P PIONEER Cri Alexa Co istiana BAPTISTA andre JOUSSELIN orentin LEBLOND Aurélia PILLON
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
PIONEER
PIONEER
Cristiana BAPTISTA
Alexandre JOUSSELIN
Corentin LEBLOND
Cristiana BAPTISTA
Alexandre JOUSSELIN
Corentin LEBLOND
Aurélia PILLON
PIONEER
I. Introduction ................................
II. Les différents capteurs de température utilisables dans un robot
1) Le thermocouple ................................
2) Les thermistances ................................
3) Les sondes de platine ................................
4) Le thermomètre à infrarouge
5) Le choix du capteur à embarquer
III. Le thermomètre infrarouge
1) Les différents modes de transferts d’énergie
2) Le rayonnement du corps noir
3) Cas d’un corps non idéal................................
4) Mise en évidence expérimentale
IV. Thermomètre infrarouge : mesures d’émissivités
1) Pourquoi a-t-on une erreur de mesure
2) Le thermomètre infrarouge permet
V. Les problèmes liés à notre choix technique pour la mesure de la température.
1) Le problème lié à la rencontre de matériau de faible émissivité
2) Qu’en est-il des roches que notre robot pourrait rencontrer
3) Des pistes envisagées ? ................................
VI. Conclusion ................................
VII. Remerciements ................................
VIII. Bibliographie ................................
SOMMAIRE
................................................................................................................................
Les différents capteurs de température utilisables dans un robot ................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
Le thermomètre à infrarouge ................................................................................................
Le choix du capteur à embarquer................................................................................................
Le thermomètre infrarouge : un peu de théorie ................................................................
Les différents modes de transferts d’énergie ................................................................
Le rayonnement du corps noir ................................................................................................
................................................................................................
Mise en évidence expérimentale ................................................................................................
: mesures d’émissivités ................................................................
on une erreur de mesure ? ................................................................
Le thermomètre infrarouge permet-il de mesurer des émissivités ? ................................
Les problèmes liés à notre choix technique pour la mesure de la température.
Le problème lié à la rencontre de matériau de faible émissivité ................................
il des roches que notre robot pourrait rencontrer ? ................................
................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................................................
2017
1
.................................... 2
............................................... 2
......................................................... 2
........................................................ 2
.................................................. 3
...................................... 3
................................ 3
........................................... 4
............................................. 4
.................................... 4
.............................................. 5
................................ 5
........................................ 6
.................................................... 6
......................................... 7
Les problèmes liés à notre choix technique pour la mesure de la température. ......................... 9
................................................ 9
................................................ 10
............................................. 11
..................................... 12
............................................................. 12
................................. 12
PIONEER
I. Introduction
Lycéens au lycée la Martinière Monplaisir, Cristiana, Aurélia, Corentin et Alexandre , nous
sommes associés pour travailler autour d'un projet dans le cadre des Sciences de l’ingénieur et
répondant à nos intérêts communs. Ce dernier, all
chimie, consiste à concevoir un robot capable de se déplacer sur des planètes hostiles situées dans le
système solaire, de manière autonome. En effet, sur ces planètes, de nombreux obstacles se
présentent tels que le relief, les cavités et les zones chaudes. C'est pourquoi notre robot sera muni
de différents capteurs afin de détecter et éviter ces obstacles, et également équipé d'un système de
motorisation adapté au terrain. Grâce à cela, il lui sera permis de
distance, et ainsi de ne pas endommager ses composants. Ces contraintes convergent vers un un
besoin fondamental : la mesure de la température.
C’est donc cette partie du projet que nous vous proposerons dans ce dossier.
Dans un premier temps, nous étudierons les différents choix de capteurs qui s’offraient à nous
pour répondre aux attentes de notre projet, nous poursuivrons ensuite par une courte explication du
fonctionnement et du principe du thermomètre infrarouge, pour fi
inconvénients et les obstacles rencontrés le long de notre parcours ainsi que les solutions apportées
pour les résoudre.
II. Les différents capteurs de température
1) Le thermocouple
Un thermocouple est un cap
température. Celui-ci est constitué de deux fils métalliques différents, soudés à l'une de leurs
extrémités. Cette jonction porte le nom usuel de «
ou sur le corps dont la température est à mesurer. Les deux autres extrémités sont reliés aux bornes
d'un voltmètre et se nomment «
Leurs principaux avantages sont qu’ils sont bon marché et permettent de
mesurer une grande gamme de températures.
Cependant, leur limite principale réside dans la précision obtenue.
Il est en effet relativement difficile d'obtenir des mesures avec une incertitude inférieure à
2) Les thermistances
Le principe des thermistan
de la température. Les qualités principales de ces capteurs sont
de réponse, sa sensibilité à la variation de la résistance en fonction de la température, sa durée de
vie, et enfin son faible coût.
la Martinière Monplaisir, Cristiana, Aurélia, Corentin et Alexandre , nous
sommes associés pour travailler autour d'un projet dans le cadre des Sciences de l’ingénieur et
répondant à nos intérêts communs. Ce dernier, alliant les Sciences de l'ingénieur et la Physique
chimie, consiste à concevoir un robot capable de se déplacer sur des planètes hostiles situées dans le
système solaire, de manière autonome. En effet, sur ces planètes, de nombreux obstacles se
s que le relief, les cavités et les zones chaudes. C'est pourquoi notre robot sera muni
de différents capteurs afin de détecter et éviter ces obstacles, et également équipé d'un système de
motorisation adapté au terrain. Grâce à cela, il lui sera permis de détecter des zones chaudes à
distance, et ainsi de ne pas endommager ses composants. Ces contraintes convergent vers un un
besoin fondamental : la mesure de la température.
