Mesurer la température pendant le vol d`un ballon

TRAVAUX PRATIQUES BALLON TELEMESURE A DESTINATION DES JEUNES
Mesurer la température
pendant le vol d’un ballon
Ou comment réussir son suivi en pratiquant soi-même.
Rédacteur : Frédéric BOUCHAR – Association PASTEL-STJ
Parc Technologique du Canal, rue Hermès - 31520 RAMONVILLE St AGNE
Tel : 05 61 73 10 22
Fax : 05 61 73 42 79
[email protected]
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeune
TP N°0
Fournisseurs de composants
Partons du meilleur pour aller vers les fournisseurs à éviter.
RADIOSPARES
Les + : service rapide, beaucoup de produits. Fournissent gratuitement les documentations des
composants (site Internet). Fournit gratuitement deux énormes catalogues et un CD-ROM
Les - : Chers, prix HT, il faut ajouter les 20,6% (Mais le port est compris dans le prix, quelle que soit
l’importance de la commande).
Adresse : RADIOSPARES, rue Norman King, BP 453 60031 BEAUVAIS CEDEX
Tel commande : 0 803 034 034 Fax : 0 803 345 000
Internet : http://www.radiospares.fr
FARNELL
Les + : service rapide, beaucoup de produits. Fournissent gratuitement les documentations des
composants (site Internet). Fournit gratuitement deux énormes catalogues
Les - : Chers, prix HT, il faut ajouter les 20,6% (Mais le port est compris dans le prix).
Adresse : FARNELL, 745 avenue de l’Europe 69654 VILLEFRANCE CEDEX
Tel commande : 04 74 68 99 99 Fax : 04 74 68 99 90
Internet : http://www.farnell.com
SELECTRONIC
Les + : pas trop cher, disponibilité du matériel. Capteur de pression intéressant. Prix catalogue TTC
ère
Les - : Frais de port en supplément. Site Internet peu intéressant. Catalogue 30Frs remboursé 1
commande
Adresse : SELECTRONIC, B.P. 513 – 59022 LILLE CEDEX
Tel commande : 0 328 550 328 Fax : 0 328 550 329
Internet : http://www.selectronic.fr
CONRAD
Les + : pas cher
Les - : peu de stock, commandes qui peuvent trainer… Catalogue : 39Frs
Vous voulez vraiment d’adresse ? Ok !
CONRAD « Entreprises » 59861 LILLE Cedex 9
Tel : 0 826 826 000 Fax : 0 826 826 003
Internet : http://www.conrad.com
COMPTOIR DE LANGUEDOC
Les + : pas cher
Les - : peu de stock, commandes qui peuvent trainer… Catalogue : 25 Frs
Adresse : COMPTOIR DE LANGUEDOC Professionnel 2, Impasse Didier-Daurat – Parc d’activité de
Montaudran – 31405 TOULOUSE Cedex 4
Tel : 05 61 36 07 07 Fax : 05 61 54 47 19
Internet : http://www.alliance-electronics.fr
Hors classement
LE FOURNISSEUR DU COIN
On peut tout y trouver. Parfois c’est très utile de poser des questions au vendeur qu’on a devant soit
et de toucher avec ses petits doigts le capteur que l’on va acheter…
Vous êtes invité à donner votre avis sur ces fournisseurs ou à en proposer d’autres.
1
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeune
TP N°0
Le matériel nécessaire
Un fer à souder de bonne qualité (que vous garderez toute votre vie) . La bonne température de la
pointe (la panne) est d’environ 350°C. Cette panne doit être à bout très fin, c’est important pour
réaliser des soudure fines et précises. Une éponge doit accompagner votre fer à souder. Il faut
l’humidifier afin d’essuyer la panne de temps à autre pour en retirer les excédents de soudure.
Soudure. Il est souhaitable d’utiliser de la soudure fine (0,5mm).
Tresse à dessouder. Elle est constituée de fils de cuivre qui absorbent la soudure lorsqu’on la
chauffe en contact avec la tresse.
Pince coupante, petit modèle, pour couper les longues pattes de composants.
Pince à dénuder indispensable pour réaliser de beaux et bons câblages.
