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Bilan du groupe sur lactivité ballon, sonde : Maîtrise dExcel : très bien 5 / 5 Compte rendu : bien rédigé 4 / 5 très peu derreurs complet bien corrigé

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1 Bilan du groupe sur lactivité ballon, sonde : Maîtrise dExcel : très bien 5 / 5 Compte rendu : bien rédigé 4 / 5 très peu derreurs complet bien corrigé à chaque fois toujours rendu à temps Exploitation des données : 5 / 5 Courbe bien tracées Bonne analyse Activité en classe : très satisfaisante 4,5 / 5 Babeau Martin Loris Campanile Avant correction finale 18,5 / 20

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

3 Capteur de pression : Fiches technique, fonctionnement et étalonnage 03/02/10Babeau Martin Loris Campanile Tout dabord, nous avons fait des recherches sur les capteurs de pression : - Lequel pourrait-on utiliser pour un prix modeste ? - Comment létalonner ? - Le principe de fonctionnement - Recherche de la fiche technique Le résumé de la fiche technique st ici.ici Le capteur choisi est un modèle MPX5100AP de chez Motorola. La plage de valeurs quil 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 (daprès nos mesures) Daprès 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 cest bon, car 1,74 V sont proches de 1.58V. Sommaire Vout : en volt VS : en volt

4 Schéma des dimensions du MPX5100AP Ce quon peut tirer de limage et de la fiche technique: 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 daprès 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) Sommaire Lécart relatif de la mesure de pression est de lordre de 2,5% décart relatif, comme sur cette diapo, il sagit de la moyenne de tout les écart relatifs que lon a trouvés pour des pressions entre 241 et 1018 hPa;cette diapo On voit que notre moyenne est bien inférieure à celle donnée par le constructeur, car lon a un écart relatif de 1.5 % au lieu des 2,5 % fournis par le constructeur. ( voir ici )ici

5 Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 1 Tableau capteur 1 : Tableau capteur 2 : PressionTension (capteur 1)Capteur 1 PUModèle mathEcart relatif hPaV % , ,89 2, ,21 2, ,74 1, ,4 1, ,16 1, ,99 0, , ,72 0, , ,53 0,52 2 PressionTension (capteur 2)Capteur 2 PUModèle mathEcart relatif hPaV % ,99 3, ,79 2, , ,69 1, ,36 1, ,11 1, , ,79 0, ,68 0, ,58 0, ,49 0,481 Nous remarquons que pour les deux tableaux, lécart relatif reste en dessous des 5% derreur 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. Aujourdhui, 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 sil était en état de fonctionner à laide dune seringue, dun pressiometre et dun voltmètre. Pour cela, nous avons connecté à laide dun 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. Sommaire Ces valeurs confirment les données du constructeur sur la précision

6 Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 2 Analyse de la courbe : 03/02/10 On voit aussi que les deux capteurs mesurent quasiment la même tension pour une même pression atmosphérique. Si lon 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 dune certaine altitude. Daprès ce tableau, on peut voir que la pression devient inférieure à 150 hPa à partir de 14km.ce tableau Ceci est visible sur cette courbecette courbe On peut donc penser que le capteur ne peut plus rien mesurer à laltitude z = 14 km. On peut donc définir un domaine de validité allant de 0 à 14km. Sommaire

7 Altitude Pression z (m) z(km ) P (hPa) , , , , , , , , , , , , , 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 denviron 14 km. Sommaire 10/03/10

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

9 Aujourdhui, nous avons défini une relation et non rapport entre la tension et laltitude à laquelle se trouvent les capteurs, et nous avons vu que nos capteurs nétaient pas assez précis pour pouvoir mesurer la pression dynamique /03/10 Nous voyons sur cette courbe que Laltitude 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 sagit dune 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 nest pas supérieure a 1118 hPa, ce qui correspond à une pression atmosphérique à peine atteignable en cas danticyclone important. En effet, les capteurs ne sont pas assez sensibles pour détecter un changement de pression du à lair, lorsque le déplacement dair nest pas assez important. Calcul de laltitude z (km) en fonction de la tension U(V) 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 TensionPression capteur 1Pression 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 + 124,87P = 221,78U + 133,52 ZZ VhPa km % % ,6614,2114,60,314,20,3 0, ,4110,1510,51,210,31, ,827,637,80,67,60,6 1, ,955,805,91,45,71, ,504,374,50,34,40,1 2, ,303,193,41,73,21, ,282,182,32,42,21,8 3, ,401,311,41,3 2, ,620,530,511,70,510,6 4, ,00 0,08175,30,0 4, ,08-0,160,087,70,085, ,71-0,790,096,10,0105,2 Sommaire