C’est donc cette partie du projet que nous vous proposerons dans ce dossier.
un premier temps, nous étudierons les différents choix de capteurs qui s’offraient à nous
pour répondre aux attentes de notre projet, nous poursuivrons ensuite par une courte explication du
fonctionnement et du principe du thermomètre infrarouge, pour finalement terminer sur les
inconvénients et les obstacles rencontrés le long de notre parcours ainsi que les solutions apportées
Les différents capteurs de température utilisables dans un robot
Le thermocouple
Un thermocouple est un capteur exploitant l'effet Seebeck afin de déterminer une
ci est constitué de deux fils métalliques différents, soudés à l'une de leurs
extrémités. Cette jonction porte le nom usuel de « soudure chaude », et sera installé dans le milieu
sur le corps dont la température est à mesurer. Les deux autres extrémités sont reliés aux bornes
d'un voltmètre et se nomment « soudures de référence » ou « soudures froides ».
Leurs principaux avantages sont qu’ils sont bon marché et permettent de
rer une grande gamme de températures.
Cependant, leur limite principale réside dans la précision obtenue.
Il est en effet relativement difficile d'obtenir des mesures avec une incertitude inférieure à
es thermistances
Le principe des thermistances est basé sur la variation de la résistance électrique
de la température. Les qualités principales de ces capteurs sont la précision, la rapidité de son temps
, sa sensibilité à la variation de la résistance en fonction de la température, sa durée de
2017
2
la Martinière Monplaisir, Cristiana, Aurélia, Corentin et Alexandre , nous
sommes associés pour travailler autour d'un projet dans le cadre des Sciences de l’ingénieur et
iant les Sciences de l'ingénieur et la Physique-
chimie, consiste à concevoir un robot capable de se déplacer sur des planètes hostiles situées dans le
système solaire, de manière autonome. En effet, sur ces planètes, de nombreux obstacles se
s que le relief, les cavités et les zones chaudes. C'est pourquoi notre robot sera muni
de différents capteurs afin de détecter et éviter ces obstacles, et également équipé d'un système de
détecter des zones chaudes à
distance, et ainsi de ne pas endommager ses composants. Ces contraintes convergent vers un un
un premier temps, nous étudierons les différents choix de capteurs qui s’offraient à nous
pour répondre aux attentes de notre projet, nous poursuivrons ensuite par une courte explication du
nalement terminer sur les
inconvénients et les obstacles rencontrés le long de notre parcours ainsi que les solutions apportées
dans un robot
teur exploitant l'effet Seebeck afin de déterminer une
ci est constitué de deux fils métalliques différents, soudés à l'une de leurs
», et sera installé dans le milieu
sur le corps dont la température est à mesurer. Les deux autres extrémités sont reliés aux bornes
».
Il est en effet relativement difficile d'obtenir des mesures avec une incertitude inférieure à 0,1 °C.
résistance électrique en fonction
la rapidité de son temps
, sa sensibilité à la variation de la résistance en fonction de la température, sa durée de
PIONEER
3) Les sondes de platine
Le principe des sondes de platine est basé sur la vari
électrique du platine selon la température, en analog
de platine est constituée d'un filament de
dont la faculté est de changer de
température, sa résistance augmentant en même temps que
la température. Ses principaux avantages résident dans sa
sensibilité, le fait qu’elles soient interchangeables et particulièrement
fiables.
4) Le thermomètre à infrarouge
Les thermomètres infrarouge déterminent, à partir du rayonnement
infrarouge émis par l’objet à mesurer, la température de ce dernier sans
nécessiter de contact direct. L’élément détecteur transforme le rayonnement
capté en un signal électrique proportionnel au rayonnement. La conversion
du signal en une grandeur de sortie propo
l’objet est réalisée par amplification et traitement numérique du signal. La
valeur mesurée peut être indiquée sur un afficheur ou sortie sous forme de
signal.
5) Le choix du capteur à embarquer
Le choix s'est porté naturelleme
mesurer la température des corps à une certaine distance. Le thermomètre infrarouge est le seul
capteur à posséder cette caractéristique, ce qui le met au premier rang des options que nous
possédons pour capter la température. En effet, cette capacité est fondamentale dans notre projet
car le robot doit être capable de détecter les potentielles zones chaudes à distance avant de se
retrouver suffisamment proches pour endommager son système.
es sondes de platine
Le principe des sondes de platine est basé sur la variation de la résistance
selon la température, en analogie avec les thermistances. La
est constituée d'un filament de platine, entourant une tige de verre ou non,
dont la faculté est de changer de résistance en fonction de la
température, sa résistance augmentant en même temps que
Ses principaux avantages résident dans sa
sensibilité, le fait qu’elles soient interchangeables et particulièrement
Le thermomètre à infrarouge
Les thermomètres infrarouge déterminent, à partir du rayonnement
ge émis par l’objet à mesurer, la température de ce dernier sans
nécessiter de contact direct. L’élément détecteur transforme le rayonnement
capté en un signal électrique proportionnel au rayonnement. La conversion
du signal en une grandeur de sortie proportionnelle à la température de
l’objet est réalisée par amplification et traitement numérique du signal. La
valeur mesurée peut être indiquée sur un afficheur ou sortie sous forme de
Le choix du capteur à embarquer
naturellement sur le dernier capteur en raison de sa faculté à pouvoir
mesurer la température des corps à une certaine distance. Le thermomètre infrarouge est le seul
capteur à posséder cette caractéristique, ce qui le met au premier rang des options que nous
ns pour capter la température. En effet, cette capacité est fondamentale dans notre projet
car le robot doit être capable de détecter les potentielles zones chaudes à distance avant de se
retrouver suffisamment proches pour endommager son système.
