Dans le cadre de leur travail, notamment pour réaliser des analyses géochimiques, les géologues peuvent avoir besoin d’échantillonner des gaz. Pour cela, ils utilisent des petits tubes, appelés vacutainers, qui doivent être à vide avant prélèvement. Ils s’en procurent dans des laboratoires, cependant la quantité de vide n’est jamais indiquée et la mise à vide est parfois mal réalisée. C’est problématique car cela entraîne de mauvais prélèvement et donc de la perte de données. Le vide est une notion relative : c’est en réalité une pression d’air très faible. On s’est donc demandé: Comment contrôler et mesurer la quantité de vide, créée par une pompe, dans un vacutainer ? Ainsi, le but est de fabriquer un dispositif digital permettant de contrôler et mesurer la quantité de vide, donc la pression, dans un vacutainer.

Fig 0: Photo d'un prélèvement de gaz sur le terrain

Aimie Doriath Döhler (aimie2.dodo@gmail.com)

Petr Zverev (zverev.pioter201@gmail.com)

Commanditaire: Damien Do Couto (aka Le Vénérable Lézard Bleu)

Vidéo du fonctionnement du montage final:

MATERIELS ET METHODES

Liste matériels :

• Capteur de sous-pression MPXV6115V (-15 à 100kPa +- 17,25 mbar)
• Carte Arduino UNO
• Vacutainer
• Pompe à vide
• Tubes en silicon
• Fils électriques
• Connecteur en T

Notice du capteur : mpxv6115v.pdf

Comment fonctionne le capteur ?

Il mesure la différence de pression entre l’atmosphère et l’intérieur du tube. A l’intérieur du capteur, il y a un fil, sensible à cette différence de pression, tendu sur une membrane. Si la différence est importante, le fil est plus tendu donc la tension reçue est plus forte. Le voltage est converti en pression par une conversion spécifique à chaque capteur (on peut la trouver dans la notice).

Code Arduino : code_arduino_capteur_mpxv_6115_v.pdf

Schéma du montage :

Fig 1: Schéma du montage final

RÉSULTATS

La pompe permet de descendre à 240 mbar. Si le vacutainer est retiré alors que la pompe est encore active, les fuites sont négligeables. Donc la pression dans le vacutainer est de 240 mbar +- 17mbar.

CONCLUSION

Le système fonctionne. Une pression de 240 mbar est atteinte et contrôlée.

Des améliorations sont possibles :

• Une pompe qui peut descendre en dessous de 240 mbar pour améliorer le niveau de vide.
• Un rétrocontrôle par Arduino de la pompe, c’est-à-dire qu’elle soit automatique éteinte une fois qu’une pression seuil est atteinte. (En effet, une pression trop importante pourrait faire imploser les vacutainers).
• Un remplacement des tubes en plastiques par des tubes en métal.

Pour commencer on a pris un capteur de température qui fait varier la résistance et on l’a branché sur Arduino. Grâce au ohm-mètre on a également identifié les bornes sur lesquelles on mesure la tension. On sait maintenant sur quelles bornes on reçoit le signal sur Adruino. Dans le programme il va falloir convertir les volts en °C. Température=Valeur_tension*(5/1023*100)

Fig 2: Schéma du circuit du thermomètre.

La précision n’est sûrement pas suffisante. Même avec une résistance de 10K, les valeurs digitales affichées varient entre 300 et 260 (avant conversion en degrés Celsius).

À faire: contacter Damien Do Couto pour lui demander si le capteur qu’a trouvé Pierre Thery est compatible avec la gamme de pression des fioles et quelle est cette gamme.

Le lundi Damien Do Couto a validé le choix du capteur proposé par Pierre Thery. On l'aura peut être d'ici vendredi. Le mardi on a participé à l'atelier “Initiation à Arduino” au FabLab pour mieux comprendre son fonctionnement et pouvoir l'utiliser plus facilement pour le vacuomètre.

Fig 3: Schéma du montage du capteur MPX5700AP avec l'amplificateur

Ayant reçu le capteur Grove Integrated Pressure Sensor (MPX5700AP), on a lu la notice pour avoir le schéma de branchement du capteur de pression sur Arduino.

