Pyranomètre à diodes pour mesures en solaire thermique.
1 Quelques pyranomètrpyra02es
1.1 Thermopile
1.2 Photopile
1.3 Mesure de température
1.4 L'Emploi spécifique
2 Le principe retenu avec diodes
3 Quelques idées et calculs associés
4 L'application
5 Le schéma Version
6 La réalisation mécanique
7 La mise au point / étalonnage
7.1 Extrapolation régulation solaire
7.2 Les Erreurs
7.2.1 Partie 1
7.2.2 Partie 2

8 Conclusions

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Un pyranomètre permet de mesurer le rayonnement solaire, toutes longueurs d'ondes de rayonnement confondues, par la mesure de l'effet thermique, et donc associé à une température. C'est la méthode la plus utilisée, et qui remplace le traditionnel héliographe qui brûlait un papier.
Habituellement un pyranomètre est en station fixe horizontale et est en mesure de prendre le rayonnement dans tous les azimuts du lever au coucher du soleil.
Le cas d'emploi peut ici être restreint à une seule direction puisqu'il est destiné à être installé sur un panneau solaire mobile en poursuite du soleil, mais le principe et l'électronique restent identiques.
Cependant vu les difficultés de réalisation matérielle, (Je pense à l'étanchéité) j'envisage plus certainement d'en faire un instrument de mesure (En terme de référence métrologique en W/M²) servant à des étalonnages secondaires dont le principe pourrait même être différent.
Ce pyranomètre dans mon application va donc mesurer directement le rayonnement maximum en étant toujours dans l'axe du rayonnement.
Ayant longuement parcouru le sujet, je me suis rapproché du pyranomètre EPPLEY qui parait une référence appréciée.
J'ai déduit de l'ensemble du sujet qu'il s'agit d'une mesure différentielle de température (Un peu comme une régulation solaire ECS d'ailleurs).
Impossible à l'amateur de réaliser des thermocouples circulaires déposés en couches minces (De plus, en nombre important), alors il a fallu trouver plus simple…Plus simple est certainement la suite logique de la mesure de température à l'aide de simples diodes, opération déjà décrite (Voir mon article sur les sondes de température LM35 et diodes).
C'est donc un pyranomètre réalisé avec deux diodes banales, qui va être décrit ci-après.

1 Quelques pyranomètres

1.1 Thermopile

J'ai hésité un instant sur le terme, mais après vérification, il s'agit de couple électrique ou de l'effet de pile qui naît entre deux métaux différents c'est à dire un thermocouple.
Il s'agit donc bien d'une mesure de température à l'aide de thermocouples qui sont le plus souvent multiples et en série. On peut donc penser que les très faibles tensions s'ajoutent pour donner quelque chose de mesurable facilement.
Pour le rappel, un thermocouple mesure une différence de température entre la soudure chaude (la température à mesurer) et la soudure froide (la référence ambiante).
Ce principe de mesure pour un pyranomètre n'est hélas pas accessible en réalisation pour un amateur.
Un des appareils dont celui cité est constitué de deux anneaux de thermocouples qui vont ainsi donner des températures de rayonnement (un anneau noir) et de référence ambiante (un anneau blanc).
Le principe en est de toutes façons particulièrement intéressant…mais peut-être pas avec des thermocouples …? Alors pourquoi pas avec des diodes !

1.2 Photopile

Ce terme ne traite majoritairement que la partie visible du spectre solaire. C'est aussi l'autre nom du "photovoltaïque" de ce que j'ai pu comprendre de ces nuances "photo…". Cela ne représente PAS l'énergie solaire TOTALE reçue. Ce procédé n'est donc pas exactement représentatif de la totalité de l'énergie reçue par un panneau solaire thermique (Bien que certaines photopiles récentes en soient assez proches).
Les photopiles sont des générateurs de courant. Rien n'est alors plus facile que de mesurer une tension aux bornes d'une résistance….Le courant va représenter l'éclairement reçu et donc l'énergie du rayonnement majoritairement dans les longueurs d'ondes correspondantes au domaine visible.
Cependant cette énergie ne représente pas la totalité du rayonnement reçu, car certaines fréquences du spectre n'ont pas une énergie suffisante pour assurer un déplacement d'électrons et ne participent donc pas au courant final. Les photopiles ont donc le plus souvent une bonne sensibilité dans la majeure partie du domaine des fréquences visibles par l'œil humain.
Ces photopiles ne représentent donc pas la totalité du domaine énergétique reçu, mais certaines photopiles récentes en sont très proches.

Hormis la question de rapidité, les LDR qui sont des résistances variables, sont à peu près dans le même domaine des longueurs d'ondes de rayonnement et donc essentiellement dans le domaine visible.

Les photodiodes sont aussi des éléments sensibles et peuvent être dans le domaine visible mais souvent aussi dans l'IR et ont la rapidité que n'ont pas les LDR.
LDR et photodiodes en direct saturent très rapidement à la lumière solaire et les variations dans les puissances solaires élevées deviennent  insignifiantes sur ces éléments. (Voir en fin d'article le relevé effectué avec une LDR)

Il reste encore les photodiodes, mais cette fois polarisées en inverse. Le courant de fuite est directement fonction de l'éclairement et est cette fois très faible de l'ordre du mA au maximum et varie suivant l'éclairement.
Cependant beaucoup de photodiodes (BPW34 en particulier voir caractéristiques) ont une surface de référence précise et donc une sensibilité exprimée en mW/cm². Ceci dans le principe est intéressant (Je pense à un préétalonnage) d'autant que la courbe est droite (En échelle log/log). La bande des longueurs d'ondes n'est pas optimum car trop restreinte, mais devrait pouvoir permettre une extrapolation pour évaluer l'ensemble du spectre solaire dans l'application prévue.
Attention cependant car cela nécessite quelques essais de vérification.
(Pour rappel, 50% de l'énergie solaire est tout de même dans le domaine visible) 

1.3 Mesure de température

Mesurer la température d'un élément noir ne suffit pas, car il faut retrancher l'énergie ambiante représentée principalement par la "température ambiante". On remarquera que le corps noir mesurera l'énergie directe, mais aussi l'énergie diffuse (celle constituée par les rayonnements indirects et la température extérieure).
Le thermocouple est donc particulièrement bien adapté pour cette mesure soustractive entre la soudure chaude et la soudure froide. L'ennui est qu'un thermocouple est délicat à mettre en œuvre, coûte assez cher et que la tension générée est faible (5 µV/W/M² environ).
D'autre part le choix des couples métalliques est délicat et ceux-ci ne sont en général pas à la portée de réalisation d'un amateur tant par le choix du couple métallique, que du coût effectif, mais également par la mise en œuvre réelle.

Mesurer des températures de façon fiable et linéaire est assez facilement réalisable avec des diodes comme pour les thermomètres déjà décrits dans mes autres articles.

1.4 L'Emploi spécifique

Dans le cas de l'emploi sur un panneau asservi à la position du soleil, celui-ci recevra toujours perpendiculairement sur la surface sensible le rayonnement. Les surfaces captantes circulaires ne sont donc pas absolument nécessaires, mais j'ai tout de même essayé de le faire pour rester le plus généraliste possible, et peut-être pouvoir être étalonné plus facilement…

L'appareil devrait permettre de connaître rapidement l'intensité du rayonnement dans le but d'anticiper les commandes de pompe ou vannes à réaliser au niveau d'une régulation ECS solaire.
(Pour rappel la vitesse de circulation de l'eau d'un capteur thermique est de l'ordre de 50 à 100L/h /M² et il faut plusieurs minutes pour "voir arriver" le résultat d'une modification de l'intensité solaire au niveau de l'échangeur). La rapidité peut donc être un facteur important dans une régulation, contrairement à une temporisation qui sera un remède mauvais 1 fois sur 2.!