2017
3
résistance
La sonde à résistance
, entourant une tige de verre ou non,
en fonction de la
sensibilité, le fait qu’elles soient interchangeables et particulièrement
sur le dernier capteur en raison de sa faculté à pouvoir
mesurer la température des corps à une certaine distance. Le thermomètre infrarouge est le seul
capteur à posséder cette caractéristique, ce qui le met au premier rang des options que nous
ns pour capter la température. En effet, cette capacité est fondamentale dans notre projet
car le robot doit être capable de détecter les potentielles zones chaudes à distance avant de se
PIONEER
III. Le thermomètre infrarouge
1) Les différents modes de transferts d’énergie
Il existe 3 modes de transmissions
• La conduction :
Il s'agit du transfert de la chaleur d'un endroit à l'autre d'un milieu, sous l'influence d'un gradient
de température, sans mouvements macroscopiques. La conduction est d'autant plus facilement
observable que les mouvements macroscopiques sont inhibés. On l'observe donc principalement
dans les solides.
• La convection :
La convection implique le transport de la
une autre partie. La convection concerne exclusivement les fluides (gaz ou liquides) puisqu'elle prend
sa source dans un transport macroscopique de matière.
• Le rayonnement thermique
Un corps chauffé émet de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Une des
particularités de ce rayonnement dit "thermique" est qu'i
microscopique, ce phénomène ne peut s'expliquer en physique classique. Cependant, on
comme image que plus la température du corps est élevée, plus l'agitation thermique responsable de
l'émission est élevée. Comme tout rayonnement électromagnétique, le rayonnement dit thermique
est caractérisé par une densité d'énergie et un spec
d'onde). Le rayonnement thermique se déplace vers les courtes longueurs d'ondes quand la
température du corps augmente.
Revenons à notre problème. Nous savons que seul le rayonnement se transmet dans le vide
Ainsi il serait d’autant plus judicieux d’utiliser ce capteur de température (le thermomètre
infrarouge) qui est capable de mesurer une température sans prendre en compte la nature de
l’atmosphère de la planète visitée (ou même l’absence d’atmosphère). E
capteurs vus dans le II. (qui utilisent les autres modes de transferts de l’énergie) l’absence
d’atmosphère pourrait être un véritable problème de fonctionnement, car il faudrait s’assurer que le
contact physique entre le capteu
2) Le rayonnement du corps noir
Un corps noir est un corps qui absorbe, sans la réfléchir ni la diffuser, toute l'énergie
électromagnétique qu'il reçoit. Un corps noir réémet donc l'énergie qu'il a absorbée sous forme de
rayonnements électromagnétiques. La quantité d'énergie réémise dépend de sa température. Ainsi,
on a une "loi de rayonnement du corps noir" qui donne la valeur de l'énergie émise
température du corps noir, la loi de Stefan Boltzmann
La puissance surfacique émise par un corps noir, à la température T et pour toutes les
longueurs d’onde, est :
σ : constante de Stefan = 5,6703 10
omètre infrarouge : un peu de théorie
Les différents modes de transferts d’énergie
3 modes de transmissions de la chaleur :
Il s'agit du transfert de la chaleur d'un endroit à l'autre d'un milieu, sous l'influence d'un gradient
température, sans mouvements macroscopiques. La conduction est d'autant plus facilement
observable que les mouvements macroscopiques sont inhibés. On l'observe donc principalement
La convection implique le transport de la chaleur par une partie d'un fluide qui se mélange avec
une autre partie. La convection concerne exclusivement les fluides (gaz ou liquides) puisqu'elle prend
sa source dans un transport macroscopique de matière.
Le rayonnement thermique :
émet de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Une des
particularités de ce rayonnement dit "thermique" est qu'il peut se propager dans le vide
microscopique, ce phénomène ne peut s'expliquer en physique classique. Cependant, on
comme image que plus la température du corps est élevée, plus l'agitation thermique responsable de
l'émission est élevée. Comme tout rayonnement électromagnétique, le rayonnement dit thermique
est caractérisé par une densité d'énergie et un spectre (répartition de l'énergie suivant la longueur
Le rayonnement thermique se déplace vers les courtes longueurs d'ondes quand la
température du corps augmente.
Revenons à notre problème. Nous savons que seul le rayonnement se transmet dans le vide
Ainsi il serait d’autant plus judicieux d’utiliser ce capteur de température (le thermomètre
infrarouge) qui est capable de mesurer une température sans prendre en compte la nature de
l’atmosphère de la planète visitée (ou même l’absence d’atmosphère). En revanche, avec les autres
vus dans le II. (qui utilisent les autres modes de transferts de l’énergie) l’absence
d’atmosphère pourrait être un véritable problème de fonctionnement, car il faudrait s’assurer que le
contact physique entre le capteur et le matériau analysé.
Le rayonnement du corps noir
Un corps noir est un corps qui absorbe, sans la réfléchir ni la diffuser, toute l'énergie
Un corps noir réémet donc l'énergie qu'il a absorbée sous forme de
rayonnements électromagnétiques. La quantité d'énergie réémise dépend de sa température. Ainsi,
on a une "loi de rayonnement du corps noir" qui donne la valeur de l'énergie émise
oi de Stefan Boltzmann.
