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Babeau Martin Loris Campanile Avant correction finale 18,5 / 20

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Présentation au sujet: "Babeau Martin Loris Campanile Avant correction finale 18,5 / 20"— Transcription de la présentation:

1 Babeau Martin Loris Campanile Avant correction finale 18,5 / 20 Bilan du groupe sur l’activité ballon, sonde : Maîtrise d’Excel : très bien / 5 Compte rendu : bien rédigé / 5 très peu d’erreurs complet bien corrigé à chaque fois toujours rendu à temps Exploitation des données : / 5 Courbe bien tracées Bonne analyse Activité en classe : très satisfaisante ,5 / 5

2 Babeau Martin Loris Campanile 26/05/2010 Capteur 01 et 02 de pression Index : - Fiche technique et principe de fonctionnement - Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 ( Partie 1 | Partie 2) - Mesure de la pression P (hPa) en fonction de l’altitude z (m) - Etalonnage des capteurs n°1 et n°2 avec cloche à vide ( Partie 1 | Partie 2 ) - Résumé Loris Campanile & Martin Babeau

3 Capteur de pression : Fiches technique, fonctionnement et étalonnage
Babeau Martin Loris Campanile 03/02/10 Capteur de pression : Fiches technique, fonctionnement et étalonnage Tout d’abord, nous avons fait des recherches sur les capteurs de pression : - Lequel pourrait-on utiliser pour un prix modeste ? - Comment l’étalonner ? - Le principe de fonctionnement - Recherche de la fiche technique Le résumé de la fiche technique st ici. Vout : en volt VS : en volt Le capteur choisi est un modèle MPX5100AP de chez Motorola. La plage de valeurs qu’il peut atteindre est de 15 à 115 kPa (soit 150 hPa à 1150 hPa). Comme on le voit sur la photo ci-contre, les dimensions du capteur sont plutôt faibles. Alimenté en 5,00 V par l'émetteur KIWI, sa tension de sortie est liée à la pression absolue. Le constructeur nous donne une équation : VOUT = VS*(P x ) Exemple : Prenons P = 493 hPa, soit 49.3 kPa : Vout = 1,58 V (d’après nos mesures) D’après le constructeur Vout = 5.0 V *(49,3* ) = 1.74 V. Nous savons que les mesures ont un écart relatif de 2.5 % en moyenne, donc nous pouvons dire que c’est bon, car 1,74 V sont proches de 1.58V. Sommaire

4 Ce qu’on peut tirer de l’image et de la fiche technique:
Schéma des dimensions du MPX5100AP Le fonctionnement du capteur nécessite une tension nominale de 5,0 V, et une intensité nominale de 7mA. De plus, le capteur peut mesurer une pression minimale de 15 kPa et une pression maximale de 115 kPa. On voit d’après ce schéma que : - La borne 1 correspond à la borne de mesure (voir schéma) - La borne 2 à la masse (voir schéma) La borne 3 aux 5V (voir schéma) L’écart relatif de la mesure de pression est de l’ordre de 2,5% d’écart relatif, comme sur cette diapo, il s’agit de la moyenne de tout les écart relatifs que l’on a trouvés pour des pressions entre 241 et 1018 hPa; On voit que notre moyenne est bien inférieure à celle donnée par le constructeur, car l’on a un écart relatif de 1.5 % au lieu des 2,5 % fournis par le constructeur. ( voir ici ) Sommaire

5 Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 1
Aujourd’hui, nous nous sommes occupés du capteur de pression 01. Nous avons donc soudés les fils, placés les embouts, nous avons ensuite testés notre capteur afin de savoir s’il était en état de fonctionner à l’aide d’une seringue, d’un pressiometre et d’un voltmètre. Pour cela, nous avons connecté à l’aide d’un tuyau le capteur à la seringue. Au fur et à mesure que nous augmentions la pression, nous nous rendions compte que la tension augmentait. Nous avons aussi, sur le capteur 02 (capteur de pression de secours), étamé et placés les fils, et placés les embouts. Ces valeurs confirment les données du constructeur sur la précision Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 1 Tableau capteur 1 : Tableau capteur 2 : Pression Tension (capteur 1) Capteur 1 P U Modèle math Ecart relatif hPa V % 1018 4,02 752 2,89 2,82 3 615 2,21 2,20 507 1,74 1,72 1 434 1,4 1,39 387 1,16 1,18 342 0,99 0,97 2 310 0,83 282 0,72 0,70 260 0,61 241 0,53 0,52 Pression Tension (capteur 2) Capteur 2 P U Modèle math Ecart relatif hPa V % 1018 3,99 3,98 752 2,79 2,78 615 2,17 507 1,69 1,68 1 434 1,36 1,35 387 1,11 1,14 3 342 0,94 310 0,79 0,80 282 0,68 0,67 2 260 0,58 0,57 241 0,49 0,48 Nous remarquons que pour les deux tableaux, l’écart relatif reste en dessous des 5% d’erreur incertitude proche de 2,5% annoncé par le constructeur pour les deux modèles mathématiques. Nous relevons pour les deux capteurs des tensions différentes, entraînant le besoin de faire ces deux tableaux pour une précision maximale. Sommaire

