et de mesure de tension. Pour le TP, on utilisera un microcontrôleur de type Arduino comme voltmètre et comme alimentation électrique du montage. En pratique, les montages sur les spectromètres de masse sont bien entendus plus performants, mais le montage que nous effectuerons lors du TP est largement suffisant pour la compréhension du principe général.

1. La cage de Faraday en spectrométrie de masse La cage de faraday est un élément essentiel des spectromètres de masse. En effet, avec les multiplicateurs d’électrons utilisés pour les isotopes très peu abondants, c’est le moyen qui est utilisé pour mesurer l’intensité des faisceaux d’ions. Le faisceau d’ions qui arrivent dans la cage de Faraday produit un excès de charge, produisant un courant qui va donc pouvoir être mesuré pour déterminer le nombre d’ions. Un ion positif, s’il est simplement ionisé, a une charge élémentaire q=1.602 10-19 coulombs (1A=1C/ s). Si on a flux continu d’ions qui arrivent dans la cage de faraday, par exemple 108 ions/s, le courant va alors être de 1.602 10-11 A, ce qui est très faible. Même si on peut utiliser des ampèremètres, on utilise généralement des voltmètres (0-10V ou 0-30V, voir 0-50V) pour déterminer l’abondances des isotopes, et il faut alors transformer le courant en tension. L’idée générale est d’utiliser une résistance qui va faire ce travail. Par exemple si on utilise une résistance de 1011 ohms, ce signal de 1.602 10-11 A va produire une tension de 1.6 volts (U=RI), qui ait aisément mesurable avec précision.

2. Comment amplifier les faibles courants En pratique, on ne peut pas juste mettre une résistance en sortie de cage de Faraday pour amplifier le courant et le transformer en tension. On va utiliser un montage à base d’amplificateur opérationnel, même si en termes de résultat final, c’est bien la loi d’ohm qu’on va utiliser. Les amplificateurs opérationnels sont des circuits intégrés qui servent à de multitudes de circuits électroniques. Ça n’est pas l’objet du TP d’étudier ce composant en détail. Mais on peut simplement dire que ces composants peuvent amplifier la différence de potentiel entre ses deux entrées (- et +) et donc sont très utilisés en instrumentation (ex du pH-mètre). Ici, il sera utilisé comme convertisseur courant-tension grâce à une résistance. Comme tout circuit intégré, il doit être alimenté. Pour le TP, le composant choisi sera alimenté en 5V. Attention : ce composant ne pourra pas amplifier plus que sa tension d’alimentation (cad pour nous : 5V), voir même moins !!! on aura un effet de « saturation » dont il faudra tenir compte. Le montage classique qui est utilisé est le suivant. Il s’agit d’une résistance R1 en parallèle avec un condensateur C1, qui sont connectés à l’entrée inverseuse (V-) et à la sortie de l’amplificateur

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opérationnel (Ouput). Ce type de montage permet de transformer le courant en tension (Vout) qui peut être mesuré. Le condensateur C1 sert à « filtrer » le signal.

3. Simuler une cage de Faraday Pour simuler une cage de faraday et son faisceau d’ions incident, nous allons utiliser une photodiode (ici BPW34), qui émet un courant lorsqu’elle est exposée à des photons (~panneaux solaires). L’ordre de grandeur du courant émis par ces photodiodes dans des conditions de laboratoire va être de l’ordre de quelques µA. Nous utiliserons le montage suivant. Les composants à utiliser sont donnés pour ce montage. L’objectif est de mesurer Vout grâce à l’Arduino. Connaissant R1, on déterminera alors i. La photodiode simule ici une cage de

Faraday en émettant un faible courant. On aura plusieurs résistances au choix, pour adapter la valeur de la tension que l’on mesurera avec le plus de précision. Le condensateur est un composant électronique qui « stocke » des charges électriques, de façon proportionnelle à la tension qui lui est appliquée. Il est généralement utilisé pour stabiliser des alimentations électriques ou filtrer des signaux par exemple. On pourra tester le montage avec ou sans ce composant.