émise par un corps noir, à la température T et pour toutes les
�������é� � . �
03 10-8
W.m-2
.K-4
2017
4
Il s'agit du transfert de la chaleur d'un endroit à l'autre d'un milieu, sous l'influence d'un gradient
température, sans mouvements macroscopiques. La conduction est d'autant plus facilement
observable que les mouvements macroscopiques sont inhibés. On l'observe donc principalement
chaleur par une partie d'un fluide qui se mélange avec
une autre partie. La convection concerne exclusivement les fluides (gaz ou liquides) puisqu'elle prend
émet de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Une des
l peut se propager dans le vide. Au niveau
microscopique, ce phénomène ne peut s'expliquer en physique classique. Cependant, on retiendra
comme image que plus la température du corps est élevée, plus l'agitation thermique responsable de
l'émission est élevée. Comme tout rayonnement électromagnétique, le rayonnement dit thermique
tre (répartition de l'énergie suivant la longueur
Le rayonnement thermique se déplace vers les courtes longueurs d'ondes quand la
Revenons à notre problème. Nous savons que seul le rayonnement se transmet dans le vide.
Ainsi il serait d’autant plus judicieux d’utiliser ce capteur de température (le thermomètre
infrarouge) qui est capable de mesurer une température sans prendre en compte la nature de
n revanche, avec les autres
vus dans le II. (qui utilisent les autres modes de transferts de l’énergie) l’absence
d’atmosphère pourrait être un véritable problème de fonctionnement, car il faudrait s’assurer que le
Un corps noir est un corps qui absorbe, sans la réfléchir ni la diffuser, toute l'énergie
Un corps noir réémet donc l'énergie qu'il a absorbée sous forme de
rayonnements électromagnétiques. La quantité d'énergie réémise dépend de sa température. Ainsi,
on a une "loi de rayonnement du corps noir" qui donne la valeur de l'énergie émise en fonction de la
émise par un corps noir, à la température T et pour toutes les
PIONEER
3) Cas d’un corps non idéal
L’émission de rayonnement thermique d’une surface solide ou liquide dépend de la
température, de la longueur d’onde, mais aussi d’un facteur compris entre 0 et 1 appelé
émissivité. Par définition, on appelle émis
corps idéal, appelé corps noir, porté à la même température
La loi de Stefan Boltzmann peut être
σ : constante de Stefan = 5,6703 10
α : l’émissivité toujours inférieure à 1
4) Mise en évidence expérimentale
Afin de mettre en lumière ce problème, nous avons placé deux plaques en métal, l’une d’entre elles
recouverte de peinture noire, sur une plaque
leurs températures à l’aide du thermocouple
liquide) et du thermomètre infrar
Voici les résultats obtenus :
Cas d’un corps non idéal
L’émission de rayonnement thermique d’une surface solide ou liquide dépend de la
température, de la longueur d’onde, mais aussi d’un facteur compris entre 0 et 1 appelé
Par définition, on appelle émissivité le rapport entre l’émission du corps réel et celle du
corps idéal, appelé corps noir, porté à la même température T.
La loi de Stefan Boltzmann peut être réécrite en tenant compte cette fois de l’émissivité
�������é� � . � .α
nstante de Stefan = 5,6703 10-8
W.m-2
.K-4
l’émissivité toujours inférieure à 1
Mise en évidence expérimentale
Afin de mettre en lumière ce problème, nous avons placé deux plaques en métal, l’une d’entre elles
recouverte de peinture noire, sur une plaque chauffante montée à 200°C. Puis nous avons mesuré
leurs températures à l’aide du thermocouple (précédemment étalonné à l'aide d'un thermomètre à
et du thermomètre infrarouge.
2017
5
L’émission de rayonnement thermique d’une surface solide ou liquide dépend de la
température, de la longueur d’onde, mais aussi d’un facteur compris entre 0 et 1 appelé
sivité le rapport entre l’émission du corps réel et celle du
en tenant compte cette fois de l’émissivité :
Afin de mettre en lumière ce problème, nous avons placé deux plaques en métal, l’une d’entre elles
chauffante montée à 200°C. Puis nous avons mesuré
l'aide d'un thermomètre à
PIONEER
On constate que la valeur mesurée
thermomètre infrarouge diffère
amplement dans le problème par la suite.
IV. Thermomètre infrarouge
1) Pourquoi a-t-on une erreur de mesure
Pour mieux comprendre que la m
corps de faible émissivité peut conduire à une mesure erronée, nous avons travaillé sur un exemple
précis.
Appelons Tmesurée la température mesurée par le thermomètre infrarouge et T la mesure
surface du corps.
La puissance surfacique rayonnée par un corps est :
Avec α l’émissivité du matériau rencontré.
Le thermomètre infrarouge récupère une partie de cette énergie surfacique, en considérant que le
corps a une émissivité (moyenne dans les matériaux utilisés dans la construction d
αcapteur = 0,95.
Le thermomètre infrarouge en déduit alors une température mesurée, en considérant que cette
puissance surfacique rayonnée est
On peut alors écrire :
On constate que la valeur mesurée, sur la plaque de métal non recouverte de peinture noire,
thermomètre infrarouge diffère de la valeur mesurée au thermocouple. Nous allons rentrer plus
amplement dans le problème par la suite.
Thermomètre infrarouge : mesures d’émissivités
on une erreur de mesure ?
Pour mieux comprendre que la mesure de température à l’aide d’un thermomètre infrarouge d’un
corps de faible émissivité peut conduire à une mesure erronée, nous avons travaillé sur un exemple
la température mesurée par le thermomètre infrarouge et T la mesure
La puissance surfacique rayonnée par un corps est :
�������é� � . � . �
émissivité du matériau rencontré.
