Physique sti2D c

C hapitre 5
Capteurs et mesures
dans l’habitat
Découvrir
Activité documentaire n° 1
Deux capteurs bien utiles dans une maison…
• Exploiter :
1. La grandeur de sortie du thermocouple est la tension qu’il délivre.
2. Pour une température de 500 °C, la tension fournie par le capteur est proche de 20 mV.
3. À l’instant t = 0,76 ms, le thermocouple délivre une tension de 30 mV.
4. La grandeur d’entrée est l’accélération à laquelle il est soumis.
5. Pour une accélération de – 1,0 g, le capteur fournit la valeur numérique – 10.
6. La valeur maximale de la sortie numérique est de 28, ce qui correspond à une accélération
maximale de + 2,9 g.
Activité expérimentale n° 2
Avec quel capteur mesure-t-on la température d’un four ?
© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.
1. La DEL s’allume dès lors que la tension ε est positive ; on a alors VS = + 12 V ce qui permet de
faire circuler un courant dans la DEL dont l’intensité est limitée par la résistance Rp.
On constate à l’aide des tensions relevées au début de l’expérience que ε = VA – VB est positif ce
qui justifie la mise en chauffe de la résistance du four symbolisée par l’allumage de la LED.
2. Pour obtenir un changement d’état de la LED, il faut atteindre le seuil de basculement qui correspond à ε = 0 volt, soit encore VA = VB.
Dans le montage, la tension VB est fixe (car R1 et R2 ne varient pas) et vaut 6 volts.
Le basculement se produit donc lorsque VA = 6 V. ll faut pour cela avoir Rθ = R = 1 kΩ.
3. Dans ce dispositif Tout Ou Rien, la grandeur de sortie ne peut prendre que deux états : résistance du four alimentée (tout) ou résistance du four éteinte (rien).
4. On amène la température du mélange à 40 °C et on modifie la résistance R de façon à obtenir
une tension de 6,0 V qui correspond à la tension de basculement fixée par les résistances R1 et R2.
Extraire l’information utile
Les cuisinières à gaz sont-elles sûres ?
• Exploiter :
1. Le thermocouple est un capteur actif car il produit une tension lorsque ses jonctions sont soumises à des températures différentes.
2. Le principe utilisé est l’effet Seebeck.
3. Le thermocouple présentant la plus grande sensibilité à 900 °C (et aux autres températures
également) est le thermocouple A. La sensibilité est constante et vaut :
DV 77 × 10–3
=
S=
= 77 × 10–6 V · K–1.
Dq
103
4. Les trois thermocouples A, B et C conviennent (lecture graphique).
Chapitre 5 - Capteurs et mesures dans l’habitat
29
Réaliser un TP
Capteur domotique d’ensoleillement
• Expérience 1 :
1. La caractéristique est du type suivant :
R = f (E)
8 000
Résistance (en ohms)
7 000
6 000
5 000
4 000
3 000
2 000
1 000
0
0
20 000
40 000
60 000
80 000 100 000 120 000 140 000
Eclairement (en lux)
2. Les premiers points permettent d’évaluer la sensibilité du capteur :
éclairage ambiant (6 940 Ω pour 66 lux) et très faible éclairage (6 900 Ω pour 69 lux)
40
DR
=
S=
= 13 Ω · lux–1.
3
DE
R2
3. Un pont diviseur de tension permet d’obtenir la valeur théorique VB th =
.
R1 + R2
4. La tension VB constitue le seuil de basculement (enroulement ou déroulement du store).
Lorsque la luminosité est élevée, la photorésistance possède une résistance faible et la tension VA
est proche de la tension U. La diode électroluminescente est éteinte. Lorsque l’éclairage diminue,
la tension VA diminue jusqu’à atteindre la valeur de basculement VB. La LED s’allume.
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Applications directes du cours
11 Accéléromètre de smartphone
1. La grandeur d’entrée est l’accélération exprimée en m · s–2.
2. La grandeur de sortie est une tension analogique.
3. La tension de sortie (en valeur absolue) est U = S · g = 145 × 10–3 × 9,8 = 1,4 V.
12 Codeur rotatif incrémental d’imprimante
1. Sortie numérique.
2. Sur une minute, on obtiendrait 5 320 × 60 = 709 333 impulsions.
0,45
709 333
Cela correspond à
= 2,77 × 103 tr · min–1.
256
30
© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.
1. a) ; 2. b) et c) ; 3. a) et c) ; 4. b) ; 5. a) et c) ; 6. a) ; 7. c) ; 8. b) ; 9. a) et c) ; 10. a) et b)
13 Mon frigo fait de la résistance ; -)
US =
E × R0
12 × 8,4
=
= 1,57 V.
