Ballon stratosphèrique 2010
La Pression
Introduction : Avant de pouvoir envoyer un capteur de pression dans les airs avec notre ballon sonde, il nous faut d’abord déterminer ce qu’est précisément la pression. Et puis, pourquoi embarquer un capteur de pression ?
Qu’est-ce que la pression atmosphérique ?
Dans un cas général, la pression est la manifestation d’une force sur une surface avec laquelle elle est en contact. La pression atmosphérique, elle, correspond au poids exercé par une colonne d'air sur une surface donnée. Elle se mesure en hectopascal (hPa) sachant que 1hPa = 100Pa (100 Pascal).
Pourquoi embarquer un capteur de pression ?
On sait que la pression atmosphérique diminue lorsque l’altitude augmente, donc en embarquant un capteur de pression dans la nacelle de notre ballon sonde il nous sera possible de déterminer à quelle altitude se situe notre ballon.
Choix du capteur :
Nous avions d'abord pensé embarquer deux capteurs différents à bord de la nacelle du ballon sonde : un d’origine industrielle (MPX5100) et l’autre de notre propre fabrication, à l’aide d’une seringue et d’un potentiomètre linéaire.
Les problèmes que nous avons rencontrés pour les deux capteurs sont liés aux températures trop basses à haute altitude.
Pour le capteur utilisant une seringue :
Le capteur serait composé d’une seringue et d’un potentiomètre linéaire. De l’air est emprisonné dans la seringue ; lorsque le ballon prend de l’altitude, la pression diminue ce qui fait augmenter le volume de l’air emprisonné dans la seringue. Le piston de la seringue recule et déplace le curseur du potentiomètre linéaire, qui à son tour fait varier la tension aux bornes du potentiomètre, ce qui nous permet alors de déterminer l’altitude à laquelle se trouve le ballon.
Pour le capteur MPX5100 :
Le constructeur indique une marge d’erreur de 2,5 % entre 0 et 85 °C, ainsi qu’une marge beaucoup plus importante entre 0 et -40 °C. En dessous de -40°C, le constructeur ne répond plus des données que nous renvoie le capteur. Nous avons donc demandé une solution à ce problème sur le forum de planète sciences :
« Bonjour à tous,
Dans le cadre du projet "un ballon pour l'école", nous allons envoyer un ballon sonde pour effectuer diverses mesures. Notre groupe est chargé de mesurer la pression pour déduire l'altitude du ballon. Pour cela nous disposons d'un capteur MPX5100 SERIES, cependant en dessous de -40°C le constructeur ne garantit rien. Nous cherchons un capteur plus précis. Est-ce que vous avez une solution ? Peut-être un capteur déjà envoyé et qui pourrait être réutilisé par exemple.
Merci d'avance. »
Un internaute nous a répondu :
« A ma connaissance, il est très bien celui là. S'il est un peu frileux, placez le proche des piles, elles chauffent un peu en fonctionnant. »
Mais l'idée du capteur avec la seringue est finalement abandonnée car le volume de l’air emprisonné dans la seringue ne varie pas seulement à cause de la pression, mais aussi avec la température. En effet, le volume de l’air (qui est un gaz) diminue lorsque la température diminue, ce qui fausserait totalement nos mesures, car la température à de hautes altitudes peut descendre environ à -56°C.
Nous ne travaillerons désormais plus qu’avec le capteur MPX5100, même si nous devrons nous attendre à des imprécisions liées à de très basses températures comme l’a indiqué le constructeur. La tension aux bornes du capteur correspond à une certaine pression, et cette pression à une altitude. Il nous faut donc déterminer le lien qui relie la tension aux bornes du capteur, la pression et l’altitude.
Nous avons trouvé une formule mathématique reliant une tension et une pression :
Nous avons commencé par prendre des mesures avec notre capteur qui donne une tension et un pressiomètre qui affiche directement la pression sous une cloche à vide :
Et nous en avons déduit une fonction :
Pression = 226.4*tension+93.14
Nous avons trouvé une fonction reliant une altitude et une pression :
Palti = Psol (288-0.0065alti / 288)5.255
Psol = Pression prise au sol environ 1012 hPa et Palti = Pression à une certaine altitude
Cependant cette fonction étant pour le moins compliquée, nous en avons trouvé deux plus simples avec l’aide de Microsoft Office Excel 2003 et après plusieurs modélisations avec le logiciel Latis-Pro.