La valeur intrinsèque en Watts/M² n'est pas un critère absolu, car l'intérêt se situe largement dans la tendance de cette mesure (Naturellement analogique), mais avoir une référence métrologique reste tout de même particulièrement intéressant.

La sortie du dispositif devrait donner un signal compris entre 0 et 5 volts pour une valeur de flux de l'ordre de 1000 à 2000 W/M², mais je ne maîtrise pas ce paramètre, car cela devrait dépendre des pertes thermiques de l'enceinte "chaude" ainsi que du facteur d'amplification qui sera appliqué.
Ce paramètre qui est donc l'amplification différentielle devra donc être ajusté. Il est actuellement pré-établi avec un gain de 18 pour avoir environ une étendue de mesure différentielle de 125°C (EM), mais il reste à étalonner et ce facteur d'amplification pourrait largement changer. (-2.2mV/°*125°*18=4.95V)

NOTA : Suite aux premiers essais réels, cette valeur arbitraire du gain à 18 a été augmentée à 39 pour être plus proche de l'EM évaluée alors entre 1000 à 1500 W/M².
Ceci semble s'expliquer par des écarts plus petits de température finale (Il y a déjà la température ambiante, loin d'être négligeable)
(Je suppose que la loi de variation de la tension de sortie en fonction de la puissance reçue pourrait être assez proche d'une variation linéaire : voir §3)).

Ce gain plus important nécessaire, induit déjà une conséquence importante qui sera de ne pas pouvoir faire réellement du calcul différentiel au niveau numérique (PIC) avec comme base deux "simples thermomètres".
En effet l'EM résultante serait donc beaucoup plus grande que de l'ordre de 1000W/M² et largement du double, ceci affectant la précision aux faibles valeurs d'éclairement.
D'autre part, augmenter le gain des thermomètres rétrécirait le domaine de température et risquerait parfois de faire sortir des limites de températures. Il est donc nécessaire de réaliser cette différence des températures AVANT toute amplification
.

2 Le principe retenu avec diodes

La diode est un excellent capteur de température, linéaire et bon marché. Son enveloppe en verre le plus souvent (pour les petites diodes de signal genre 1N4148) est très moyennement conductrice de la chaleur (1.2 W/mK), mais les connexions -peut-être en cuivre-, elles, sont parfaites pour cette fonction (390 W/mK source Wikipédia). J'ai cependant des doutes sur la nature précise des fils qu'un aimant attire !!!)
C'est pourtant le choix des fils de connexions qui sera réalisé pour la transmission des calories (Que les fils soient en cuivre ou en alliages comportant du fer).
Pour la partie exposée au rayonnement, un petit radiateur cuivre, de surface pyra06connue sur chaque fil de connexion captera l'énergie rayonnée et la conduira rapidement sur la "puce de la diode". (Photo diode "chaude") Sa surface est d'environ 2.4 cm²
(Ainsi qu'exposé dans mes autres articles, une diode doit être la plus petite possible pour que l'inertie thermique soit aussi la plus faible possible et qu'ainsi, le nombre de calories pour élever la température, soit le plus faible possible.)

Deux thermomètres différents sont donc utilisés : L'un avec la diode recevant le rayonnement, diode dite "chaude", (Photo ci contre).

L'autre servant de référence de température ambiante (diode "froide").
Chaque thermomètre sera donc constitué d'une diode parcourue par le même courant constant de quelques centaines de µA. Une variation de tension inversement proportionnelle de l'ordre de -2.2 mV par degré C est générée.
(On remarquera que dans ce cadre de mesure différentielle, aucune modification du courant de référence ne peut être acceptée, et que c'était là mon erreur initiale. Ce courant de référence doit être parfaitement identique entre les deux diodes et aucun courant dérivé ne doit "s'échapper" (hormis les quelques nano/pico Ampères des entrées AOP).
On remarquera que dans le thermomètre à diodes déjà cité, ce n'était pas le cas, mais la simplification extrême était sans conséquences réelles sur une valeur unique (Et non sur une différence !).
 
Cette tension pour la diode "chaude" est le reflet du rayonnement solaire, mais aussi de la température ambiante et de rayonnements diffus divers.
Comme pour le thermocouple, il faut donc un deuxième thermomètre qui sera chargé de cette mesure de température ambiante. Cette valeur devrait donc être retranchée de la valeur du thermomètre "diode chaude".

Il faut donc prendre en compte la température ambiante et la soustraire (En analogique) à la valeur du "thermomètre solaire".
C'est ce que j'ai fait ! De plus lorsque l'on "titille" les fractions de degrés, le simple fait de passer à proximité des mesures, déplace l'air et modifie rapidement l'état thermique de quelques dixièmes de degrés.
Le thermomètre ambiant est donc associé avec une masse métallique "importante" en aluminium, qui va assurer la stabilité de la température ambiante sur une assez longue période, pour ne prendre en compte que les réelles variations dues au rayonnement solaire.

La diode "chaude solaire" sera donc équipée de 2 petits radiateurs en cuivre peints en NOIRS (Un sur chaque fil de connexion) en forme de demi-lune, en cuivre de très faible épaisseur (5/100) et d'une très petite surface (Environ 2.4 cm²), qui vont capter l'énergie due au rayonnement solaire et la transmettre à la jonction de la diode.
Ces petites dimensions et cette faible MASSE doivent permettre d'atteindre les températures d'équilibre rapidement.
(Je l'espérais en une seconde, mais ce ne sera pas tout à fait le cas, car il faudra tout de même plusieurs secondes pour enregistrer une modification. Cela est malgré tout nécessaire car c'est une mesure différentielle et chaque diode de mesure a sa propre constante de temps principalement à cause des micro masses de soudure des connexions)
(Suite aux essais complémentaires il s'avère que ce ne sera plus quelques secondes mais environ 5 minutes pour atteindre 95% d'une modification de valeur).

La température sur chaque diode, est largement transmise par les fils de connexions, aussi, deux petits radiateurs noirs seront soudés sur chacune des bornes de la diode "chaude "(sans courts-circuits).
La soudure à l'étain sera la plus petite possible, la plus homogène longitudinalement et la plus égale en volume entre chaque borne et chaque diode, pour que la masse globale ajoutée soit aussi faible et identique sur chaque point soudé…Ce n'est pas facile ! Il faudra absorber le trop de soudure à la pompe à dessouder.
(Les petits radiateurs recouvriront presque complètement la diode, espace de 5/10 environ pour l'isolation entre bornes)
La diode aura ses pattes légèrement pliées en sortie pour être ramenées de l'axe vers le niveau d'une même génératrice de l'enveloppe cylindrique en verre.
Pourquoi 2 radiateurs alors qu'un seul suffirait ? Simplement pour le temps de transfert de la chaleur qui serait immanquablement plus long (Longueur à parcourir plus importante) et de plus les 2 pattes de la diode sont actives en même temps et augmentent presque par 2 la rapidiité de transfert de chaleur sur la puce et de chaque côté de celle-ci. 

