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Bilan du groupe sur lactivité ballon, sonde : Maîtrise dExcel : satisfaisante 4 / 5 Compte rendu : souvent complet 4 / 5 argumentation parfois insuffisante.

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1 Bilan du groupe sur lactivité ballon, sonde : Maîtrise dExcel : satisfaisante 4 / 5 Compte rendu : souvent complet 4 / 5 argumentation parfois insuffisante Montage faux parfois assez bien corrigé à dune fois sur lautre toujours envoyé Exploitation des données : 1 / 5 Courbe non superposées Analyse parfois catastrophique Activité en classe : assez satisfaisante 3 / 5 très fluctuante, bien en milieu de projet ! Mais manque de motivation en début et fin ! Avant correction finale 12 /20 De Graer Ludovic Bailly Aurélien

2 02_Capteur secours de température n°3 Présentation du projet et du capteur Description de la chaine de vol Température atmosphérique en fonction de l'altitude Recherche de Capteur de température trouvé sur internet Présentation dune Thermistance Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance Photos de létalonnage. Etalonnage du capteur. tension en fonction de la température Suite : Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la températureSuite : Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température Etalonnage en tension Photos Fiche résumé Sommaire De Graer Ludovic Bailly Aurélien Fichier Excel récapitulatif non envoyé (attention au format) Lexploitation des données est catastrophique, diapo 15 à reprendre après avoir retracé les courbes

3 Présentation du projet et du capteur On dispose dun capteur de température résistif (car on réalise la correspondance entre la température et la résistance mesurée par un ohmmètre). On a soudé grâce à de létain 2 bouts des fils reliés au capteur de température résistif Notre capteur (NTH4G42B104F) est un capteur de température résistif. Il est composé de deux bornes verte et noire. Nous nous en servirons pour mesurer la température extérieure de la nacelle au cours du voyage. Le but du projet consiste à construire une nacelle - accrochée à un ballon rempli dhélium - afin d'y placer des capteurs qui permettront de mesurer différentes grandeurs physiques lors de l'ascension du ballon jusquaux hautes couches stratosphériques. Les expériences placées dans la nacelle sont les suivantes : Mesure de température - Mesure de pression - Mesure de lumière - Appareil photo numérique L'exploitation des photographies prises par l'appareil photo numérique embarqué ne sera possible qu'à partir du moment où la nacelle sera récupérée. Nous avons conçu la nacelle et l'ensemble des expériences qui sont embarquées. Présentation de la grandeur physique : La température reflète la chaleur ou la fraîcheur d'une substance. La température de l'air change avec l'altitude. Elle se mesure au moyen d'un thermomètre. La température ( T ) est une valeur exprimant la chaleur ou le froid, elle est liée à lagitation des molécules. Les thermomètres fournissent une mesure de la température en utilisant des phénomènes comme la variation de la pression des gaz ou la variation de la résistance d'un corps métallique comme la platine (Pt). Lunité S.I de température utilisée est le Kelvin (0 K = –273,15°C), mais le Celsius est couramment utilisé. La nacelle contient un émetteur appelé Kiwi, qui est relié à une carte d'acquisition de données qui ne mesure que des tensions (8 mesures au maximum). 1 valeur par seconde est approximativement envoyée par l'émetteur et récupérée au sol par l'antenne réceptrice connectée à un ordinateur où sont stockées les données. Chaque capteur dispose avec Kiwi d'un générateur de 5 V, d'une voie (mesure) et d'une masse (référence OV pour la mesure). Il faudra donc obtenir finalement un étalonnage de notre capteur en tension. MENU

4 L'enveloppe : fabriquée avec un matériau très élastique (latex ou chloroprène) de quelques microns d'épaisseur. Elle est donc assez fragile et les opérations de gonflage doivent être effectuées avec précaution. Elle est gonflée à l'hélium, gaz inerte moins dense que l'air, ininflammable et donc parfaitement sans danger,à la différence de l'hydrogène dont l'utilisation est maintenant interdite pour cette application. Le parachute : préalablement inséré dans la chaîne de vol, il s'ouvre pour freiner la descente de la nacelle après l'éclatement du ballon. Le réflecteur-radar : compte tenu des altitudes atteintes, le ballon est équipé d'un réflecteur radar permettant aux avions et aux aiguilleurs du ciel de connaître sa position. La nacelle (ou charge utile) contient l'expérience scientifique. Elle peut embarquer un système de télémesure qui retransmet au sol les résultats des mesures effectuées en temps réel. DESCRIPTION DE LA CHAINE DE VOL MENU Les ballons mis à disposition sont fabriqués pour les besoins de la veille météorologique. Des dizaines de ballons de ce genre, équipés d'une sonde, sont lâchés chaque jour dans le monde, transmettant au sol les paramètres de température, pression et humidité. Ce type de ballons a été choisi pour la simplicité de sa mise en oeuvre. L'altitude moyenne avant éclatement est de 25 à 30 km pour une charge utile de 2,5 kg maximum et une durée de vol de l'ordre de 3 heures. Un ballon expérimental est constitué de plusieurs éléments qui forment la chaîne de vol ; une fois assemblée, elle peut atteindre jusqu'à 8 mètres de longueur. L'ensemble de la chaîne de vol, hormis la nacelle, est fournie par le CNES.

