ppt - chimphys

Avant correction finale et envoi de
prédiction trajectoire 18,5 /20
Bilan du groupe sur l’activité ballon, sonde :
Maîtrise d’Excel : excellente
5/ 5
Compte rendu : bien quand elle a été possible
argumentation satisfaisante
complet
pas toujours envoyé et pour cause !
4/ 5
Exploitation des données :
Courbe bien tracées
Analyse satisfaisante mais un poil incomplète
4,5 / 5
Activité en classe : très satisfaisante
malgré tous les problèmes rencontrés !
5/5
DURIVAUX Thibaud
BROFIGA Roméo
2°14 – MPI 09/10
Capteur de vitesse ascensionnelle (n°3)
La feuille du fichier Excel a été corrigé
Sommaire :
Compte rendu : une bonne analyse mais incomplète, a finir
1.Différents types de capteurs permettant de mesurer une vitesse
a. Effet Hall
b. Dynamomètre
c. Baromètre
d. Anémomètre
2.Utilisation d’une photorésistance
a. Domaine de validité
b. Etalonnage
3.Utilisation d’un phototransistor
a. Domaine de validité
b. Etalonnage en fréquence
c. Conversion de la fréquence en tension
d. Etalonnage final (en tension)
4. Fiche récapitulative de notre capteur
5. Résultats
6. Données et interprétations
Voir aussi le fichier Excel éponyme.
Données prévues concernant le ballon :
Altitude : 30 km
Vitesse de montée : 5 m/s
Vitesse de descente : 25 m/s (valeur maximale, sans parachute)
Différentes manières de déterminer une vitesse
Sommaire
1.
Capteur à effet Hall
Le principe de l’effet hall consiste à « compter » le nombre de passages d’un objet métallique devant un capteur
électronique (par exemple, les rayons d’une bicyclette). Ensuite, on détermine une vitesse en ayant le nombre d’objets
passés en un temps donné (vitesse en fonction de la fréquence).
On n’utilisera pas ce principe car il est plus difficile à réaliser que celui que nous avons choisi.
2.
Dynamomètre
Un dynamomètre mesure un poids (or celui ci varie en fonction de l’altitude) :
P = m * g (g variant en fonction de l’altitude).
On pourrait ainsi déterminer un coefficient de diminution de cette valeur, et, par conséquent, une vitesse ascensionnelle.
Cependant, le ballon n’est pas capable d’atteindre une altitude supérieure à 30 km, or le poids, sur une telle distance, ne
variera que de moins de 1%.
3.
Baromètre
v
v 
4.
2 ( pt  p s )

2 pd

v
pt
ps
vitesse
pression totale
pression statique
pd
pression dynamique

masse volumique de l'air
Cependant, le capteur de pression dynamique
est difficile à mettre en œuvre car les tubes le
composant devraient toujours être
parfaitement perpendiculaires à l’écoulement
du fluide (de l’air). Cela n’est pas réalisable sur
notre nacelle car elle tournera constamment
et sera sujette à des turbulences.
Nous n’utiliserons donc pas ce principe.
Ce n’est pas ça la raison mais le fait que la différence de pression attendue n’était mesurable à partir des
Anémomètre
2 capteurs de pression
On intercale
l’hélice d’un anémomètre entre une DEL haute luminosité et un capteur permettant de mesurer une
fréquence. On mesurera donc la fréquence de passage d’une pale, ce qui nous permettra d’établir une courbe
d’étalonnage (vitesse en fonction de la fréquence). Dans un premier temps, on va utiliser une photorésistance pour
mesurer cette fréquence.
Sommaire
En utilisant une photorésistance
a.
Domaine de validité
On constate que pour des valeurs de fréquence supérieures à
1100 Hz, la photorésistance ne donne plus de valeurs cohérentes.
Vitesse du flux d'air Fréquence de passage des pales
V(flux d'air)
F(fréquencemètre)
km/h
kHz
0
0
5
0,16
10
0,32
15
0,46
20
0,61
25
0,76
30
0,88
35
1,03
40
1,14
45
1,31
50
1,46
55
1,61
60
1,71
b.
Etalonnage
On prend une série de mesures et on
détermine le coefficient directeur de la
droite obtenue. Ici, on ne dépasse pas le
domaine de validité du capteur.
Ainsi, la fréquence mesurée par le
fréquencemètre est proportionnelle à la
vitesse ascensionnelle du ballon (lue sur
l’écran de l’anémomètre).
En utilisant un phototransistor
a.
F (en Hz)
2.5
Fréquence de passage des pales F en
fonction de la vitesse du vent V
2.0
Sommaire
Domaine de validité
On constate que pour des valeurs de vitesses supérieures à
75 km/h, le phototransistor ne donne plus de valeurs de fréquences
cohérentes.
1.5
1.0
0.5
V (km/h)
0.0
0.0
F (en Hz)
2.5
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
b.