Le thermomètre infrarouge récupère une partie de cette énergie surfacique, en considérant que le
corps a une émissivité (moyenne dans les matériaux utilisés dans la construction d
Le thermomètre infrarouge en déduit alors une température mesurée, en considérant que cette
puissance surfacique rayonnée est
�������é� � . ������é� . ��������
������é� � � �������é�. ���������
2017
6
sur la plaque de métal non recouverte de peinture noire, avec le
Nous allons rentrer plus
esure de température à l’aide d’un thermomètre infrarouge d’un
corps de faible émissivité peut conduire à une mesure erronée, nous avons travaillé sur un exemple
la température mesurée par le thermomètre infrarouge et T la mesure réelle de la
Le thermomètre infrarouge récupère une partie de cette énergie surfacique, en considérant que le
corps a une émissivité (moyenne dans les matériaux utilisés dans la construction des bâtiments)
Le thermomètre infrarouge en déduit alors une température mesurée, en considérant que cette
PIONEER
On peut réaliser une application numérique dans le cas de l’aluminium.
Si on prend une plaque d’aluminium, d’émissivité
°C = 503 K
On calcule la puissance surfacique rayonnée
�������é� � La température mesurée par le thermomètre sera alors
������é� �Soit
Nous avons réalisé la manipulation pour vérifier notre calcul.
Nous avons mesuré, avec le thermomètre infrarouge une température
proche de la valeur attendue, calculée
On comprend mieux pourquoi le thermomètre mesure des températures fausse dans le cas de c
ayant des émissivités faibles.
2) Le thermomètre infrarouge permet
Au regard des premières mesures réalisées, nous nous sommes demandés, si en définitive, notre
thermomètre infrarouge ne pouvait
En effet, si on reprend le principe du point précédent (1)
Toujours en partant des mêmes formules, on peut calculer, en connaissant la température de surface
réelle du corps (T) ainsi que la température mesurée par le thermomètre infrarouge (T
l’émissivité du corps.
En effet, la puissance surfacique rayonnée par un corps d’émissivité
Le thermomètre infrarouge récupère une partie de cette énergie surfacique, en considérant que le
corps a une émissivité (moyenne dans les matériaux utilisés dans la construction des bâtiments)
αcapteur = 0,95.
Le thermomètre infrarouge en déduit une température mesurée, en considérant que cette puissance
surfacique rayonnée est :
On peut réaliser une application numérique dans le cas de l’aluminium.
Si on prend une plaque d’aluminium, d’émissivité α = 0,20 (valeur trouvée) à la température T =
acique rayonnée :
. � . � � 5,67.10�� � 503 � 0,20 � 726W/mLa température mesurée par le thermomètre sera alors :
� � �������é�. ��������� � � 7265,67.10�� � 0,95� � 341'
������é� � 67,9°(
Nous avons réalisé la manipulation pour vérifier notre calcul.
Nous avons mesuré, avec le thermomètre infrarouge une température de 73°C. C
proche de la valeur attendue, calculée précédemment.
pourquoi le thermomètre mesure des températures fausse dans le cas de c
Le thermomètre infrarouge permet-il de mesurer des émissivités
Au regard des premières mesures réalisées, nous nous sommes demandés, si en définitive, notre
ne pouvait-il pas nous servir à mesurer des émissivités ?
t, si on reprend le principe du point précédent (1) Pourquoi a-t-on une erreur de mesure
Toujours en partant des mêmes formules, on peut calculer, en connaissant la température de surface
réelle du corps (T) ainsi que la température mesurée par le thermomètre infrarouge (T
la puissance surfacique rayonnée par un corps d’émissivité α est :
�������é� � . � . �
Le thermomètre infrarouge récupère une partie de cette énergie surfacique, en considérant que le
é (moyenne dans les matériaux utilisés dans la construction des bâtiments)
Le thermomètre infrarouge en déduit une température mesurée, en considérant que cette puissance
�������é� � . ������é� . ��������
2017
7
à la température T = 230
m)
Cette valeur est donc
pourquoi le thermomètre mesure des températures fausse dans le cas de corps
il de mesurer des émissivités ?
Au regard des premières mesures réalisées, nous nous sommes demandés, si en définitive, notre
?
on une erreur de mesure ?) :
Toujours en partant des mêmes formules, on peut calculer, en connaissant la température de surface
réelle du corps (T) ainsi que la température mesurée par le thermomètre infrarouge (Tmesurée),
Le thermomètre infrarouge récupère une partie de cette énergie surfacique, en considérant que le
é (moyenne dans les matériaux utilisés dans la construction des bâtiments)
Le thermomètre infrarouge en déduit une température mesurée, en considérant que cette puissance
PIONEER
Comme ces deux puissances rayonnées sont les mêmes, nous en déduisons que
�������On peut donc en déduire l’émissivité du corps en calculant
En simplifiant les
Soit
Nous avons alors réalisé les manipulations suivantes
A l’aide d’une plaque chauffante, nous avons chauffé différents échantillons de cuivre, fer,
aluminium et zinc. La température de la plaque avoisinait les 230°C. Grâce au thermocouple, nous
avons mesuré la température réelle de la surface puis pour comparer nous avons m
dernière avec le thermomètre infrarouge.
Mesure de la température avec le thermocouple
Suite à cette expérience, nous avons répertorié ces températures dans un tableau et avons calculé
les émissivités correspondant aux différents matériaux.
Type de
matériaux
Température de
la source (°C)
aluminium 230
cuivre 230
fer 204
zinc 230
Comme ces deux puissances rayonnées sont les mêmes, nous en déduisons que :
������é� � . � . � � . ������é� . ��������
On peut donc en déduire l’émissivité du corps en calculant :
� � . ������é� . ��������. �
� � ������é� . ���������
� � ��������. *������� +
Nous avons alors réalisé les manipulations suivantes :
plaque chauffante, nous avons chauffé différents échantillons de cuivre, fer,
aluminium et zinc. La température de la plaque avoisinait les 230°C. Grâce au thermocouple, nous
avons mesuré la température réelle de la surface puis pour comparer nous avons m
dernière avec le thermomètre infrarouge.