6 Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 2
03/02/10 Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 2 Analyse de la courbe : On voit aussi que les deux capteurs mesurent quasiment la même tension pour une même pression atmosphérique. Si l’on prolonge la courbe, on voit que, pour une pression comprise entre 0 et 150 hPa, la tension sera nulle, et nos capteurs ne pourrons fournir de mesures. Les capteurs sont donc inutilisables à partir d’une certaine altitude. D’après ce tableau, on peut voir que la pression devient inférieure à 150 hPa à partir de 14km. Ceci est visible sur cette courbe On peut donc penser que le capteur ne peut plus rien mesurer à l’altitude z = 14 km. On peut donc définir un domaine de validité allant de 0 à 14km. Sommaire

7 Pression P (en hPa) en fonction de l’altitude z (en m)
10/03/10 Pression P (en hPa) en fonction de l’altitude z (en m) Altitude Pression z (m) z(km) P (hPa) 0.0 1013 500 0,5 955 1000 1,0 900 1500 1,5 845 2000 2,0 794 2500 2,5 746 3000 3,0 700 3500 3,5 658 4000 4,0 617 5000 5,0 541 6000 6,0 471 7000 7,0 411 8000 8,0 357 9000 9,0 307 10000 10 265 11000 11 227 12000 12 194 13000 13 165 14000 14 141 15000 15 119 20000 20 55 30000 30 40000 40 3 La pression atmosphérique descend en dessous de 150 hPa à partir de 14 km. Pour bien illustrer ceci, nous avons pris la courbe correspondant à la pression atmosphérique entre 10 et 40 km. Pour 150 hPa, on voit bien sur la courbe que cela correspond à une altitude d’environ 14 km. Sommaire

8 03/02/10 Prendre une photo du capteur avec ses fils Sommaire

9 Calcul de l’altitude z (km) en fonction de la tension U(V)
/03/10 Aujourd’hui, nous avons défini une relation et non rapport entre la tension et l’altitude à laquelle se trouvent les capteurs, et nous avons vu que nos capteurs n’étaient pas assez précis pour pouvoir mesurer la pression dynamique. En effet, les capteurs ne sont pas assez sensibles pour détecter un changement de pression du à l’air, lorsque le déplacement d’air n’est pas assez important. Nous voyons sur cette courbe que L’altitude peut être exprimée en fonction de la tension obtenue, résultant soit aux bornes du capteur 1, soit du capteur 2. Le modèle mathématique diffère selon chaque capteur, il s’agit d’une courbe polynomiale de degré 4, nécessaire pour une précision accrue. Nous pouvons voir sur le tableau que le modèle mathématique est satisfaisant tant que la pression n’est pas supérieure a 1118 hPa, ce qui correspond à une pression atmosphérique à peine atteignable en cas d’anticyclone important. Sur ce tableau, nous voyons que pour une tension délivrée par le capteur supérieure à 4,5V, le capteur associe une pression correspondant à une altitude négative, ce qui est impossible Tension Pression capteur 1 Pression capteur 2 Altitude capteur 1 altitude capteur 2 Modele math capteur 1 Ecart relatif capteur 1 Modèle math capteur 2 Ecart relatif capteur 2 U P = 220,73U + 124,87 P = 221,78U + 133,52 Z V hPa km % 125 134 14,66 14,21 14,6 0,3 14,2 0,5 235 244 10,41 10,15 10,5 1,2 10,3 1,1 1 346 355 7,82 7,63 7,8 0,6 7,6 1,5 456 466 5,95 5,80 5,9 1,4 5,7 2 566 577 4,50 4,37 4,5 4,4 0,1 2,5 677 688 3,30 3,19 3,4 1,7 3,2 3 787 799 2,28 2,18 2,3 2,4 2,2 1,8 3,5 897 910 1,40 1,31 1,3 4 1008 1021 0,62 0,53 11,7 10,6 4,44 1105 1118 0,00 0,0 8175,3 1132 -0,08 -0,16 87,7 85,5 5 1229 1242 -0,71 -0,79 96,1 105,2 Sommaire

