Bilan du groupe sur l’activité ballon, sonde :

Maîtrise d’Excel : très bien 5 / 5

Compte rendu : bien rédigé 4 / 5 très peu d’erreurs complet bien corrigé à chaque fois toujours rendu à temps

Exploitation des données : 5 / 5 Courbe bien tracées Bonne analyse Activité en classe : très satisfaisante 4,5 / 5

Babeau MartinLoris Campanile Avant correction finale 18,5 / 20

Babeau MartinLoris Campanile

Capteur 01 et 02 de pression

- Fiche technique et principe de fonctionnement Index :

- Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 ( Partie 1 | Partie 2)

- Mesure de la pression P (hPa) en fonction de l’altitude z (m)

Loris CampanileLoris Campanile

&&

Martin BabeauMartin Babeau

- Etalonnage des capteurs n°1 et n°2 avec cloche à vide ( Partie 1 | Partie 2 )

- Résumé

26/05/2010

Capteur de pression : Fiches technique, fonctionnement et étalonnage

03/02/10Babeau MartinLoris Campanile

Tout d’abord, nous avons fait des recherches sur les capteurs de pression : - Lequel pourrait-on utiliser pour un prix modeste ? - Comment l’étalonner ? - Le principe de fonctionnement - Recherche de la fiche techniqueLe résumé de la fiche technique st ici.

Le capteur choisi est un modèle MPX5100AP de chez Motorola.

La plage de valeurs qu’il peut atteindre est de 15 à 115 kPa (soit 150 hPa à 1150 hPa).

Comme on le voit sur la photo ci-contre, les dimensions du capteur sont plutôt faibles.

Alimenté en 5,00 V par l'émetteur KIWI, sa tension de sortie est liée à la pression absolue.Le constructeur nous donne une équation : VOUT = VS*(P x 0.009 - 0.095)Exemple :Prenons P = 493 hPa, soit 49.3 kPa : Vout = 1,58 V (d’après nos mesures) D’après le constructeur Vout = 5.0 V *(49,3*0.009-0.095) = 1.74 V.Nous savons que les mesures ont un écart relatif de 2.5 % en moyenne, donc nous pouvons dire que c’est bon, car 1,74 V sont proches de 1.58V.

Sommaire

Vout : en voltVS : en volt

Schéma des dimensions du MPX5100AP

Ce qu’on peut tirer de l’image et de la fiche technique:

Le fonctionnement du capteur nécessite une tension nominale de 5,0 V, et une intensité nominale de 7mA. De plus, le capteur peut mesurer une pression minimale de 15 kPa et une pression maximale de 115 kPa.

On voit d’après ce schéma que :- La borne 1 correspond à la borne de mesure (voir schéma)- La borne 2 à la masse (voir schéma)- La borne 3 aux 5V (voir schéma)

Sommaire

L’écart relatif de la mesure de pression est de l’ordre de 2,5% d’écart relatif, comme sur cette diapo, il s’agit de la moyenne de tout les écart relatifs que l’on a trouvés pour des pressions entre 241 et 1018 hPa;On voit que notre moyenne est bien inférieure à celle donnée par le constructeur, car l’on a un écart relatif de 1.5 % au lieu des 2,5 % fournis par le constructeur. ( voir ici )

Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 1

Tableau capteur 1 : Tableau capteur 2 :Pression Tension (capteur 1) Capteur 1 Capteur 1

P U Modèle math Ecart relatif

hPa V %

1018 4,02 4,02 0

752 2,89 2,82 3

615 2,21 2,20 0

507 1,74 1,72 1

434 1,4 1,39 1

387 1,16 1,18 1

342 0,99 0,97 2

310 0,83 0,83 0

282 0,72 0,70 2

260 0,61 0,61 1

241 0,53 0,52 2

Pression Tension (capteur 2) Capteur 2 Capteur 2

P U Modèle math Ecart relatif

hPa V %

1018 3,99 3,98 0

752 2,79 2,78 0

615 2,17 2,17 0

507 1,69 1,68 1

434 1,36 1,35 1

387 1,11 1,14 3

342 0,94 0,94 0

310 0,79 0,80 1

282 0,68 0,67 2

260 0,58 0,57 2

241 0,49 0,48 1

Nous remarquons que pour les deux tableaux, l’écart relatif reste en dessous des 5% d’erreur incertitude proche de 2,5% annoncé par le constructeur pour les deux modèles mathématiques. Nous relevons pour les deux capteurs des tensions différentes, entraînant le besoin de faire ces deux tableaux pour une précision maximale.