Fig 4: Schéma du montage du capteur MPX5700AP connecté directement sur la breadboard

On n’a pas l’interface pour brancher le fil à 4 pin sur Arduino directement, donc on a l’a divisé en 3 fils: ground, sortie analogique et alimentation 5V.

-plage de mesure 15-700 kPa

-tension de sortie 0,2-4,7 V

-précision maximale de 2,5% de la plage de mesure, c’est-à-dire 17,125 kPa

Dans la notice du capteur on a trouvé le code Arduino correspondant à notre capteur:

Fig 5: Code Arduino pour le capteur MPX5700AP

Fig 6: Formule de conversion de la tension en pression du capteur MPX5700AP

Voici la formule qu’on utilise pour convertir la tension mesurée en volt en pression en kPa.

Le diamètre du tube qu’on utilisera pour brancher le capteur doit être entre 4,62 et 4,93 mm de diamètre.

Fig 7: Schéma de deux montages possibles: en série et avec une bifurcation

On a envisagé deux montages possibles:

-celui en Y avec le capteur qu’on a déjà reçu à une entrée. Ce montage peut éventuellement rajouter une erreur à cause de la différence de longueur du tube entre le capteur et la fiole. On testera l’influence de ce facteur une fois le montage réalisé.

-celui en série avec un nouveau capteur qui serait plus précis (1,25 kPa d’erreur contre 17 kPa) et à une entrée et une sortie. L’interface pour le connecter à l’Arduino ne sera sûrement pas fournie avec donc il va falloir l’assembler nous-mêmes.

On a choisi de faire de montage en Y car les capteurs en série n'existent pas et les capteurs à double entrée trouvés font juste deux mesures en même temps. Pierre Thery a nous a imprimé la bifurcation en Y mais en testant le circuit avec une seringue on a repéré des fuites. On a donc refait le montage mais avec une bifurcation en T du GreenLab.

En faisant le montage complet:

Fig 8: Photo du montage avec le capteur MPX5700AP

On a suivi la variation de la pression au cours du temps en temps réel grâce à l'outil “Traceur série” sur Arduino:

Fig 9: Capture d'écran de l'outil “Traceur série” d'Arduino avec le capteur MPX5700AP connecté, la pression en kPa est représentée en fonction du temps

On remarque que la pression, une fois qu'on a bloqué la seringue à 10mL, augmente progressivement. Donc il y a des fuites dans le système qui seront à éliminer en étanchéisant les branchements. Par contre la longueur des tubes reliant le tout n'a pas une influence significative sur la mesure de pression.

On s'est rendu compte que pour avoir des mesures de pression proches de 15 mbar (=1,5kPa), valeur recherchée par Damien, il faut un autre capteur que celui qu'on a actuellement:

Fig 10: Tableau comparatif des capteurs MPX5700AP et MPX5050GP

Si on obtient des mesures proches de 0 kPa avec le capteur MPX5050GP, même avec l'erreur de 1,25 kPa (=12,5 mbar) on sera bien en dessous des 15 mbar nécessaires.

La semaine prochaine il faudrait changer le bifurcation en Y pour limiter les fuites. Tous les branchements seront également à étanchéifier (ex: en chauffant avec un briquet). On testera notre montage avec la pompe de paillasse pour voir si la vitesse de création de vide de la pompe est bien supérieure à la vitesse de décompression due aux fuites. On va également chercher une électrovanne contrôlée depuis Arduino qui permettra de bloquer le pompage une fois une pression suffisamment basse est atteinte. On cherchera également des pompes qu'on peut utiliser avec Arduino pour la création du vide.