Les soudures ou ajouts de masses modifieront directement le temps de réponse en allongeant le temps d'atteinte de l'équilibre thermique. (En supposant la stabilité du rayonnement ce qui ne sera que rarement le cas)
Plus une mesure dure longtemps, plus le risque d'être fausse est élevé.
On a donc intérêt à ce que le paramètre de temps de réponse soit le plus court possible.

Pour la diode de référence de température ambiante (diode "froide"), celle-ci sera enfermée dans la masse en aluminium, et la cathode (conduction thermique par les fils) sera réunie directement à la masse d'aluminium par un embout de câble rempli de soudure et serré sur la masse alu.
Attention cette masse d'alu sera au potentiel de référence du LM385 (+1.2 V) et non à la masse électrique générale. (Comme c'est un potentiel régulé à tension fixe, relativement à la masse, ce n'est pas un problème) Il faut seulement le savoir pour ne pas faire de bêtises, genre court-circuit ou fausses mesures.

On constate quelques variations différentielles entre diodes, mais ces variations pyra08se compensent après quelques secondes. Celles-ci sont certainement dues aux différences intrinsèques des diodes, mais aussi et surtout aux conditions des contacts thermiques.
Les radiateurs cuivre de la diode "chaude" seront peints en noir mat.
L'autre diode sera insérée telle quelle dans un petit trou de 2mm dans l'aluminium et la cathode en contact thermique et électrique par serrage modéré (sous peine de ne plus pouvoir la retirer) dans la masse d'aluminium. (Vis à tête rouge sur les photos))
On notera qu'il est préférable de mettre la cathode à la masse métallique, puisque ce point est à un potentiel stable donné par le LM385-1.2. Mettre l'anode serait sujet à parasitage.
Chaque diode sera parcourue par le MÊME COURANT CONSTANT issu du même circuit générateur.
Ce principe très important élimine les variations différentielles de courant, génératrices d'erreurs. C'est ce principe qui est je pense l'un des plus importants dans cette réalisation.
Des essais d'isolation de la diode "chaude" relativement au support exopy du CI, n'ont pas donné de bons résultats avec la montée en température (Principalement avec les essais dans l'huile chaude…!). Aussi le meilleur isolant thermique restera donc l'air (0.026 W/mK).

La diode "chaude" sera donc raccordée à quelques mm de la surface pyra09d'un petit CI rond (photo de droite), et pour éviter toutes pertes thermiques, un fil imprimé d'environ un dixième de mm assurera la conduction électrique, et empêchera toute propagation de la chaleur par les fils.
(Partie droite de la photo ci-contre. On évitera le trou central réalisé à tort puisque les fils seront raccordés côté soudures...)

La soudure à volume restreint, et toutes les "ruses" pour permettre une montée rapide en température émaillent cette partie du raccordement de la diode "chaude" pour réduire les masses à élever en température, tout aussi bien à l'inverse, pour stabiliser la température de la masse métallique d'aluminium.

Un point reste peu clair et concerne l'évacuation "raisonnée" des calories. Circulation d'air dans certains pyranomètres ? Je n'ai pas pu éclaircir  suffisamment ce sujet aussi je préfère ne rien dire car je ne sais pas !

Le problème des diodes et de la réalisation qui paraissait assez simple à l'origine, ne l'est donc qu'en apparence. En effet les deux diodes devraient avoir une courbe de variation identique. De plus les tensions de mesures devraient aussi être identiques.
Or trouver des diodes identiques est impossible, alors il est préférable de trouver des modèles aux caractéristiques "proches".

Un gain différent peut être corrigé par une amplification adaptée (La seule brancpyra10he "diode chaude" le permettra, et il faudra donc croiser éventuellement les diodes pour pouvoir le faire : La diode ayant la plus grande différence (pente la plus abrupte) sera de préférence la diode D1 ("chaude") dont le gain est seul réglable).
Pour la loi de variation, il pourrait subsister quelques inévitables petits décalages de courbes mais je n'en ai pas vraiment constaté lors de la mise au point (voir exemple de courbes de 2 diodes différentes ci contre).
J'ai fait d'ailleurs quelques essais malheureux avec des diodes impossibles à utiliser, tant elles étaient différentes et n'autorisaient aucun réglage dans des plages correctes. En conclusion sur ce choix, il faut prendre des diodes de caractéristiques "proches", l'identité absolue n'étant pas nécessaire (Et d'ailleurs impossible)

Le réglage des deux thermomètres…Il faut commencer par évaluer la gamme de températures qui seront en cause. Dans l'expectative la plus absolue, j'avais choisi arbitrairement pour cela les valeurs habituelles, soit un delta de 125°C, mais en sachant que l'on ne fera pas les calculs de différence par la partie logique, car ce sont les amplificateurs opérationnels qui feront la soustraction des valeurs analogiques non amplifiées. Ainsi ce qui limitera, ne sera pas la température absolue, mais seulement la différence des températures.
Il faudra aussi réaliser le zéro lorsque les "capteurs diodes" sont tous les deux "cachés" dans une boîte à la même température (de préférence dans l'huile avec agitateur pour l'homogénéité, et cela évitera tout courant d'air !).

3 Quelques idées et calculs associés

En réalité, ce paragraphe a été écrit après la réalisation et le premier essai, car l'électronique est une chose, mais au moment de l'étalonnage, il faut bien se raccrocher à quelque chose de fiable et à quelques principes physiques.

J'ai visité quelques sites dont un site d'enseignement de Nantes (http://www.pedagogie.ac-nantes.fr/1213358855789/0/fiche___ressourcepedagogique/&RH=1160729734281)

qui décrit très bien un principe simple de la mesure du rayonnement solaire.
Évidemment j'avais juste un peu oublié mon bouquin de R. FAUCHER de seconde de physique (En ces époques lointaines, cela ne s'appelait pas SVT, mais je trouve que l'application faite aujourd'hui est tout de même beaucoup plus attrayante)…
Voici donc la formule de base :

Q=m.c(t2-t1)

Avec pour Q la quantité de chaleur en calories, m en grammes, c la chaleur massique en kcal/kg.°K ou tout aussi bien en cal/g.°C, ce qui est plus simple et revient au même.

Or la calorie a un équivalent de travail qui est le Joule et lorsque l'on a des Joules, les Watts "ne sont pas loin", puisque les Watts  ne sont que des Joules par seconde …!

Alors on mesure ?
Eh bien NON, car la difficulté est plus importante qu'il n'y parait, car mesurer le rayonnement solaire en l'intégrant par l'échauffement d'une masse non négligeable de 245 g comme dans l'exemple de Nantes est très bien, mais il faut dans notre cas pouvoir obtenir l'information de puissance ou d'énergie beaucoup plus rapidement, et surtout observer ses variations dans un temps très court de quelques secondes…(Se rappeler que la diode capteur "chaude" a un radiateur de 1 gramme et "quelques poussières"..., alors 1/245 c'est un écart trop important !))
De plus vous pourrez constater que le rayonnement thermique peut changer du tout au tout en quelques secondes.
Alors que penser d'une mesure sur 20 minutes ? (Ce ne peut donc être qu'une valeur moyenne et non une valeur instantanée)

D'où la nécessité de travailler avec des masses extrêmement faibles. A titre indicatif le seul élément capteur diode lui-même représenterait environ 1.1g uniquement pour son radiateur noir.
Ceci est approximatif, car il y a bien entendu les deux lunules en cuivre corespondantes à cette masse calculée, mais il y a aussi la soudure à l'étain sur les pattes de la diode "chaude". J'ai encore omis la peinture qui a sa propre masse également et qui est loin d'être négligeable face au 1.1 g...
Il y aussi les pattes de la diode et son enveloppe ainsi que la pastille de silicium interne qui interviennent en tant que masse. Les chaleurs massiques de tous ces éléments varient toutes entre 385 pour le cuivre, 228 pour l'étain, 129 pour le plomb et 444 pour le fer...etc...etc et je n'ai pas celle de la peinture, ni celles oubliées !

