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Bilan du groupe sur lactivité ballon, sonde : Maîtrise dExcel : excellente 5/ 5 Compte rendu : bien quand elle a été possible 4/ 5 argumentation satisfaisante.

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1 Bilan du groupe sur lactivité ballon, sonde : Maîtrise dExcel : excellente 5/ 5 Compte rendu : bien quand elle a été possible 4/ 5 argumentation satisfaisante complet pas toujours envoyé et pour cause ! Exploitation des données : 4,5 / 5 Courbe bien tracées Analyse satisfaisante mais un poil incomplète Activité en classe : très satisfaisante 5 / 5 malgré tous les problèmes rencontrés ! Avant correction finale et envoi de prédiction trajectoire 18,5 /20

2 Capteur de vitesse ascensionnelle (n°3) 1.Différents types de capteurs permettant de mesurer une vitesseDifférents types de capteurs permettant de mesurer une vitesse a.Effet HallEffet Hall b.DynamomètreDynamomètre c.BaromètreBaromètre d.AnémomètreAnémomètre 2.Utilisation dune photorésistanceUtilisation dune photorésistance a.Domaine de validitéDomaine de validité b.EtalonnageEtalonnage 3.Utilisation dun phototransistorUtilisation dun phototransistor a.Domaine de validitéDomaine de validité b.Etalonnage en fréquenceEtalonnage en fréquence c.Conversion de la fréquence en tensionConversion de la fréquence en tension d.Etalonnage final (en tension)Etalonnage final (en tension) 4. Fiche récapitulative de notre capteur 5. Résultats 6. Données et interprétations Voir aussi le fichier Excel éponyme. Données prévues concernant le ballon : Altitude : 30 km Vitesse de montée : 5 m/s Vitesse de descente : 25 m/s (valeur maximale, sans parachute) Sommaire : DURIVAUX Thibaud BROFIGA Roméo 2°14 – MPI 09/10 La feuille du fichier Excel a été corrigé Compte rendu : une bonne analyse mais incomplète, a finir

3 1.Capteur à effet Hall Le principe de leffet hall consiste à « compter » le nombre de passages dun objet métallique devant un capteur électronique (par exemple, les rayons dune bicyclette). Ensuite, on détermine une vitesse en ayant le nombre dobjets passés en un temps donné (vitesse en fonction de la fréquence). On nutilisera pas ce principe car il est plus difficile à réaliser que celui que nous avons choisi. 2. Dynamomètre Un dynamomètre mesure un poids (or celui ci varie en fonction de laltitude) : P = m * g (g variant en fonction de laltitude). On pourrait ainsi déterminer un coefficient de diminution de cette valeur, et, par conséquent, une vitesse ascensionnelle. Cependant, le ballon nest pas capable datteindre une altitude supérieure à 30 km, or le poids, sur une telle distance, ne variera que de moins de 1%. 3.Baromètre 4.Anémomètre On intercale lhélice dun anémomètre entre une DEL haute luminosité et un capteur permettant de mesurer une fréquence. On mesurera donc la fréquence de passage dune pale, ce qui nous permettra détablir une courbe détalonnage (vitesse en fonction de la fréquence). Dans un premier temps, on va utiliser une photorésistance pour mesurer cette fréquence. Différentes manières de déterminer une vitesse vvitesse ptpt pression totale psps pression statique pdpd pression dynamique masse volumique de l'air Sommaire Cependant, le capteur de pression dynamique est difficile à mettre en œuvre car les tubes le composant devraient toujours être parfaitement perpendiculaires à lécoulement du fluide (de lair). Cela nest pas réalisable sur notre nacelle car elle tournera constamment et sera sujette à des turbulences. Nous nutiliserons donc pas ce principe. Ce nest pas ça la raison mais le fait que la différence de pression attendue nétait mesurable à partir des 2 capteurs de pression