On a cherché à améliorer l'étanchéité de notre montage. Pour cela on est allé avec Loïc Labrousse à l'ISTeP pour voir les connecteurs qu'ils utilisent pour les circuits de tubes sous vide. Benoit Caron nous a donné différentes pistes intéressantes pour étanchéifier notre bifurcation en T. Par exemple, il nous a montré les connecteurs noirs avec les ressorts, qui sont malheureusement difficilement réplicables pour les diamètres de tubes spécifiques. Ou encore la vaseline et la pâte bleue, mais l'application de cette dernière est irréversible. On s'est donc dirigé vers le système de connecteur suivant:

L'idée serait de modeliser ce connecteur adapté à notre montage en T et l'imprimer en 3D. Ce système a beaucoup d'avantages:

• il est modélisable, ce qui permet de le modifier pour l'adapter aux différents changements du matériel (ex: changement de pompe)

• et démontable pour changer les branchements si besoin, ce qui facilite l'expérimentation.

Fig 11: Photos d'un connecteur utilisé pour les montages sous-vide à l'ISTeP

On va donc devoir modéliser ce connecteur en 3D sur Open SCAD.

Après on a testé notre montage avec la pompe de paillasse “KNF N 811 LABOPORT” qui permet normalement de déscendre jusqu'à 24kPa. Une fois la pompe connecté et mise en route, le vide est fait très rapidement et la pression descend jusqu'à environ 20 (+/-17) kPa. Les fuites sont donc largement plus lentes que la vitesse de pompage de la pompe. On est donc surtout limité par le matériel: il faudrait une pompe qui descend à 0 kPa et le capteur plus précis permettant de mesurer des pressions plus basses (MPX5050GP). Si on utilise une pompe électrique il faudrait aussi penser à un système d'électrovanne à la sortie de la pompe qui redirigerait la circulation d'air en dehors du montage une fois la pression suffisamment basse atteinte. Cette électrovanne serait contrôlée par l'Arduino. L'autre solution serait d'utiliser le système de pousse-seringue déjà fait à FabLab dans le sens inverse (tire-seringue). Il sera encore plus facilement contrôlable depuis Arduino, car il utilise un moteur adapté.

On a pris les mesures de différents tubes de notre montage pour la modélisation 3D du connecteur en T:

Fig 12: Tableau récapitulatif des mesures des diamètres de tubes du montage

On a pu prendre en main le système du pousse-seringue et voir les aménagements qui sont à faire pour son bon fonctionnement dans le sens inverse, c'est-à-dire pour créer le vide. Le diamètre du support pour la seringue est trop grand, il faudra le refaire. On s'est demandé, s'il n'était pas pas plus simple de trouver une petite pompe pour Arduino pour remplacer ce système.

On a également reçu le capteur MPX5050GP, plus précis, mais on ne sais pas encore comment le brancher à Arduino. Le branchement direct pose des problèmes et on ne sait pas si le problème vient du montage ou du code.

Pour la semaine prochaine il va falloir:

• trouver un code qui fonctionne pour le nouveau capteur
• modeliser et imprimer les nouvelles pièces du pousse-seringue adaptées au montage
• trouver le montage adapté pour le nouveau capteur/ faire les soudures sur le circuit de l'ancien capteur
• trouver sur internet le Y/ le modéliser et l'imprimer
• il faut que Damien Do Couto regarde s'il y a d'autres pompes plus performantes disponibles pour nos tests

Fig 13: Photo du tire-seringue

Fig 14: Capture d'écran d'un code trouvé sur internet 1

Fig 15: Capture d'écran d'un code trouvé sur internet 2

Fig 16: Capture d'écran d'un code trouvé sur internet 3

Fig 17: Schéma du montage du capteur MPX5700AP qu'un remplacera avec le capteur MPX5050GP

Après avoir reçu le capteur plus précis MPX5050GP nous l’avons testé sans l’amplificateur avec la breadboard mais le signal reçu sur Arduino n’était pas correct, peu importe le code utilisé.

On a donc décidé de le tester avec l’amplificateur de l’ancien capteur MPX570OAP. Il fallait donc dessouder l’ancien capteur de l’amplificateur. Ce fut une tâche très compliquée car la soudure était faite des deux côtés de la carte et les pins étaient difficilement accessibles. On s’est donc rendu à l’espace prototypage du FabLab. Après plusieurs heures de soudage avec Stéphane et Christian, on a réussi à dessouder le MPX5700AP (en coupant et laissant dans l’amplificateur quelques pins) et à souder par dessus le MPX5050GP.