10 Le pourquoi du comment d’une cage de Faraday :
24-31/03/10 Le pourquoi du comment d’une cage de Faraday : Nous avons, comme le montre la photo ci-contre, fabriqués une cage de faraday adaptée a notre capteur de pression. La question est : Pourquoi ? Et bien il nous faut cette cage de Faraday afin d’éviter les surtensions dues aux champs magnétiques présents dans l’atmosphère. Cette cage préservera donc notre capteur d’éventuelles pannes ou problèmes techniques. Cette cage protègera aussi notre capteur des ondes émises, ce qui permettra de le préserver, encore une fois, de tout problèmes éventuels. Nous avons soudés nos 2 capteurs à un condensateur de 10nF (nanoFarad) et l’avons relié a la cage de Faraday. Ce condensateur permet donc de stocker l’électricité et donc d’éviter les surtensions. Condensateur Sommaire

11 17/03/10 Test du capteur à l’aide d’une cloche et d’une pompe à vide (feuille 1) Nous avons aussi utilisés une pompe à vide afin de tester notre capteur avec un capteur de vérification déjà étalonné Nous avons donc pris en photo le montage suivant (la qualité reste à désirer, mais l’appareil photo ne nous permet pas plus) : Notre capteur + Multimètre Cloche + Pompe à vide Capteur de vérification Nous avons donc utilisé un capteur déjà étalonné afin de vérifier si notre capteur est fiable. Nous avons utilisé la cloche à vide afin de, pour une certaine pression, vérifier notre modèle mathématique (et ici avec des valeurs changeant au cours du temps). Pour le protocole, voir diapo suivante Sommaire

12 Protocole suivi pour l’étalonnage avec une cloche à vide : 31/03/10
Nous avons pris une cloche à vide, comme montrée sur la diapo précédente, afin d’étalonner nos capteurs de pression. Pour cela : On commence par utiliser notre capteur de référence pour la pression. On se fixe une pression particulière (ici 493 hPa). On ferme ensuite tout les robinets pour que la pression ne varie pas dans la cloche lorsqu’on changera les capteurs (à l’extérieur de celle-ci). (Robinets reliés à la cloche) Ensuite, on branche notre capteur de pression au générateur de tension continue 5,0V et au multimètre afin de mesurer la tension associée. On remplace le capteur de référence par notre capteur et on ouvre le robinet correspondant. On finit en relevant la tension obtenue en fin d’expérience, ici 1,58 V. La tension associée à 493 hPa est donc 1,58 V. Sommaire

13 Test du capteur à l’aide d’une cloche et d’une pompe à vide (feuille 2)
Aujourd’hui, nous avons fait l’étalonnage sous une cloche à vide de nos capteurs de pression. Nous en avons réalisés une courbe, et nous en avons déduis un modèle mathématique. Pression Tension (capteur 1) Tension (capteur 2) P U hPa V 1000 4,04 950 3,90 3,85 900 3,65 3,78 850 3,29 3,23 800 3,07 3,11 750 2,95 2,94 700 2,75 2,80 650 2,52 2,38 600 2,18 2,08 550 2,02 1,92 500 1,80 1,74 450 1,63 400 1,35 1,31 350 1,07 1,06 300 0,94 0,84 250 0,65 0,58 200 0,44 0,40 150 0,20 0,16 100 0,06 Analyse de la courbe : On voit que les modèles mathématiques approchent ceux que l’on a trouvés lors des étalonnages précédents (feuille1 et feuille 2) Sommaire