Mesure de la température avec le thermocouple
Suite à cette expérience, nous avons répertorié ces températures dans un tableau et avons calculé
les émissivités correspondant aux différents matériaux.
Température de
la source (en K)
Température
mesurée (°C)
Température
mesurée (K)
503,15 73 346,15
503,15 60 333,15
477,15 101 374,15
503,15 83 356,15
2017
8
:
plaque chauffante, nous avons chauffé différents échantillons de cuivre, fer,
aluminium et zinc. La température de la plaque avoisinait les 230°C. Grâce au thermocouple, nous
avons mesuré la température réelle de la surface puis pour comparer nous avons mesuré cette
Suite à cette expérience, nous avons répertorié ces températures dans un tableau et avons calculé
Température
Emissivité
calculée
Emissivité
donnée
0,21 0,2 – 0,55
0,18 -
0,36 0,14 - 0,38
0,24 0,1
PIONEER
Nous constatons que les émissivités que nous avons calculées sont très proches de celles données
mise à part pour le cuivre dont nous n’avons pas su choisir le type de surface d
comparaison.
V. Les problèmes liés à notre choix technique pour la mesure de la
température.
1) Le problème lié à la rencontre de matériau de faible émissivité
Montrons, à présent, que la faiblesse de l’émissivité d’un corps peut nous amene
température suffisamment erronée pour mettre en péril notre robot.
Encore une fois nous traiterons cette partie en traitant un exemple précis.
Imaginons donc que l’on mesure, avec un thermomètre infrarouge, la température d’une surface
constituée de zinc (dont l’émissivité est
La puissance surfacique rayonnée sera alors
Comme cette puissance est en fait ra
Et que ces deux puissances rayonnées sont les mêmes, nous en déduisons que
�������Ainsi
Soit en simplifiant par
� �D’où
Soit enfin :
L’application numérique correspondant à l’exemple envisagé
Nous constatons que les émissivités que nous avons calculées sont très proches de celles données
mise à part pour le cuivre dont nous n’avons pas su choisir le type de surface d
Les problèmes liés à notre choix technique pour la mesure de la
Le problème lié à la rencontre de matériau de faible émissivité
Montrons, à présent, que la faiblesse de l’émissivité d’un corps peut nous amene
température suffisamment erronée pour mettre en péril notre robot.
iterons cette partie en traitant un exemple précis.
que l’on mesure, avec un thermomètre infrarouge, la température d’une surface
(dont l’émissivité est � � 0,10) ������é� � 90°(
������é� � 363'
La puissance surfacique rayonnée sera alors :
�������é� � . ������é� . ��������
Comme cette puissance est en fait rayonnée par la surface d’émissivité � :
�������é� � . � . �
ces deux puissances rayonnées sont les mêmes, nous en déduisons que :
������é� � . � . � � . ������é� . ��������
� �. ������é� . ��������. �
�������é� . ��������� � ������é� . ���������
� � ,������é� . ����������
� � ������é� . ,����������
L’application numérique correspondant à l’exemple envisagé :
2017
9
Nous constatons que les émissivités que nous avons calculées sont très proches de celles données,
mise à part pour le cuivre dont nous n’avons pas su choisir le type de surface de référence pour la
Les problèmes liés à notre choix technique pour la mesure de la
Montrons, à présent, que la faiblesse de l’émissivité d’un corps peut nous amener à une mesure de
que l’on mesure, avec un thermomètre infrarouge, la température d’une surface
PIONEER
Soit
On voit que dans cet exemple « extrême
l’erreur de mesure pourrait être totalement dommageable pour notre
2) Qu’en est-il des roches que notre robot pourrait rencontrer
Pour répondre à cette question, nous avons empru
Sciences de la Vie et de la Terre de notre lycée pour mesurer leurs émissivités.
Nous avons placé différents type
mesuré leurs températures de surface à l’aide du thermomètre infrarouge et avons, comme pour
l’expérience précédente, calculé leurs émissivités respectives
Type de
roche
Température de
l'étuve (°C)
Bauxite 81
Calcaire
oolitique
81
Granite 81
Gabbro 81
Péridotite 81
Basalte 81
� � 363 � �0,950,1� � 638'
� � 638'
� � 364°(
extrême » (dans le choix du matériau et donc de son émissivité),
rreur de mesure pourrait être totalement dommageable pour notre robot.
es que notre robot pourrait rencontrer ?
ette question, nous avons emprunté des échantillons de roche au laboratoire des
a Terre de notre lycée pour mesurer leurs émissivités.
Nous avons placé différents types de roches dans une étuve à 81°C environ. Par la suite, nous avons
mesuré leurs températures de surface à l’aide du thermomètre infrarouge et avons, comme pour
ence précédente, calculé leurs émissivités respectives :
Température de
l'étuve (en K)
Température
mesurée (°C)
Température
mesurée (K)
354,15 83,4 356,55
354,15 82 355,15
354,15 81,6 354,75
354,15 81,4 354,55
354,15 83 356,15
354,15 84 357,15
2017
10
» (dans le choix du matériau et donc de son émissivité),
nté des échantillons de roche au laboratoire des
de roches dans une étuve à 81°C environ. Par la suite, nous avons
mesuré leurs températures de surface à l’aide du thermomètre infrarouge et avons, comme pour
Température
mesurée (K)
Emissivité
calculée
356,55 0,98
355,15 0,96
354,75 0,96
354,55 0,95
356,15 0,97
357,15 0,98
PIONEER
Nous avons aussi recherché, sur internet
le sol Martien :
Matériaux sur Mars Formule chimique
Oxyde de silicium
Oxyde de fer
Oxyde d'aluminium
Oxyde de magnésium
Les émissivités obtenues ou données dans nos recherches montrent que même si le problème ne
semblerait pas aussi « extrême » que celui traité dans le 1), il n’en demeure pas moins que le capteur
de température pourrait donner des valeurs erronées.
