On peut assez facilement construire un oxymètre à bon marché et simple d'utilisation en adaptant un voltmètre de tableau à une sonde d'oxygène type pile à oxygène.
Un voltmètre de tableau coute environ 5 euro chez un revendeur d'electronique, une sonde (du genre RC 17 D) coute 70 USD chez Teledyne Analytical.
On obtient ainsi un appareil bon marché, robuste (si vous choisissez un boitier costaux), totalement analogique et facilement adaptable à vos besoins.
Ce type d'opération est décrit dans le livre de Vance Harlow (L), sur un excellent site web(L) , et la société Oxycheq (L) vends un kit qui utilise ce système (oxymètre "EL CHEAPO").
Malheureusement dans le livre V Harlow, la manoeuvre est expliquée sur un type de voltmètre (PM 128) que je ne suis pas parvenu à trouver.De plus les modules voltmètre sont produit en d'inombrables variantes et la recette pour un module n'est pas transposable à un autre.
De plus depuis que ces méthodes ont été decrites de nouvelles sondes sont arrivées sur le marché qui peuvent nous dispenser de faire des bricolages délicats dans les tripes des voltmetres de tableau.
Donc en fait ici je vais essayer de décrire deux méthodes :
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Plusieurs fournisseurs (L) vendent des sondes qui fonctionnent sur ce principe. Une pile à oxygène est incorporée dans une sonde, elle est doté de composants additionnels (thermistance) qui lui assure une réponse indépendante de la température.
A partir de là, la mesure du taux d'oxygène se résume à mesurer une tension.
Les choses sont un tout petit plus complexes : la sonde n'a pas une réponse constante dans le temps (c'est une pile : elle s'use). et entre deux sondes du même modèle il y à une dispersion des tensions de sorties.
Cela oblige à rajouter un système de calibration qui va permettre à l'opérateur, de regler l'appareil, en se basant sur un gaz de référence, avant chaque séries de mesures.
De plus il n'y a pas de raison que la pile nous donne une tension qui soit utilisable pour un affichage direct : si une pile sort 8.5 mV pour 21 % d'Oxygène, à moins d'être un dieu des règles de trois, un appareil à lecture directe ne sera pas vraiment très commode.
Ce qui nous amène au schéma général suivant :
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| Principe d'un oxymètre à pile à combustible |
Le volmetre devra avoir une echelle adaptée pour afficher 100 quand la pile est sous oxygène pur (ou 21 quand la pile est à l'air)..
Cette sonde existe, au moins chez un fabricant : c'est la R33 D de chez Teledyne Analytical instrument (L). D'ailleurs elle est conçue spécialement pour ça : c'est même marquée dans sa notice... Allez voir leur page "OEM" et "DIVING".
Dans ce cas le schèma de l'analyseur devrait se limiter la figure suivante.
Ce qu'il va falloir faire
Construire un oxymètre consiste donc à trouver une sonde, un voltmètre, à adapter la gamme d'affichage du voltmètre à la gamme de tension de la sonde et à doter le tout d'un système de calibration.
La solution de facilité
La solution idéale est de choisir une sonde ayant une tension de sortie assez grande, pour pouvoir la brancher directement à un voltmètre du commerce. Sachant que les modules voltmètres ont en général une tension d'entrée entre 0 et 200 mV, il nous faut une sonde qui délivre au moins 21 mV à l'air pour qu'un affichage direct soit possible.
Cette sonde sort 25 mV théorique sous air.
Avec elle on pourra utiliser un voltmètre normal en le faisant précéder d'un circuit de calibration constituée d'un simple pont diviseur à potentiomètre.
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Réalisation directe avec une sonde à forte tension de sortie :
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Donc si vous n'avez pas de bonnes raisons de vous lancer dans le "hacking" de modules electroniques, la meilleure solution est celle là : achetez une sonde R33, un module voltmètre de base, un potard et deux resistances et vous branchez tout comme dans les notices.
Il vous faudra quand même une petit fer à souder pour faire les connections au voltmètre et à la sonde.
Tous les modules voltmètres du commerce sont fait pour avoir une gamme de mesure entre 0 et 200 mV. Les sondes d'oxygène donnent 10 mV pour de l'air (~20% d'O2) et donc à peu près 50 mV pour de l'O2 pur.
Il va donc falloir adapter la gamme de fonctionnement de ces modules pour les utiliser avec une sonde.
Donc nous allons nous passer d'un ampli d'entrée en modifiant deux ou trois petite chose DANS le module pour l'adapter à la gamme 0-100 mv.
Les chapitres suivants décrivent comment faire les modifs a executer sur un module voltmètre de tableau pour modifier sa gamme de tension d'entrée.
Il vaut mieux prendre des modules "génériques" que des modules de marques : ils sont moins cher, et en général les fabriquants ont fait au plus simple. Donc ils ont plus de chance de ressembler à ce que je vous décrit.
La méthode compliquée
Trop facile tout ça.
