Stage Capteurs et mesures Lycée Pierre Mendès France 5 Avril 2012 Marc HAZART

Plan de la première journée I Les capteurs 1 Plan de la première journée I Les capteurs 1. Approche générale de l’étude d’un capteur (exemple capteur de niveau) 2. Propriétés des capteurs. II Les capteurs de température 1. Importance dans les programmes de 1re et T STL-STI2D 2. Différents types de capteurs de température III Construction d’activités 1. Calibration d’une CTN ou d’une LM 335 2. Bilan thermique d’une enceinte 3. Conduction thermique d’un matériau 4. Justesse et fidelité de thermomètres

Plan de la deuxième journée I Construction d’activités (suite) 1 Plan de la deuxième journée I Construction d’activités (suite) 1. Calibration d’une CTN ou d’une LM 335 2. Bilan thermique d’une enceinte 3. Conduction thermique d’un matériau 4. Justesse et fidelité de thermomètres II Une activité autour de la mesure en chimie Erreur aléatoire et systématique, incertitudes de type A III Les capteurs de lumière 1. Étude de panneaux solaires photovoltaïques (Tronc commun) 2. Sensibilité d’une photodiode (MI)

I Construction d’activités 1. Calibration d’une CTN ou d’une LM 335 2. Bilan thermique d’une enceinte 3. Conduction thermique d’un matériau 4. Justesse et fidélité de thermomètres

Le point de vue « élève »

Approche générale de l’étude d’un capteur. Approche du scientifique : Grandeur entrée / sortie Mettre en œuvre une série de mesures Choix des instruments de mesure Tracé et exploitation de la caractéristique Modélisation

Point de vue des élèves

Quelques conclusions : L’étude d’un capteur doit être contextualisée et répondre à une véritable question. Les taches complexes favorisent l’émergence de conceptions erronées. La recherche des grandeurs pertinentes (entrée/sortie) peut s’avérer délicate dans certains cas. La démarche de calibration n’est pas « naturelle » chez les élèves (la proportionnalité est souvent supposée). Le tracé d’une caractéristique n’est pas non plus un réflexe.

Cahier des charges

Supports

Calibration d’une CTN

Calibration d’une LM 335

Bilan thermique d’une enceinte

Capteurs de température dans le programme (tronc commun STL-STI2D) Notions contenus Capacités exigibles Énergie interne ; température. Capacité thermique massique. - Mesurer des températures. - Citer les deux échelles principales de températures et les unités correspondantes. - Associer la température à l’agitation interne des constituants microscopiques. - Associer l’échauffement d’un système à l’énergie reçue, stockée sous forme d’énergie interne. - Exprimer la variation d'énergie interne d'un solide ou d'un liquide lors d'une variation de température. - Définir la capacité thermique massique.

Notions contenus Capacités exigibles Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Flux thermique, résistance thermique. Caractéristiques thermiques des matériaux. - Prévoir le sens d'un transfert thermique entre deux systèmes dans des cas concrets ainsi que leur état final. - Décrire qualitativement les trois modes de transferts thermiques en citant des exemples. - Réaliser expérimentalement le bilan thermique d’une enceinte en régime stationnaire. - Expliciter la dépendance entre la puissance rayonnée par un corps et sa température. - Citer le lien entre la température d'un corps et la longueur d'onde pour laquelle l'émission de lumière est maximale. - Mesurer l'énergie échangée par transfert thermique.

Branchement du capteur

Résultat de l’acquisition (1h10)

Corrections

Résultats après traitement

Avec la constante de temps : RC=324s donc R= 3,2 K/W

Conduction thermique d’un matériau

Notions contenus Capacités exigibles Énergie interne ; température. Capacité thermique massique. - Mesurer des températures. - Citer les deux échelles principales de températures et les unités correspondantes. - Associer la température à l’agitation interne des constituants microscopiques. - Associer l’échauffement d’un système à l’énergie reçue, stockée sous forme d’énergie interne. - Exprimer la variation d'énergie interne d'un solide ou d'un liquide lors d'une variation de température. - Définir la capacité thermique massique.

Notions contenus Capacités exigibles Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Flux thermique, résistance thermique. Caractéristiques thermiques des matériaux. - Prévoir le sens d'un transfert thermique entre deux systèmes dans des cas concrets ainsi que leur état final. - Décrire qualitativement les trois modes de transferts thermiques en citant des exemples. - Réaliser expérimentalement le bilan thermique d’une enceinte en régime stationnaire. - Expliciter la dépendance entre la puissance rayonnée par un corps et sa température. - Citer le lien entre la température d'un corps et la longueur d'onde pour laquelle l'émission de lumière est maximale. - Mesurer l'énergie échangée par transfert thermique.

Bulletin officiel spécial n° 3 du 17 mars 2011 Thème « Vêtements et revêtements » - Propriétés des matériaux Notions contenus Capacités exigibles Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Flux thermique. Conductivité thermique des matériaux. Résistance thermique. - Décrire qualitativement les trois modes de transferts thermiques en citant des exemples. - Classer des matériaux selon leurs propriétés isolantes, leur conductivité thermique étant donnée. - Définir la résistance thermique. - Déterminer la résistance thermique globale d‘une paroi d’un système constitué de différents matériaux.

Conduction thermique d’un matériau

Justesse et fidélité de thermomètres

II Activité autour de la mesure en chimie

II Activité autour de la mesure en chimie Mesurer le plus « précisément » possible la masse de 50mL d’eau distillée.

II Activité autour de la mesure en chimie Mesurer le plus précisément possible la masse de 50mL d’eau distillée. Contraintes : 6 mesures maximum N’utiliser le bouton TARE que lorsque le plateau est vide.