Une pince plate. C’est un outil qui permet de plier à 90° les pattes des composants avant de les
implanter.
Un petit tournevis pour les borniers du KIWI
Un multimètre numérique équipé de pointes de touches et d’une mesure de température. Le SL-99
de SELECTRONIC (Ref : 21.4674) fera très bien l’affaire.
Une alimentation de 5V est nécessaire pour alimenter les montages. Un plan de montage de cette
alimentation est disponible auprès de PASTEL-STJ
Les matériaux
Carte Bakélite pastillée
Permet de réaliser des montages avec soudures sans avoir besoin de réaliser de circuits imprimer.
Fils électriques
Il faut choisir des petits fils électriques multibrins (qui sont constitués d’une multitude de brins de
cuivre) qui résistent mieux mécaniquement aux manipulations.
2
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeune
TP N°0
Les résistances
Tolérance
Couleur or : 5%
Couleur argent : 10 %
er
1 chiffre
Nombre de zéros ou
puissance de 10
2me chiffre
NOIR
MARRON
ROUGE
ORANGE
JAUNE
VERT
BLEU
VIOLET
GRIS
BLANC
Code des couleurs
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Thermistances
Les thermistances sont des résistances électriques dont la valeur change lorsque la température du
milieu dans lequel elles se trouvent change.
Les valeurs données par le fabriquant sont mesurées à la température de 25°C (les fameuses CNTP,
Conditions Normales de Température et de Pression). Une chance pour nous, les thermistances ne
sont pas sensibles à la pression.
Thermistance CTN NTH4G 10 K
RADIOSPARES : Ref. 164-6269 (30,83 FHT pour 5)
Thermistance CTN 10 K
RADIOSPARES : Ref : 191-2263 (23,09 FHT pour 5)
Thermistance CTN 1K
RADIOSPARES : Ref : 220-7405 (15,81 FHT pour 5)
Thermistance CTN 100K
RADIOSPARES : Ref : 176-7827 (15,81 FHT pour 5)
Thermistance CTP KTY81-110
RADIOSPARES : Ref : 169-7324 (15,50 FHT pour 1)
LM335
SELECTRONIC : Ref : 21.3669 (14,00 FTTC pour 1)
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BALLONET
BALLONET
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeunes
TP N°1
THERMISTANCES (CTN) ET PONTS DIVISEURS.
Après ce TP vous saurez :
- Tracer la courbe caractéristique d’une thermistance de manière expérimentale et théorique.
- Calculer et monter un pont diviseur.
- Calculer de plusieurs manières la résistance fixe à monter avec la thermistance.
Les thermistances CTN
Les thermistances à coefficient de température négatif (CTN) sont des résistances électriques dont la
valeur augmente lorsque la température du milieu dans lequel elles se trouvent diminue.
Les valeurs données par le fabriquant sont mesurées à la température de 25°C (les fameuses CNTP,
Conditions Normales de Température et de Pression). Une chance pour nous, les thermistances ne
sont pas sensibles à la pression…
Caractéristique de la thermistance : méthode expérimentale
Commençons par une expérience fondamentale : l’étalonnage d’un capteur de température.
L’opération consiste à réaliser plusieurs mesures de la résistance de la thermistance à différentes
températures. Utiliser un multimètre/thermomètre et placer sa sonde de température près de la
thermistance. Faire varier la température avec une bombe de refroidisseur qui permet de descendre
jusqu’à –55°C. Pour prendre la mesure, essayer de stabiliser la température en vaporisant en continu
pendant quelques secondes.
