TP N 6 : Régulation d'un four DÉROULEMENT DE LA SÉANCE TITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES MOYEN DURÉE. Fin du cours {3 heures} Page 1 sur 11

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1 TP N 6 : Régulation d'un four DÉROULEMENT DE LA SÉANCE TITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES MOYEN DURÉE Fin du cours {3 heures} Page 1 sur 11

2 Tableau de comité de lecture Date de lecture Lecteurs Observation Remarques rédacteur Date modifications 7 septembre 2001 CROCHET David Première version Merci à la contribution de l'équipe 7 septembre 2001 du lycée d'hirson Quote of my life : Fournir ma contribution aux autres est ma philosophie. Et la vôtre? Si vous avez lu ce T.P. et que vous avez des remarques à faire, n'hésiter pas et écrivez-moi à l'adresse suivante : Ce dossier contient : Crochet.david@free.fr Un dossier élève (pages 4 à 8) Un dossier prof (pages - à -) Un transparent (page - à - ) Adresse Professionnel : CROCHET David Professeur de Génie électrique Lycée Joliot CURIE Place du Pigeon Blanc HIRSON (Adresse valable jusqu'au 30/06/2002) Page 2 sur 11

3 TP N 6 Régulation d'un four Niveau : T STI GET Lieu : Salle d'a.i.i. Durée : 3 heures B 1 Organisation : groupe ½ classe, travail en binôme LIAISON AU RÉFÉRENTIEL Les élèves doivent être capables : - - PRÉ-REQUIS Les élèves devront être capables de : - - OBJECTIFS - Apprendre à (savoir intégré) - Apprendre à (savoir actif) NIVEAU D'APPRENTISSAGE - Passive MÉTHODE Page 3 sur 11

4 S.T.I. - G.E.T. B 1 AUTOMATIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE AUTOMATISME DOSSIER PÉDAGOGIQUE TP N 6 Régulation d'un four Objectif : Matériel : Documents : Aucun document autorisé Secteur : Salle de cours Durée : 3 heures Nom, Prénom : Classe, Groupe : Page 4 sur 11

5 Régulation d'un four 1. Mise en évidence du besoin d'un besoin d'un système automatique Pour vérifier la nécessité d'une régulation automatique de température de four, on se propose de maintenir constante la température du four en agissant simplement sur l'alimentation des résistances chauffantes du four. Dans ce cas, le système est réduit à : - L'enceinte du four. - Les résistantes chauffantes. - Le bouton Marche / Arrêt du four 1.1. Travail à effectuer Nous allons étudier le comportement du four, lorsqu'un opérateur effectue la mise en route et l'arrêt manuel d'un four. Régler le thermostat sur le maxi (290 C) afin d'inhiber (annuler) son action {le four chauffera tant que l'alimentation électrique restera} ATTENTION : Ne rien mettre sur le four (papier, plastique ) Vous devez noter le temps mis par le four a atteindre 100 C. Noter la température initiale. Mettre en fonctionnement le four, surveillez la température sur l'afficheur de l'interface Arrêtez l'alimentation du four dès que celle-ci atteint la température de 100 C. Noter le temps mis pour atteindre 100 C. Elle sera appelée : " Temps de Montée à 100 C " Noter la Température Maximale qu'atteindra le four. Que devrions-nous faire afin de rester à 100 C et ainsi de ne pas atteindre une température qui pourrait être dangereuse? 2. Étude du système automatique de régulation de température L'expérimentation précédente montre qu'il est difficile et astreignant de garder une température constante en agissant manuellement sur le système. Il est donc nécessaire de confier cette opération à un constituant dont le fonctionnement est indépendant de l'utilisateur. Ce constituant porte le nom de Thermostat. Son rôle : Réaliser la fonction Ouverture / Fermeture du circuit d'alimentation de la résistance chauffante et ceci en prenant en compte la température demandée et la température de l'enceinte du four Page 5 sur 11

