Identifier les sources d erreur lors d une pesée

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1 Discipline : Mesure et instrumentation Intitulé de la séance : D'après : Objectifs Objectifs : Identifier les différentes sources d erreur par le diagramme 5M Identifier les sources d erreur lors d une pesée Savoir faire (capacités) : Construire un diagramme 5M Comparer le poids de différentes sources d erreur Démarche pédagogique utilisée : Investigation Proposition de protocoles Mise en œuvre de protocoles Durée : 2 X2 heures Savoirs Savoirs (connaissances) (connaissances) : Savoir être (attitudes) : Sens de l observation Communication écrite et orale Conditions : Groupe de.. élèves, Déroulement de la séance temps Activité professeur Activité élève Documents et supports Présentation de la séance 10 min 1/ Présentation du matériel Redécouverte de l outil balance 10 min 2/ Réflexion sur les sources d'erreurs Présentation de la salle des balances Présentation des balances de précision : prix, calibration, temps de préchauffage Souligne les points à observer Complètent le schéma à annoter Un volontaire effectue une pesée d eau. Observations par le reste du groupe Docs «les balances de précision au laboratoire» + «étalonnage des balances» + «Le vocabulaire des balances» Brouillon pour noter des observations Réflexion individuelle 10 min Anime la réflexion individuelle Expriment individuellement par écrit les potentielles sources d erreur Feuille de classeur : «Mes constatations à propos des sources d erreur»

2 Réflexion collective : 30 min Collecte des erreurs possibles 3/ Manipulations Retranscrire les propositions des élèves au tableau. Orienter vers de erreurs permettant de construire le diagramme 5M Les élèves s expriment Matériel : bulle Milieu : courant d air Méthode : tare ou pas Manipulateur : poudre, centrage Matière : température eau Propositions d expérimentation Indique le matériel à disposition Au tableau : Erreur / Protocole Les élèves proposent un protocole pour vérifier l influence des sources d erreur identifiées. Les élèves écrivent des protocoles sur leur feuille de classeur Mise en œuvre des protocoles par petits groupes 40 min Guide les élèves Les élèves manipulent par binômes Consignent les résultats sur une feuille de classeur (ou cahier de laboratoire qui est utilisé en Biotechno.) Pesée de exactement environ 10 ml d eau avec erreur Manipulation à réaliser par chaque membre du groupe Synthèse des résultats expérimentaux Semaine suivante Présente un doc calcul d écart-type Propose l utilisation d excel pour calculer les écart-types (utilisation des TICE) Calculent l écart-type pour chaque erreur/protocole Ordinateurs ou calculatrices Distribue le doc «diagramme 5M» Découvrent le diagramme 5M et engagent la discussion sur la manière d y adapter les observations de la séance précédente. Doc distribué : «diagramme 5M» Conclusion