10 Le pourquoi du comment dune 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 déviter les surtensions dues aux champs magnétiques présents dans latmosphère. Cette cage préservera donc notre capteur déventuelles 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 lavons relié a la cage de Faraday. Ce condensateur permet donc de stocker lélectricité et donc déviter les surtensions. Sommaire Condensateur 24-31/03/10

11 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 lappareil photo ne nous permet pas plus) : 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). Capteur de vérification Cloche + Pompe à vide Notre capteur + Multimètre 17/03/10 Test du capteur à laide dune cloche et dune pompe à vide (feuille 1) Pour le protocole, voir diapo suivantediapo suivante Sommaire

12 Protocole suivi pour létalonnage avec une cloche à vide : Nous avons pris une cloche à vide, comme montrée sur la diapo précédente, afin détalonner nos capteurs de pression.diapo précédente Pour cela : Sommaire 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 lorsquon changera les capteurs (à lextérieur de celle-ci). 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 dexpérience, ici 1,58 V. La tension associée à 493 hPa est donc 1,58 V. (Robinets reliés à la cloche) 31/03/10

13 Aujourdhui, nous avons fait létalonnage sous une cloche à vide de nos capteurs de pression. Nous en avons réalisés une courbe, et nous en avons déduis un modèle mathématique. PressionTension (capteur 1)Tension (capteur 2) PUU hPaVV 10004, ,903, ,653, ,293, ,073, ,952, ,752, ,522, ,182, ,021, ,801, , ,351, ,071, ,940, ,650, ,440, ,200, ,06 Test du capteur à laide dune cloche et dune pompe à vide (feuille 2) Analyse de la courbe : On voit que les modèles mathématiques approchent ceux que lon 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 Daprès 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)voir ici Sommaire

15 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 léquation du constructeur (voir ici et ici)ici Courbe constructeur Vs Courbe détalonnage : 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 léquation : il varie de à ce qui nest pas énorme.

16 Sommaire Sortie de notre capteur À côté du capteur dhumidité Haut Notre capteur de pression à lintérieur de la nacelle Le capteur est ainsi car cest lendroit ou il utilise le moins despace, tout en étant assez proche du générateur KIWI pour être alimenté en énergie et envoyer les données récupérées par le capteur. Capteur n°1 de pression par Loris Campanile et Martin Babeau : Loris et moi-même usons de notre droit de refuser à nous exposer ici sur une photo. PressionTension PU hPaV , , , ,83 Tuyau sortant de la nacelle

17 Captures décran 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 jusquà 0 V, puis augmenta à nouveau. Ceci signifie que la pression diminue, et donc que laltitude augmente jusquà 14 km, mesures obtenues précédemment. Au-delà des 14 kilomètres, le ballon éclate, et la pression mesurée chute en même temps. Ici, nous voyons quun problème surgit à 13h20 et tout les capteurs ont subit une panne. notre capteur néchappant pas à la règle, il nous renvoie des données erronées, car lintensité fournie par le générateur devint trop faible. Sommaire

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 laltitude »). 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 laide de nos brillantes études, (et de nos modèles mathématiques [surtout]) nous avons associés à cette tension une altitude. Puis nous avons, toujours à laide de KIWI, récupéré le temps du trajet, afin dobtenir une courbe qui associe à laltitude ce même temps. Voici nos résultats : Sur cette courbe, on voit quun trou dair 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 laltitude. 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 lintensité fournie par notre générateur nétait 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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