Alors c'est donc un "joyeux mélange d'éléments différents" et au niveau des masses, et il n'est naturellement pas question d'ajouter une autre diode de mesure de température  dont la masse modifierait du tout au tout, les équilibres thermiques.
On remarquera que cet ensemble se comportera thermiquement comme un élément de chaleur massique intermédiaire, dont la valeur précise restera inconnue.

Alors comment s'y prendre ?
Dans cette application, il faut déjà évaluer l'Étendue de Mesure (EM) que l'on désire, et je pense d'abord à l'application solaire au niveau terrestre, que la limite du rayonnement solaire dans l'espace de 1368 WM² (qui ne sera donc jamais atteinte au sol) reste une EM intéressante, mais pour la commodité de chiffres, 2000 W/M², 1500 W/M², 1000 W/M² voire 1024 W/M² sont des valeurs d'EM tout à fait plausibles et ayant leurs avantages...
Nous venons de voir qu'il est impossible de connaître la chaleur massique précise à cause des différents alliages et éléments utilisés. Il est aussi impossible de connaître les masses précises car trop petites et difficilement mesurables pour l'amateur.

Alors pas d'autre solution que les essais. Ceux-ci ont donc été faits lors de belles plages ensoleillées en fin Juillet 2010 et l'on peut estimer simplement le rayonnement de l'ordre de 700 W/M². La tension en sortie a été de 1.44 Volts au maximum (avec le gain initial de 18 (U3B)).

Nous pouvons espérer une linéarité assez bonne puisque le principe de mesure de la température, est parfaitement linéaire, mais cela sera à vérifier car des "parasites thermiques" pourraient affecter ces performances de linéarité.

Alors nous pouvons faire une simple règle de 3 pour modifier le gain arbitraire de 18 qui donne 1.44V pour 700W/M² (estimés).
Ainsi pour une EM désirée à 1000 W/M², la valeur théorique de la tension de sortie devrait être de 700*5/1000=3.5V.  (Soit un écart de tension de 3.5/1.44=2.4305 d'où un gain à multiplier par cette valeur, ce qui portera le nouveau gain à 18*2.4305=43.75, soit résistance de contre réaction de 437.5K au lieu de 180K)

Comme 1000 W/M² est un peut trop juste, on va mettre non pas 437.5 K  en contre réaction mais une valeur arrondie à la valeur normalisée inférieure de 390K. Ainsi nous aurons une EM supérieure à 1000 W/M² sans chercher exactement la valeur précise qui sera cette fois obtenue par un véritable étalonnage.
En théorie avec 390K le gain est donc précisément  de 39 ce qui donnerait une EM à 5V de l'ordre de 1120 W/M²…
Pour les convertisseurs AD à 10 bits il serait fort tentant de régler cela à 1024 W/M²…ou de monter jusqu'à 1200 W/M². A chacun de voir selon ses objectifs !

Nous avons donc une première approche assez voisine de la réalité qui devrait être suffisante pour appliquer une nouvelle règle de 3 pour les résistances de gain relativement à un étalon ou pour confirmer la nouvelle EM qui devrait à mon avis rendre le service, même si elle n'est pas sur une valeur entière facile à manipuler…
(Le réglage final se réalisera par des résistances en //.)

4 L'application

Sur le panneau solaire asservi à la position du soleil, le pyranomètre sera donc fixé sur le panneau lui-même, et ainsi orienté automatiquement vers le maximum solaire en permanence.
Un problème sera de déterminer où et comment positionner les deux diodes de mesures.
Compte tenu de l'application, une seule direction est utile, et il n'y a donc pas de nécessité d'une demi sphère transparente à utiliser.
Toute boîte transparente pourrait convenir. Je ne parlerai même pas des différentes matières et du filtre qu'elles peuvent constituer sur les différentes longueurs d'ondes, car ce domaine n'est malheureusement pas accessible au profane.
Il est donc tout de même nécessaire de réaliser une protection physique pour la diode "chaude" principalement.

Les petits radiateurs sont très fragiles, car de très faible épaisseur et peuvent très facilement se plier ou se froisser. Il faudra donc y faire très attention car c'est tout l'étalonnage qui serait remis en question s'ils devaient être changés.
Cette protection doit aussi permettre une certaine différence de température de l'élément captant "chaud" avec l'air ambiant de la "bulle", faute de quoi l'énergie acquise sur la diode ne saurait se dissiper et créer des différences de températures représentatives.
Une référence devra être faite (comme sur la soudure froide d'un thermocouple) avec l'air ambiant.
Voilà pour les idées, d'un pyranomètre à deux diodes. L'électronique est  maintenant terminée, et les LM358 n'ont pas convenu au procédé à cause vraisemblablement des tensions d'offset trop élevées. J'ai dû me rabattre sur des TLC272 (MOS, pin compatibles).
Les tous premiers essais sur table étaient mauvais car j'avais malheureusement fait une erreur de conception en oubliant la dérivation du courant du à la contre réaction pour alimenter les entrées d'ampli OP.
Heureusement que "Riri" était là pour corriger le schéma, mais il a fallu tout recommencer…

5 Le schéma VersioPYRANO2n 2

Je pense que la version 1 ne présente aucun intérêt, vu que le fonctionnement n'était pas correct, et que de plus il ne devait pas être linéaire. Je crois qu'il faut seulement signaler que chaque prise de tension sur les diodes ne doit dériver aucun courant, et que c'est là le point essentiel.
(Point négligé sur les capteurs de température à diode). (Hormis le courant d'une entrée AOP extrêmement faible, le choix n'est donc pas anodin pour un type donné)
Ce schéma reste SIMPLE et il fonctionne grâce à "Riri" que je remercie encore une fois.

Il n'était pas question d'utiliser de matériels sophistiqués et l'application nécessite de trier les éléments (diodes principalement et peut-être parfois les AOP pour obtenir des tensions d'offset les plus faibles possibles et "du bon côté", car l'offset n'est réglable que du côté positif).
Créer une tension négative n'était pas envisageable pour une question de simplicité et d'encombrement du CI qui devait avoir la même taille que les thermomètres déjà décrits (Voir article Sondes de température et LM35).

Une petite description
U2A est un amplificateur à gain unitaire dont le seul rôle est de ne pas dériver de courant, ainsi sa sortie fournira seule le courant à l'amplificateur soustracteur qui suit, dont le gain devra lui aussi être de 1.
On assure donc directement sur U2B la soustraction des deux tensions pour ne récupérer que la tension correspondante à l'énergie solaire seule (diminuée de la température ambiante). Cette soustraction est effectuée avec un gain de 1 impérativement pour être en accord avec la diode D2 qui est en direct. (Un petit réglage est prévu par l'adjonction d'une résistance d'ajustement).
(La pin 5 de U2B ne draine aucun courant comme la pin 3 !)