Fréquence passage des pales F en
fonction de la vitesse du vent V
On prend une série de mesures et
On détermine le coefficient directeur de la
droite obtenue.
Ces valeurs peuvent être considérées
comme justes car on ne sort pas du
domaine de validité du capteur, en effet,
on peut considérer que le ballon n’ira pas
à des vitesses dépassant 25 m/s.
2.0
1.5
F = 0,10 * V
1.0
Etalonnage
0.5
V (en m/s)
0.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
Ainsi, la fréquence mesurée par le fréquencemètre est proportionnelle
à la vitesse du flux de l’air passant dans l’anémomètre.
Conversion de la fréquence en tension
Sommaire
Kiwi n’étant pas capable d’envoyer des fréquences, il va falloir transformer la fréquence obtenue
en tension. Ainsi, on va utiliser un montage permettant cette opération.
On utilise ici un générateur de tension en créneau (max : 5,0 V) sensé simuler la tension injectée en entrée du montage
convertisseur. On vérifie, à l’aide d’un voltmètre utilisé en alternatif, que la tension continue mesurée dépend de la fréquence.
Si on avait été plus épargné par les soucis de montage, on aurait pu tracer la courbe U (aux bornes de la résistance de
470 k) en fonction de la fréquence F (du générateur).
Sommaire
Connexion dans montage convertisseur Fréquence/Tension continue (0/5V):
Remarque : pas de résistance R2 ni R3
5V
33
Fil rouge 4
Fil marron dessus
0.16 k
4,7 k
4,7 k
R10 = 66 W
162
Fil rouge dessus
Réq = 160 W
Générateur kiwi
1N4148
47 k
Fil violet dessous
Fil noir
3 : Source
1
8
2 : Drain
IRF 1405
Fil gris signal
entrée
anémomètre
(simulation
par signal
tension carrée
entre 0 et 5 V)
C3 = 1 µ
2 repère
NE 555 P
1 : Gate
Mesure de la
tension aux
bornes de la
résistance de
470 k
3
5
0V
* Ou transistor 2N222
* Valeur préconisé C1 = 100 nF
4,7 k
Fil noir
10 n
162
Fil rouge 1
C1 = 100 n
Queue : émetteur
C4 = 1 µ
47 k
C2 =
base
Fil rouge
2N 2219A*
470 k
Collecteur
Sommaire
Connexion dans montage convertisseur Fréquence/Tension continue (0/5V):
Intersection métal avec patte conducteur
2N 2219A*
Collecteur
Fil gris signal
entrée
anémomètre
(simulation
par signal
tension carrée
entre 0 et 5 V)
Fil rouge 2
Fil violet 2
47 k
Fil violet 4
Fil violet 5
Mesure de la
tension aux
bornes de la
résistance de
470 k
5
3
C3 = 1 µ
NE 555 P
1 : Gate
IRF 1405
2 : Drain
1
3 : Source
Fil noir
C4 = 1 µ
Queue : émetteur
C2 = 10 n
Fil violet 1
162
C1 = 100 n
0V
470 k
Partie métallisée avec fil ou patte conducteur
4,7 k
Partie non visible (autre côté)
8
47 k
Fil violet 3
5V
1N4148
Réq = 160 W
4,7 k
162
R10 = 66 W
4,7 k
Fil
rouge 1
Fil rouge 3
* Ou transistor 2N 222
* Valeur préconisée C1 = 100 nF
Remarque : pas de résistance R2 ni R3
BROFIGA Roméo
DURIVAUX Thibaud
Sommaire
Capteur n°3 : vitesse ascensionnelle
U
V
0,00
0,90
1,58
2,06
2,30
2,35
2,50
2,54
2,58
2,80
2,92
V (m/s)
v
km/h
0,00
1,40
2,70
5,00
6,90
7,90
10,60
11,50
12,00
19,50
26,70
v
m/s
0,00
0,39
0,75
1,39
1,92
2,19
2,94
3,19
3,33
5,42
7,42
v (modèle
exp.)
m/s
0,00
0,31
0,82
1,63
2,31
2,48
3,07
3,25
3,45
4,72
5,61
Ecart v (modèle Ecart
relatif poly.) relatif
%
m/s
%
0,0
0,00
0,0
25,6
0,39
0,6
8,7
0,73
3,1
15,0
1,40
1,1
16,9
1,96
2,4
11,4
2,13
2,8
4,1
2,83
3,9
1,8
3,08
3,8
3,2
3,35
0,6
14,7
5,52
1,8
32,2
7,30
1,6
Vitesse v en fonction de la
tension U
8.00
7.00
Notre capteur est constitué de pales (d’un anémomètre que nous n’utilisons pas en tant que
tel), d’une diode d’un côté et d’un phototransistor de l’autre, en face. Le phototransistor reçoit
le signal lumineux de la diode, qui est coupé par intermittence à chaque passage d’une pale.
