Réalisation d’un thermomètre numérique

On souhaite réaliser un afficheur de l’évolution de la température d’un système (physique ou chimique) au cours du temps, afin d’étudier un changement d’état ou l’aspect énergétique d’une transformation chimique.

• Prérequis des élèves : dipôles électriques, loi des mailles, loi d’Ohm. Mesure de résistances. Formation sur le microcontrôleur de type ArduinoTM Uno.
• Durée d’environ 3 à 4 séances de TP de 1h30 pour l’ensemble du projet.
• Intégration de plusieurs parties des nouveaux programmes dans un projet cohérent.
• Travail en binômes ou trinômes : répartition possible des tâches : étalonnage de la thermistance ; Réalisation du circuit électrique ; Programmation ; OU en « doubles-binômes » : (montages physiques et partie informatique) ;
• Matériel et logiciels : thermistance CTN (environ 1,2 kohms à 20°C) ; résistance 220 ohms, plaquette d’essais multitrous ou composants montés sur boitiers ; Logiciel Regressi pour tracer/modéliser la courbe d’étalonnage R(T) ou T(R) ; carte de type ArduinoTM Uno et un IDE Arduino ; IDE Processing pour gérer l ’afficheur (les 2 IDE sont libres et gratuits)
  Bain de glace fondante et eau chaude (60°), bécher de 150 mL thermomètre numérique de référence, pour l’étalonnage du capteur.
• Ce projet ne prévoit pas l’utilisation d’une connexion internet.

 Niveau

• Seconde tronc commun (nouveaux programmes)
• SL

 Objectifs

• Comprendre les étapes d’une chaîne de mesure, du capteur jusqu’à l’interface d’affichage, en passant par le principe de son étalonnage.
• Prise en compte des incertitudes liées au phénomène ou à l’acquisition numérique.

 Compétences du programme

• Loi des mailles ; mesures de tensions ; loi d’Ohm.
• Utiliser un capteur résistif ;
• Réalisation et exploitation d’une courbe d’étalonnage.

 Compétences Numériques

• Algorithmes et codage en sciences physiques ;
• Utiliser un microcontrôleur ;

 Outils ou fonctionnalités utilisées

• Le choix de la thermistance CTN (Rth =1,2kohms à 20°C) montée en diviseur de tension avec une résistance r=220 ohms a donné une bonne dynamique de mesures de tension dans la gamme de température 0°C-60°C), mais des adaptations sont possibles.
• La tension UG d’entrée choisie est la broche de sortie 5.0 V de la carte (supposée assez stable, faible intensité débitée : évite de détériorer la carte)
• La tension aux bornes de la thermistance est mesurée par la broche d’entrée analogique A0.
• On obtient Rth par calcul dans l’IDE Arduino et on l’affiche dans son moniteur série.
• Dans Processing, on lit Rth sur la sortie série pour l’exploiter.

• La température peut être obtenue :
• Par lecture de la courbe d’étalonnage.
• Par calcul (formule fournie) dans Processing, pour affichage de T=f(t)

 Les apports

Pour les élèves :

• Réinvestir les lois sur les circuits dans une application concrète.
• Comprendre les étapes d’une chaîne de mesure.
• Regard critique sur le résultat obtenu.

• notion de codage (analogique-> numérique), de proportionnalité.
• utilisation d’une échelle (si réalisation d’un afficheur graphique)

• introduction à la programmation sur un code assez simple et court (pour la partie IDE arduino)

Pour le professeur :

• progression possible intégrant partie électricité, capteur résistif avec microcontrôleur, chimie.
• Formation à l’utilisation du microcontrôleur Arduino pour l’acquisition de données analogiques et à son langage de programmation.
• Formation à l’IDE Processing (Java ou Python) relativement simple et permettant d’étendre les capacités graphiques et de communication en général.

 Les freins

• Les élèves doivent travailler en groupes de 16 élèves compte tenu de l’aspect expérimental.
• La relation résistance-température de la CTN comportant une exponentielle (ou un logarithme pour la réciproque) étant hors d’accès pour le niveau seconde, il est nécessaire de leur fournir le modèle si on souhaite qu’ils obtiennent la température par calcul via Rth :
  Le choix est de fournir la fonction déjà codée, mais paramétrable (voir « pistes » plus loin)
• La longueur du projet
• Le code de l’affichage graphique sous Processing, complexe pour le niveau des élèves : choix est fait de mettre plusieurs parties de code dans des sous-programmes, de façon à ne présenter que l’essentiel.

• Réflexion des élèves sur les relations à utiliser pour obtenir la valeur de Rth à partir de mesures de tensions.
• On peut se passer de la partie graphique utilisant Processing, mais au prix d’une perte d’intérêt de la démarche visant à une exploitation temporelle.
• Les expressions utiles sont adaptées pour des températures en degrés Celcius, pour éviter la notion de température absolue (Kelvin dans le modèle théorique de la thermistance).
• Création d’une fonction « modele(R,A,B) » qui retourne T(R) , où A et B sont les constantes obtenues par modélisation dans Regressi. On donne l’expression du modèle (exponentiel pour R(T)) aux élèves. Une amélioration serait de faire modéliser T(R) de façon à manipuler la seule expression qui permettra le calcul de T dans les IDE.
• Il serait intéressant de comparer les résultats avec ceux d’un thermomètre de référence. (On retrouve des résultats très proches)

 Documents complets

Activité élève

format Word - 1.2 Mio

Crédits : jferry

TP élève

format Word - 13.5 kio

Crédits : jferry

 Auteur

Jocelyn Ferry