On peut souhaiter ne pas utiliser une sonde spéciale à forte tension de sortie mais utiliser une sonde plus classique qui ne débite que 10 mV à l'air :
Mais ici il nous faudrait un amplificateur (de gain 2 par exemple). Et pour réaliser un ampli qui fait du bon travail sur des tensions aussi petites, ce n'est pas si facile.
Matériel nécessaire
Outils :
Composants :
Identification du module
Voici les photos de plusieurs versions du genre de module qui nous interesse.
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| Le module de mon oxymètre (origine CONRAD) |
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| Une photo de module récupérée sur le web,(L) |
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| Un autre module acheté chez un détaillant d'elec (que j'ai grillé en faisant mes essais. Essais, erreurs... |
On note que malgré des désignation très proches (PM 438) la construction est à chaque fois différente...
Par contre on note sur le premier module (zone 2) la référence du circuit intégré utilisé (7106).
Le circuit ICL 7106
Le 7106 est un convertisseur numérique analogique très classique. Il a été sorti par INTERSIL il y a une grosse (très grosse) vingtaine d'années.
Malgré son age il reste le standard pour la réalisation des coeurs de voltmètres digitaux : tous les voltmetres que j'ai eu en main l'utilisent, du petit module de tableau à 5 euros au multimètre pro à 300 euros.
Voici une copie de son datasheet complet.
L'explication du fonctionnement du circuit est bien détaillée, c'est un composant qui date de l'époque où on pouvait encore comprendre les notices...
En fait tous les modules du commerce se sont contentés de copier (avec de toutes petites adaptations) la note d'application du datasheet. Voici le plan de base.
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| Plan typique d'un module voltmètre d'après le datasheet |
ATTENTION : les n° de broches sur ce plan sont celles qui correspondent au boitiers DIL. Il y a peu de chance que vous rencontrier un boitiers de ce genre sur un afficheur moderne. Donc tenez comptes des dénominations des broches (REF HI, REF LO...) et pas des n°.
Le convertisseur se base sur une référence de tension (entre REF HI et COMMON). Un pont diviseur réalisé par le potard de 1K Ohm et la résistance de 22 K Ohm règle cette tension.
Pour avoir une gamme de mesure de 200 mV la tension de référence doit être de 100 mv.
La tension de référence de base est de 2,8 V, donc pour obtenir les 100 mV le ponts a logiquement un rapport de l'ordre de 30. C'est ce pont diviseur que nous allons devoir trouver et modifier pour adapter notre voltmètre.
En modifiant la valeur de ces composants on peut adapter la gamme de mesure du voltmètre.
Reste à identifier ces composants sur le module et à trouver un moyen de les remplacer...
Retro ingenierie d'un module voltmètre
On va essayer d'identifier un maximum de composants pour connaître un peu notre module.
Les broches les plus caractèristiques sont en général les alims, les broches d'entrées, les entéres du circuits de calibartions avec son potentiomètre.
Le circuit intégré
De ce point de vue les modules comme l'exemple 1 et 3 seront bien plus sympathiques : les broches de l'ICL 7106 sont directement visible.
Elle correspondent peut être (on peut réver) à un brochage du type MQFP tel que le donne le data sheet.
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| Brochage du 7106 |
Reste à en être sur, et à trouver où est la broche n° 1.
Premier constat : il manque deux broches. Il devrait y en avoir 44 et on n'en compte que 42.
C'est assez logique : le boitiers MQFP a deux broches non connectées (1 et 2) dans ce type de montage (chip directement collé sur le CI) on ne crée pas un pad pour une broche NC.
On peut essayer d'dentifier un maximum de broche, un multimetre en fonction testeur de continuité va nous servir.
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| Broches +9 V et masse. |
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| Broches +9 V et masse. |
Bonne nouvelle, il semble que sur les deux modèles le brochage soit identique.
Mauvaise nouvelle, il ne correspond pas exactement au boitier MQFP.
En fait les modules ont une petite variation par rapport au plan de la note : le diviseur de tension de reglage est constitué de deux resistance et d'un potentiomètre. Ainsi la plage de réglage est limitée à environ 25% de la pleine gamme, ce qui rend le réglage plus précis.
En farfouillant au testeur de continuité on découvre les circuits suivants :
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| Circuit d'étalonnage. |
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| Circuit d'étalonnage. |
Ce qui nous permet d'dentifier les broches :
Ce qui signifie que les circuits d'étalonnage sont constitués ainsi :
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| Schema du circuit d'étalonnage. |
Attention les n° des broches correspondent encore à un boitier DIL donc sans interêt pour nous.
La résistance R4 n'existe pas dans l'un des deux module.
Ceci ne change rien pour nous : le pont diviseur qui nous interesse est (R3+R1/R2)
Les valeurs de résistances sont parfois indiquées sur le CI, parfois il faut les lire sur le boitiers luis même. Noter que les résistances CMS ont leur valeurs ecrites de la façon suivantes : les deux premiers chiffres en tout lettre, le troisième chiffre indiquant le nombre de ZERO à mettre après les deux premiers chiffre (Ex : 911 signifie 910 Ohm)
La bonne nouvelle c'est que les brochages sont identiques et qu'ils respectent l'ordre de broches du MQFP.