4 a.Domaine de validité On constate que pour des valeurs de fréquence supérieures à 1100 Hz, la photorésistance ne donne plus de valeurs cohérentes. b.Etalonnage On prend une série de mesures et on détermine le coefficient directeur de la droite obtenue. Ici, on ne dépasse pas le domaine de validité du capteur. Ainsi, la fréquence mesurée par le fréquencemètre est proportionnelle à la vitesse ascensionnelle du ballon (lue sur lécran de lanémomètre). En utilisant une photorésistance Sommaire

5 a.Domaine de validité On constate que pour des valeurs de vitesses supérieures à 75 km/h, le phototransistor ne donne plus de valeurs de fréquences cohérentes. b.Etalonnage On prend une série de mesures et On détermine le coefficient directeur de la droite obtenue. Ces valeurs peuvent être considérées comme justes car on ne sort pas du domaine de validité du capteur, en effet, on peut considérer que le ballon nira pas à des vitesses dépassant 25 m/s. En utilisant un phototransistor Ainsi, la fréquence mesurée par le fréquencemètre est proportionnelle à la vitesse du flux de lair passant dans lanémomètre. Sommaire

6 On utilise ici un générateur de tension en créneau (max : 5,0 V) sensé simuler la tension injectée en entrée du montage convertisseur. On vérifie, à laide dun voltmètre utilisé en alternatif, que la tension continue mesurée dépend de la fréquence. Si on avait été plus épargné par les soucis de montage, on aurait pu tracer la courbe U (aux bornes de la résistance de 470 k) en fonction de la fréquence F (du générateur). Kiwi nétant pas capable denvoyer des fréquences, il va falloir transformer la fréquence obtenue en tension. Ainsi, on va utiliser un montage permettant cette opération. Conversion de la fréquence en tension Sommaire

7 47 k 470 k 47 k 33 5V 0V Générateur kiwi C3 = 1 µ C4 = 1 µ C2 = 10 n IRF : Gate 2 : Drain 3 : Source Queue : émetteur Collecteur base Fil gris signal entrée anémomètre (simulation par signal tension carrée entre 0 et 5 V) 2N 2219A* NE 555 P repère ,7 k 8 C1 = 100 n Fil noir Fil violet dessous 2 Fil rouge 1 Fil marron dessus Fil rouge dessus Fil rouge ,7 k 1N4148 * Ou transistor 2N222 * Valeur préconisé C1 = 100 nF Connexion dans montage convertisseur Fréquence/Tension continue (0/5V): Remarque : pas de résistance R2 ni R3 R 10 = k Fil rouge Fil noir 162 4,7 k R éq = 160 Mesure de la tension aux bornes de la résistance de 470 k Sommaire

8 Connexion dans montage convertisseur Fréquence/Tension continue (0/5V): Remarque : pas de résistance R2 ni R3 47 k 470 k 47 k 33 5V 0V Générateur (kiwi) C3 = 1 µ C4 = 1 µ C2 = 10 n IRF : Gate 2 : Drain 3 : Source Queue : émetteur Collecteur base Fil gris signal entrée anémomètre (simulation par signal tension carrée entre 0 et 5 V) 2N 2219A* NE 555 P repère ,7 k 8 C1 = 100 n Fil noir Fil violet 3 2 Fil violet 1 Fil rouge 1 Fil rouge ,7 k 1N4148 * Ou transistor 2N 222 * Valeur préconisée C1 = 100 nF R 10 = Fil rouge 2 Fil noir 162 4,7 k R éq = 160 Fil violet 2 Fil violet 4 Fil violet 5 Partie métallisée avec fil ou patte conducteurIntersection métal avec patte conducteurPartie non visible (autre côté) Mesure de la tension aux bornes de la résistance de 470 k Sommaire

