Mesurer la température pendant le vol d un ballon

Transcription

1 TRAVAUX PRATIQUES BALLON TELEMESURE A DESTINATION DES JEUNES Mesurer la température pendant le vol d un ballon Ou comment réussir son suivi en pratiquant soi-même. Rédacteur : Frédéric BOUCHAR Association PASTEL-STJ Parc Technologique du Canal, rue Hermès RAMONVILLE St AGNE Tel : Fax : Bouchar@pastel-stj.net

2 Mesure de température pendant le vol d un ballon stratosphérique de jeune TP N 0 Fournisseurs de composants Partons du meilleur pour aller vers les fournisseurs à éviter. RADIOSPARES Les : service rapide, beaucoup de produits. Fournissent gratuitement les documentations des composants (site Internet). Fournit gratuitement deux énormes catalogues et un CD-ROM Les - : Chers, prix HT, il faut ajouter les 20,6% (Mais le port est compris dans le prix, quelle que soit l importance de la commande). Adresse : RADIOSPARES, rue Norman King, BP BEAUVAIS CEDEX Tel commande : Fax : Internet : FARNELL Les : service rapide, beaucoup de produits. Fournissent gratuitement les documentations des composants (site Internet). Fournit gratuitement deux énormes catalogues Les - : Chers, prix HT, il faut ajouter les 20,6% (Mais le port est compris dans le prix). Adresse : FARNELL, 745 avenue de l Europe VILLEFRANCE CEDEX Tel commande : Fax : Internet : SELECTRONIC Les : pas trop cher, disponibilité du matériel. Capteur de pression intéressant. Prix catalogue TTC Les - : Frais de port en supplément. Site Internet peu intéressant. Catalogue 30Frs remboursé 1 ère commande Adresse : SELECTRONIC, B.P LILLE CEDEX Tel commande : Fax : Internet : CONRAD Les : pas cher Les - : peu de stock, commandes qui peuvent trainer Catalogue : 39Frs Vous voulez vraiment d adresse? Ok! CONRAD «Entreprises» LILLE Cedex 9 Tel : Fax : Internet : COMPTOIR DE LANGUEDOC Les : pas cher Les - : peu de stock, commandes qui peuvent trainer Catalogue : 25 Frs Adresse : COMPTOIR DE LANGUEDOC Professionnel 2, Impasse Didier-Daurat Parc d activité de Montaudran TOULOUSE Cedex 4 Tel : Fax : Internet : Hors classement LE FOURNISSEUR DU COIN On peut tout y trouver. Parfois c est très utile de poser des questions au vendeur qu on a devant soit et de toucher avec ses petits doigts le capteur que l on va acheter Vous êtes invité à donner votre avis sur ces fournisseurs ou à en proposer d autres. 1

3 Mesure de température pendant le vol d un ballon stratosphérique de jeune TP N 0 Le matériel nécessaire Un fer à souder de bonne qualité (que vous garderez toute votre vie). La bonne température de la pointe (la panne) est d environ 350 C. Cette panne doit être à bout très fin, c est important pour réaliser des soudure fines et précises. Une éponge doit accompagner votre fer à souder. Il faut l humidifier afin d essuyer la panne de temps à autre pour en retirer les excédents de soudure. Soudure. Il est souhaitable d utiliser de la soudure fine (0,5mm). Tresse à dessouder. Elle est constituée de fils de cuivre qui absorbent la soudure lorsqu on la chauffe en contact avec la tresse. Pince coupante, petit modèle, pour couper les longues pattes de composants. Pince à dénuder indispensable pour réaliser de beaux et bons câblages. Une pince plate. C est un outil qui permet de plier à 90 les pattes des composants avant de les implanter. Un petit tournevis pour les borniers du KIWI Un multimètre numérique équipé de pointes de touches et d une mesure de température. Le SL-99 de SELECTRONIC (Ref : ) fera très bien l affaire. Une alimentation de 5V est nécessaire pour alimenter les montages. Un plan de montage de cette alimentation est disponible auprès de PASTEL-STJ Les matériaux Carte Bakélite pastillée Permet de réaliser des montages avec soudures sans avoir besoin de réaliser de circuits imprimer. Fils électriques Il faut choisir des petits fils électriques multibrins (qui sont constitués d une multitude de brins de cuivre) qui résistent mieux mécaniquement aux manipulations. 2