Il y a plusieurs façons de faire cette modif. Dans le livre de V Harlow il est préconisé de dessouder la resistance de 910 Ohm, et de la remplacer par un potard de 100 Ohm et une resistance de 380 ou 360 Ohm. Dans le site que je vous donne en référence il est préconisé de dessouder la résistance de 30 K Ohm et de la remplacer par un 62 K Ohm...
Personellement j'ai choisi une méthode qui m'évite de dessouder la resistance CMS. Ce n'est pas très facile et en plus sur mon module elle est assez mal placée.
C'est presque joué car il reste à determiner la valeur des resistances et du potard à mettre en place...
Avec notre sonde la pleine echelle est à 50 mV. Mais pour la pleine echelle on souhaite que l'afficheur indique 1000 (pour lire directement 100%) et non 2000. Donc la tension de référence devra être de 50 mV. Le pont devra avoir une rapport de l'ordre de 60.
On ne mettra pas un potard de cette valeur car le reglage serait trop peu precis : on va scinder cette résistance en une partie fixe et une partie variable qui nous donnera une excursion suffisante mais pas trop du réglage.
Pour être tout à fait franc, j'ai determiné mes resistance en mettant un domino sur les deux fils en connectant la sonde et en essayant des résistances. Aprés tatonement j'ai choisi d'utiliser un potard de 300 Ohm en serie avec une resistance de 1 K Ohm.
Donc au bout du compte mon circuit modifié ressemble à ça :
On pourra continuer à confirmer l'identification des broches en repérant les IN_LO et IN_HI en partant des picots d'entrées du module.
Un autre circuit caractéristique est le circuit du condesateur d'intégration entre les broches AZ, BUFF et INT : la capacité d'intégration doit être réalisée avec un condensateur de bonne qualité et d'assez forte valeur, ce qui amène en général à un composant volumineux : le gros condo orange que l'on voit sur tous les modules.
Opération de modification
On voit qu'on pourra modifier la gamme de mesure en modifiant la branche R1+R3 du pont diviseur.
Il n'y a pas UNE bonne méthode : du moment que vous donnez au pont diviseur un rapport de 60 au lieu de 30 et que vous mettez quelques part un système de calibration ça marche. A vous de choisir celle que vous préferez.
Donc j'ai choisi de me mettre en paralléle de cette résistance sans la démonter.
La justification de ce choix est uniquement que cela me permet de souder avec mes gros doigt et mes deux mains gauches sur des pads assez confortables...
Il me suffit de souder deux fils souples, respectivement sur l'une des broches du potard et sur le pad REF HIGH du ICL 7106 et le tour est presque joué.
Le montage normal fourni au centre du diviseur une tension de 100 mV pour obtenir une gamme de mesure de 200 mv.
On voit d'ailleurs que ce pont à un rapport d'environ 30, ce qui est logique puisque la tension de référence interne fabriquée par le ICL 7106 est de 2,8 V. Or 2,8/30 = 93 mV.
Donc la resistance sur le pont devra être de l'ordre de 500 Ohm.
Comme on laisse le potard en place en le calant sur une valeur moyenne (100 Ohm) il faut abaisser R3 à 400 Ohm, donc la valeur à mettre en paralléle devra être de l'ordre de 1125 Ohm.
Si vous objectez qu'un potard de 300 Ohm ça n'existe pas et bien sachez que je l'ai réaliser en prenant un potard de 470 Ohm et en lui rajoutant une résistance de 1 K Ohm en paralléle.
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| Schema du circuit d'étalonnage modifié. |
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Point de piquage du circuit de calibrage externe.
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Et le système marche.
Le trimmer d'origine du module est calé dans une position telle que mon potentiometre de calibration étant à peu près au centre on affiche 20% avec la sonde à l'air pur.
Normalement avec une sonde RC 17 D neuve, qui délivre 10 mV à l'air on a une gamme de réglage allant de 18,5 à 24% environ. Ceci permettra de continuer à se calibrer au fur et à mesure du viellissement de la sonde.
Il est fort possible que vous ayez à faire des ajustement en foction des tolérances de vos composants.
Avec les deux autres exemples de modules les points de piquage devraient être :
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| Point de piquage du circuit de calibrage externe. NON TESTE : vérifier par vous même avant de vous lancer... |
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| Point de piquage du circuit de calibrage externe. NON TESTE : vérifier par vous même avant de vous lancer... |
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| Cablage général |
www.magnificentrelief.com/
SOURCES for Regulator Parts and Tools
www.airspeedpress.com
Airspeed Press publishes books on diving-related subjects for the adventurous or curious diver.
OXYCHEQ
OxyCheq ... the diver's source for oxygen sensors, rebreather parts and oxygen analyzers.
Page for "EL CHEAPO" kit
http://www.teledyne-ai.com/
Teledyne Analytical Instruments : gas sensors, analysers...
La page "DIVING" pour les capteurs vendu comme composants.
Xavier Fenard electronic website
http://xavier.fenard.free.fr/AlimPCVoltmetre.htm
Website about electronics (in french)
Another very good description of an oxymeter construction
Technical Notes for the ICL 7106 LCD A/D Converter