(EGT, page mise à jour par Benjamin le 29/09/2022)
La température des gaz d’échappement (ou EGT, pour Exhaust Gaz Temperature) est un des nombreux paramètres qu’il est possible de prendre en compte pour la surveillance du fonctionnement d’un moteur d’avion. Cette température est corrélée au rapport air-essence du mélange qui est introduit dans les cylindres. Le dosage parfait air-essence est celui qui assure une combustion complète. C’est aussi celui qui entraîne la température maximale des gaz d’échappement. Avec un mélange appauvri ou enrichi par rapport à ce rapport idéal, on observe une diminution de la température des gaz d’échappement. Il n’est pas dans notre propos ici de discuter de l’intérêt ou non de la surveillance des EGT, les experts eux-mêmes peuvent avoir des avis totalement divergents sur ce sujet. Nous nous contenterons d’exposer la technique de mesure.
Les thermocouples
Compte tenu des températures à évaluer, pouvant approcher 900°C, les capteurs utilisés sont des thermocouples. Le principe très simplifié des thermocouples est le suivant : en chauffant la jonction de deux métaux différents, il apparait une tension entre leurs extrémités non jointes (fig. 1). C’est ce qu’on appelle l’effet thermoélectrique. Tous les couples de métaux différents présentent cet effet.
Il existe de nombreux type de thermocouples, en fonction des métaux utilisés. Ceux qui nous intéressent ici sont les thermocouples de type K (fig. 2), où les métaux utilisés sont le Chromel et l’Alumel. Ils peuvent évaluer des températures jusqu’à plus de 1300°C. La tension générée est très faible, de l’ordre de 40µV/degré C, avec une réponse quasiment linéaire entre 0°C et 1000°C, donc quasiment proportionnelle à la température. Une tension de sortie aussi faible rend les thermocouples particulièrement sensibles aux interférences électromagnétiques, d’où l’importance du blindage sous la forme d’une tresse métallique protégeant les fils. Les thermocouples que nous utilisons sont disponibles ici.
Les amplificateurs de thermocouples
Les convertisseurs analogiques-numériques des microcontrôleurs ne sont pas capables de mesurer directement les très faibles tensions générées par les thermocouples. Une amplification préalable est donc nécessaire, ainsi qu’une correction de la non linéarité. Par ailleurs, le circuit amplificateur doit aussi tenir compte des jonctions entre les connecteurs (généralement en cuivre) et les fils de Chromel et d’Alumel, lesquelles jonctions (dites froides) se comportent également comme des thermocouples et génèrent des tensions parasites. On parle de compensation de la jonction froide. Pour faire cette compensation, l’amplificateur de thermocouple intègre un capteur de température qui mesure la température des jonctions froides. Ces dernières doivent donc être placées à proximité immédiate de l’amplificateur. Les jonctions froides Chromel-cuivre et Alumel cuivre nécessitent des connecteurs spécifiques (fig. 3).
Il existe deux types principaux d’amplificateurs de thermocouples : analogiques et numériques. Les amplificateurs analogiques fournissent en sortie une tension généralement comprise entre 0 et 5 volts, tension strictement proportionnelle à la température mesurée après compensation froide. Le microcontrôleur doit ensuite mesurer cette tension grâce à un convertisseur analogique-numérique, puis faire une simple conversion pour obtenir la température. Un bon exemple d’amplificateur analogique est le AD8495, c’est celui que nous utilisons.
Les amplificateurs numériques comme le MAX31850, le MAX31855, et le MCP9600, pour citer les plus répandus, fournissent directement en sortie une mesure en degrés, transmise au microcontrôleur via un bus SPI, I2C ou 1-Wire, ce qui semble plus simple qu’avec un amplificateur analogique. Mais certains amplificateurs numériques présentent malheureusement un inconvénient important, car ils nécessitent des thermocouples isolés de la masse, rares, difficiles à trouver et chers. Les thermocouples habituellement utilisés sur les avions ne sont pas isolés, et ne sont donc pas compatibles avec ces amplificateurs numériques. En effet, pour fonctionner correctement, ils ne devraient alors ni partager entre eux la même masse, ni partager la masse générale de l’avion, ce qui est bien sûr impossible. Pour cette raison, nous avons fait le choix d’utiliser l’amplificateur analogique AD8495, sur une breakout board Adafruit.