5 TROPOSPHÈRE altitude températureModèleEcart relatif Z (km)t (°c) % 015 1,00 0,512 1,02 18,591,00 1,54,750, ,99 2,5 0,81 3-4,5-41,00 3,5-7,5-80, , ,5-171, , ,5-301, , ,5-431, , ,5-561, ,5-630, ,5-690, ,5-760, ,5-820, , , ,02 Cette courbe représente la température de lair en fonction de laltitude Z. On observe que la température diminue entre 0 et 10 km quand laltitude augmente. Ensuite elle stagne jusquà 15 km avant daugmenter. Notre courbe sarrête à 40km daltitude, où la température est de -5°C. Dans la partie affine, léquation du graphique nous apprend que pour laugmentation dun kilomètre daltitude, la température baisse de 6,5°C. Sachant quà 0 km daltitude, la température atmosphérique est de 15°C, on obtient léquation suivante : t = -6.5*Z+15. La variation de température étant importante, il nous sera donc possible de la mesurer avec un capteur. Menu Plus on monte en altitude plus la température diminue jusquà atteindre des valeurs nettement inférieures. La température se stabilise ensuite puis augmente à nouveau. La température moyenne au sol est de 15°C et diminue de -6.5 °C par km daltitude (jusquà 10 km daltitude).

6 Thermistance (NTC) type M Le capteur de température platine encastré dans un boîtier plastique se distingue des autres sa stabilité à long terme et sa précision. Il présente un excellent rapport qualité/prix pour toute application, par exemple dans le domaine automobile, les appareils électroménagers et appareils industriels. Caractéristiques : gamme de température : - 50°C à + 150°C. Coefficient de température : Tk = 3850 ppm/KRésistance spécifique : 20°C : 5 x 106 ohms x cm, 150°C : 5 x 1013 Ohms x cm Capteur choisi NTH4G42B104FCode commande Fabricant Murata Référence fabricant NTH4G42B104F Ce capteur a été trouvé sur radiospares ?method=searchProducts&searchTerm= Site de référence : Recherche de capteurs de température trouvés sur internet De Graer Ludovic Bailly Aurélien 24/02/10 MENU Les différents types de capteurs de température sont : Capteur de température linéaire (conditionneur et sonde LM35) : plage de mesure de -40°C à +110°C. Capteur de température non linéaire (conditionneur et sonde) : résistance et coefficient de température négatif CTN 1000KW

7 Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre. Les principaux capteurs de température utilisés en électronique sont basés sur la loi de variation dune résistance. Thermo-résistances : variation de la résistivité de certains métaux (argent, cuivre, nickel, or, platine, tungstène, titane) en fonction de la température. Thermistances : variation de la résistance doxydes métalliques en fonction de la température. On trouve également des capteurs de température au silicium. Daprès la courbe, on remarque que la résistance diminue pour une augmentation de la température. CTN Les CTN (Coefficient de Température Négatif, en anglais NTC, Negative Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance diminue de façon uniforme avec la température. il existe aussi : Les CTP (Coefficient de Température Positif, en anglais PTC, Positive Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la résistance augmente fortement avec la température dans une plage de température limitée (typiquement entre 0 °C et 100 °C), mais diminue en dehors de cette zone. De Graer Ludovic Bailly Aurélien 24/02/10 MENU Ce capteur est un capteur de température résistif. Nous nous en servirons pour mesurer la température extérieure et intérieure de la nacelle au court du voyage. capteur Borne noire Borne verte Schéma: On dispose dun capteur de température résistif On soude grâce à de létain 2 embouts aux 2 bouts des fils reliés au capteur de température résistif. Présentation dune thermistance Lorsque l'effet Joule (échauffement dû au passage du courant) est négligeable, on peut exprimer une relation entre la résistance de la CTN et sa température. Et ensuite pour étalonner ce capteur, nous avons dû souder une borne de mesure (fil blanc sur notre capteur, vert sur le schéma). Le capteur que lon va utiliser : NTH4G42B104F

