BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE

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1 BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE Session 2011 Épreuve : PHYSIQUE CHIMIE ÉLECTRICITÉ Partie : ÉLECTRICITÉ Série SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS Durée de l'épreuve : 3 heures coefficient : 5 L'usage de la calculatrice est autorisé. Le sujet comporte 9 pages Le document réponse p 9 est à rendre avec la copie Page 1 sur 9

2 Surveillance du taux de monoxyde de carbone dans un parking souterrain La qualité de l air est devenue un enjeu majeur de notre société. Dans les agglomérations, des réseaux de capteurs permettent de déterminer l indice ATMO de l air, basé sur les teneurs en poussières, dioxyde d azote, dioxyde de soufre et ozone. Un autre polluant de l air, qui n intervient pas dans cet indice est néanmoins surveillé, particulièrement dans les lieux confinés dans lesquels se trouvent des véhicules à moteur à explosion. Ce polluant est le monoxyde de carbone (CO). Il est produit par les combustions incomplètes des matières organiques et il est le polluant toxique le plus abondant dans les gaz d échappement des véhicules automobiles. Des taux importants de CO peuvent être rencontrés quand un moteur tourne au ralenti ou en cas d embouteillage dans les lieux couverts. On se propose d étudier le dispositif mis en place dans un parking souterrain pour surveiller ce polluant et pour diminuer, le cas échéant sa teneur dans l air. Alimentation Numérisation Centrale de surveillance de l agglomération U ref2 Capteur Io Conditionneur Détection de niveaux d alerte Ventilation Les amplificateurs opérationnels (AOP) utilisés sont considérés comme parfaits et alimentés par un générateur symétrique / 15V. Les tensions de saturations ± Vsat sont égales aux tensions d'alimentation. Page 2 sur 9

3 A) Alimentation du système de surveillance L alimentation du système de surveillance comporte un transformateur considéré comme parfait dont l allure des tensions primaire et secondaire sont visualisées sur le document 1 annexe 1. La plaque signalétique du transformateur porte l indication 50 VA. Donner, en justifiant vos réponses : 1) La valeur efficace des tensions au primaire et au secondaire, 2) Le rapport de transformation du transformateur, 3) L intensité nominale des courants au primaire et au secondaire. B) Etude du capteur Le capteur choisi pour la détection du monoxyde de carbone fournit un courant Io qui varie en fonction de la concentration de CO dans l air (notée C CO ). Cette concentration est exprimée en partie par million (ppm). Une concentration de 1 partie par million (1ppm) correspond à une concentration de 1 molécule de CO pour un million de molécules d air. La courbe de réponse de ce capteur est donnée sur le document 2 annexe 1. 1) La relation entre l intensité (Io en µa) en sortie du capteur et la concentration de monoxyde de carbone dans l air (C CO en ppm) est de la forme : Io = a. C CO b Déterminer les valeurs des coefficients a et b et préciser leurs unités. 2) Contrôler la valeur de l intensité Io pour des concentrations en monoxyde de carbone de 50 et 200 ppm. C) Conditionnement du signal I) Conversion courant tension On souhaite obtenir une tension Uo image du courant Io issu du capteur. Le montage réalisé est représenté sur le document 3 annexe 2. 1) Quel est dans ce montage, le régime de fonctionnement de l amplificateur opérationnel? Justifier votre réponse et en déduire la valeur de u D. 2) Donner, en la justifiant, l expression de la tension Uo en fonction de R et Io. 3) En se servant de la courbe du document 2 annexe 1 et sachant que R = 1 MΩ, calculer les valeurs limites de la tension Uo si la concentration en monoxyde de carbone C CO varie entre 0 et 300 ppm. Page 3 sur 9

4 II) Réglage du zéro On souhaite que la tension en sortie du conditionneur soit nulle lorsque la concentration en monoxyde de carbone est nulle. Pour cela, on utilise le montage représenté sur le document 4 annexe 2. L AOP fonctionne en régime linéaire. 1) Déterminer l expression de l intensité I 1 en fonction des grandeurs Uo et R. 2) Déterminer l expression de I 2 en fonction de E et R. 3) Déterminer l expression de I en fonction de U 1 et R. 4) En déduire que la tension U 1 peut s écrire sous la forme : U 1 = (Uo E) 5) Sachant que Uo = 0,1 V lorsque la concentration en monoxyde de carbone (C CO ) vaut 0 ppm, quelle doit être la valeur de la tension E pour que la tension U 1 soit nulle à cette concentration? 6) Sachant que Uo = 1,0 V lorsque la concentration en monoxyde de carbone (C CO ) vaut 300 ppm, quelle est alors la valeur de U 1? III) Réglage du gain Le signal issu de l ensemble capteurconditionneur doit être mis au format 010 V pour être envoyé sur l entrée de la centrale de surveillance. C est ce que permet de réaliser le montage représenté sur le document 5 annexe 2. 1) Déterminer, en justifiant votre démarche, l expression de la tension u en fonction des grandeurs R 4, R 5 et. 2) En déduire l expression de la tension en fonction de U 1, R 4 et R 5. 3) Lorsque la concentration en monoxyde de carbone est égale à 300 ppm, la tension U 1 est égale à 0,9 V. La résistance R 4 étant égale à 10 kω, quelle doit être la valeur de la résistance R 5 si on veut que soit égale à 10 V à cette concentration? D) Détection des niveaux d alerte Deux seuils de concentration en monoxyde de carbone ont été définis, ils permettent des vitesses de ventilateur différentes : 0 ppm < C CO 50 ppm : ventilateur petite vitesse 50 ppm < C CO 200 ppm : ventilateur moyenne vitesse 200 ppm < C CO : ventilateur grande vitesse alarme d évacuation Chaque seuil est détecté par un montage comparateur dont la sortie est mise ensuite à un format 05V pour être traitée par un système logique. On étudie dans un premier temps, le module de détection de seuil correspondant à une concentration en monoxyde de carbone C CO, supérieure à 200 ppm. Page 4 sur 9