On assurera le maximum de stabilité en utilisant U2 tel qu'indiqué pour la fonction gain unité et soustraction. Le fait d'utiliser des combinaisons de boîtiers différents pourrait amener des dérives dans les valeurs mesurées.
On remarquera R7 qui permet un léger ajustement (1%) du gain unité RELATIF à la pin 1 de U2A.
Le dernier étage U3B assure l'amplification pour atteindre l'EM, (Avec initialement un gain de 18 pour donner l'EM de delta de 125°C à 5 volts prévue pour le convertisseur AD du PIC).
Ainsi qu'indiqué ce gain a maintenant été porté à 39 (voir § 3)

Le résultat en W/M² devra cependant faire l'objet d'un étalonnage, avec tracé de la courbe de réponse sur une gamme de valeurs, mais celui-ci ne pourra être réalisé que par comparaison avec un appareil lui-même déjà étalonné…C'est un point délicat car les références en ce domaine ne sont pas nombreuses...!

6 La réalisation mécaniqpyra05ue

C'est la bouteille à encre pour moi, mais il faut faire la mise en boîtier, et le mieux possible, faute de quoi les mesures pourraient perdre beaucoup de leur signification.

Il faut dire que réaliser cette partie relève d'une certaine vue des éléments dont on dispose, et le système "Débrouille" est le plus adapté.
On verra donc que les matériels les plus hétéroclites sont utilisés, mais qu'ils donnent à priori satisfaction.

Être sûr du résultat est encore prématuré…mais commençons par examiner ce que l'on peut comprendre du pyranomètre EPPLEY.

La bulle de Verre et sa fixation
Il y a une double bulle de verre pour les thermocouples, ici une seule sera utilisée et elle est constituée de plastique dont la transmission optique des différentes longueurs d'ondes est inconnue. (Ce sont des boules de Noël sous forme de 2 coquilles à remplir. Il existe deux modèles de 5 et 10 cm. Je les ai trouvées pour 1 € pyra04dans un magasin pour arts plastiques "Les couleurs du temps", désolé pour la pub mais c'est tellement difficile à trouver qu'il faut bien l'indiquer).

Cette bulle aura au moins le mérite de protéger le capteur "chaud". Il serait possible sur une belle journée ensoleillée de démonter cette bulle et de la remplacer par une autre pour évaluer la différence, mais le seul remplacement à caractéristiques dimensionnelles et thermiques différentes parait impossible…
Il semble plus judicieux d'en ajouter une deuxième par-dessus pour vérifier instantanément si il y a une éventuelle différence ? (L'essai a été fait en lumière artificielle et il y a variation ! )
La fixation mécanique de la bulle est délicate et j'ai préféré la solution par coincement plutôt que de coller 2 autres petites pattes pour tirer la sphère vers le corps. La solution consiste donc à faire un anneau qui viendra en contact avec les derniers mm de la sphère. Ainsi, la force pour appliquer la sphère sur un petit joint caoutchouc (Découpé dans une chambre à air) pourra être plus conséquente que sur des petites pattes collées.
Trois vis Parker avec rondelles assureront cette pression, dont le caractère étanche absolu n'est pas garanti...

Le corps du pyranomètre
Là c'est réellement du délire car c'est la base d'unpyra11 mini gyrophare à 3€ que l'on trouve dans les grandes surfaces ! Après avoir tout démonté, il a l'avantage d'avoir une surface plane supérieure, de permettre la fixation du capteur "chaud", d'avoir un trou central pour le passage des fils et le centrage en général.
Cette base a aussi l'avantage d'un petit rebord permettant de placer un réflecteur blanc. Il y a même le trou (De l'ancien interrupteur) qui assurera la sortie des fils ou la mise en place d'un connecteur, et qui servira de repère d'orientation pour les petites opération mécaniques mal ajustées !!!!
Il faut ajouter le réflecteur latéral en forme de "soucoupe volante", qui n'est autre qu'un petit couvercle en inox pour casseroles, c'est encore du délire !

La masse métallique de la température ambiante.
J'ai trouvé dans mon stock deux engrenages en apyra07luminium massifs avec un trou central et trois trous taraudés de fixation, qui vont pouvoir se centrer automatiquement sur le tube central en plastique du corps. Ces deux engrenages sont fixés par des vis de 4 mm sur le dessus du corps.
Le taraudage à 4 du premier est percé à 5 mm pour que le serrage se fasse entre le deuxième engrenage et la surface supérieure du corps.
Sur le deuxième engrenage le plus près du fond, un trou de 2 mm débouchant sur le trou central est effectué pour placer la diode "froide". Un petit taraudage de 3 assurera le serrage électrique et thermique de la cathode de la diode.
Attention au serrage de cette vis qui devra être "léger" pour permettre un démontage éventuel. La tête de vis sera diminuée en largeur pour éviter un couple important et ainsi éviter d'oublier ce détail…Un repère au marqueur rouge incitera à faire attention à cette vis.
La masse métallique est ainsi constituée de deux masses distinctes qui seront serrées l'une contre l'autre pour n'en constituer qu'une seule fonctionnelle (Mettre un peu de pâte thermique pour transistors de puissance, ne devrait pas gêner !)

(Si vous n'avez pas d'aluminium, le cuivre, la fonte et l'acier sont aussi tout à fait acceptables, car l'essentiel est d'avoir une masse).

Une masse unique est également tout à fait possible, mais je n'en avais pas sous la main des toutes faites !

Le CI de la diode FroPYRMECA2ide
C'est un petit CI monoface en forme de croissant qui a le rôle d'assurer les connexions de la diode "Froide" et d'éviter de casser les fils ou la diode, mais aussi de faire le relais pour le raccordement vers l'électronique. (Photo typon en double ci-contre)
Ce CI n'a pas de trous de composants car toutes les liaisons sont faites par soudure sur des plages prévues. (Le typon est double pour raison de réalisation)

Le CI de la diode ChauPYRMECA1de
C'est aussi un circuit monoface, et celui-ci est un peu plus délicat car il va recevoir la diode chaude équipée de ses deux petites lunules thermiques peintes en noir mat. Les soudures de la diode seront très fines pour éviter un surcroît de masse. Les pastilles sont très petites. De plus les liaisons vers l'électronique seront réalisées avec des fils imprimés très fins environ 1/10ème pour assurer une cassure de la conduction thermique par les fils et maintenir la chaleur en partie supérieure, dans le dôme. (La finesse est la difficulté essentielle de réalisation)

Le CI sera cette fois dégagé du cuivre non nécessaire à cause l'accumulation thermique prohibée.
La diode sera distante de 1 à 2 mm de la surface du CI pour être isolée thermiquement de l'époxy et dans un plan bien parallèle au socle pour pouvoir être utilisée en position stationnaire et parfaitement aligné horizontalement.