9 Capteur n°3 : vitesse ascensionnelle BROFIGA Roméo DURIVAUX Thibaud Notre capteur est constitué de pales (dun anémomètre que nous nutilisons pas en tant que tel), dune diode dun côté et dun phototransistor de lautre, en face. Le phototransistor reçoit le signal lumineux de la diode, qui est coupé par intermittence à chaque passage dune pale. On obtient donc la fréquence de passage de celles-ci. Etant donné que Kiwi ne peut pas transmettre une fréquence, il faut convertir celle obtenue en tension. Pour cela, on utilise un montage convertisseur fréquence/tension continue. Le montage est au fond, dans une boîte faite de polystyrène afin de protéger le circuit du froid et des chocs. Le capteur est fixé dans une paroi de la nacelle, de laquelle il dépasse de 3 cm afin de permettre à lair de sengouffrer dans les pales. Uvv v (modèle exp.) Ecart relatif v (modèle poly.) Ecart relatif Vkm/hm/s % % 0,00 0,00,000,0 0,901,400,390,3125,60,390,6 1,582,700,750,828,70,733,1 2,065,001,391,6315,01,401,1 2,306,901,922,3116,91,962,4 2,357,902,192,4811,42,132,8 2,5010,602,943,074,12,833,9 2,5411,503,193,251,83,083,8 2,5812,003,333,453,23,350,6 2,8019,505,424,7214,75,521,8 2,9226,707,425,6132,27,301,6 Sommaire Voici la courbe détalonnage de notre capteur. Pour les valeurs inférieures à 1,50 V, le modèle exponentiel est le plus exact. En revanche, nayant pas de données pour des tensions inférieures à 0,9 V, on ne pourra pas calculer des vitesses inférieures à 0,4 m/s. Cependant, étant donné limprécision de notre capteur (expliquée dans la diapositive suivante), cela ne pose pas de problème. Pour les autres valeurs, il faut utiliser le modèle polynomiale (sinon lexponentiel donne des résultats avec un écart relatif denviron 15% !). Bien corrigé

10 Résultats Notre courbe est la verte foncée. « temp » est la température extérieure et « temp 2 » et celle intérieure. « lux » et « lux 2 » sont des capteurs de luminosité et « lux 3 » est le capteur dirigé vers le sol. Il ne faut pas se fier à lindication de durée sur cette page. Sommaire

11 Données relevées durant le vol Entre 11h35 et 11h50, on observe des tensions nulles. La densité de lair devient trop faible pour faire tourner les pales à partir de 15 km, mais dès 8 km daltitude la vitesse mesurée chute. Cela correspond donc à laltitude maximale de fonctionnement de la plupart des hélicoptères (environ 5 km). Celle des avions à hélice varie beaucoup selon le type davion : elle est de quelques centaines de mètres pour les ULM les plus légers à près de 9 km pour les avions quadripales lourds, en passant par 5 km pour les avions légers de tourisme. La masse volumique minimale de lair nécessaire est donc de 0,75 kg/m 3. Durant le vol, on observe que les valeurs oscillent fortement. Cela signifie que lanémomètre cesse de tourner de façon intermittente. Ce phénomène est très probablement causé par le balancement et la rotation de la nacelle sous le ballon. Pour obtenir une courbe comportant des valeurs cohérentes, il faudrait supprimer les évènements pour lesquels la tension atteint une valeur de 0 V. On observe également que les valeurs sont étrangement faibles par rapport aux prévisions. Cela peut être dû au fait que lanémomètre est placé contre la nacelle (sous le ballon) ; aussi, une importante protection contre la lumière extérieure masque une grande surface de lhélice (afin de ne pas perturber le fonctionnement du phototransistor). La vitesse diminue denviron 0,5 m/s toutes les 16 minutes (courbe rouge) du fait de la diminution de la pression extérieure : lhélium contenu dans le ballon est de moins en moins léger par rapport à lair (loi de Boyle Mariotte ???? ). On voit que la vitesse de descente mesurée est jusquà deux fois celle de lascension. A 12h43, on observe que la vitesse mesurée par lanémomètre augmente subitement. Ceci nous permet de déterminer lheure à laquelle le ballon a définitivement cessé de monter et a amorcé sa descente (éclatement du ballon). Début de la chute Sommaire Bien corrigé Pas tout à fait, tu vois bien un léger décalage dans le temps. Pourquoi ?


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