Matériel :
Thermistance de 10 kOhm ; Thermomètre électronique ; Domino électrique
Bombe de refroidisseur : 520 ml Ref : 254-9399 prix : 84,82 FHT chez RADIOSPARES
650 ml Ref : 21.0999-5320 prix : 107,00 FTTC chez SELECTRONIC
Relation Température / Résistance
Domino
électrique
124.7
-20.5
Thermistance
Mesure de résistance
Mesure de température
Température (°C)
Résistance (KΩ
Ω)
Température (°C)
Résistance (KΩ
Ω)
Tracer la courbe de résistance (axe horizontal) en fonction de la Température (axe vertical)
Documents inspirés des travaux pratiques réalisés par le Département Education-Jeunesse du CNES lors de stages d’information
d’enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR – Nicolas VERDIER
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BALLONET
BALLONET
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeunes
TP N°1
Caractéristique de la thermistance : méthode théorique
Les CTN sont caractérisées par deux grandeurs : R0, résistance de la CTN à 25°C et β (K)
La relation résistance/température s’exprime par :
R = R0.e
β(
1 1
− )
T T0
(1)
R0 est la résistance de la CTN à T0 = 298 K
R est la résistance de la CTN à la température T
Attention, les températures ne sont pas en degrés Celsius (°C) mais en Kelvin (K). 0°C = 273 K
Ces coefficients sont donnés par le constructeur (R0=10 K et β=3380 par exemple) mais peuvent être
déterminés expérimentalement avec deux points de mesure.
Température (°C)
24
2
Résistance (Kw)
9,8
26
Tableau 1
R1
Avec ces informations nous allons calculer β et R0
R2
En transposant l’équation (1), nous avons :
β=
T1 × T2
R
ln( 1 ) (2)
T2 − T1 R 2
Le β se détermine directement avec deux points de mesure de résistance aux températures T1 et T2.
R1
R0 =
β(
e
1 1
− )
T1 T0
(3)
La résistance R0 se détermine avec un point de mesure (R1, T1 ) et T0 (25°C ou 298 K).
1/ Calculer les valeurs R0 et β avec l’exemple ci-dessus (Tableau 1).
β=
R0 =
2/ Avec ces résultats, tracer la relation Résistance / Température de cette CTN (L’aide d’un
tableur sera appréciable). Choisir la plage de température –60°C / +30°C
3/ Avec vos thermistances de 1 KΩ
Ω , 10 KΩ
Ω et 100 KΩ
Ω , refaites les étapes 1/ et 2/ pour en
déterminer les caractéristiques.
Documents inspirés des travaux pratiques réalisés par le Département Education-Jeunesse du CNES lors de stages d’information
d’enseignants sur les techniques spatiales. Rédacteurs : Frédéric BOUCHAR – Nicolas VERDIER
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BALLONET
BALLONET
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeunes
TP N°1
Le conditionneur de la mesure de température
Le conditionneur est un dispositif électronique qui permet de transformer une information issue d’un
capteur en un signal électrique dont l’utilisateur (vous) définit précisément les caractéristiques (plage de
variation, valeur min et max, fréquence, etc ).
En général, on cherche à conditionner les capteurs en tension. Pour l’utilisation du système KIWI, le
conditionneur doit fournir une tension située entre 0V et 5V.
Le conditionneur d’une CTN peut-être une simple résistance.
+5V
On détermine alors la gamme de fonctionnement du capteur
en évaluant les températures attendues (min et max). Pour
une excursion d’altitude de 30 km, la plage de mesure doit
s’étendre entre –60°C et +30°C.
CTN
La tension mesurée aux bornes de la résistance fixe
varie en fonction de la température.
Ce montage donne une tension qui diminue lorsque la
température diminue. Voir page suivante le point sur le
pont diviseur de tension.
Vers émetteur KIWI
Ut
Relation Température / Tension : méthode expérimentale
Réaliser le montage ci-dessous. Utiliser un multimètre/thermomètre et placer sa sonde de température
près de la thermistance. Faire varier la température avec la bombe de refroidisseur
Pour prendre la mesure de tension, essayer de stabiliser la température en vaporisant en continu
pendant quelques secondes.
Matériel :
Résistance de 68 kΩ ; Thermistance de 10 kΩ ; Thermomètre électronique ; Domino électrique
Bombe de refroidisseur ; Alimentation 5 volts
2.3
Mesure de température
Thermistance 10 kΩ
Ω
+
U
R = 68 kΩ
Ω
Température (°C)
Alimentation
5V
Tension (V)
Mesure de tension
Température (°C)
Tension (V)
Tracer la courbe de Tension (axe horizontal) en fonction de la Température (axe vertical)
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BALLONET
BALLONET
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeunes
TP N°1
Le pont diviseur : un conditionneur de capteur
Pourquoi un pont diviseur ?