Aujourd’hui, nous nous sommes occupés du capteur de pression 01. Nous avons donc soudés les fils, placés les embouts, nous avons ensuite testés notre capteur afin de savoir s’il était en état de fonctionner à l’aide d’une seringue, d’un pressiometre et d’un voltmètre. Pour cela, nous avons connecté à l’aide d’un tuyau le capteur à la seringue. Au fur et à mesure que nous augmentions la pression, nous nous rendions compte que la tension augmentait.Nous avons aussi, sur le capteur 02 (capteur de pression de secours), étamé et placés les fils, et placés les embouts.

Sommaire

Ces valeurs confirment les données du constructeur sur la précision

Etalonnage des capteurs de pression n°1 et n°2 : Feuille 2

Analyse de la courbe :

03/02/10

On voit aussi que les deux capteurs mesurent quasiment la même tension pour une même pression atmosphérique.

Si l’on prolonge la courbe, on voit que, pour une pression comprise entre 0 et 150 hPa, la tension sera nulle, et nos capteurs ne pourrons fournir de mesures.

Les capteurs sont donc inutilisables à partir d’une certaine altitude.D’après ce tableau, on peut voir que la pression devient inférieure à 150 hPa à partir de 14km. Ceci est visible sur cette courbe

On peut donc penser que le capteur ne peut plus rien mesurer à l’altitude z = 14 km.On peut donc définir un domaine de validité allant de 0 à 14km.

T ens ion U aux bornes du c apteur en fonc tion de la pres s ion P pour le c apteur n°1 et n°2

U = 0,0045P - 0,565

U = 0,0045P - 0,6018

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0 200 400 600 800 1000 1200

P (hP a )

U (V)

Sommaire

Altitude Altitude Pression z (m) z(km) P (hPa)

0 0.0 1013500 0,5 955

1000 1,0 9001500 1,5 8452000 2,0 7942500 2,5 7463000 3,0 7003500 3,5 6584000 4,0 6175000 5,0 5416000 6,0 4717000 7,0 4118000 8,0 3579000 9,0 307

10000 10 26511000 11 22712000 12 19413000 13 16514000 14 14115000 15 11920000 20 5530000 30 1140000 40 3

La pression atmosphérique descend en dessous de 150 hPa à partir de 14 km.

Pour bien illustrer ceci, nous avons pris la courbe correspondant à la pression atmosphérique entre 10 et 40 km.

Pour 150 hPa, on voit bien sur la courbe que cela correspond à une altitude d’environ 14 km.

Sommaire

10/03/10

Prendre une photo du capteur avec ses fils

03/02/10

Sommaire

Aujourd’hui, nous avons défini une relation et non rapport entre la tension et l’altitude à laquelle se trouvent les capteurs, et nous avons vu que nos capteurs n’étaient pas assez précis pour pouvoir mesurer la pression dynamique.

10-17-24/03/10

Nous voyons sur cette courbe que L’altitude peut être exprimée en fonction de la tension obtenue, résultant soit aux bornes du capteur 1, soit du capteur 2. Le modèle mathématique diffère selon chaque capteur, il s’agit d’une courbe polynomiale de degré 4, nécessaire pour une précision accrue. Nous pouvons voir sur le tableau que le modèle mathématique est satisfaisant tant que la pression n’est pas supérieure a 1118 hPa, ce qui correspond à une pression atmosphérique à peine atteignable en cas d’anticyclone important.

En effet, les capteurs ne sont pas assez sensibles pour détecter un changement de pression du à l’air, lorsque le déplacement d’air n’est pas assez important.

Calcul de l’altitude z (km) en fonction de la tension U(V)

Sur ce tableau, nous voyons que pour une tension délivrée par le capteur supérieure à 4,5V, le capteur associe une pression correspondant à une altitude négative, ce qui est impossible

Tension Pression capteur 1 Pression capteur 2 Altitude capteur 1

altitude capteur 2

Modele math capteur 1

Ecart relatif capteur 1

Modèle math capteur 2

Ecart relatif capteur 2

U P = 220,73U + 124,87 P = 221,78U + 133,52 Z Z V hPa hPa km km km % km %0 125 134 14,66 14,21 14,6 0,3 14,2 0,3

0,5 235 244 10,41 10,15 10,5 1,2 10,3 1,11 346 355 7,82 7,63 7,8 0,6 7,6 0,6

1,5 456 466 5,95 5,80 5,9 1,4 5,7 1,22 566 577 4,50 4,37 4,5 0,3 4,4 0,1

2,5 677 688 3,30 3,19 3,4 1,7 3,2 1,53 787 799 2,28 2,18 2,3 2,4 2,2 1,8

3,5 897 910 1,40 1,31 1,4 1,3 1,3 2,24 1008 1021 0,62 0,53 0,5 11,7 0,5 10,6

4,44 1105 1118 0,00 0,00 0,0 8175,3 0,0 0,04,5 1118 1132 -0,08 -0,16 0,0 87,7 0,0 85,55 1229 1242 -0,71 -0,79 0,0 96,1 0,0 105,2