Pour surveiller les EGT des deux cylindres arrières (cylindres 3 et 4) du Rotax 912, nous avons associé sur un petit circuit imprimé deux cartes AD8495, et deux connecteurs femelles pour thermocouple, disponibles ici (fig. 4)
Alimentée en 5 volts, la plage de température de la carte Adafruit s’étend de -250°C à +750°C, ce qui est insuffisant puisque la température maximale autorisée pour les EGT du Rotax 912 est de 880°C. La plage de température mesurable par le circuit AD8495 peut en fait s’étendre de 0°C à 1000°C. Une modification de la carte Adafruit est donc nécessaire. Le but est de supprimer l’offset qui est introduit sur cette carte au niveau de la broche REF de l’AD8495, via un régulateur shunt TLVH431 et une résistance de 1k. Le but de cet offset était de permettre la mesure de températures négatives qui ne nous concerne pas. Une fois le régulateur et la résistance ôtés, la broche REF doit ensuite être reliée à la masse, voir la figure 5 ci-dessous. Compte tenu de la petite taille des composants montés en surface, un moyen de grossissement optique est nécessaire, loupes binoculaires (mini x3.5) ou stéréo-microscope (max x10).
Les cartes Adafruit étant alimentées en 5 volts, on recueille sur leur broche OUT une tension proportionnelle à la température du thermocouple, comprise entre 0 et 5 volts, à raison de 5 mV par degré C. Il convient de ramener la plage de sortie de 0 à 5V à une plage de 0 à 3.3V avant de connecter cette tension sur une broche analogique de la carte Teensy 4.1 utilisée dans notre EMS. L’étage d’entrée EGT de l’EMS est visible sur la figure 6 ci-dessous.
Cet étage d’entrée comprend deux amplificateurs opérationnels (AOp) TLV271. Le premier (U5), alimenté en 5 volts (comme le signal de sortie des AD8495) est monté en suiveur, recopiant exactement la tension d’entrée sur sa broche de sortie. Il permet l’adaptation à l’impédance de sortie de l’AD8495, sa propre impédance de sortie quasi nulle permet d’alimenter le pont de résistance R5-R6 sans risque de chute de tension liée au pont. Les valeurs de R5 et R6 sont choisies pour ramener une tension de 5 volts à 3.3 volts :
5 volts x R6/(R5+R6)=3.3 volts.
Le deuxième AOp (U3) est alimenté en 3.3 volts, il est également monté en suiveur sur le même principe. Son impédance d’entrée quasi infinie permet de ne pas influer sur la tension de sortie du pont, et son impédance de sortie quasi nulle alimente la broche analogique du microcontrôleur, en la protégeant de tout risque de tension supérieure à 3.3 volts.
Le code qui permet de calculer la valeur EGT en degrés C sur une carte Teensy 4.1 est le suivant, il s’agit d’un extrait de notre programme d’EMS :
#define pinEGT3 A17
float EGT3;
void setup() {
pinMode(pinEGT3, INPUT_DISABLE);
}
void loop() {
// .......
int analogValue = analogRead(pinEGT3);
EGT3 = (analogValue*5/1023.0)/0.005;
// ........
}La sortie de l’AOp U3 est reliée à la broche analogique A17 de la Teensy 4.1. Dans le setup, on indique explicitement que cette broche ne doit pas recevoir de signal digital. La lecture par analogRead() de A17 est très classique, le résultat est une valeur sur 10 bits, comprise entre 0 et 1023. Cette valeur est d’abord ramenée à une tension comprise entre 0 et 5 volts (comme la sortie de l’AD8495), puis cette tension est divisée par 5 mV pour obtenir la valeur de la température. On rappelle qu’en sortie d’AD8495, 5 mV correspondent à 1°C.