5 I) Etude du module de détection d une concentration en monoxyde de carbone C CO supérieure à 200 ppm Le schéma du dispositif est représenté sur le document 6 annexe 2. 1) Quel est le régime de fonctionnement de l AOP? Justifier la réponse et préciser les valeurs que peut prendre la tension U S2. 2) La tension U ref2 est fixée à 6,67 V. En justifiant votre réponse, déterminer la valeur choisie pour R 21 si R 22 = 68 kω. 3) La tension varie entre 0 et 10 V. Sur le document réponse 1, tracer l évolution de la tension U S2 en fonction de la tension. On placera sur les axes, les valeurs limites de chacune des tensions et la valeur de la tension de seuil. II) Etude du dispositif complet La tension U S2 est mise en forme par un dispositif non étudié. On obtient en sortie un signal binaire S 2 qui peut prendre deux valeurs 0 et 1. La variation du signal S 2 en fonction de est représentée sur le document 7 annexe 3. L autre seuil est détecté par un module semblable à celui étudié précédemment. Seule la valeur de la résistance permettant de fixer la valeur de seuil est différente. Le schéma du système complet est représenté sur le document 8 annexe 3. La tension, issue du conditionneur varie de 0 à 10 V lorsque C CO varie de 0 à 300 ppm. Elle est appliquée à chacun des deux modules de comparaison. Les tensions U ref1 = 1,67 V et U ref2 = 6,67 V correspondent respectivement aux seuils 50 et 200 ppm. 1) Compléter dans le tableau du document réponse 2 les valeurs prises par les tensions U S1 et U S2 pour les différents intervalles de valeurs possibles de C CO. 2) Les sorties des étages de comparaison sont mises au format 05V. Compléter les valeurs binaires prises par les états S 1, S 2 pour les différents intervalles de valeurs possibles de C CO dans le tableau du document réponse 2. E) Ventilation Le ventilateur commandé par la centrale est équipé d un moteur triphasé. Ce moteur est alimenté par un réseau triphasé 230V/400V en 50Hz. Le moteur est constitué de trois bobines identiques. Chaque bobine est alimentée entre deux fils de phase. La puissance totale absorbée par le moteur triphasé est égale à 2,6 kw et le facteur de puissance vaut 0,86. 1) Que représentent les valeurs 230V et 400V du réseau triphasé? 2) Deux types de couplage sont présentés dans le document 9 annexe 3. Donner le nom de chacun des couplages. 3) Quel est le type de couplage adapté au moteur triphasé du ventilateur? Justifier la réponse. 4) Calculer la valeur efficace de l intensité du courant dans un fil de phase. 5) En déduire la valeur efficace de l intensité du courant dans une bobine. Page 5 sur 9

6 ANNEXE 1 11ELPLME3 Document 1 Partie A Oscillogramme des tensions primaire et secondaire du transformateur voie I u p (primaire) voie II u s (secondaire) Voie I : 100V/carreau Voie II : 10V/carreau Document 2 Partie B Courbe de réponse du capteur de monoxyde de carbone 1,0 0,8 Io (en µa) 0,6 0,4 0, C CO (Concentration en CO en ppm) Page 6 sur 9

7 ANNEXE 2 11ELPLME3 Io R Document 3 Partie CI capteur Io u D U 0 I 1 R I R Document 4 Partie CII U 0 E I 2 R U 1 R 5 Document 5 Partie CIII R 4 u U 1 Document 6 Partie DI 15V R 21 R 22 Mise au format U 05V ref2 Us 2 S 2 Page 7 sur 9

8 ANNEXE 3 11ELPLME3 S 2 1 Document 7 Partie DII 0 0 V 6,67 V 10 V 15V Document 8 Partie DII R 21 R 22 U ref2 Us 2 Mise au format 05V S 2 15V R 11 R 12 Mise au format 05V Us 1 S 1 U ref1 Document 9 Partie E 1 i 1 j 1 1 i 1 2 u 12 u 23 i 2 j 2 j 3 u 31 2 i 2 v 2 v 1 v 3 3 i 3 3 i 3 Couplage 1 Couplage 2 Page 8 sur 9

9 Document réponse à rendre avec la copie Document réponse 1 Partie DI3 U S2 (V) 5 (V) Document réponse 2 Parties DII1 et DII2 C CO en ppm U S1 en V U S2 en V S 1 S 2 Page 9 sur 9