On obtient donc la fréquence de passage de celles-ci. Etant donné que Kiwi ne peut pas
transmettre une fréquence, il faut convertir celle obtenue en tension. Pour cela, on utilise un
montage convertisseur fréquence/tension continue.
Le montage est au fond, dans une boîte faite de polystyrène afin de protéger le circuit du froid
et des chocs. Le capteur est fixé dans une paroi de la nacelle, de laquelle il dépasse de 3 cm
afin de permettre à l’air de s’engouffrer dans les pales.
Voici la courbe d’étalonnage de notre capteur. Pour les valeurs inférieures à 1,50 V, le
modèle exponentiel est le plus exact. En revanche, n’ayant pas de données pour des
tensions inférieures à 0,9 V, on ne pourra pas calculer des vitesses inférieures à 0,4 m/s.
Cependant, étant donné l’imprécision de notre capteur (expliquée dans la diapositive
suivante), cela ne pose pas de problème. Pour les autres valeurs, il faut utiliser le modèle
polynomiale (sinon l’exponentiel donne des résultats avec un écart relatif d’environ 15% !).
Bien corrigé
v = 2,058*U4 - 13,73*U3 + 34,14*U2 - 36,12*U
+ 13,9
6.00
5.00
v = 0,0852 * e1,434 * U
4.00
3.00
2.00
U (V)
1.00
0.00
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
Résultats
Sommaire
Notre courbe est la verte foncée. « temp » est la température extérieure et « temp 2 » et celle intérieure. « lux » et « lux 2 » sont des capteurs
de luminosité et « lux 3 » est le capteur dirigé vers le sol. Il ne faut pas se fier à l’indication de durée sur cette page.
Vitesse v en fonction de l'altitude Z pendant
l'ascension
v (m/s)
Données relevées durant le vol
4.0
Sommaire
3.5
Durant le vol, on observe que les valeurs oscillent fortement.
Cela signifie que l’anémomètre cesse de tourner de façon intermittente.
Ce phénomène est très probablement causé par le balancement et la rotation de la
nacelle sous le ballon.
Pour obtenir une courbe comportant des valeurs cohérentes, il faudrait supprimer les
évènements pour lesquels la tension atteint une valeur de 0 V.
On observe également que les valeurs sont étrangement faibles par rapport aux
prévisions.
Cela peut être dû au fait que l’anémomètre est placé contre la nacelle (sous le ballon) ;
aussi, une importante protection contre la lumière extérieure masque une grande
surface de l’hélice (afin de ne pas perturber le fonctionnement du phototransistor).
La vitesse diminue d’environ 0,5 m/s toutes les 16 minutes (courbe rouge) du fait de la
diminution de la pression extérieure : l’hélium contenu dans le ballon est de moins en
moins léger par rapport à l’air (loi de Boyle Mariotte ???? ).
5.0
v (m/s)
Z/4 (km)
4.0
Vitesse v en fonction de la durée t
Altitude Z/4 en fonction de la durée t
3.0
2.0
v = -0,00051 * t + 2,8
v = -0,00051 * t + 2,1
1.0
t (s)
0.0
0
2000
4000
6000
8000
3.0
2.5
2.0
v = -0,18 * Z + 2,73
1.5
1.0
0.5
Z (km)
0.0
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Vitesse v en fonction de l'altitude Z pendant la
descente
v (m/s)
4.0
3.5 v = 0,110 *Z + 2,400
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.00
5.00
Début de la
chute
10.00
15.00
Z (km)
20.00
10000
Entre 11h35 et 11h50, on observe des tensions nulles. La densité de l’air devient trop faible pour
faire tourner les pales à partir de 15 km, mais dès 8 km d’altitude la vitesse mesurée chute. Cela
correspond donc à l’altitude maximale de fonctionnement de la plupart des hélicoptères (environ 5
km). Celle des avions à hélice varie beaucoup selon le type d’avion : elle est de quelques
centaines de mètres pour les ULM les plus légers à près de 9 km pour les avions quadripales
lourds, en passant par 5 km pour les avions légers de tourisme.
La masse volumique minimale de l’air nécessaire est donc de 0,75 kg/m 3. Bien corrigé
On voit que la vitesse de descente mesurée est jusqu’à deux fois celle de l’ascension.
A 12h43, on observe que la vitesse mesurée par l’anémomètre augmente subitement. Ceci
nous permet de déterminer l’heure à laquelle le ballon a définitivement cessé de monter et a
amorcé sa descente (éclatement du ballon).
Pas tout à fait, tu vois bien un léger décalage dans le temps. Pourquoi ?
µ (kg/m3)
1.4
1.2
Masse volumique de l'air µ en fonction de
l'altitude Z
1
0.8
0.6
0.4
µ = 0,0033 z2 - 0,1135z + 1,2177
0.2
Z (km)
0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0