4 Mesure de température pendant le vol d un ballon stratosphérique de jeune TP N 0 Les résistances 1 er chiffre 2 me chiffre Nombre de zéros ou puissance de 10 Code des couleurs Tolérance Couleur or : 5% Couleur argent : 10 % NOIR MARRON ROUGE ORANGE JAUNE VERT BLEU VIOLET GRIS BLANC Thermistances Les thermistances sont des résistances électriques dont la valeur change lorsque la température du milieu dans lequel elles se trouvent change. Les valeurs données par le fabriquant sont mesurées à la température de 25 C (les fameuses CNTP, Conditions Normales de Température et de Pression). Une chance pour nous, les thermistances ne sont pas sensibles à la pression. Thermistance CTN NTH4G 10 K RADIOSPARES : Ref (30,83 FHT pour 5) Thermistance CTN 10 K RADIOSPARES : Ref : (23,09 FHT pour 5) Thermistance CTN 1K RADIOSPARES : Ref : (15,81 FHT pour 5) Thermistance CTN 100K RADIOSPARES : Ref : (15,81 FHT pour 5) Thermistance CTP KTY RADIOSPARES : Ref : (15,50 FHT pour 1) LM335 SELECTRONIC : Ref : (14,00 FTTC pour 1) 3

5 THERMISTANCES (CTN) ET PONTS DIVISEURS. Après ce TP vous saurez : - Tracer la courbe caractéristique d une thermistance de manière expérimentale et théorique. - Calculer et monter un pont diviseur. - Calculer de plusieurs manières la résistance fixe à monter avec la thermistance. Les thermistances CTN Les thermistances à coefficient de température négatif (CTN) sont des résistances électriques dont la valeur augmente lorsque la température du milieu dans lequel elles se trouvent diminue. Les valeurs données par le fabriquant sont mesurées à la température de 25 C (les fameuses CNTP, Conditions Normales de Température et de Pression). Une chance pour nous, les thermistances ne sont pas sensibles à la pression Caractéristique de la thermistance : méthode expérimentale Commençons par une expérience fondamentale : l étalonnage d un capteur de température. L opération consiste à réaliser plusieurs mesures de la résistance de la thermistance à différentes températures. Utiliser un multimètre/thermomètre et placer sa sonde de température près de la thermistance. Faire varier la température avec une bombe de refroidisseur qui permet de descendre jusqu à 55 C. Pour prendre la mesure, essayer de stabiliser la température en vaporisant en continu pendant quelques secondes. Matériel : Thermistance de 10 kohm ; Thermomètre électronique ; Domino électrique Bombe de refroidisseur : 520 ml Ref : prix : 84,82 FHT chez RADIOSPARES 650 ml Ref : prix : 107,00 FTTC chez SELECTRONIC Relation Température / Résistance Domino électrique Thermistance Mesure de température Mesure de résistance Température ( C) Résistance (KW ) Température ( C) Résistance (KW ) Tracer la courbe de résistance (axe horizontal) en fonction de la Température (axe vertical) d enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR Nicolas VERDIER - page 1

6 Caractéristique de la thermistance : méthode théorique Les CTN sont caractérisées par deux grandeurs : R 0, résistance de la CTN à 25 C et β (K) La relation résistance/température s exprime par : R 0 est la résistance de la CTN à T 0 = 298 K R est la résistance de la CTN à la température T R = 1 1 β( ) T T0 R 0.e (1) Attention, les températures ne sont pas en degrés Celsius ( C) mais en Kelvin (K). 0 C = 273 K Ces coefficients sont donnés par le constructeur (R 0 =10 K et β=3380 par exemple) mais peuvent être déterminés expérimentalement avec deux points de mesure. Avec ces informations nous allons calculer β et R 0 En transposant l équation (1), nous avons : Température ( C) Résistance (Kw) 24 9, Tableau 1 R 2 R 1 T1 T2 R1 β = ln( ) T T R (2) Le β se détermine directement avec deux points de mesure de résistance aux températures T 1 et T 2. R 0 = e R β( ) T1 T0 La résistance R 0 se détermine avec un point de mesure (R 1, T 1 ) et T 0 (25 C ou 298 K). (3) 1/ Calculer les valeurs R 0 et b avec l exemple ci-dessus (Tableau 1). b= R 0 = 2/ Avec ces résultats, tracer la relation Résistance / Température de cette CTN (L aide d un tableur sera appréciable). Choisir la plage de température 60 C / 30 C 3/ Avec vos thermistances de 1 KW, 10 KW et 100 KW, refaites les étapes 1/ et 2/ pour en déterminer les caractéristiques. d enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR Nicolas VERDIER - page 2