Entre 0km et 15km d’altitude :
Alti = 44307,7*(1-(Psol/Palti) 0,1914)
Entre 15km et au-delà, on utilise une fonction logarithme népérien (Ln) :
Alti = -7.2987Ln(Palti) + 48.5
Notre travail consiste à établir un procédé qui permettrait de prendre des photos à intervalles de temps réguliers.
I/ Le relais
Nous avons réussi à trouver une solution à l’aide d’un boîtier programmable (Picaxe) par un logiciel qui permettrait de contrôler un relais. Le contact électrique déclencherait une prise automatique de photos, à condition de faire des soudures au niveau de l’interrupteur de l’appareil
II/ Le boîtier Picaxe
Voici le programme que l’on introduirait dans le boîtier qui permettrait de commander le relais.
L’avantage est que l’on peut modifier l’intervalle entre les photos et leur nombre.
III/ Le moteur
Nous nous sommes rendu compte que cette solution était assez compliqué et nécessitait de démonter l’appareil photo ainsi nous avons opté pour une autre solution identique de la première au niveau de la programmation du relais mais ici le relais aurait une autre fonction : il serait relié à un moteur qui permettrait de faire pression sur le bouton de l’appareil photo pour déclencher la prise de photos.
Le problème désormais serait de définir la pression exercée par le moteur sur le bouton pour ne pas détériorer l’appareil.
IV/ Le servomoteur
Finalement nous avons opté pour une solution qui remplace le moteur par un servo (de modelisme) qui aurait lui aussi une action mécanique sur le bouton poussoir, voici le programme :
Capteur de température
Le jeudi 4/03/10 : début des travaux !
Le ballon sonde va à une altitude d’environ 40 Km ce qui correspond à la stratosphère. La température minimale est d’environ -60°C.
Pour cela il faut des capteurs adaptés.
Nous avons déjà testé une thermistance qui peut aller jusqu’à -60°C.
Pour son bon fonctionnement, il faut la relier à une résistance R2 et nous trouvons la tension aux bornes de la thermistance à partir de la formule du pont diviseur de tension :
U1 = (R1 x E) / (R1 + R2).
Nous devons trouver la courbe la plus linéaire possible de la tension U1 en fonction de la température, en testant avec plusieurs valeurs de R2.
Pour trouver la résistance R1 en fonction de la température nous avons utilisé un thermomètre, un voltmètre, une thermistance, un mini congélateur à effet Peltier alimenté par un génerateur et refroidi par de l'eau et des glaçons, et de l’éthanol qui, contrairement à l'eau, ne gèle pas à 0°C :
Voici le tableau de valeurs et le graphe de la résistance R1 (en kOhm) en fonction de la température T (°C)
On peut calculer la tension U (en V) en choisissant R2 = 45 kOhm : La colonne U est calculée en prenant comme paramètre R2 qui peut être modifié
On a donc trouvé la fonction d’étalonnage du montage avec la thermistance dans le pont diviseur de tension :
T= -18.983.U + 54.181
Pour la température intérieure, nous avons le choix entre le capteur TMP 36 ou LM335 :
Le capteur TMP 36 peut résister à des températures allant de -40°C à 150°C tandis que le capteur LM 335 résiste de -40°C à 100°C. Pour cette expérience on utilisera le TMP 36 car l’autre a un branchement plus compliqué.
Le jeudi 11/03/10 : test avec des températures plus basses
Grâce à une bombe de froid, nous avons obtenu d'autres valeurs de la résistance de la thermistance pour des températures encore plus basses qu'avec le congélateur à effet Peltier.
Par contre la courbe obtenue n'est plus trop une droite !...
Le jeudi 25/03/10 : visite du technicien conseil de Planète Science
Nous avons vérifié si le capteur de température TMP36 fonctionnait bien. Nous l’avons alimenté en 5 V et avons mesuré la tension délivrée avec un voltmètre : les valeurs sont en accord avec la courbe obtenue sur Internet (data sheet).