R1 + R0 56 + 8,4
14 Mon moteur chauffe !
280
1. θm = 55,1 + 56,4 + 56,6 + 54,9 + 57 =
= 56,0 °C.
5
5
2. θ = 56 ± 2,4 °C.
15 Chiffres signifactifs
x = 3,3 ± 1,4 mm
t = 1 234,6 ± 5,3 s
λ = (533 ± 3,2) × 10–9 m
i = 538 ± 30 nA.
16 Ma mesure est unique !
1. L’erreur ε est 0,03 × 10–2 × 7,843 + 0,002 = 4,4 mV.
2. (δx)95% = 2,5 mV. Donc la tension vaut 7 843 ± 3 mV.
17 Laquelle sera la plus fidèle ?
836
1. m1 = 105 + 104 + 103 + 105 + 107 + 106 + 104 + 102 =
= 104,5 g
8
m2 =
8
793
92 + 107 + 100 + 94 + 105 + 90 + 107 + 98
=
= 99,125 g.
8
8
2. σ1 = 1,6 g et σ2 = 6,8 g.
Exercices d’entraînement
18 Surchauffe du lave-vaisselle
1. Un ohmmètre sera utilisé pour le contrôle.
2. On doit obtenir une valeur voisine de 56 kΩ.
3. R65°C vaut 9,2 ± 0,8 kΩ soit R65°C = [8,4 kΩ ; 10 kΩ].
4. La caractéristique n’est pas du tout linéaire sur l’étendue de mesure.
5. Lorsque la température augmente, la résistance diminue. La sensibilité du capteur est négative,
© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.
d’où le terme coefficient de température négatif.
19 Hygrostat
1. Oui, le conditionneur de capteur va transformer la variation de capacité en un signal électrique
exploitable. Un oscillateur permet par exemple de convertir les variations de la capacité en variations de fréquence.
2. La capacité est de 128 pF pour une humidité relative de 50 %.
3. S s’exprime en F ; S = 40 pF = 40 = 44 pF.
90 %
0,9
4. L’augmentation de la température entraîne une diminution de l’humidité relative indiquée par
le capteur. Pour une température de 40 °C, soit 20 °C de plus que la valeur typique, cela entraîne
une variation de – 0,05 % × 20 soit – 1 %. On a en fait Hr = 44 %.
Chapitre 5 - Capteurs et mesures dans l’habitat
31
20 Anticyclone, beau temps, mer calme
1. S = DV =
40 – 6
= 20 µV/mbar.
DP 2 000 – 300
2. Le capteur étant linéaire, on a V = S × P = 20,3 mV.
3. Il faut passer de 40 mV à 5 V. Cela correspond à une amplification A =
21 Lave linge
5
= 125.
40 × 10–3
1. Tableur
Caractéristique CTN
400
300
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
Température (°C)
2. Pour 30 °C, S303 K = 152 – 189 = – 3,7 kΩ · K–1.
308 – 298
86 – 102
Pour 60 °C, S333 K =
= – 1,6 kΩ · K–1.
338 – 328
32
80
80
120
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Résistance (kΩ)
350
22 Sonde Pt 100
1.
R = 0,451 9θ + 99,995
160
Résistance (ohms)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
Température (°C)
80
100
R = 0,4519 θ + 99,995
2. εθ = 0,8 + 0,1 = 0,9 °C et εR = 137,2 × 0,06 + 0,2 = 0,28 Ω.
100
3. Pour 100 °C on aura R = 145 Ω.
23 OBJECTIF BAC Arrosage automatique
1. Le montage potentiométrique conduit au résultat V2 = U × R .
R1 + R
12 × 10
12 × 1
= 11 V et V2 nuit =
= 6,0 V.
2. V2 jour =
10 + 1
1+1
3. La loi des mailles permet d’écrire U = V1 + R2 · I2 soit V1 = U – R2 · I2.
4. Pour un sol sec, V1 = 12 – 2 × 3 = 6,0 V. Pour un sol humide, V1 = 12 – 2 × 6 = 0 V.
24 It’s in English
Énoncé
Une veilleuse gaz utilise un thermocouple pour détecter la veilleuse de la flamme.
La tension E délivrée par ce capteur de température vérifie la relation suivante :
E = K · θ avec K = 41µV/°C.
© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.
Déterminer la tension délivrée par le thermocouple lorsque la température de la flamme atteint
900 °C.
Corrigé
E = 41 × 10–6 × 900 = 36,9 mV.
Chapitre 5 - Capteurs et mesures dans l’habitat
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