6 2.1. Mise en évidence des fonctions du thermostat L'étude suivante va nous permettre d'identifier les fonctions du thermostat D'après le dossier technique, quels sont le ou les éléments du thermostat qui reçoivent l'information de la température à atteindre? D'après le dossier technique, quels sont le ou les éléments du thermostat qui reçoivent l'information de la température de l'enceinte du four? Quel est le phénomène mécanique utilisé? Le thermostat est-il un système de mesure de température ou un système de comparaison? Justifier votre réponse 2.2. Performance du système Le système à été conçu pour chauffer des ingrédients à une température donnée. Il est intéressant de savoir s'il répond bien à ce cahier des charges, s'il a bien les performances attendues, à savoir : - La température affichée est bien atteinte - La température reste stable au cours du temps - Le temps de mis en chauffe est acceptable. Pour quantifier les performances du système, nous allons procéder à 2 essais : - 1 er essai : Le four est chauffé à 140 C à vide - 2 ème essai : Le four est chauffé à 140 C avec une pièce métallique Relier le transmetteur à l'enregistreur Préparer l'enregistreur afin de tracer la courbe de la température en fonction du temps Noter la température initiale et régler le thermostat à 140 C Lancer l'acquisition. La courbe doit monter la montée en température ainsi que 4 ou 5 oscillations a la fin de la montée en température (30 45 minutes environ) Pendant que l'acquisition est en cours, répondre aux questions du chapitre 3, 4 et 5. Page 6 sur 11

7 A la fin de la première acquisition, refroidir le four avec de l'air comprimé afin d'atteindre la température initiale Effectuer le deuxième essai, tout comme le premier, en prenant soin d'y rajouter la pièce métallique dans l'enceinte du four Mesurer le Temps de réponse de montée en température (temps mis pour atteindre la valeur demandée) Mesurer l'écart maximal entre la température atteinte et la température de consigne Comparer les deux courbes obtenues : Quelles sont vos conclusions? (La précision du système vous parait-elle suffisante pour l'utilisation prévue? Dans quel cas les performances sont-elles meilleurs? Justifier.) Les trois courbes ci dessous représente l'image de la sortie en fonction du temps de différents systèmes automatiques. Dans quel cas ce trouve notre système " Four " Oscillant amorti Oscillant Instable 3. Identification des éléments et grandeurs physiques d'un système Le système four peut être représenté graphiquement par le schéma (voir document réponse 1) appelé schéma bloc. Chaque bloc contient un élément su système qui reçoit une grandeur et la transforme. Exemple : Résistances chauffantes = Transformer l'énergie électrique reçue en énergie calorifique (chaleur) et, de ce fait, modifier la température Indiquer la nature des grandeurs transmises entres les différents constituants de cet asservissement (répondre sur le document réponse 1) 3.2. Le chemin AB porte le nom de boucle de retour ou boucle de rétroaction. Que se passerait-il si elle n'existait pas? Page 7 sur 11

8 4. Étude du thermocouple 4.1. Analyse fonctionnelle Indiquer le repère du module fonctionnel réalisant la régulation en température du four Préciser la nature des flux d'entrées (matières d'œuvre d'entrées et contraintes) et de sorties de ce module Thermocouple D'après le dossier technique, rappeler le principe de fonctionnement de ce capteur Donner l'expression de l'information source et image de ce capteur Caractéristique f.e.m. / température ; E = f(t) A partir du dossier technique, tracer la courbe, sur le document réponse 2, de la force électromotrice E [mv] en fonction de la température du four pour un fonctionnement comprise entre 0 C et 200 C Relever la courbe de la tension U de sortie de l'amplificateur de l'interface en fonction de la température (on pourra faire 3 ou 4 points de mesures, pas exemple, pour la température ambiante, 50 C, 100 C, 150 C) En déduire le gain K de l'amplificateur. 5. Étude du four en régime permanent. Énergie active 5.1. Puissance absorbée par le four On a mesuré la valeur de la résistance entre les 2 bornes d'alimentation du four. Elle est égale à 45 Ω. La tension d'alimentation est de 230 V. Calculer la puissance absorbée par le four Sachant que le four fonctionne pendant 15 minutes sans interruption et que le prix du kwh est de 0.095, calculer le prix de cette utilisation de 15 min On veut vérifier avec un compteur d'énergie active monophasé de constant de 2,5 Wh par tour cette consommation. Calculer le nombre de tours que va effectuer ce compteur durant ces 15 minutes Mesure de la consommation électrique du four Réaliser le montage permettant de mesurer la puissance du four Calculer, d'après vos relevés, la puissance consommée. Comparer cette puissance par rapport à celle calculer à la question 5.1. Page 8 sur 11

9 S.T.I. - G.E.T. B 1 AUTOMATIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE AUTOMATISME DOSSIER RÉPONSE TP N 6 Régulation d'un four Objectif : Matériel : Documents : Aucun document autorisé Secteur : Salle de cours Durée : 3 heures Nom, Prénom : Classe, Groupe : Page 9 sur 11

10 DOCUMENT RÉPONSE 1 Bouton de commande Interrupteur Résistances chauffantes A B Lame déformante Page 10 sur 11

11 DOCUMENT RÉPONSE 2 12 Caractéristique du thermocouple 10 Valeur de la f.e.m. [mv] Température [ C] Page 11 sur 11