Les fils de liaison seront soudés côté cuivre pour passer directement par le trou/tube central de la base et aller ensuite vers l'électronique.
Sur le CI, il est parfaitement inutile de faire un trou central comme je l'avais réalisé, vu que les connexions sont réalisées côté cuivre. Je dirais même que ce n'est pas recommandé, car le soleil pourrait ainsi se faufiler dans le trou central et échauffer artificiellement  quelque endroit du circuit électronique des AOP. J'ai donc bouché cet orifice avec un papier collant blanc pour ne pas refaire de CI. (Le Typon est corrigé)

La fixation de ce CI est faite par les 3 vis de 4 mm dont la tête a été peinte en blanc (très important) pour ne pas réchauffer la masse aluminium. Des petites rondelles épaisses en nylon maintiennent le CI écarté du socle plat, pour permettre son élévation dans la coupole et éviter un serrage sur les petites soudures des fils de liaison. (J'aurais préféré des vis nylon de 4 mais "faute de grives on mange des merles" !)
Ce CI sera impérativement peint en blanc sur les deux faces (après avoir fait la soudure  de la diode et des fils de liaison)

Le CI électronique desPYRANO2B AOP
Celui-ci était à l'origine prévu pour être installé dans la future régulation solaire et non pas en "embarqué".
Mais vu que la destination de l'appareil a sensiblement été revue comme appareil de mesure, l'électronique suffisamment petite a pu être placée directement dans le corps de l'appareil.
Ce CI était donc prévu pour être enfiché dans un connecteur, mais ça ne dérange seulement que pour sa fixation qui est un peu limite, car il n'y a pas de place pour une vis…(On en trouve tout de même, et lors de votre réalisation pensez à laisser un peu d'époxy sur les bords !)
Les liaisons des diodes peuvent donc se faire soit sur le connecteur général ou sur le petit connecteur 4 broches situé à l'arrière. (J'ai choisi le Cn général par simplicité !)
Ce CI qui reste un proto qui n'est pas trop "chahuté" car il a finalement fonctionné sans trop de démontages/remontages toujours très mutilants pour des époxy de piètre qualité dont tout démontage décolle le plus souvent le cuivre.
(Des picots laitons étaient notamment prévus pour ajustage du gain unitaire par des résistances (R10))

Ayant un LM385-1.2, je l'ai mis en place et les résistances R10 et R18 n'ont pas lieu d'être. R17 prévue pour tirer le Zéro à la masse sur U3B pin 7 n'a pas été nécessaire.
La stabilité de la tension d'alimentation a été renforcée par la diminution des résistances de réglage du LM317LZ. (3.5 mA)
Le réglage de l'offset est lui aussi "gros consommateur" d'énergie (4 mA).
Ces deux courants drainent l'essentiel de la puissance nécessaire et pourraient donc au prix de la performance être un peu réduits…

Les peintures
Ce point est le pire de tous car il faut sortir l'attirail du parfait artiste peintre et trouver les meilleurs produits, nettoyer, rincer etc…etc…Cependant, pour le seul élément noir qui est constitué des deux lunules, on choisira un noir ferronnerie mat. Si vous pouvez vous faire faire un genre d'anodisation noir mat ne vous en privez pas ! Ces lunules sont très fragiles et je vous invite à en faire 2 ou 3 séries par précaution.
Pour le reste des couleurs, ce sera un blanc "glacier" le plus réfléchissant possible (laque) ! (Siège tissus velours et volant cuir …….! ¿)
Pour les nettoyages du matériel pensez à cet article "White Spirit et Peinture",  vous y gagnerez car il y a beaucoup d'opérations décalées et de retouches.
Il n'est pas question de concurrencer EPPLEY, car cette réalisation n'a pas de prétentions de grande précision, aussi les qualités des peintures seront absolument ignorées mais réalisées au mieux et dans la plus pure ignorance des qualités requises...
Comment voulez vous trouver à des prix abordables des peintures dont les indices d'absorption ou de réflexion soient ceux souhaités ???

L'étanchéité
Deux points sont à surveiller : le dôme sphérique (bulle), déjà décrit et la fermeture de la base par une plaque de tôle rectangulaire, épaisse et percée aux 4 angles pour la fixation.
L'étanchéité du corps sur la base en tôle est assurée par un joint caoutchouc en "U" (Provenance réelle inconnue mais utilisé vraisemblablement pour l'étanchéité des fenêtres) collé bout à bout au néoprène....
Je n'ai pas parlé de cette plaque de tôle qui devra être fixée par trois petites équerres. Les équerres seront un peu déformées pour épouser la pente du corps et seront en retrait du plan d'appui de la base, pour assurer le serrage réel du joint en U. Les équerres seront taraudées à 3 mm pour chacun des deux trous.
La fixation des équerres sur le corps plastique sera réalisée par une vis de 3 avec rondelle plus une petite rondelle caoutchouc (chambre à air percée à l'emporte pièce et ajustée au cutter).
(On placera les équerres contre des renforts verticaux existants, ce  qui les empêchera de tourner.)
Le socle tôle aura donc trois trous percés et emboutis (au pointeau) pour permettre le retrait de la surface des 3 vis à tête fraisée.
On aura remarqué les 3 petits trous sur l'épaulement de la base (C'était à l'origine les trous de fixation du dôme orange du gyrophare), qu'il faudrait boucher avec du mastic silicone. Cependant j'ai tout de même prévu une sorte "d'abat-jour" qui va justement utiliser ces 3 trous pour sa fixation. Cet "abat-jour" permettrait de dévier loin de la tête de mesure les rayonnements qui ne sont pas normaux à la surface et qui pourraient perturber les mesures.
(Je viens effectivement de trouver quelque chose qui convient parfaitement qui est un couvercle de casserole en inox de diamètre initial 23 cm et qui possède une zone plate centrale de diamètre 8 cm idéale. Le cercle de 8 cm sera découpé à raz des "crevés" emboutis, ainsi que le tour extérieur dans le petit plat de raccordement (à la grignoteuse))

7 La mise au point / étalonnage

Pour cette mise au point sur table, il sera nécessaire de garder les deux diodes avec leurs fils non coupés, sans les préparer à leur mise en place. (Au besoin ou soudera rapidement des petites plaques de cuivre de 5/100 sur le milieu des pattes pour que les températures s'équilibrent plus rapidement)
Il est délicat à ce stade de souder les lunules définitives, car le risque de les abîmer est élevé, mais c'est possible sans toutes fois les peindres !

La mise au point consistera donc à vérifier que les deux diodes fonctionnent et qu'à 20°C ou plongées à > 100°C dans l'huile, la sortie U3B ne change pas de valeur. (Il faudra peut-être au départ régler P2 pour avoir une sortie un peu supérieure à zéro).

Une fois les diodes définies, il faudra impérativement ne plus les inverser (offset et gain), aussi un signe de reconnaissance indélébile devra être fait pour éviter de tout recommencer.

On règlera donc la résistance R7 pour des valeurs identiques en sortie sur de grands écarts de température. (Peu importe à ce stade la valeur, pourvu que ce soit la même )
La deuxième phase consiste à régler l'offset. Si celui-ci est impossible à obtenir, il faudra changer les AOP et tatillonner jusqu'à ce que ce soit possible. (Le LM358 ne convient pas. Prendre le TLC272 ou OPA2336)

L'étalonnage se fera par comparaison avec un pyranomètre de référence. Il sera nécessaire en premier lieu de définir l'étendue de mesure (EM) que l'on souhaite adopter, puis de relever plusieurs points de la courbe et principalement les extrêmes. On alignera la valeur maximale sur le pyranomètre de référence. De ces valeurs on en déduira alors le gain nécessaire par rapport au gain actuel fixé à 39.

