Bilan du groupe sur l’activité ballon, sonde :

Maîtrise d’Excel : satisfaisante 4 / 5

Compte rendu : souvent complet 4 / 5 argumentation parfois insuffisante Montage faux parfois assez bien corrigé à d’une fois sur l’autre toujours envoyé

Exploitation des données : 1 / 5 Courbe non superposées Analyse parfois catastrophique Activité en classe : assez satisfaisante 3 / 5 très fluctuante, bien en milieu de projet ! Mais manque de motivation en début et fin !

Avant correction finale 12 /20 De Graer Ludovic

Bailly Aurélien

02_Capteur secours de température n°3

•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

Sommaire

De Graer Ludovic Bailly Aurélien

Fichier Excel récapitulatif non envoyé (attention au format)

L’exploitation des données est catastrophique, diapo 15 à reprendre après avoir retracé les courbes

Présentation du projet et du capteur

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

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.

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 .

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.

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L'enveloppe : fabriquée avec un matériau très élastique (latex ou chloroprène) de quelquesmicrons d'épaisseur. Elle est donc assez fragile et les opérations de gonflage doivent êtreeffectuées 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'utilisationest maintenant interdite pour cette application.

Le parachute : préalablement inséré dans la chaîne de vol, il s'ouvre pour freiner la descentede 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.

DESCRIPTION DE LA CHAINE DE VOL

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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 ausol 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 etune 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.

TROPOSPHÈRE  

 altitude  température Modèle Ecart relatif

Z (km) t (°c)   %

0 15 15 1,00

0,5 12 12 1,02

1 8,5 9 1,00

1,5 4,7 5 0,89

2 2 2 0,99

2,5 -1 -1 0,81

3 -4,5 -4 1,00

3,5 -7,5 -8 0,97

4 -11 -11 1,00

5 -17,5 -17 1,00

6 -24 -24 1,00

7 -30,5 -30 1,00

8 -37 -37 1,00

9 -43,5 -43 1,00

10 -50 -50 1,00

11 -56,5 -56 1,00

12 -56,5 -63 0,90

13 -56,5 -69 0,81

14 -56,5 -76 0,74

15 -56,5 -82 0,68

20 -46 -115 0,40

30 -38 -180 0,21

40 -5 -245 0,02

Température de l'air t en fonction de l'altitude Z

t = - 6,5*Z + 15

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 10 20 30 40 50

Z (km)

t (°c)

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+15. La variation de température étant importante, il nous sera donc possible de la mesurer avec un capteur.

Menu

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).

Thermistance (NTC) type M87

1.50€

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 164-6297

Fabricant Murata Référence fabricant NTH4G42B104F

Ce capteur a été trouvé sur radiospares

http://radiospares-fr.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=searchProducts&searchTerm=164-6297

Site de référence :

Recherche de capteurs de température trouvés sur internetDe Graer Ludovic Bailly Aurélien24/02/10

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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

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.

D’après la courbe, on remarque que la D’après la courbe, on remarque que la résistance diminue pour une augmentation de résistance diminue pour une augmentation de la température.la température.

CTN

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.

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.

De Graer Ludovic Bailly Aurélien24/02/10

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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.

capteurBorne noire

Borne verte

Schéma:

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.

Présentation d’une thermistance

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 .

Et ensuite pour étalonner ce capteur, nous avons dû souder une borne de mesure (fil blanc sur notre capteur, vert sur le schéma).

Le capteur que l’on va utiliser : NTH4G42B104F

Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance

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.

référence du capteur résistance(W) à 25°C 25/50°C 25/85°C (données de référence)NTH4G42B104F01 100k 4250K ± 1%100K± 1% 4315K

intensité max à 25°C domaine de validitée0.14mA0.56mA 40°C à 125°C

10/03/10 De Graer Ludovic Bailly Aurélien

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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.

On mesure la résistance à différentes températures définies. On place ces données dans un tableau et on réalise une courbe.

Courbe étalonnage du capteur de température en résistance du fabricant

courbe étalonnage du capteur de température en résistance avec nos propres mesures La courbe bleue correspond à celle du fabricant.