Altitude z mes urée en fonc tion de U (aux bornes du c apteur de pres s ion 1 et 2)

c apteur 1 : z = 0,0682*U4 - 0,8122*U3 + 3,7381*U2 - 9,8393*U + 14,616

c apteur 2 : z = 0,0663*U4 - 0,777*U3 + 3,5463*U2 - 9,4206*U + 14,174

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

U (V)

z (km)

Sommaire

Le pourquoi du comment d’une cage de Faraday :

Nous avons, comme le montre la photo ci-contre, fabriqués une cage de faraday adaptée a notre capteur de pression.

La question est : Pourquoi ?

Et bien il nous faut cette cage de Faraday afin d’éviter les surtensions dues aux champs magnétiques présents dans l’atmosphère.

Cette cage préservera donc notre capteur d’éventuelles pannes ou problèmes techniques.

Cette cage protègera aussi notre capteur des ondesémises, ce qui permettra de le préserver, encore une fois, de tout problèmes éventuels.

Nous avons soudés nos 2 capteurs à un condensateur de 10nF (nanoFarad) et l’avons relié a la cage de Faraday. Ce condensateur permet donc de stocker l’électricité et donc d’éviter les surtensions.

Sommaire

Condensateur

24-31/03/10

Nous avons aussi utilisés une pompe à vide afin de tester notre capteur avec un capteur de vérification déjà étalonnéNous avons donc pris en photo le montage suivant (la qualité reste à désirer, mais l’appareil photo ne nous permet pas plus) :

Nous avons donc utilisé un capteur déjà étalonné afin de vérifier si notre capteur est fiable. Nous avons utilisé la cloche à vide afin de, pour une certaine pression, vérifier notre modèle mathématique (et ici avec des valeurs changeant au cours du temps).

Capteur de vérification

Cloche + Pompe à vide

Notre capteur + Multimètre

17/03/10Test du capteur à l’aide d’une cloche et d’une pompe à vide (feuille 1)

Pour le protocole, voir diapo suivante

Sommaire

Protocole suivi pour l’étalonnage avec une cloche à vide :

Nous avons pris une cloche à vide, comme montrée sur la diapo précédente, afin d’étalonner nos capteurs de pression.Pour cela :

Sommaire

On commence par utiliser notre capteur de référence pour la pression. On se fixe une pression particulière (ici 493 hPa). On ferme ensuite tout les robinets pour que la pression ne varie pas dans la cloche lorsqu’on changera les capteurs (à l’extérieur de celle-ci).

Ensuite, on branche notre capteur de pression au générateur de tension continue 5,0V et au multimètre afin de mesurer la tension associée.

On remplace le capteur de référence par notre capteur et on ouvre le robinet correspondant.

On finit en relevant la tension obtenue en fin d’expérience, ici 1,58 V.La tension associée à 493 hPa est donc 1,58 V.

(Robinets reliés à la cloche)

31/03/10

Aujourd’hui, nous avons fait l’étalonnage sous une cloche à vide de nos capteurs de pression. Nous en avons réalisés une courbe, et nous en avons déduis un modèle mathématique. Pression Tension (capteur 1) Tension (capteur 2)

P U UhPa V V

1000 4,04 4,04950 3,90 3,85900 3,65 3,78850 3,29 3,23800 3,07 3,11750 2,95 2,94700 2,75 2,80650 2,52 2,38600 2,18 2,08550 2,02 1,92500 1,80 1,74450 1,63 1,63400 1,35 1,31350 1,07 1,06300 0,94 0,84250 0,65 0,58200 0,44 0,40150 0,20 0,16100 0,06 0,06

Test du capteur à l’aide d’une cloche et d’une pompe à vide (feuille 2)

Analyse de la courbe : On voit que les modèles mathématiques approchent ceux que l’on a trouvés lors des étalonnages précédents (feuille1 et feuille 2)

Sommaire

P res s ion P de l'air en fonc tion de la tens ion U mes urée aux bornes du c apteur 1 et du c apteur 2

s ous une c loc he à v ide.