3 Les balances de précision au laboratoire Prix = 2000

4 Les balances de précision au laboratoire

5 Le vocabulaire de la balance

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7 Etalonnage des balances Vous avez passé tout l'après-midi sur cette manipulation, uniquement pour vous rendre compte, plus tard, que votre balance était mal calibrée... Maintenant, vous n'avez plus qu'à vous débarrasser de toutes les données basées sur l'analyse que vous venez de réaliser, et à recommencer depuis le début : une perte de temps et d'argent! A notre époque, avec la pression montante sur l'efficacité et la réduction des coûts, une balance mal calibrée peut être coûteuse de bien des façons pour un laboratoire. Alors qu'il n'est pas exagéré de dire que l'exactitude des mesures est plus essentielle que jamais, pour quelles raisons les balances de laboratoire sont-elles souvent mal calibrées? C'est dû à une procédure assommante, manuelle et obsolète nécessaire pour calibrer une balance, qui est contradictoire avec le mouvement vers des instruments de laboratoire automatisés et technologiquement avancés. En ayant pour objectif d'améliorer la vitesse, l'efficacité et l'exactitude, les fabricants mettent l'accent sur l'amélioration du procédé de calibrage de la balance. Calibrage traditionnel La méthode traditionnelle pour calibrer les balances électroniques consiste à utiliser un poids de calibrage externe. Les utilisateurs calibrent généralement avec une méthode appelée «calibrage de la portée», en commençant par ne placer aucun poids sur le plateau pour obtenir le point zéro, puis en plaçant un poids sur la balance pour obtenir un point de portée (généralement à la portée maximale de la balance). Le procédé, du début jusqu'à la fin, est très long et présente les limites suivantes qui contribuent au calibrage incorrect des balances par les utilisateurs : Limites physiques Le laboratoire doit acheter une masse d'étalonnage se trouvant dans les limites de tolérance de la balance, et dont le prix est souvent proportionnel à celui de l'instrument. Les masses d'étalonnage haute précision sont très sensibles ; un simple contact à main nue suffit à nuire à leur précision à long terme. De plus, les masses externes peuvent facilement être perdues ou mal positionnées, notamment dans les laboratoires où l'activité est intense. Limites techniques L'étalonnage est seulement valide pour une gamme de température donnée. Les changements de température dans l'environnement de pesage affectent l'étalonnage de l'instrument, entraînant des résultats de pesage moins précis. Pour que les résultats soient de nouveau fiables, l'utilisateur doit ré-étalonner la balance. Si seulement deux points d'étalonnage sont utilisés, la balance risque de renvoyer une réponse non linéaire sur l'ensemble de la plage de pesage. Innovation en matière de calibrage Depuis le début des années 1990, de nombreux fabricants proposent des balances avec une technologie de calibrage interne, permettant de résoudre les nombreux inconvénients des poids externes. Chacun des concepts de calibrage interne respecte les principes fondamentaux suivants : Toutes les méthodes de calibrage sont basées sur des poids réels, qui se trouvent à l'intérieur de la balance et qui ne seront jamais endommagés ou perdus. Toutes les méthodes de calibrage ont un système pour régler la valeur de poids interne de sorte qu'elle corresponde à celle d'un poids externe certifié, si besoin. Tous les systèmes de calibrage interne proposés sont rapides, conviviaux et les résultats du calibrage peuvent être documentés.

8 Matériel à disposition : Balances de précision 10 béchers 50 ml Bécher 50 ml contenant 20 ml d eau + 30 ml d éthanol (noté «eau frelatée») Echantillon de poudre fine Exemples de protocoles proposables par les élèves : Manip avec niveau à bulle décentré Manip portes ouvertes en faisant des courants d air (même en agitant un cahier) Manip sans tarer (par sous traction des masses du récipient vide et plein) Manip avec eau frelatée Manip avec des traces de poudre fine sur le plateau Manip avec pesée décentrée sur le plateau Manip sans temps de préchauffage

9 Le diagramme causes-effets ou diagramme 5M ou diagramme de d Ishikawa Dans une démarche de gestion de la qualité totale, l'ingénieur chimiste japonais Kaoru Ishikawa a mis au point un diagramme de causes et d'effets. Se présentant sous la forme d'un graphique en arête de poisson, cet outil permet de rechercher et de mettre en évidence l'ensemble des causes à l'origine d'un état de fait. En effet, face à un problème, il est rare que la cause soit unique. Et pour apporter des mesures correctives pour que ce problème ne se répète plus, il faut avoir défini l'ensemble des causes. Le but du diagramme est de constituer un outil d'analyse et/ou une "base de données" listant de manière exhaustive les causes et sources d erreurs. On peut estimer que pour être exhaustif, lors de la construction du diagramme causes-effet, il est impératif de regrouper des personnes ayant acquis une expérience et un niveau technique suffisant sur le sujet à traiter. Cette construction ne peut pas être réalisée de façon individuelle. Toutefois elle permettra aux personnes non expérimentées d'en apprendre beaucoup. On peut aussi penser qu au contraire, des personnes n ayant pas de grande expérience et/ou connaissances dans le domaine en question, enrichissent la recherche par une vision originale, celle du " candide ". Lors du recours aux techniques créatives, tel le brainstorming, il est recommandé d adjoindre au groupe au moins un candide. La recherche des causes peut se faire selon les 5M : Main d'œuvre, Matière, Méthode, Machines (équipement), Milieu (environnement). Milieu : porte ouverte, courant d air, vibrations Méthode : pesée directe ou par tare Machine (ou matériel) : balance de précision, balance de cuisine Main d œuvre (ou manipulateur) : soin de l élève Matière : eau, eau frelatée avec éthanol

10 Exemples issus du milieu industriel

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