Avant correction finale 12 /20

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

2 02_Capteur secours de température n°3
De Graer Ludovic Bailly Aurélien Sommaire 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 d’une Thermistance Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance Photos de l’étalonnage. Etalonnage du capteur. tension en fonction de la température Suite : Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température Etalonnage en tension Photos Fiche résumé Fichier Excel récapitulatif non envoyé (attention au format) L’exploitation des données est catastrophique, diapo 15 à reprendre après avoir retracé les courbes

3 Présentation du projet et du capteur
Le but du projet consiste à construire une nacelle - accrochée à un ballon rempli d’hélium - afin d'y placer des capteurs qui permettront de mesurer différentes grandeurs physiques lors de l'ascension du ballon jusqu’aux 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 . 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. On dispose d’un 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 l’étain 2 bouts des fils reliés au capteur de température résistif 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 l’agitation 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). L’unité 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 DESCRIPTION DE LA CHAINE DE VOL
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. 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. MENU

5 Température atmosphérique en fonction de l'altitude
TROPOSPHÈRE  altitude  température Modèle Ecart relatif Z (km) t (°c) % 15 1,00 0,5 12 1,02 1 8,5 9 1,5 4,7 5 0,89 2 0,99 2,5 -1 0,81 3 -4,5 -4 3,5 -7,5 -8 0,97 4 -11 -17,5 -17 6 -24 7 -30,5 -30 8 -37 -43,5 -43 10 -50 11 -56,5 -56 -63 0,90 13 -69 14 -76 0,74 -82 0,68 20 -46 -115 0,40 30 -38 -180 0,21 40 -5 -245 0,02 Température atmosphérique en fonction de l'altitude Cette courbe représente la température de l’air en fonction de l’altitude Z. On observe que la température diminue entre 0 et 10 km quand l’altitude augmente. Ensuite elle stagne jusqu’à 15 km avant d’augmenter. Notre courbe s’arrête à 40km d’altitude, où la température est de -5°C. Dans la partie affine, l’équation du graphique nous apprend que pour l’augmentation d’un kilomètre d’altitude, la température baisse de 6,5°C. Sachant qu’à 0 km d’altitude, la température atmosphérique est de 15°C, on obtient l’équation suivante : t = -6.5*Z La variation de température étant importante, il nous sera donc possible de la mesurer avec un capteur. Plus on monte en altitude plus la température diminue jusqu’à 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 d’altitude (jusqu’à 10 km d’altitude). Menu

6 Recherche de capteurs de température trouvés sur internet
24/02/10 De Graer Ludovic Bailly Aurélien Recherche de capteurs de température trouvés sur internet 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 1.50€ Thermistance (NTC) type M87 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. 3.90€ Capteur choisi NTH4G42B104F Code commande Fabricant Murata Référence fabricant NTH4G42B104F Ce capteur a été trouvé sur radiospares Site de référence : ?method=searchProducts&searchTerm= MENU

7 Présentation d’une thermistance
24/02/10 De Graer Ludovic Bailly Aurélien Présentation d’une thermistance Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre. Les principaux capteurs de température utilisés en électronique sont basés sur la loi de variation d’une 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 d’oxydes métalliques en fonction de la température. On trouve également des capteurs de température au silicium. 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. D’après la courbe, on remarque que la résistance diminue pour une augmentation de la température. 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 . 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. Le capteur que l’on va utiliser : NTH4G42B104F CTN 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. Schéma: capteur Borne noire Borne verte On dispose d’un capteur de température résistif On soude grâce à de l’étain 2 embouts aux 2 bouts des fils reliés au capteur de température résistif. Et ensuite pour étalonner ce capteur, nous avons dû souder une borne de mesure (fil blanc sur notre capteur, vert sur le schéma). MENU

8 Courbe étalonnage du capteur de température en résistance du fabricant
10/03/10 De Graer Ludovic Bailly Aurélien Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance Courbe étalonnage du capteur de température en résistance du fabricant Pour trouver la température nous avons besoin d’une 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 qu’elle. 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. température résistance Modèle ecart relatif t(°C) R(KW) % -40 4260 3699 1,2% -35 3010 2782 1,1% -30 2150 2092 1,0% -25 1550 1573 -20 1140 1183 -15 840 890 0,9% -10 630 669 -5 470 503 360 378 5 270 285 10 210 214 15 160 161 20 130 121 25 100 91 On mesure la résistance à différentes températures définies. On place ces données dans un tableau et on réalise une courbe. 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 courbe étalonnage du capteur de température en résistance avec nos propres mesures La courbe bleue correspond à celle du fabricant. Température Résistance Modèle écart relatif T (°C) R(KW) % 22 89 98 0,9% 20 120 110 1,1% 18 122 7 227 224 1,0% -12 770 637 1,2% -40 2700 2970 Voici les mesures que nous avons obtenu avec notre capteur dans divers endroits : frigo, réfrigérateur, salle de classe *2 La courbe verte correspond à nos mesures La température est une fonction logarithmique de la résistance. La courbe est décroissante (et ne passe pas par l’origine) ce qui signifie que plus la valeur de la résistance augmente, plus la valeur de la température diminue. MENU

