Avant correction finale et envoi de prédiction trajectoire 18,5 /20 Bilan du groupe sur l’activité ballon, sonde : Maîtrise d’Excel : 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 !

Capteur de vitesse ascensionnelle (n°3) DURIVAUX Thibaud BROFIGA Roméo 2°14 – MPI 09/10 Capteur de vitesse ascensionnelle (n°3) La feuille du fichier Excel a été corrigé Sommaire : Compte rendu : une bonne analyse mais incomplète, a finir Différents types de capteurs permettant de mesurer une vitesse Effet Hall Dynamomètre Baromètre Anémomètre Utilisation d’une photorésistance Domaine de validité Etalonnage Utilisation d’un phototransistor Etalonnage en fréquence Conversion de la fréquence 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)

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

En utilisant une photorésistance Sommaire En utilisant une photorésistance Domaine de validité On constate que pour des valeurs de fréquence supérieures à 1100 Hz, la photorésistance ne donne plus de valeurs cohérentes. 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 l’écran de l’anémomètre).

En utilisant un phototransistor Sommaire En utilisant un phototransistor 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. 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 n’ira pas à des vitesses dépassant 25 m/s. Ainsi, la fréquence mesurée par le fréquencemètre est proportionnelle à la vitesse du flux de l’air passant dans l’anémomètre.

Conversion de la fréquence en tension Sommaire Conversion de la fréquence en tension Kiwi n’étant pas capable d’envoyer des fréquences, il va falloir transformer la fréquence obtenue en tension. Ainsi, on va utiliser un montage permettant cette opération. 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 l’aide d’un 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).

* Valeur préconisé C1 = 100 nF Sommaire Connexion dans montage convertisseur Fréquence/Tension continue (0/5V): Remarque : pas de résistance R2 ni R3 5V Générateur kiwi 33 Fil rouge 4 Fil rouge dessus Réq = 160 W Fil marron dessus R10 = 66 W 4,7 k 162 4,7 k 0.16 k 1N4148 33 47 k Fil violet dessous Fil noir 3 : Source 1 8 2 : Drain IRF 1405 Fil gris signal entrée anémomètre (simulation par signal tension carrée entre 0 et 5 V) C3 = 1 µ 2 repère NE 555 P Mesure de la tension aux bornes de la résistance de 470 k 1 : Gate 3 162 5 Collecteur 47 k 2N 2219A* base Queue : émetteur 470 k C4 = 1 µ Fil rouge Fil rouge 1 162 C1 = 100 n C2 = 10 n 4,7 k Fil noir 0V * Valeur préconisé C1 = 100 nF * Ou transistor 2N222

* Valeur préconisée C1 = 100 nF Sommaire Connexion dans montage convertisseur Fréquence/Tension continue (0/5V): Partie non visible (autre côté) Partie métallisée avec fil ou patte conducteur Intersection métal avec patte conducteur 0V Fil noir 4,7 k Fil violet 1 162 C2 = 10 n C1 = 100 n 470 k Fil violet 4 C4 = 1 µ Queue : émetteur Fil rouge 2 base 2N 2219A* 47 k Collecteur Fil violet 2 Fil violet 5 Fil gris signal entrée anémomètre (simulation par signal tension carrée entre 0 et 5 V) Mesure de la tension aux bornes de la résistance de 470 k 162 5 3 C3 = 1 µ 1 : Gate NE 555 P 2 repère IRF 1405 2 : Drain 8 1 3 : Source Fil noir 47 k 33 Fil violet 3 Fil rouge 1 1N4148 4,7 k 162 R10 = 66 W 4,7 k Réq = 160 W 33 Générateur (kiwi) Fil rouge 3 5V * Ou transistor 2N 222 * Valeur préconisée C1 = 100 nF Remarque : pas de résistance R2 ni R3

Capteur n°3 : vitesse ascensionnelle BROFIGA Roméo DURIVAUX Thibaud Sommaire Capteur n°3 : vitesse ascensionnelle U v v (modèle exp.) Ecart relatif v (modèle poly.) V km/h m/s % 0,00 0,0 0,90 1,40 0,39 0,31 25,6 0,6 1,58 2,70 0,75 0,82 8,7 0,73 3,1 2,06 5,00 1,39 1,63 15,0 1,1 2,30 6,90 1,92 2,31 16,9 1,96 2,4 2,35 7,90 2,19 2,48 11,4 2,13 2,8 2,50 10,60 2,94 3,07 4,1 2,83 3,9 2,54 11,50 3,19 3,25 1,8 3,08 3,8 2,58 12,00 3,33 3,45 3,2 3,35 2,80 19,50 5,42 4,72 14,7 5,52 2,92 26,70 7,42 5,61 32,2 7,30 1,6 Notre capteur est constitué de pales (d’un anémomètre que nous n’utilisons pas en tant que tel), d’une diode d’un côté et d’un phototransistor de l’autre, en face. Le phototransistor reçoit le signal lumineux de la diode, qui est coupé par intermittence à chaque passage d’une 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 l’air de s’engouffrer dans les pales. Voici la courbe d’étalonnage de notre capteur. Pour les valeurs inférieures à 1,50 V, le modèle exponentiel est le plus exact. En revanche, n’ayant 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 l’imprécision 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 l’exponentiel donne des résultats avec un écart relatif d’environ 15% !). Bien corrigé

Sommaire 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 l’indication de durée sur cette page.

Données relevées durant le vol Sommaire Durant le vol, on observe que les valeurs oscillent fortement. Cela signifie que l’anémomètre 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 l’anémomètre est placé contre la nacelle (sous le ballon) ; aussi, une importante protection contre la lumière extérieure masque une grande surface de l’hélice (afin de ne pas perturber le fonctionnement du phototransistor). La vitesse diminue d’environ 0,5 m/s toutes les 16 minutes (courbe rouge) du fait de la diminution de la pression extérieure : l’hélium contenu dans le ballon est de moins en moins léger par rapport à l’air (loi de Boyle Mariotte ???? ). Début de la chute Entre 11h35 et 11h50, on observe des tensions nulles. La densité de l’air devient trop faible pour faire tourner les pales à partir de 15 km, mais dès 8 km d’altitude la vitesse mesurée chute. Cela correspond donc à l’altitude maximale de fonctionnement de la plupart des hélicoptères (environ 5 km). Celle des avions à hélice varie beaucoup selon le type d’avion : 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 l’air nécessaire est donc de 0,75 kg/m3. Bien corrigé On voit que la vitesse de descente mesurée est jusqu’à deux fois celle de l’ascension. A 12h43, on observe que la vitesse mesurée par l’anémomètre augmente subitement. Ceci nous permet de déterminer l’heure à laquelle le ballon a définitivement cessé de monter et a amorcé sa descente (éclatement du ballon). Pas tout à fait, tu vois bien un léger décalage dans le temps. Pourquoi ?