Ce montage n’est pas un pont diviseur !
Ceci est un
capteur résistif
-
+
+
U = 4,5V
4,5 V
-, masse
ou 0V
La tension aux bornes du capteur est de U = 4,5V.
Des variations physiques sur ce capteur ne changent pas la tension aux bornes de celui-ci.
Ce montage est un pont diviseur
Ceci est une
résistance à
valeur fixe
U2
-
+
4,5 V
+
-
U1
La tension aux bornes du capteur est maintenant U1. On remarque que U1 + U2 = U (4,5V).
Des variations physiques sur ce capteur changent la tension aux bornes de celui-ci : U1 varie.
Dans notre cas, nous allons envoyer grâce à la télémesure cette valeur U1.
Il faut donc trouver une relation qui lie la variation du paramètre physique que l’on souhaite
mesurer et cette tension U1.
Le capteur résistif, par définition, voit sa résistance changer
en fonction des variations du paramètre physique. (La
chaleur fait varier la résistance d’une thermistance).
On va donc chercher à définir U1 en fonction de cette
résistance R1
La loi d'Ohm : U = R x i permet ce calcul.
R2
U2
+
U1
R1
U1 = R1 x i
(1)
U2 = R2 x i
(2)
U = U1 + U2
(3)
R2 et U sont connus.
Quand R 1 et R 2 sont
égales, la tension U
est divisée par 2 :
U1=U2 = U/2.
(1)et (2) => U2 + U1= (R1 + R2)x i
=> i = U / (R2 +R1)
(1)=> U1 = U x R1 / (R2 + R1)
Nous avons donc une tension U1 dont les variations vont
dépendre directement de R1.
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BALLONET
BALLONET
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeunes
TP N°1
Relation Tension / Température : méthode théorique
Une fois la tension obtenue et envoyée par le système KIWI, il faut retrouver la température.
Nous allons donc établir la relation Tension / Température à l’aide de la formule du pont diviseur :
UT = U
Rfixe
Rfixe + R0.e
β(
1 1
− )
T T0
Tracer la courbe caractéristique Tension / Température des thermistances suivantes :
CTN 1KΩ
Ω
β =3825
CTN 10 KΩ
Ω β =3740
CTN 100 KΩ
Ω β =3977
La plage de température proposée va de – 60°C à +30°C
Construire une feuille de calcul avec un tableur vous facilitera la tâche
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BALLONET
BALLONET
Mesure de température pendant le vol d’un ballon stratosphérique de jeunes
TP N°1
Comment trouver la valeur de la résistance fixe du conditionneur ?.
Méthode rapide
Considérons que la CTN est à la température du milieu de sa plage de variation, le conditionneur doit
donner une tension au milieu de la dynamique 0->5V qui est de 2,5V.
Dans cette situation, le montage constitue un pont diviseur par 2 et la résistance de la CTN est égale à
la résistance fixe.
Calculer la valeur de la résistance fixe du conditionneur pour les CTN de 1 kΩ
Ω , 10 kΩ
Ω et 100 kΩ
Ω
(Utiliser les résultats précédents).
Méthode affinée
Elle consiste à recherche la valeur de la résistance fixe pour laquelle on obtient la plus grande plage de
variation de tension.
Exemple :
U à +30°C
La résistance de
100K donne une
plage de variation
maximale (4,2V)
Choix de la résistance fixe du conditionneur d'une CTN
5,00
4,50
4,00
∆U
Delta U (V)
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
U à –60°C
0,00
0
50
100
150
200
250
Résistance fixe (kOhm)
Choisir la thermistance du début du TP avec le β et le R0 que vous avez trouvez.
1/ Choix la gamme de résistances fixes que l’on souhaitent essayer. (Série E 12)
2/ Calculer les tensions à température maximale (+30°C) et température minimale (-60°C)
3/ Calculer la plage de tension (∆
∆ U)
Note : Série E 12
C’est une série de résistances fixes dont voici les valeurs que l’on peut décliner en multiples de 10 :
(1,2 Ω 12 Ω
120 Ω etc.)
1,2
1,8
1,5
2,2
2,7
3,3
3,9
4,7
5,6
6,8
8,2
10
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