Le réglage du gain de l'étage amplificateur final se fera par R15/R16 (Qui doivent être mises sur des picots !) en ajustant pour l'étendue de mesures désirée (voir §3).
Connaissant une des valeurs de comparaison (de préférence assez haute), et sachant que le gain est initialement de 39, il suffira d'appliquer une règle de 3 pour ajuster sur l'étendue de mesure que l'on souhaite obtenir. Vu la difficulté de trouver un étalon, il n'y aura pas de vérification à ce stade et seule la valeur des deux résistances définira le gain et donc l'EM.

Il est également possible de régler sans faire appel à la comparaison d'un pyranomètre de référence, voir pour cela ce site de 2nde  SVT de l'académie de NANTES. Il faudra alors construire ce nouvel appareil et choisir une journée parfaitement ensoleillée et stable, et procéder alors par comparaison, mais de préférence au midi solaire (là où la couche atmosphérique est à peu près constante sur une assez longue période.
http://www.pedagogie.ac-nantes.fr/1213358855789/0/fiche___ressourcepedagogique/&RH=1160729734281

J'ajouterai un mot lorsque j'aurai avancé dans cette voie de l'étalonnage avec peut-être d'autres moyens et d'autres idées.

7.1 Extrapolation régulation solaire

J'espérais, (Même avant les premiers essais), pouvoir faire des comparaisons avepyra01c des photodiodes et des LDR, et qu'une petite conversion permettrait d'avoir des valeurs d'énergie approchées (En lumière visible et en W/M²).
L'utilisation de ces éléments aurait le grand avantage d'être très simple, et excellent en rapidité de mesure (absence d'inertie thermique). La précision ne serait cependant pas au rendez-vous, mais seules les variations seraient les plus utiles à la régulation.

En réalité la courbe tracée ci-contre dément formellement mes espérances concernant une LDR, en voici la preuve dans ce graphique (LDR avec filtre rouge atténuant la sensibilité) qui reprend une journée ensoleillée le matin et nuageuse l'AM puis avec quelques éclaircies et lourd nuages orageux en fin de journée. (Valeurs d'énergie estimées).

En réalité, lors de l'ensoleillement, une LDR ou une photodiode (en sens direct) est au "taquet" et pas même une amplification logarithmique ne pourrait améliorer le sujet car c'est une saturation et logarithmique ou non le résultat sera identique. En effet dès 100 W/M² environ , ces éléments donnent pratiquement une tension identique.

Il restera donc à réaliser un essai qui semble prometteur avec une photodiode normalement polarisée en sens inverse. On remarquera aussi que les fabricants donnent des courbes du courant inverse pour des éclairement exprimés en mW/cm²...tiens, tiens...d'autant que pour une très connue BPW34, la surface est de 7.5 mm². Certes le spectre n'est pas optimum, mais c'est tout de même pas mal pour l'application. C'est donc à creuser, mais je n'ai pas de BPW34 sous la main pour l'instant !
Il sera peut être possible de faire aussi un pré-étalonnage (Voire un étalonnage) en lumière visible ?
(Je ferai l'adjonction d'un paragraphe complémentaire lorsque j'aurai une BPW34)

Je suis perplexe sur le devenir du pyranomètre  décrit, relativement à sa destination première à cause de son étanchéité qui me semble "limite" et qui pourrait certainement faiblir avec le temps.
Je pense réellement une fois étalonné, à "le garder au chaud" en termes de référence métrologique. Je devrai donc trouver un équivalent ou faire un autre pyranomètre (ou pseudo-pyranomètre) n'ayant pas de risques au niveau de l'électronique embarquée, en ne mettant que les diodes par exemple.
Je n'ai pas encore pris de décision formelle sur ce sujet, d'autant plus que j'aimerais bien avoir également la température extérieure, et que celle-ci serait disponible moyennant une amplification séparée et donc avec une sortie complémentaire, mais encore un nouveau circuit très dense à réaliser ! Voici en tous cas les critères qui sont à examiner :

Rapidité de mesure en 1 seconde environ
Température ext -20°C à +125°C
Nécessité d'un nouveau CI simple ou très dense
Etanchéité : pas d'électronique embarquée
Véracité des mesures en W/M²
Diodes et CI à caractéristiques proches

Je vous laisse donc le soin de répondre dans le cas d'un nouveau pyranomètre (avec extraction de la température extérieure) ou d'une simple diode type BPW34

En théorie, il serait également possible d'utiliser un thermomètre "extérieur" (ayant une intégration suffisante) et un thermomètre dédié "chaud"  puis de faire la différence par calcul dans un PIC, de préférence suivant la résolution du convertisseur (1/1024 par exemple), mais ainsi que déjà évoqué, on se heurte à ce niveau au facteur d'amplification important nécessaire comparativement à l'amplification correspondant à l'EM des thermomètres et ces deux éléments devraient avoir la même sensibilité pour réaliser la soustraction en binaire sur 1024 éléments.
Pour ceux qui me diront que mesurer la température en entrée et en sortie de panneau solaire indique directement l'énergie acquise par le rayonnement (Connaissant la surface précise de l'absorbeur, ce qui est assez simple à mesurer), je répondrai simplement que c'est parfaitement exact, MAIS que ce n'est pas le but de l'opération qui est d'anticiper les commandes de pompe ou de vannes en fonction de l'état du ciel.

Cet aspect est cependant intéressant car un rendement global pourrait être calculé relativement aux calories cédées à l'échangeur...A voir si c'est réellement utile de façon simple, car la régulation va devenir un peu compliquée et si cela est un chalenge technique, il n'est pas certain que ce soit absolument utile dans le "tous les jours".
Il n'était pas prévu de capteur de température au nivau "entrée panneau"...et cela commence à faire beaucoup de points de mesures !
Cet aspect m'intéresse pourtant pour le suivi technique des rendements solaires, ainsi que pour ma culture personnelle, mais n'intéresse que peu un utilisateur "lambda", alors le plus simple est peut-être toujours le mieux.....

Alors ce problème de mesure instantanée du rayonnement solaire permettant d'anticiper les commandes, reste je pense plus à regarder avec des photodiodes ayant un spectre assez large, ou d'autres solutions...mais les mesures comparatives devront être faites, pour vérifier si c'est véritablement exploitable et cela fera l'objet du § 7.2 qui sera adjoint ultérieurement.

7.2 Les pyra12erreurs
 
7.2.1 Partie 1

Ces erreurs sont apparues seulement lors d'essais réels lorsque j'ai voulu comparer le pyranomètre et une photodiode en inverse comme je voulais le faire au début.
En premier lieu, la diode a  été montée en direct par erreur et cela a été rectifie en milieu de journée ! (courbe rouge)

Quelques jours après j'ai seulement exploité les résultats sur CALC, et puis la vision de la saturation de la courbe solaire du pyranomètre m'a laissé sérieusement perplexe. Serait-ce la constante solaire qui est à son maximum...? Oh que non !

Il a fallu réfléchir plus avant pour comprendre une erreur lamentable concernant l'alimentation du pyranomètre. Lors de l'étalonnage, il a été alimenté par la batterie du datalogger sous 5V, alors qu'il aurait dû être alimenté sous 8.75V. Ceci faisant que j'ai certainement dû trop forcer sur l'amplification en passant à la valeur 61. pyra13

A titre indicatif un contre essai réalisé le 10/09/2010 donne pour un beau soleil d'automne 3.5 V sous 8.75 V d'alimentation et seulement 2.76 V sous 5 V d'alimentation.
Cette erreur grossière explique maintenant parfaitement la saturation sur les courbes ci-contre et les valeurs "qui ne collent pas".