P = 221,86*U + 100,32

P = 218,16*U + 114,72

0

200

400

600

800

1000

1200

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

U (V)

P (hpa )

Étalonnage du capteur (pression en fonction de la tension) :

Pour une pression de 752 hPaD’après le constructeur :VOUT = VS*(P x 0.009 - 0.095) V = V *(kPa * 0,009 – 0,095) 5,0 *(75.2*0.009-0.095) = 2.90 VSelon notre modèle :=> 0,0045*P - 0,565 = V=> 0.0045*752-0.565 = 2.82 V

Le modèle donné par le constructeur est donc équivalent à notre modèle mathématique, à 2.5% près. On constatedonc que les données du constructeur sont vérifiées. (pour la courbe, voir ici)

Sommaire

Sommaire

Nous mesurons la Pression P en fonction de la tension U mesurée aux bornes du capteur 1, capteur électronique de pression se situant à l'intérieur de la nacelle, étalonné et mis en vol par Loris Campanile et Martin Babeau, et nous superposons cette courbe ainsi obtenue avec la courbe que nous avons eu grâce à l’équation du constructeur (voir ici et ici)

Courbe constructeur Vs Courbe d’étalonnage :

Analyse de la courbe :On voit que les deux courbes ci-contre sont parallèles, car de même coefficient directeur, ce qui signifie que ces deux courbes ont la même pente. Seul change la fin de l’équation : il varie de 0.565 à 0.475ce qui n’est pas énorme.

Sommaire

Sortie de notre capteur

À côté du capteur d’humidité

Haut

Notre capteur de pression à l’intérieur de la nacelle

Le capteur est ainsi car c’est l’endroit ou il utilise le moins d’espace, tout en étant assez proche du générateur KIWI pour être alimenté en énergie et envoyer les données récupérées par le capteur.

Capteur n°1 de pression par Loris Campanile et Martin Babeau :

Loris et moi-même usons de notre droit de refuser à nous exposer ici sur une photo.

Pression Tension

P U

hPa V

1013 3,99

950 3,71

500 1,69

310 0,83

Tuyau sortant de la nacelle

Captures d’écran du logiciel de mesures :

Nous voyons ici les courbes des différents capteurs présents dans la nacelle. Notre courbe est en bleu foncé. .Nous voyons donc ici que la tension diminue jusqu’à 0 V, puis augmenta à nouveau. Ceci signifie que la pression diminue, et donc que l’altitude augmente jusqu’à 14 km, mesures obtenues précédemment. Au-delà des 14 kilomètres, le ballon éclate, et la pression mesurée chute en même temps.

Ici, nous voyons qu’un problème surgit à 13h20 et tout les capteurs ont subit une panne. notre capteur n’échappant pas à la règle, il nous renvoie des données erronées, car l’intensité fournie par le générateur devint trop faible.

Sommaire

Exploitation des données :Nous avons essayé de déterminer avec le plus de précision possible comment est monté le ballon ( nous entendons bien sur « Analyse de l’altitude »). Pour cela, nous avons utilisé les données que nous a envoyées KIWI : Il nous a envoyé les tensions mesurées aux bornes de notre capteur. A l’aide de nos brillantes études, (et de nos modèles mathématiques [surtout]) nous avons associés à cette tension une altitude. Puis nous avons, toujours à l’aide de KIWI, récupéré le temps du trajet, afin d’obtenir une courbe qui associe à l’altitude ce même temps. Voici nos résultats :

Sur cette courbe, on voit qu’un trou d’air a sûrement dûfaire chuter le ballon lors de la montée ( aux alentours de midi ) et nous voyons aussi que, au-delà de 13h20, nos mesures sont devenues incohérentes, empêchant la mesure correcte de l’altitude.

Nous voyons que de 10h40 à 12h45, le ballon monta de 0 à 14 kilomètres, nous donnant un temps de montée de 1h05et une vitesse moyenne de 12,5 km/h :V = d/t : en 1h05, il parcouru 14 kilomètres, donc en 1h il parcourt : (14*1)/(1,12) = 12,5 km/h1,12 correspondant à 1h05 km/h / 3.6 = m/s 12.5 / 3.6 = 3.4 m/s

Descente : en 33 minutes, le ballon descend de 10 km :V=d/t 10 / (33/60) = 19 km/hkm/h / 3.6 = m/s 19 / 3.6 = 5.2 m/s

De 12h45 à 13h20, le ballon descend, mais nous ne pouvons affirmer à quel moment il atterrit, car l’intensité fournie par notre générateur n’était plus suffisante pour notre capteur, car trop consommée par les capteurs de luminosité. Notre capteur nous envoya donc des données erronées. Sommaire

Altitude z du ballon en fonc tion du temps t

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000

z (km)