La courbe verte correspond à nos mesures

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

Température Résistance Modèle écart relatif

T (°C) R(K) R(K) %

22 89 98 0,9%

20 120 110 1,1%

18 110 122 0,9%

7 227 224 1,0%

-12 770 637 1,2%

-40 2700 2970 0,9%

température résistance Modèle ecart relatif

t(°C) R(K R(K) %

-40 4260 3699 1,2%

-35 3010 2782 1,1%

-30 2150 2092 1,0%

-25 1550 1573 1,0%

-20 1140 1183 1,0%

-15 840 890 0,9%

-10 630 669 0,9%

-5 470 503 0,9%

0 360 378 1,0%

5 270 285 0,9%

10 210 214 1,0%

15 160 161 1,0%

20 130 121 1,1%

25 100 91 1,1%

Voici les mesures que nous avons obtenu avec notre capteur dans divers endroits : frigo, réfrigérateur, salle de classe *2

Les photos de l’étalonnage en résistance

1) Etalonnage du capteur. Température en fonction de la résistance

Ce sont nos tests, nos mesures pour comparer avec celles du fabricant (ici : pour -40°C)

On a soudé deux résistances pour obtenir une résistance de 800 k

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10/03/10

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.

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 800K. (voir courbe page suivante)On a soudée deux résistances pour obtenir une résistance de 800 K

Multimètre mesurant la température avec une

sonde spécifique

Bombe réfrigérante supposée atteindre -65°C

Tube en verre très fin contenant le capteur

Multimètre mesurant la résistance

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 800k(voir page suivante)

On a donc soudé deux résistances de 400 k pour obtenir une seule résistance équivalente de 800ken 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.

Schéma du montage:

Pour étalonner ce capteur, nous l’avons branché en série avec une résistance fixe de 800 k, 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.

5V

+

-

V

Capteur

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).

Résistance fixe de 800 k

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 800K. On a soudée deux résistances pour obtenir une résistance de 800K

Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température

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17/03/10

Valeurs extrêmes

Valeur moyenne

800K

-13°C

5,0 V

mesure

0 V

Juste avant le montage

Les deux courbes sont des courbes exponentielles.

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.

Cette courbe est une fonction exponentiellePlus 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.

Suite : Etalonnage du capteur. Tension en fonction de la température

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.

Etalonnage en tension

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)

Tube en verre très fin contenant le

capteur

Bombe réfrigérante supposée atteindre -65°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.

Tension Temperature Modèle Ecart relatifU en V T en C° T en °C %

0,59 22,9 19,3 0,0120,72 21 17,1 0,0121,11 9 10,2 0,0091,51 -2 3,3 -0,0061,65 -5 0,8 -0,0622,83 -16 -19,8 0,0083,00 -22 -22,8 0,0104,00 -40 -40,2 0,010

Dans le frigo

T empérature T en fonc tion de la tens ion U

T = -17,465U + 29,629

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50

T (°C )

U (V)

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21/04/10

De la résistance à la tension (prévision de la courbe d’étalonnage en tension à partir des valeurs de la résistance) .

Menu

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.

G

625 k capteur

V

5V

com 0V

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.

800))+ /(R(R*5=ULa valeur de la tension pour -50°C, est de 4.4 V aux bornes du générateur.

La courbe rouge représente l’utilisation du modèle mathématiques.

U=U générateur * (R/( R+VR)

La courbe bleue représente la température en fonction de la tension

Température Résistance Modèle ecart relatif TensionT (°C) R(K) R(K) % en (V)

22 89 98 0,9% 0,520 120 110 1,1% 0,718 110 122 0,9% 0,67 227 224 1,0% 1,1

-12 770 637 1,2% 2,5-40 2700 2970 0,9% 3,9

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

Photos

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Valeurs représentatives

Tension TempératureU en V T en °C

0,8 201,5 0

2,95 -20

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.

02_Capteur secours de température n°302_Capteur secours de température n°3

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°.La température maximale est de 23°C et la température minimale -40°C

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Voici la position de notre capteur à l’intérieur de la nacelle.

De Graer Ludovic / Bailly Aurélien

Voici la position de notre capteur à l’extérieur de la nacelle.

Plus la température baisse, plus la tension augmente (jusqu ’à 5V pour -60°C)

BAS DE LA NACELLE

Paille dans laquelle est insérée le capteur

Fiche résuméFiche résumé

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.

Les 3 courbes sont à superposer !

Titre ?