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QUESTIONS

QUESTION 1 : Réaliser le montage et mesurer la tension Vout en fonction de l’éclairage de la photodiode (dans le noir, puis avec une lampe ou le flash des téléphones portables). Il faut écrire un code simple pour l’Arduino (en utilisant analogRead(A0)). On peut aussi remplacer la résitance par d’autres ayant des valeurs différentes. QUESTION 2 : On va améliorer le montage pour pouvoir basculer entre deux valeurs de résistances selon la luminosité de la pièce ou de l’éclairage de la photodiode. On va le faire soit mécaniquement avec un bouton pressoir, soit avec l’Arduino et une sortie digitale qui alimente un optocoupleur. Le montage est donné ci-dessous

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Comment lire le schéma de l’amplificateur opérationnel ?

L’amplificateur opérationnel LM358. Pour nous Vcc- = GND. (e+ = V+ et e- = V- ; S = output) Le placer sur la platine de test : Un coté du composant à droite de la ligne médiane et l’autre coté à gauche.

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L’optocoupleur 4N25 L’optocoupleur est un circuit intégré qui, alimenté en 5V, laisse passer le courant entre les bornes 4 et 5. C’est utilisé comme relais isolé électriquement. Entre 1 et 2, il y a une diode qui est electroluminescente et émet ainsi de la lumière lorsqu’un courant passe et au-delà d’une tension seuil. Cette lumière est reçue par un phototransistor qui laisse alors passer ou non le courant. Une diode doit toujours être protégée par une résistance (ici 1k ohms) qui limite le courant qui passe à travers elle. Code Arduino pour lire la tension sortant de l’amplificateur opérationnel en alternant l’ouverture et la fermeture du relais (optocoupleur) permettant de modifier la valeur de la résistance int n; float V; void setup() {

Serial.begin(9600); pinMode(8,OUTPUT); // définit le mode du connecteur D8 : en sortie ou en entrée

} void loop() {

digitalWrite(8,1); // Envoi de 5V sur le connecteur D8 delay(50); for (int k=0;k<50;k++){

n=analogRead(A0); V=n/1023.0*5000.0; // calcul de la tension donnée par l’ADC sur A0 Serial.println(V); delay(50);

} delay(1000); digitalWrite(8,0); // Envoi de 0V sur le connecteur D8 delay(50); for (int k=0;k<50;k++){

n=analogRead(A0); V=n/1023.0*5000.0; Serial.println(V); delay(50);

} delay(1000);

}

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Informations sur la photodiode

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Codes pour Arduino Lecture de la tension et calcul de la valeur du courant

int n; float voltage; float R; //résistance void setup() {

Serial.begin(9600); R=100000;

} void loop() {

n=analogRead(A0); voltage=n/1023.0*5.0; Serial.println(voltage); float I = voltage/R; Serial.println(I); Serial.println("***"); delay(1000);

}

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On peut améliorer le code en faisant une moyenne et en calculant un écart-type de 15 valeurs par exemple (en supposant l’éclairage constant) : Il n’y a pas de fonction pour Arduino, il faut faire le calcul dans le code lui-même ou bien utiliser la librarie Average: Télécharger la librairie ZIP Average :

https://github.com/MajenkoLibraries/Average

le code pour la moyenne et l’écart-type

#include <Average.h> Average<float> donnees(15); int s; void setup() {

Serial.begin(9600); } void loop() {

for (int i=0;i<15; i++){ s=analogRead(A0); Serial.print(s); Serial.print(";"); donnees.push(s); delay(100); } Serial.println(""); Serial.println("***************"); Serial.print("Moyenne : "); Serial.println(donnees.mean()); Serial.print("ecartype : "); Serial.println(donnees.stddev()); Serial.println("***************"); delay(1000);

}