On a procédé aux tests de différents programmes avec Arduino et le nouveau capteur MPX5050GP monté sur l’ancien amplificateur. Aucun programme ne donnait des valeurs correctes, surtout quand on commençait à tirer avec la seringue - les valeurs bloquaient très vite. On a donc testé ce montage avec un programme très simple qui ne fait aucune conversion: l’idée c’est d’avoir des valeurs brutes de tension en mV et de vérifier s’il n’y a aucun problème avec le montage et le capteur lui même. Encore une fois les valeurs bloquaient très vite quand on tirait sur la seringue. Par contre quand on poussait dessus - les valeurs augmentaient de manière correcte.

Conclusion: Le capteur MPX5050GP, bien que très précis, mesure en fait la pression entre 100kPa (pression atmosphérique) et 150kPa et non pas entre 0kPa et 50kPa, comme indiqué sur la notice et le site internet. Faites attention! Si vous trouvez un capteur avec une gamme de mesure « entre 0 et X kPa » cela veut dire qu’il mesure entre la pression atmosphérique de 100kPa et 100+X kPa.

Du coup on a commandé un nouveau capteur: MPXV6115V avec une gamme de mesure entre -15 et 100 kPa (-115 et 0 kPa dans la notice). Ce capteur a l’air de bien correspondre à nos besoins: pour une fois on parle de mesure du vide dans la notice… mpxv6115v.pdf

Le MPXV6115V qu’on a initialement reçu ne fonctionnait pas. Soit on l’a instantanément brûlé en le connectant sans aucune résistance, directement au 5V de l’Arduino; soit il était défectueux dès le départ.

On a recommandé le même capteur monté sur une « click-board » de Mikroe cette fois-ci. Ce circuit contient tout ce qu’il faut pour le bon fonctionnement du capteur, une sortie numérique et une sortie analogique. La sortie numérique ne peut être utilisée avec une carte Arduino. On a donc choisi de connecter le capteur via la sortie analogique.

Attention! Sur le circuit de la « click-board » une résistance est initialement en position « 1V8 ». Il faut la dessouder et la ressouder en position « 4V6 ». Sinon le signal envoyé par le circuit est entre 0 et 1.8 volts et non pas entre 0 et 4.6 volts.

Avec le nouveau capteur on a écrit un nouveau code adapté à ce capteur qui convertit le signal analogique de volts en millibars. On a abandonné le tire-seringue puisque le moteur n’était pas assez puissant pour créer un vide suffisant. Pour faire les tests on a utilisé la pompe de paillasse de l’ISTeP (merci Benoit Caron!) de référence KnF N811 KN18. Elle descend jusqu’à 240mbar d’après la notice et avec notre capteur on lit entre 230 et 220 mbar.

La bifurcation des tubes utilisée pour le montage final est celle du GreenLab, un T simple en plastique lisse. Pour limiter les fuites, qui étaient nombreuses au départ à cause des raccords entre tubes de diamètres différents, on a hermétisé les raccords avec du Téflon. Suite aux tests on a repéré que les fuites majeures provenaient de la section connectée au vacuténaire mais le pompage par la KNF 811 KN18 est significativement plus rapide que les fuites, la création du vide ne pose donc aucun problème.

Schéma du montage final:

Fig 17: Schéma du montage du vacuomètre final

Nous tenons à remercier:

Pierre Therry et Loïc Labrousse pour nous avoir bien encadré tout au long du projet,

Benoit Caron, responsable technique de la plateforme ALIPP6 de l'ISTeP, pour ses conseils précieux et le prêt de sa pompe de paillasse,

Simon Lanis de l'Espace Chimie du FabLab SU pour le prêt généreux de son pousse-seringue,

Stéphane Muller et Christian Simon pour leur aide dans la réalisation de la soudure du capteur,

et Damien Do Couto pour son beau sourire et le magnifique fond d’écran.