De plus il nous semble que rien ne garantit que les roches rencontrées sur une planète visitée soit
celle que l’on peut tester sur Terre.
Le problème ne nous semble donc pas anecdotique.
3) Des pistes envisagées ?
Les corps étudiés dans ce dossier et ayant des faibles émissivités
Or les métaux ont la propriété de réfléchir les ondes électromagnétiques.
Notre professeur a donc suggéré
non les ondes électromagnétiques.
Pour essayer de mettre en œuvre cette réflexion, nous avons essayé de faire réfléchir une onde
électromagnétique sur une surface métallique.
Ne disposant que d’émetteur et récepteur d’ondes centimétriques et n’ayant aucun moyen de
mesure quantitative directe, nous avons pu aller plus loin pour le moment.
Cette réflexion reste cependant une piste de travail que nous comptons approfondir.
La deuxième piste provient de nos recherches sur le sujet.
Mars, Curiosity. Ce dernier doit également détecter les zones chaudes afin de pouvoir les é
pas être détruit. Nous savons qu’il est muni d’un laser qui détecte et analyse à distance le type de
roche rencontré. Si notre robot était pourvu de ce même
saurait à l’avance la nature de l’obstacle à franchir ains
cette information au robot qui corrigerait l’information donnée par le thermomètre infrarouge.
Nous ne savons pas réellement comment ce laser fonctionne mais allons par la suite faire des
recherches sur le sujet.
sur internet, des valeurs d’émissivité que nous pourrions rencontrer
Formule chimique Part du sol martien (%) Emissivité trouvée
SiO2 44
Fe2O3 17 0,5
Al2O3 7 0,2
MgO 6 0,2
és obtenues ou données dans nos recherches montrent que même si le problème ne
» que celui traité dans le 1), il n’en demeure pas moins que le capteur
de température pourrait donner des valeurs erronées.
e que rien ne garantit que les roches rencontrées sur une planète visitée soit
sur Terre.
Le problème ne nous semble donc pas anecdotique.
Les corps étudiés dans ce dossier et ayant des faibles émissivités sont principalement des métaux.
Or les métaux ont la propriété de réfléchir les ondes électromagnétiques.
otre professeur a donc suggéré de trouver un moyen de tester si la surface mesurée
non les ondes électromagnétiques.
Pour essayer de mettre en œuvre cette réflexion, nous avons essayé de faire réfléchir une onde
électromagnétique sur une surface métallique.
Ne disposant que d’émetteur et récepteur d’ondes centimétriques et n’ayant aucun moyen de
cte, nous avons pu aller plus loin pour le moment.
Cette réflexion reste cependant une piste de travail que nous comptons approfondir.
La deuxième piste provient de nos recherches sur le sujet. La NASA a, en effet, envoyé un robot sur
Mars, Curiosity. Ce dernier doit également détecter les zones chaudes afin de pouvoir les é
pas être détruit. Nous savons qu’il est muni d’un laser qui détecte et analyse à distance le type de
Si notre robot était pourvu de ce même instrument d'analyse, on suppose qu’ainsi il
saurait à l’avance la nature de l’obstacle à franchir ainsi que son émissivité et pourrait transmettre
cette information au robot qui corrigerait l’information donnée par le thermomètre infrarouge.
Nous ne savons pas réellement comment ce laser fonctionne mais allons par la suite faire des
2017
11
us pourrions rencontrer sur
Emissivité trouvée
-
0,5 – 0,9
0,2 - 0,55
0,2 – 0,5
és obtenues ou données dans nos recherches montrent que même si le problème ne
» que celui traité dans le 1), il n’en demeure pas moins que le capteur
e que rien ne garantit que les roches rencontrées sur une planète visitée soit
sont principalement des métaux.
mesurée réfléchissait ou
Pour essayer de mettre en œuvre cette réflexion, nous avons essayé de faire réfléchir une onde
Ne disposant que d’émetteur et récepteur d’ondes centimétriques et n’ayant aucun moyen de
Cette réflexion reste cependant une piste de travail que nous comptons approfondir.
envoyé un robot sur
Mars, Curiosity. Ce dernier doit également détecter les zones chaudes afin de pouvoir les éviter et ne
pas être détruit. Nous savons qu’il est muni d’un laser qui détecte et analyse à distance le type de
, on suppose qu’ainsi il
i que son émissivité et pourrait transmettre
cette information au robot qui corrigerait l’information donnée par le thermomètre infrarouge.
Nous ne savons pas réellement comment ce laser fonctionne mais allons par la suite faire des
PIONEER
VI. Conclusion
En conclusion, pour le besoin essentiel du robot qui, nous le rappelons est d’anticiper les
obstacles hostiles sur son chemin qui résident essentiellement dans les zones chaudes, ils nous
incombent de munir son système d’un thermomètre infr
une distance suffisante dans le but de préserver ses composants.
Le problème majeur auquel nous avons été confronté fut de résoudre la problématique causée
par l’émissivité des corps gris, et essentiellement celui
pallier en insérant un programme au robot dont la fonction est d’identifier au préalable la nature du
corps, connaître son émissivité, et ainsi compléter les données acquises pour permettre au capteur
d’obtenir la température réelle du corps mesuré.