7 Le conditionneur de la mesure de température Le conditionneur est un dispositif électronique qui permet de transformer une information issue d un capteur en un signal électrique dont l utilisateur (vous) définit précisément les caractéristiques (plage de variation, valeur min et max, fréquence, etc ). En général, on cherche à conditionner les capteurs en tension. Pour l utilisation du système KIWI, le conditionneur doit fournir une tension située entre 0V et 5V. Le conditionneur d une CTN peut-être une simple résistance. U t 5 V C T N Vers émetteur KIWI On détermine alors la gamme de fonctionnement du capteur en évaluant les températures attendues (min et max). Pour une excursion d altitude de 30 km, la plage de mesure doit s étendre entre 60 C et 30 C. La tension mesurée aux bornes de la résistance fixe varie en fonction de la température. Ce montage donne une tension qui diminue lorsque la température diminue. Voir page suivante le point sur le pont diviseur de tension. Relation Température / Tension : méthode expérimentale Réaliser le montage ci-dessous. Utiliser un multimètre/thermomètre et placer sa sonde de température près de la thermistance. Faire varier la température avec la bombe de refroidisseur Pour prendre la mesure de tension, essayer de stabiliser la température en vaporisant en continu pendant quelques secondes. Matériel : Résistance de 68 kω ; Thermistance de 10 kω ; Thermomètre électronique ; Domino électrique Bombe de refroidisseur ; Alimentation 5 volts Mesure de température 2.3 Thermistance 10 kw U R = 68 kw Alimentation 5V Mesure de tension Température ( C) Tension (V) Température ( C) Tension (V) Tracer la courbe de Tension (axe horizontal) en fonction de la Température (axe vertical) d enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR Nicolas VERDIER - page 3

8 Le pont diviseur : un conditionneur de capteur Pourquoi un pont diviseur? Ce montage n est pas un pont diviseur! Ceci est un capteur résistif 4,5 V - U = 4,5V - -, masse ou 0V La tension aux bornes du capteur est de U = 4,5V. Des variations physiques sur ce capteur ne changent pas la tension aux bornes de celui-ci. Ceci est une résistance à valeur fixe Ce montage est un pont diviseur 4,5 V - U 2 U 1 - La tension aux bornes du capteur est maintenant U 1. On remarque que U 1 U 2 = U (4,5V). Des variations physiques sur ce capteur changent la tension aux bornes de celui-ci : U 1 varie. Dans notre cas, nous allons envoyer grâce à la télémesure cette valeur U 1. Il faut donc trouver une relation qui lie la variation du paramètre physique que l on souhaite mesurer et cette tension U 1. U 2 R 2 Le capteur résistif, par définition, voit sa résistance changer en fonction des variations du paramètre physique. (La chaleur fait varier la résistance d une thermistance). On va donc chercher à définir U 1 en fonction de cette résistance R 1 La loi d'ohm : U = R x i permet ce calcul. U 1 = R 1 x i (1) U 1 R 1 Quand R1 et R2 sont égales, la tension U est divisée par 2 : U1=U2 = U/2. R 2 et U sont connus. U 2 = R 2 x i (2) U = U 1 U 2 (3) (1)et(2) => U 2 U 1 = (R 1 R 2 )x i => i = U / (R 2 R 1 ) (1)=> U 1 = U x R 1 / (R 2 R 1 ) Nous avons donc une tension U 1 dont les variations vont dépendre directement de R 1. d enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR Nicolas VERDIER - page 4

9 Relation Tension / Température : méthode théorique Une fois la tension obtenue et envoyée par le système KIWI, il faut retrouver la température. Nous allons donc établir la relation Tension / Température à l aide de la formule du pont diviseur : UT = U R fixe R fixe 1 1 β( ) T T0 R 0.e Tracer la courbe caractéristique Tension / Température des thermistances suivantes : CTN 1KW b=3825 CTN 10 KW b=3740 CTN 100 KW b=3977 La plage de température proposée va de 60 C à 30 C Construire une feuille de calcul avec un tableur vous facilitera la tâche d enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR Nicolas VERDIER - page 5

10 Comment trouver la valeur de la résistance fixe du conditionneur?. Méthode rapide Considérons que la CTN est à la température du milieu de sa plage de variation, le conditionneur doit donner une tension au milieu de la dynamique 0->5V qui est de 2,5V. Dans cette situation, le montage constitue un pont diviseur par 2 et la résistance de la CTN est égale à la résistance fixe. Calculer la valeur de la résistance fixe du conditionneur pour les CTN de 1 kw, 10 kw et 100 kw (Utiliser les résultats précédents). Méthode affinée Elle consiste à recherche la valeur de la résistance fixe pour laquelle on obtient la plus grande plage de variation de tension. Exemple : U à 30 C La résistance de 100K donne une plage de variation maximale (4,2V) 5,00 4,50 Choix de la résistance fixe du conditionneur d'une CTN Delta U (V) 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Résistance fixe (kohm) U U à 60 C Choisir la thermistance du début du TP avec le b et le R 0 que vous avez trouvez. 1/ Choix la gamme de résistances fixes que l on souhaitent essayer. (Série E 12) 2/ Calculer les tensions à température maximale (30 C) et température minimale (-60 C) 3/ Calculer la plage de tension (D U) Note : Série E 12 C est une série de résistances fixes dont voici les valeurs que l on peut décliner en multiples de 10 : (1,2 Ω 12 Ω 120 Ω etc.) 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10 d enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR Nicolas VERDIER - page 6