14 Étalonnage du capteur (pression en fonction de la tension) :
Pour une pression de 752 hPa D’après le constructeur : VOUT = VS*(P x ) V = V *(kPa * 0,009 – 0,095) 5,0 *(75.2* ) = 2.90 V Selon notre modèle : => 0,0045*P - 0,565 = V => * = 2.82 V Le modèle donné par le constructeur est donc équivalent à notre modèle mathématique, à 2.5% près. On constate donc que les données du constructeur sont vérifiées. (pour la courbe, voir ici) Sommaire

15 Courbe constructeur Vs Courbe d’étalonnage :
Analyse de la courbe : On voit que les deux courbes ci-contre sont parallèles, car de même coefficient directeur, ce qui signifie que ces deux courbes ont la même pente. Seul change la fin de l’équation : il varie de à 0.475 ce qui n’est pas énorme. Nous mesurons la Pression P en fonction de la tension U mesurée aux bornes du capteur 1, capteur électronique de pression se situant à l'intérieur de la nacelle, étalonné et mis en vol par Loris Campanile et Martin Babeau, et nous superposons cette courbe ainsi obtenue avec la courbe que nous avons eu grâce à l’équation du constructeur (voir ici et ici) Sommaire

16 Capteur n°1 de pression par Loris Campanile et Martin Babeau :
Le capteur est ainsi car c’est l’endroit ou il utilise le moins d’espace, tout en étant assez proche du générateur KIWI pour être alimenté en énergie et envoyer les données récupérées par le capteur. Notre capteur de pression à l’intérieur de la nacelle Tuyau sortant de la nacelle Haut À côté du capteur d’humidité Pression Tension P U hPa V 1013 3,99 950 3,71 500 1,69 310 0,83 Sortie de notre capteur Loris et moi-même usons de notre droit de refuser à nous exposer ici sur une photo. Sommaire

17 Captures d’écran du logiciel de mesures :
Sommaire Captures d’écran du logiciel de mesures : Nous voyons ici les courbes des différents capteurs présents dans la nacelle. Notre courbe est en bleu foncé. .Nous voyons donc ici que la tension diminue jusqu’à 0 V, puis augmenta à nouveau. Ceci signifie que la pression diminue, et donc que l’altitude augmente jusqu’à 14 km, mesures obtenues précédemment. Au-delà des 14 kilomètres, le ballon éclate, et la pression mesurée chute en même temps. Ici, nous voyons qu’un problème surgit à 13h20 et tout les capteurs ont subit une panne. notre capteur n’échappant pas à la règle, il nous renvoie des données erronées, car l’intensité fournie par le générateur devint trop faible.

18 Exploitation des données :
Nous avons essayé de déterminer avec le plus de précision possible comment est monté le ballon ( nous entendons bien sur « Analyse de l’altitude »). Pour cela, nous avons utilisé les données que nous a envoyées KIWI : Il nous a envoyé les tensions mesurées aux bornes de notre capteur. A l’aide de nos brillantes études, (et de nos modèles mathématiques [surtout]) nous avons associés à cette tension une altitude. Puis nous avons, toujours à l’aide de KIWI, récupéré le temps du trajet, afin d’obtenir une courbe qui associe à l’altitude ce même temps. Voici nos résultats : Sur cette courbe, on voit qu’un trou d’air a sûrement dû faire chuter le ballon lors de la montée ( aux alentours de midi ) et nous voyons aussi que, au-delà de 13h20, nos mesures sont devenues incohérentes, empêchant la mesure correcte de l’altitude. Nous voyons que de 10h40 à 12h45, le ballon monta de 0 à 14 kilomètres, nous donnant un temps de montée de 1h05 et une vitesse moyenne de 12,5 km/h : V = d/t :  en 1h05, il parcouru 14 kilomètres, donc en 1h il parcourt : (14*1)/(1,12) = 12,5 km/h 1,12 correspondant à 1h05  km/h / 3.6 = m/s  12.5 / 3.6 = 3.4 m/s Descente : en 33 minutes, le ballon descend de 10 km : V=d/t  10 / (33/60) = 19 km/h km/h / 3.6 = m/s  19 / 3.6 = 5.2 m/s De 12h45 à 13h20, le ballon descend, mais nous ne pouvons affirmer à quel moment il atterrit, car l’intensité fournie par notre générateur n’était plus suffisante pour notre capteur, car trop consommée par les capteurs de luminosité. Notre capteur nous envoya donc des données erronées. Sommaire


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