9 Les photos de l’étalonnage en résistance
10/03/10 Les photos de l’étalonnage en résistance 1) Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance Multimètre mesurant la température avec une sonde spécifique Tube en verre très fin contenant le capteur Multimètre mesurant la résistance Ce sont nos tests, nos mesures pour comparer avec celles du fabricant (ici : pour -40°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 jusqu’à -40°C, et nous avons regardé la résistance correspondante, pour réaliser ensuite notre courbe d’étalonnage. Bombe réfrigérante supposée atteindre -65°C On a soudé deux résistances pour obtenir une résistance de 800 kW 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 800KW. (voir courbe page suivante) On a soudée deux résistances pour obtenir une résistance de 800 KW On cherche quelle résistance on peut utiliser pour étalonner en tension : d’après 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 800kW. (voir page suivante) On a donc soudé deux résistances de 400 kW pour obtenir une seule résistance équivalente de 800kW, en utilisant une association en série, l’écart entre la valeur de la résistance qu’on doit utiliser et celle que l’on utilise est négligeable. MENU

10 Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température
17/03/10 Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température 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). Schéma du montage: 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 800KW. On a soudée deux résistances pour obtenir une résistance de 800KW 5V + - V Capteur 5,0 V mesure 0 V Résistance fixe de 800 kW Pour étalonner ce capteur, nous l’avons branché en série avec une résistance fixe de 800 kW, 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. Juste avant le montage 800KW Valeur moyenne -13°C Valeurs extrêmes MENU

11 Suite : Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température
Les deux courbes sont des courbes exponentielles. 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 d’emploi 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 l’avons testé dans un réfrigérateur puis congélateur pour voir si les valeurs sont assez semblables à celles du fabriquant. 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 qu’il 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.

12 Etalonnage en tension MENU Dans le frigo Tension Temperature Modèle
21/04/10 Etalonnage en tension 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. 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 jusqu’à -40°C, et nous avons regardé la résistance correspondante, pour réaliser ensuite notre courbe d’étalonnage. Dans le frigo Tension Temperature Modèle Ecart relatif U en V T en C° T en °C % 0,59 22,9 19,3 0,012 0,72 21 17,1 1,11 9 10,2 0,009 1,51 -2 3,3 -0,006 1,65 -5 0,8 -0,062 2,83 -16 -19,8 0,008 3,00 -22 -22,8 0,010 4,00 -40 -40,2 Tube en verre très fin contenant le capteur Bombe réfrigérante supposée atteindre -65°C On peut maintenant, avec ce graphique et l’équation 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) MENU

13 De la résistance à la tension (prévision de la courbe d’étalonnage en tension à partir des valeurs de la résistance) . On réalise un étalonnage en tension pour pouvoir récupérer les données analogique envoyées par KIWI, pourvu seulement d’un 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. Température Résistance Modèle ecart relatif Tension T (°C) R(KW) % en (V) 22 89 98 0,9% 0,5 20 120 110 1,1% 0,7 18 122 0,6 7 227 224 1,0% 1,1 -12 770 637 1,2% 2,5 -40 2700 2970 3,9 U=U générateur * (R/( R+VR) La valeur de la tension pour -50°C, est de 4.4 V aux bornes du générateur. Les deux courbes d’étalonnage sont correspondantes on en déduit que l’on pouvait faire l’étalonnage 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 courbe rouge représente l’utilisation du modèle mathématiques. La courbe bleue représente la température en fonction de la tension Menu

14 Photos Pour finir, nous avons inséré notre capteur dans une paille afin de le protéger et de l’isoler et nous avons choisit de le mettre a l’extérieur de la nacelle. Pour qu’il tienne nous l’avons 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 l’ordre dans la nacelle pour ne pas avoir des fils emmêlés de partout MENU

15 Valeurs représentatives
Fiche résumé 02_Capteur secours de température n°3 Nous avons au total trois capteurs. Le notre (le numéro )3 sera placé à l’extérieur de la nacelle vers le bas, le deuxième (celui de Marie et Laurie) sera placé à l’extérieur vers le haut, et le troisième (celui de Marion et Karina) sera placé à l’intérieur de la nacelle. 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°. De Graer Ludovic / Bailly Aurélien La température maximale est de 23°C et la température minimale -40°C Plus la température baisse, plus la tension augmente (jusqu ’à 5V pour -60°C) Valeurs représentatives Tension Température U en V T en °C 0,8 20 1,5 2,95 -20 Voici la position de notre capteur à l’intérieur de la nacelle. Voici la position de notre capteur à l’extérieur de la nacelle. BAS DE LA NACELLE Paille dans laquelle est insérée le capteur MENU

16 Les 3 courbes sont à superposer !
Titre ? Les 3 courbes sont à superposer ! On remarque que la tension décroît jusqu’à 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 d’environ 5 m/s, l’aller du voyage a duré 2h, la nacelle était à environ 30000m d’altitude lorsque la tension a commencé à augmenter. N’importe quoi !!! C’est l’altitude à laquelle le ballon a dû éclater. FAUX ! On sait que la température diminue fortement avec l’altitude lors des premiers km d‘ascension. On remarque une similitude entre la variation de température et celle de la tension aux bornes du générateur de Kiwi. La température a diminué jusqu’à 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.

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