Physique-Chimie-Electricité elect

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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 sou-
terrain
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 confi-
nés 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 automobi-
les. 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.
Les amplificateurs opérationnels (AOP) utilisés sont considérés comme parfaits et alimentés
par un générateur symétrique +/- 15V. Les tensions de saturations ± Vsat sont égales aux ten-
sions d'alimentation .
Alimentation
Détection de
niveaux
d’alerte
Ventilation
Centrale de
surveillance de
l’agglomération
U
ref2
Conditionneur
Capteur
Numérisation
Io
U
2

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A) Alimentation du système de surveillance
L’alimentation du système de surveillance comporte un transformateur considéré comme par-
fait 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 mo-
noxyde 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 opération-
nel ? 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
ΩΩ
Ω, calcu-
ler les valeurs limites de la tension Uo si la concentration en monoxyde de carbone
C
CO
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 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 capteur-conditionneur doit être mis au format 0-10 V pour être en-
voyé sur l’entrée de la centrale de surveillance. C’est ce que permet de réaliser le montage re-
présenté 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 U
2
.
2) En déduire l’expression de la tension U
2
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
ΩΩ
Ω, quelle doit être la valeur de la
résistance R
5
si on veut que U
2
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 vites-
ses 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 for-
mat 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 C
CO
, supé-
rieure à 200 ppm.

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I) Etude du module de détection d’une concentration en monoxyde de carbone C
CO
supé-
rieure 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
ΩΩ
Ω.
3) La tension U
2
varie entre 0 et 10 V. Sur le document réponse 1, tracer l’évolution de la
tension U
S2
en fonction de la tension U
2
. 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 U
2
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 U
2
, 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 0-5V. Compléter les va-
leurs 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 alimen-
té 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 puis-
sance 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.