VII. Remerciements
Avant de commencer nous tenions à vous dire que c’était pour nous un honneur sincère et que
nous portions un immense intérêt à notre présence dans ces
bien évidemment, jamais survenue sans le précieux concours de nos professeurs sans lesquels rien
de tout cela n’aurait été permis. Ce projet nous intéresse vraiment car il lie différentes disciplines et
nous apporte des connaissances auxquelles nous n'aurions pas pu accéd
On manie différentes notions de physique toutes aussi intéressantes les unes que les autres et en
approfondissant certaines. C'est un atout pour nous car pour la poursuite de nos études nous serons
peut-être amenés à les réutiliser, à les étudier or nous les maîtriserons déjà ce qui nous permettra de
comprendre les choses plus vite et de ne pas rester dans le flou du fait des expériences que nous
avons mené et qui sont liées à cela. Les voyages sur d'autres planètes, savoir
des découvertes qui pourraient révolutionner le monde, changer notre vision est fascinant et grâce à
ce projet nous allons savoir comment cela est possible, comment un robot peut aller dans l'espace et
s'adapter à des environnements
plus, les professeurs qui nous encadrent sont vraiment motivés par ce projet, nous soutiennent et
nous apportent toute l'aide nécessaire pour mener à bien celui
VIII. Bibliographie
http://gte.univ-littoral.fr/workspaces/documents
rayonnement/downloadFile/file/ray
https://fr.wikipedia.org/wiki/Thermocouple
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/bilan
http://www.sodielec-berger.fr/files/39/emissivite
En conclusion, pour le besoin essentiel du robot qui, nous le rappelons est d’anticiper les
obstacles hostiles sur son chemin qui résident essentiellement dans les zones chaudes, ils nous
incombent de munir son système d’un thermomètre infrarouge capable de détecter ces obstacles à
une distance suffisante dans le but de préserver ses composants.
Le problème majeur auquel nous avons été confronté fut de résoudre la problématique causée
par l’émissivité des corps gris, et essentiellement celui des métaux qui est faible. Nous avons pu y
pallier en insérant un programme au robot dont la fonction est d’identifier au préalable la nature du
corps, connaître son émissivité, et ainsi compléter les données acquises pour permettre au capteur
a température réelle du corps mesuré.
Avant de commencer nous tenions à vous dire que c’était pour nous un honneur sincère et que
nous portions un immense intérêt à notre présence dans ces Olympiades, présence qui ne serait,
jamais survenue sans le précieux concours de nos professeurs sans lesquels rien
de tout cela n’aurait été permis. Ce projet nous intéresse vraiment car il lie différentes disciplines et
nous apporte des connaissances auxquelles nous n'aurions pas pu accéder si nous ne l'avions pas fait.
On manie différentes notions de physique toutes aussi intéressantes les unes que les autres et en
approfondissant certaines. C'est un atout pour nous car pour la poursuite de nos études nous serons
utiliser, à les étudier or nous les maîtriserons déjà ce qui nous permettra de
comprendre les choses plus vite et de ne pas rester dans le flou du fait des expériences que nous
avons mené et qui sont liées à cela. Les voyages sur d'autres planètes, savoir que nous pouvons faire
des découvertes qui pourraient révolutionner le monde, changer notre vision est fascinant et grâce à
ce projet nous allons savoir comment cela est possible, comment un robot peut aller dans l'espace et
s'adapter à des environnements qui nous sont inconnus et complètement différents du nôtre. De
plus, les professeurs qui nous encadrent sont vraiment motivés par ce projet, nous soutiennent et
nous apportent toute l'aide nécessaire pour mener à bien celui-ci.
littoral.fr/workspaces/documents-m-perrot/cours-
rayonnement/downloadFile/file/ray-IUT-poly.pdf?nocache=1275385568.86
https://fr.wikipedia.org/wiki/Thermocouple
lyon.fr/article/bilan-radiatif-terre1.xml
berger.fr/files/39/emissivite-materiaux.pdf
2017
12
En conclusion, pour le besoin essentiel du robot qui, nous le rappelons est d’anticiper les
obstacles hostiles sur son chemin qui résident essentiellement dans les zones chaudes, ils nous
arouge capable de détecter ces obstacles à
Le problème majeur auquel nous avons été confronté fut de résoudre la problématique causée
des métaux qui est faible. Nous avons pu y
pallier en insérant un programme au robot dont la fonction est d’identifier au préalable la nature du
corps, connaître son émissivité, et ainsi compléter les données acquises pour permettre au capteur
Avant de commencer nous tenions à vous dire que c’était pour nous un honneur sincère et que
lympiades, présence qui ne serait,
jamais survenue sans le précieux concours de nos professeurs sans lesquels rien
de tout cela n’aurait été permis. Ce projet nous intéresse vraiment car il lie différentes disciplines et
er si nous ne l'avions pas fait.
On manie différentes notions de physique toutes aussi intéressantes les unes que les autres et en
approfondissant certaines. C'est un atout pour nous car pour la poursuite de nos études nous serons
utiliser, à les étudier or nous les maîtriserons déjà ce qui nous permettra de
comprendre les choses plus vite et de ne pas rester dans le flou du fait des expériences que nous
que nous pouvons faire
des découvertes qui pourraient révolutionner le monde, changer notre vision est fascinant et grâce à
ce projet nous allons savoir comment cela est possible, comment un robot peut aller dans l'espace et
qui nous sont inconnus et complètement différents du nôtre. De
plus, les professeurs qui nous encadrent sont vraiment motivés par ce projet, nous soutiennent et
75385568.86
Related Documents
