Physique-Chimie-Electricité elect

11ELPLME3
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
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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
Uref2
Capteur
Conditionneur
Centrale de
surveillance de
l’agglomération
U2
Io
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.
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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 CCO). 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 (CCO en ppm) est de la forme :
Io = a . CCO + 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 uD.
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
Ω, calculer les valeurs limites de la tension Uo si la concentration en monoxyde de carbone
CCO varie entre 0 et 300 ppm.
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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 I1 en fonction des grandeurs Uo et R.
2) Déterminer l’expression de I2 en fonction de E et R.
3) Déterminer l’expression de I en fonction de U1 et R.
4) En déduire que la tension U1 peut s’écrire sous la forme : U1 = - (Uo + E)
5) Sachant que Uo = - 0,1 V lorsque la concentration en monoxyde de carbone (CCO)
vaut 0 ppm, quelle doit être la valeur de la tension E pour que la tension U1 soit nulle
à cette concentration ?
6) Sachant que Uo = - 1,0 V lorsque la concentration en monoxyde de carbone (CCO)
vaut 300 ppm, quelle est alors la valeur de U1 ?
III) Réglage du gain
Le signal issu de l’ensemble capteur-conditionneur doit être mis au format 0-10 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 R4, R5 et U2.
2) En déduire l’expression de la tension U2 en fonction de U1, R4 et R5.
3) Lorsque la concentration en monoxyde de carbone est égale à 300 ppm, la tension U1
est égale à 0,9 V. La résistance R4 étant égale à 10 kΩ
Ω, quelle doit être la valeur de la
résistance R5 si on veut que U2 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 < CCO ≤ 50 ppm :
ventilateur petite vitesse
•• 50 ppm < CCO ≤ 200 ppm
:
ventilateur moyenne vitesse
•• 200 ppm < CCO
:
ventilateur grande vitesse + alarme d’évacuation
Chaque seuil est détecté par un montage comparateur dont la sortie est mise ensuite à un format 0-5V 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 CCO, supérieure à 200 ppm.
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I)
Etude du module de détection d’une concentration en monoxyde de carbone CCO 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 US2.
2) La tension Uref2 est fixée à 6,67 V. En justifiant votre réponse, déterminer la valeur
Ω.
choisie pour R21 si R22 = 68 kΩ
3) La tension U2 varie entre 0 et 10 V. Sur le document réponse 1, tracer l’évolution de la
tension US2 en fonction de la tension U2. 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 US2 est mise en forme par un dispositif non étudié. On obtient en sortie un signal
binaire S2 qui peut prendre deux valeurs 0 et 1. La variation du signal S2 en fonction de U2 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 U2, issue du conditionneur varie de 0 à 10 V lorsque CCO varie de 0 à 300 ppm. Elle
est appliquée à chacun des deux modules de comparaison.
Les tensions Uref1 = 1,67 V et Uref2 = 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
US1 et US2 pour les différents intervalles de valeurs possibles de CCO.
2) Les sorties des étages de comparaison sont mises au format 0-5V. Compléter les valeurs binaires prises par les états S1, S2 pour les différents intervalles de valeurs
possibles de CCO 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.
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ANNEXE 1
Document 1
Partie A
Oscillogramme des tensions primaire et secondaire du transformateur
voie I
up (primaire)
voie II
us (secondaire)
Voie I : 100V/carreau
Voie II : 10V/carreau
Document 2
Partie B
Courbe de réponse du capteur de monoxyde de carbone
1,0
Io (en µA)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
50
100
150
250
200
CCO (Concentration en CO en ppm)
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ANNEXE 2
R
Io
Io
uD
Document 3
Partie C-I
capteur
∞
+
U0
I1
R
I2
Document 4
Partie C-II
U0
R
I
R
-
∞
+
E
U1
R5
R4
u-
Document 5
Partie C-III
-
∞
+
U2
U1
Document 6
Partie D-I
R21
-
+15V
R22
Uref2
Mise au format
0-5V
∞
+
U2
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Us2
S2
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ANNEXE 3
S2
1
Document 7
Partie D-II
0
0V
6,67 V
10 V
U2
U
Document 8
Partie D-II
+15V
R21
R22
Mise au format
0-5V
∞
+
Uref2
S2
Us2
+15V
U2
(V)
R11
+
Mise au format
0-5V
∞
-
Us1
S1
R12
Uref1
Document 9
Partie E
i1
1
1
j1
i1
u12
u31
2
i2
u23
3
2
i2
v2
j2
v1
v3
j3
i3
3
Couplage 1
i3
Couplage 2
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Document réponse à rendre avec la copie
Document réponse 1
Partie D-I-3
US2 (V)
5
U
U2 (V)
U
Document réponse 2
Parties D-II-1 et D-II-2
CCO en ppm
0
50
US1 en V
US2 en V
S1
S2
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