8 Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance Pour trouver la température nous avons besoin dune autre grandeur physique connue: ici la résistance. Nous avons mesuré la température dans plusieurs endroits pour obtenir différentes températures et ainsi pouvoir étalonner ce capteur. En effet Kiwi ne pourra transmettre la valeur de la température telle quelle. Nous avons donc connecté notre capteur à un multimètre pour mesurer sa résistance. Nous avons branché un capteur de référence qui lui mesure la température ambiante. 10/03/10 De Graer Ludovic Bailly Aurélien MENU La température est une fonction logarithmique de la résistance. La courbe est décroissante (et ne passe pas par lorigine) ce qui signifie que plus la valeur de la résistance augmente, plus la valeur de la température diminue. On mesure la résistance à différentes températures définies. On place ces données dans un tableau et on réalise une courbe. Courbe étalonnage du capteur de température en résistance du fabricant courbe étalonnage du capteur de température en résistance avec nos propres mesures La courbe bleue correspond à celle du fabricant. La courbe verte correspond à nos mesures Remarque : le modèle mathématique trouvé n'est pas valable en dessous de - 20°C pour nos mesures puisqu'il ne passe pas par les points pour des valeurs de température plus faible TempératureRésistanceModèleécart relatif T (°C) R(K ) % ,9% ,1% ,9% ,0% ,2% ,9% temp é raturer é sistanceMod è leecart relatif t(°C) R(K R(K ) % ,2% ,1% ,0% ,0% ,0% ,9% ,9% ,9% ,0% ,9% ,0% ,0% ,1% ,1% Voici les mesures que nous avons obtenu avec notre capteur dans divers endroits : frigo, réfrigérateur, salle de classe *2

9 Les photos de létalonnage en résistance 1) Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance Ce sont nos tests, nos mesures pour comparer avec celles du fabricant (ici : pour - 40°C) On a soudé deux résistances pour obtenir une résistance de 800 k MENU 10/03/10 Nous avons inséré notre capteur dans un petit tube en verre, un multimètre (relié à une sonde) mesurait la température et un autre mesurait la résistance de notre capteur. Grâce à une bombe réfrigérante que nous avons projeté sur le tube, la température est descendue jusquà -40°C, et nous avons regardé la résistance correspondante, pour réaliser ensuite notre courbe détalonnage. Pour trouver la valeur de la résistance à utiliser dans le montage, nous avons déterminé la température moyenne à laquelle sera confrontée la nacelle, puis nous avons déterminé la résistance correspondante à partir des données du tableau. Notre température moyenne est de -13°C, ce qui correspond à une résistance de 800K. (voir courbe page suivante) On a soudée deux résistances pour obtenir une résistance de 800 K Multimètre mesurant la température avec une sonde spécifique Bombe réfrigérante supposée atteindre -65°C T ube en verre très fin contenant le capteur Multimètre mesurant la résistance On cherche quelle résistance on peut utiliser pour étalonner en tension : daprès les données du tableau, on détermine la température moyenne et la résistance correspondante. La température moyenne est -10°C ce qui correspond à une résistance de 800k (voir page suivante) On a donc soudé deux résistances de 400 k pour obtenir une seule résistance équivalente de 800k en utilisant une association en série, lécart entre la valeur de la résistance quon doit utiliser et celle que lon utilise est négligeable.

10 Schéma du montage: Pour étalonner ce capteur, nous lavons branché en série avec une résistance fixe de 800 k, et un voltmètre branché en dérivation du capteur. En parallèle, nous avons branché un appareil permettant de mesurer la température. Ainsi nous mesurerons la température en fonction de la tension. 5V + - V Capteur Pour étalonner ce capteur en fonction de la tension, nous avons dû souder une borne de mesure (fil blanc sur notre capteur, violet sur le schéma). Résistance fixe de 800 k Pour trouver la valeur de la résistance, nous avons déterminé la température moyenne, puis nous avons déterminé la résistance à partir des données du tableau. Notre température moyenne est de -13°C, ce qui correspond à une résistance de 800K. On a soudée deux résistances pour obtenir une résistance de 800K Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température MENU 17/03/10 Valeurs extrêmes Valeur moyenne 800K -13°C 5,0 V mesure 0 V Juste avant le montage

11 Les deux courbes sont des courbes exponentielles. Attention: Nous pouvons donc voir que le dernier point de la courbe ne correspond pas du tout à la courbe du fabricant tandis que les autres mesures sont correspondantes. Nous pouvons donc dire quil y a une grosse incertitude sur ce dernier point (obtenu dans les conditions de la photo ci dessous) vis-à-vis de la courbe du fabriquant. Cette courbe est une fonction exponentielle Plus la température augmente plus la résistance diminue. La courbe bleu correspond à la courbe du fabricant, les données sont obtenues grâce au mode demploi ou fiche technique de la thermistance. La courbe verte correspond à nos valeurs que nous avons effectuées en utilisant ce capteur de température. Ensuite, nous lavons testé dans un réfrigérateur puis congélateur pour voir si les valeurs sont assez semblables à celles du fabriquant. Suite : Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température