Il est évident que l'étalonnage est à reprendre complètement, mais que je ne ferai pas d'autre correctif de l'article par manque de temps.

Ces courbes sont le résultat d'un seul essai avec le pyranomètre avec gain de 61 et alimentation sous 5V. Cependant je les publie tout de même car hormis la saturation, les valeurs inférieures restent correctes dans l'aspect seulement (Mais pas en valeur absolue ).

On remarquera surtout le temps de montée de l'ordre de 5 minutes qui représente un échec certain relativement au temps de mesuPyra14re espéré...
(Troisième courbe).

On remarquera aussi la parfaite identité des courbes obtenues avec une diode IR dont la demi-sphère de focalisation a été meulée. Un petit offset ou bruit de fond existe sur les très faibles ensoleillements. Cette parfaite identité de forme est le point le plus positif de mes essais car il signifie qu'une simple photodiode peut donner assez de précision en INSTANTANÉ.
Pour information la tension a été prise aux bornes de la diode IR alors que le circuit était alimenté en inverse par une résistance de 3.55 K sous 5V.
(Courbe 2). Il est donc possible aux petites approximations près et avec un coefficient à déterminer d'obtenir le rayonnement solaire avec une photo diode.

Enfin une dernière remarque est à faire et semble confirmer la linéarité des deux dispositifs, puisqu'un simple coefficient permet de superposer les deux courbes (A l'offset de la photodiode près)

Il restera maintenant à essayer une BPW34 (que je n'ai toujours pas) car je n'ai aucune identification de la photodiode essayée (courbe rouge).

(Les 3 courbes représentent un seul est même essai avec des échelles de temps dilatées. La première courbe est l'allure générale, la deuxième situe mieux l'identité de variation du pyranomètre et de la photo diode IR. Enfin la troisième courbe montre parfaitement le temps d'atteinte réel de l'équilibre soit entre 4 à 5 minutes .)

La toute dernière vérification a consisté à déterminer le coefficient d'absorption atmosphérique pour cette journée du 10/09/2010 et 14h30 (59% d'absorption) et de partir sur les 1368 W/M², ce qui donnerait 560 W/M² réels. On voit cette fois qu'avec les valeurs citées en début de ce paragraphe, l'étendue de mesure est seulement de 800 W/M². Ceci confirme le trop d'amplification et la nécessité d'un ré-étalonnage (sans erreur sur la tension d'alimentation cette fois !).

7.2.2 PartPyranod3ie 2

Voici la deuxième partie des erreurs découvertes lors des essais avec la photodiode BPW34...
Le point essentiel découvert est une erreur de conception au niveau de la prise de température extérieure. Il faut en effet que celle-ci soit stable, mais pas trop. Aussi les deux engrenages aluminium censés donner la stabilité sont beaucoup trop massiques et conduisaient à des temps de stabilisation complète de l'ordre d'une heure et demie !
Il est évident que cette stabilisation ne peut convenir. Une première opération a consisté à diviser ce temps par deux en enlevant l'un des engrenages. (cas du graphique ci-contre)

La situation a été améliorée mais reste insuffisante et conduit cette fois en analyse plus fine à des "overshoot" anormaux notamment lors de la baisse des températures (Certainement aussi à l'élévation). On peut constater sur les courbes lors du démarrage la saturation à 1024 du convertisseur AD car le stockage de l'appareil était effectué vers 18°C alors que la température extérieure était bien supérieure.
A l'inverse, le soir, la température extérieure réelle baisse rapidement mais le pyranomètre n'a pas le temps de s'adapter, aussi il retranche une valeur élevée à quelque chose de déjà très faible ce qui donne la saturation basse.

Le problème se situe réellement dans la méthode de prise de la température. En effet, le système est parfaitement emprisonné dans une bulle étanche, et les températures ne peuvent donc s'équilibrer rapidement. Ceci conduit à une saturation à ZERO en fin de journée, car cette température extérieure de référence est restée très haute, aussi comme elle est retranchée de l'énergie captée sur la diode, le résultat est très vite négatif (donc à zéro dans le cas précis).

Ces erreurs sur la température extérieure ont une nouvelle fois conduit à une nouvelle correction du gain et à une surestimation.

Alors que faire ? Je crois qu'il faut repenser cette prise de température extérieure qui devra être à l'abri direct du rayonnement solaire, mais avoir tout de même une inertie suffisante pour qu'un simple courant d'air ne puisse pas la modifier. Une pièce métallique entourant l'embase me semblerait une bonne solution.
Je pense à la lumière de ces observations qu'il faut une inertie de température de l'ordre de 10 à 15 minutes au maximum.

Je vais donc reprendre le principe de prise de la température extérieure. L'engrenage aluminium restera cependant dans le système, car de part sa masse il contribue efficacement au maintient de la température intérieure du boîtier et donc stabilise l'éventuelle dérive en température de l'électronique. Par contre la diode sera mise en extérieur au boîtier sur une petite masse métallique à déterminer.

8 Conclusions

Le début de la rédaction de cet article a été réalisé pendant le séchage de la peinture, aussi il pourrait y avoir des éléments ultérieurs, mais ils seront simplement ajoutés, et particulièrement les essais comparatifs avec photodiode en inverse (BPW34 espérée...).

Cet appareil initialement prévu pour être intégré dans la régulation solaire qui sera prochainement en étude effective, a définitivement évolué et comporte maintenant l'électronique embarquée, alors que celle-ci était prévue dans la régulation. Cependant c'est une simple photodiode qui fera cette mesure avec un petit ampli OP standard pour donner 5V au convertisseur A/D d'un PIC.

Il est évident que cette électronique va être soumise au chaud du soleil, mais on peut compter sur la couleur BLANCHE pour chasser tout rayonnement entraînant une montée en température de celle-ci et des déviations associées de mesures. On ne pourra cependant rien contre une éventuelle faiblesse d'étanchéité, aussi je confirme garder cet appareil comme référence métrologique.
Les seules liaisons sont donc l'alimentation en 8 à 12 V et la sortie signal en 0 à 5 V. 
A la lumière des derniers essais, cet appareil deviendra seulement une référence de valeur d'ensoleillement (en régime stable sans nuages) .
Le point le plus inquiétant, de cette autocritique est représenté par le temps de mesure réel, qui, pour atteindre 95% réclame environ 5 minutes. Cela ne peut donc pas convenir pour l'application envisagée d'anticipation de l'état thermique du rayonnement.
Un autre point concerne les étanchéités qui restent malgré tout précaires (dôme sphérique, trous des vis Parker et socle avec tôle principalement), mais cela devrait suffire au vu de sa nouvelle destination, car il n'est pas possible de rivaliser avec la production industrielle de qualité de grandes Sociétés et la comparaison est superflue.
Ces raisons font que ce pyranomètre ne sera pas installé définitivement sur le panneau solaire, c'est maintenant confirmé, il restera un élément étalon d'amateur et pourra permettre des mesures comparatives à l'aide de sources à incandescence.

Alors combien je mesure de watts par mètre carré ? Comme tout le monde ! Et comme c'est la période des vacances il vous reste la solution du pyranomètre intégrateur qui mesure l'intensité du bronzage, c'est un excellent appareil à méditer dont le temps de réponse reste d'environ 1 mois !

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