Mais la différence de tension entre 25°C et -50°C est trop petite et il n'y aura donc pas beaucoup de précision. Nous n’allons donc pas l’utiliser.
Le jeudi 01/04/10 : enfin la bonne fonction et on soude !
Dans le montage pont diviseur de la thermistance avec la résistance R2 nous avons changé de valeur de R2 pour avoir une courbe plus droite.
Nous avons choisi une nouvelle résistance de 100 KOhm ; la température moyenne que nous allons obtenir est -10°C (à laquelle correspond d’une résistance d’environ 100KOhm).
La fonction d’étalonnage finale est donc :
T= -19,426.U + 39,522
On a ensuite soudé la thermistance avec une résistance de 100 kOhm et des fils pour tester.
Le projet L.A.H.O se finalise par l’envoi d’un ballon sonde, avec sa nacelle (contenant les différents capteurs) dans la haute atmosphère.
Un ballon sonde est un aérostat (soit un appareil qui se maintient dans l’atmosphère grâce à un gaz plus léger que l’air : l’hélium) que l’on utilise dans les domaines de la météorologie et de l’astronautique. Il s’agit d’un ballon libre non habité, utilisé pour faire des mesures locales dans l’atmosphère grâce à un certain nombre d’instruments. Son principal intérêt est de pouvoir atteindre des altitudes de 35km ou plus, difficiles à obtenir avec des moyens plus conventionnels tels que les avions, et à un coup beaucoup moindre que celui d’une fusée sonde ou d’un satellite.
1/ Présentation du ballon
Ce ballon sonde sera composé de :
- une enveloppe : c’est un ballon de faible épaisseur, très léger, qui peut emporter en moyenne des charges de 2kg. Son diamètre grossit en montant en haute altitude puis éclate.
- un parachute : il s’ouvre dès que le ballon éclate, pour limiter sa vitesse de chute.
- un réflecteur radar : il permet aux avions et autres engins volants de détecter le ballon.
- une nacelle : elle contient le matériel scientifique et un système radioélectrique qui transmettent les résultats vers le sol. La nacelle contient un capteur de pression, un capteur de température, ainsi qu’un appareil photo.
2/Grandeurs physiques mesurables
On appelle « grandeur physique » toute propriété de la nature qui peut être quantifiée par la mesure ou le calcul, et dont les différentes valeurs possibles s’expriment à l’aide d’un nombre généralement accompagné d’une unité de mesure.
Dans notre cas, nous mesurerons la pression, ainsi que la température.
3/ Physique du vol
Le ballon effectue un vol en cloche. Plusieurs facteurs naturels peuvent le faire dévier de sa trajectoire comme le vent, de plus, le frottement d’air peut ralentir sa vitesse.
Le ballon étant gonflé avec de l’hélium, et celui-ci étant un gaz plus léger que l’air, le ballon va occuper la place du même volume d’air. Donc selon le principe de la poussée d’Archimède, il s’exerce une force dirigée vers le haut, et égale au poids du volume d’air occupé. C’est la poussée d’Archimède qui est responsable de l’ascension du ballon.
Voici les images du vendredi 28 mai 1010
Ainsi que les courbes obtenues
{morfeo 4}
On constate que le ballon est monté à une vitesse constante de 3,8 m/s avec des légères variations à cause d'ascendances.
Comme prévu, le capteur de pression n'a pas été suffisamment sensible pour des altitudes supérieures à 16 km.
La descente a été plus rapide que la montée... On peut estimer qu'il est monté jusqu'à 35 km environ.
T1 est la température sur une des faces de la nacelle (très influencée par l'éclairement direct du soleil aux hautes altitudes)
T2 est la température dans la nacelle (inertie thermique à cause de la bonne isolation)
T3 est la température de l'air (capteur dans un pot de yaourt vide 50 cm derrière la nacelle).
On remarque très nettement la baisse de température lorsque le ballon a explosé et que la nacelle a chuté ... Elle était alors au delà de la tropopause, dans la stratosphère, là où se fabrique la couche d'ozone ...