Masse volumique de l’eau à 1 atm

Quelles sont les sources d’erreurs possibles ? Aléatoires Systématiques

« Guide pour l´expression de l’incertitude de mesure » Ce document s'appuie sur les préconisations de l’AFNOR (Association française de normalisation) notamment dans la norme NF ENV 13005 d’août 1999 : « Guide pour l´expression de l’incertitude de mesure » Travail réalisé par Isabelle Tarride

Évaluation d’incertitudes L’incertitude de mesure sera notée U (de l’anglais « uncertainty »). Elle permet de définir un intervalle dans lequel la valeur vraie a de grandes chances de se trouver. On parle d’intervalle de confiance. Intervalle de confiance U(M) incertitude de mesure Grandeur mesurée m Résultat d’un mesurage Pour un même mesurage, l’intervalle correspondant à un niveau de confiance de 99%, est plus large que celui correspondant à un niveau de confiance de 95% m U95%(M) U99%(M) 47

Évaluation d’incertitudes Types d’incertitudes Suivant la méthode utilisée pour effectuer le calcul d’une incertitude de mesure on peut classer cette incertitude dans l’un des deux types ci-dessous : Une incertitude de type A est évaluée par des méthodes statistiques : moyenne, écart-type…. Elle est issue de l’exploitation d’un nombre important de valeurs mesurées. - Une incertitude de type B est évaluée par d’autres méthodes. Elle correspond en général à une mesure unique. Sa détermination n’est pas simple car il faut prendre en compte toutes les sources d’erreurs ou, au préalable, avoir identifié les sources d’erreurs les plus importantes.

Évaluation d’incertitudes Évaluation d’une incertitude de type A Incertitude-type (notée u) Lorsqu’un même manipulateur réalise plusieurs fois le mesurage de la même grandeur G, dans les mêmes conditions expérimentales ou quand des manipulateurs différents réalisent simultanément le même mesurage avec du matériel similaire, on utilise des notions de statistiques (moyenne et écart-type) pour analyser les résultats. Pour une série de n mesures indépendantes donnant des valeurs mesurées gk, la valeur g retenue pour la mesure de grandeur G est la moyenne des valeurs obtenues : L’écart-type expérimental de la série de mesures est : Cet écart-type permet d’évaluer l’incertitude-type (ou écart-type expérimental de la moyenne) : 49

Évaluation d’incertitudes Incertitude élargie (notée U) Dans l'hypothèse où toute erreur systématique a été écartée et où les diverses valeurs mesurées sont réparties selon une loi gaussienne, le coefficient d’élargissement k, associé à un niveau de confiance donné et au nombre n de mesures, est donné par la loi de Student. Le tableau ci-dessous donne les valeurs de k pour des niveaux de confiance de 95% et 99% et pour des nombres n de mesurages courants. n 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 k 95% 12,7 4,30 3,18 2,78 2,57 2,45 2,37 2,31 2,26 2,20 2,16 2,13 2,11 2,09 k 99% 63,7 9,93 5,84 4,60 4,03 3,71 3,50 3,36 3,25 3,11 3,01 2,95 2,90 2,86

Mesure 4 9, 9 2 Intervalle 0, 8 Écriture +-0,03

III Les capteurs de lumière 1 III Les capteurs de lumière 1. Étude de panneaux solaires photovoltaïques (Tronc commun) 2. Sensibilité d’une photodiode (MI)

1. Étude de panneaux solaires photovoltaïques (Tronc commun)

Notions contenus Capacités exigibles Énergie et puissance électriques : tension, intensité. Propriétés électriques des matériaux Dipôles passifs et dipôles actifs. Effet joule. Énergie stockée dans un condensateur, dans une bobine. - Réaliser un circuit électrique d’après un schéma donné. - Effectuer expérimentalement un bilan énergétique dans un circuit électrique simple. - Analyser les échanges d’énergie dans un circuit électrique. - Mesurer une tension électrique, une intensité électrique dans un circuit en régime continu ainsi que dans un circuit en régime sinusoïdal. - Visualiser une représentation temporelle de ces grandeurs et en analyser les caractéristiques. - Utiliser les conventions d’orientation permettant d’algébriser tensions et intensités. - Mesurer et calculer la puissance et l’énergie électriques reçues par un récepteur. - Utiliser la loi des noeuds et la loi des mailles.

Hypothèses L’éclairement est homogène sur toute la surface des deux cellules. Les rayons lumineux sont considérés comme verticaux. Les multimètres sont idéaux.

Exploitations possibles Étude de la caractéristique d’une cellule avec un angle d’inclinaison nul.

Étude de la caractéristique d’une cellule avec un angle d’inclinaison nul.

Exploitations possibles Étude de la caractéristique d’une cellule avec un angle d’inclinaison nul. Étude de la puissance électrique délivrée dans une charge variable.

Étude de la puissance électrique délivrée dans une charge variable.

Exploitations possibles Étude de la caractéristique d’une cellule avec un angle d’inclinaison nul. Étude de la puissance électrique délivrée dans une charge variable. Étude du comportement électrique d’une cellule en fonction de l’angle d’inclinaison.

Étude du comportement électrique d’une cellule en fonction de l’angle d’inclinaison.

Exploitations possibles Étude de la caractéristique d’une cellule avec un angle d’inclinaison nul. Étude de la puissance électrique délivrée dans une charge variable. Étude du comportement électrique d’une cellule en fonction de l’angle d’inclinaison. Étude du couplage série et dérivation de deux cellules.

Étude du couplage série et dérivation de deux cellules.

2. Sensibilité d’une photodiode (MI)

Compléments de photométrie

Compléments de photométrie

Compléments de photométrie

Compléments de photométrie