12 Avec le montage on effectue différentes mesures à différentes températures et on place les mesures dans un tableau. On réalise ensuite un graphique grâce à ces données. Etalonnage en tension On peut maintenant, avec ce graphique et léquation correspondante, calculer la température en fonction de la tension mesurée par KIWI. Remarques: 1- La courbe est linéaire car les points sont alignés. 2-Plus la température baisse, plus la tension augmente (jusqu à 5V pour -60°C) Tube en verre très fin contenant le capteur Bombe réfrigérante supposée atteindre -65°C Nous avons inséré notre capteur dans un petit tube en verre, un multimètre (relié à une sonde) mesurait la température et un autre mesurait la résistance de notre capteur. Grâce à une bombe réfrigérante que nous avons projeté sur le tube, la température est descendue jusquà -40°C, et nous avons regardé la résistance correspondante, pour réaliser ensuite notre courbe détalonnage. TensionTemperatureModèleEcart relatif U en VT en C°T en °C% 0,5922,919,30,012 0,722117,10,012 1,11910,20,009 1,51-23,3-0,006 1,65-50,8-0,062 2, ,80,008 3, ,80,010 4, ,20,010 Dans le frigo MENU 21/04/10

13 De la résistance à la tension (prévision de la courbe détalonnage en tension à partir des valeurs de la résistance). Menu On réalise un étalonnage en tension pour pouvoir récupérer les données analogique envoyées par KIWI, pourvu seulement dun appareil de mesure de tension. On utilise un générateur de tension continue de 5,0 V car cela est imposé par KIWI pour la prise de mesure et pour ne pas griller le circuit. Les deux courbes détalonnage sont correspondantes on en déduit que lon pouvait faire létalonnage en tension à partir de celui en résistance sans passer par une prise de mesure. On multiplie la tension du circuit par la résistance sur la résistance plus la résistance du capteur. La valeur de la tension pour -50°C, est de 4.4 V aux bornes du générateur. La courbe rouge représente lutilisation du modèle mathématiques. U=U générateur * (R/( R+V R ) La courbe bleue représente la température en fonction de la tension TempératureRésistanceModèleecart relatifTension T (°C) R(K ) %en (V) ,9%0, ,1%0, ,9%0, ,0%1, ,2%2, ,9%3,9

14 Pour finir, nous avons inséré notre capteur dans une paille afin de le protéger et de lisoler et nous avons choisit de le mettre a lextérieur de la nacelle. Pour quil tienne nous lavons scotcher sur le mur de la nacelle Nous avons enrouler les fils entre eux (scoubidous) pour les rendre plus rigide et ainsi éviter certains champs magnétiques et autres, mais aussi pour faire de lordre dans la nacelle pour ne pas avoir des fils emmêlés de partout Photos MENU

15 Valeurs représentatives TensionTempérature U en VT en °C 0,820 1,50 2,95-20 Nous avons au total trois capteurs. Le notre (le numéro )3 sera placé à lextérieur de la nacelle vers le bas, le deuxième (celui de Marie et Laurie) sera placé à lextérieur vers le haut, et le troisième (celui de Marion et Karina) sera placé à lintérieur de la nacelle. 02_Capteur secours de température n°3 Nous allons mesurer la température à l'extérieur de la nacelle tout au long du vol. Pour la température la gamme de mesure sera comprise entre - 55 et +30 C°. La température maximale est de 23°C et la température minimale -40°C MENU Voici la position de notre capteur à lintérieur de la nacelle. De Graer Ludovic / Bailly Aurélien Voici la position de notre capteur à lextérieur de la nacelle. Plus la température baisse, plus la tension augmente (jusqu à 5V pour -60°C) BAS DE LA NACELLE Paille dans laquelle est insérée le capteur Fiche résumé

16 On remarque que la tension décroît jusquà un certain point ??? Lequel, trop vague !, puis augmente. Nos mesures ont commencé au lâcher du ballon, à 10h33, comme le montre le graphique tiré des données reçues. Le ballon montant denviron 5 m/s, laller du voyage a duré 2h, la nacelle était à environ 30000m daltitude lorsque la tension a commencé à augmenter. Nimporte quoi !!! Cest laltitude à laquelle le ballon a dû éclater. FAUX ! On sait que la température diminue fortement avec laltitude lors des premiers km dascension. On remarque une similitude entre la variation de température et celle de la tension aux bornes du générateur de Kiwi. La température a diminué jusquà ce que le ballon éclate, puis augmenté lors de la descente. La tension a fait de même. On peut donc imaginer que les piles délivrent une tension qui dép… de de la température. Les 3 courbes sont à superposer ! Titre ?

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