Expériences
Nous avons placé plusieurs capteurs dans la nacelle afin de mesurer différentes grandeurs physiques lors de son ascension dans la stratosphère.
Les grandeurs physiques mesurées sont les suivantes :
Température - Pression - Lumière
Pendant la phase d’ascension de la nacelle, le résultat de ces mesures sera communiqué au sol grâce à l'émetteur VHF ( KIWI ) placé dans la nacelle.
Nous avons également placé un appareil photo numérique d'une résolution de 3 MégaPixels avec carte mémoire de 256 Mo. Une carte électronique de commande nous a permis de déclencher les prises de vues toutes les 30 secondes.
L'accès aux photographies prises par l'appareil photo numérique embarqué n'a été possible qu'à partir du moment où la nacelle a été récupérée. En effet, il n'y a pas de transmission en temps réel des photographies de la nacelle vers le sol.
B - Source d'énergie - Test des piles
Pour fonctionner, les expériences ont besoin d’une source d' énergie. Cette dernière sera produite à l'aide de 2 piles de 4,5V montées en série. La tension de 9V ainsi obtenue permettra d'alimenter l'émetteur VHF fourni par le CNES. Ce dernier intègre un régulateur 5V , il sera alors possible d'utiliser cette tension pour alimenter le capteur de température et le capteur de pression sous cette tension de 5V.
Une pile de bonne qualité doit avoir une résistance interne faible, présenter à ses bornes une tension constante au cours de son utilisation et surtout délivrer une quantité d'électricité importante ( capacité ) . Cette capacité , exprimée en mA.h , est indiquée pour les accumulateurs ( Ni-Cd ou Ni-MH ) mais n'est jamais indiquée pour les piles . C'est pourtant une donnée précieuse.
Il faut savoir que les piles, alcaline ou saline, ont une réserve d'énergie épuisables et non renouvelable. Donc, au cours de son utilisation, la tension délivrée va décroître jusqu'à atteindre un seuil limite où la tension disponible ne sera plus compatible avec nos expériences.
Nous avons donc testé 7 piles de technologies ( saline, alcaline ) et marques différentes ( Carrefour, Energizer, Cegasa, Duracell ).
Chaque pile débitait sur une résistance de 5 ohms. Une carte d'acquisition et un logiciel spécialisé ( Synchronie ) ont permis de relever en temps réel l'évolution, en fonction du temps, de la tension aux bornes de chaque pile.
Nous remarquons que la tension aux bornes des piles salines s'effondre rapidement, la chute de tension des piles alcalines est nettement moins importante . La palme revenant à la pile alcaline de marque DURACELL ( caractéristique jaune ) .
C'est donc des piles 4,5V de cette marque qui seront utilisées pour fournir la source d'énergie de nos expériences.
L’émetteur VHF fourni par le CNES porte le nom particulier de "KIWI" ( David Geoffroy se fera un plaisir de vous expliquer pourquoi ).
Il permet de transmettre simultanément 8 voies analogiques comprises entre 0 et 5V avec une mesure possible toutes les 2 secondes pour chaque voie .
Ces signaux sont ensuite multiplexés, numérisés et transmis sur la bande aviation VHF 137,950 MHz avec une puissance de 300 mW.
Certes, cette puissance peut paraître faible au regard de la distance de transmission maximale de 30 km mais n'oublions pas qu'il n'existe aucun obstacle entre l'émetteur et le récepteur. De plus, l'antenne de réception présente un gain assez important ( antenne Yagi 3 paraître ).
Caractéristiques du capteur
Nous avons utilisé une sonde platine PT 1000 comme capteur de température. Cette sonde a la particularité intéressante de présenter à ses bornes une résistance R qui évolue proportionnellement avec la température.
Le capteur a été plongé dans un bain-marie afin d'étudier son comportement lors de l'évolution de la température. Un thermomètre étalon nous permet de connaître précisément la température de l'eau dans laquelle est plongé le capteur. Nous mesurons alors avec un Ohmmètre la résistance R de la sonde en fonction de l'évolution de la température.
Nous avons effectivement relevé que la résistance évoluait linéairement en fonction de la température, notre gamme de mesure étant de +20°C à +80°C .
Notre caractéristique étant linéaire, cette dernière peut se traduire sous la forme d'une fonction affine. L'équation de la caractéristique R = f (°C) est alors la suivante R = 3,802*t + 1000 avec R en ohms et t en °C
Le coefficient directeur ( pente ) de la caractéristique linéaire ( droite ) est égal à 3,802 : la résistance de la sonde augmente donc de 3,8 ohms par °C.
L'ordonnée à l'origine est égale à 1000 : la sonde présente donc une résistance de 1000 ohms à 0°C ( d'où la dénomination PT 1000 ) .
Les mesures n'étant pas possibles pour des températures négatives, nous avons simulé le comportement de la sonde platine pour ce domaine de température à l'aide de l'équation de la droite trouvée lors de nos dernières mesures, à savoir : R = 3,802*t + 1000.
Quelques points peuvent être retrouvés expérimentalement à l'aide d'un aérosol GIVRANT permettant d'abaisser localement la température jusqu'à -65° ( attention aux doigts !! ).
Traitement et mise en forme du signal
Nous connaissons maintenant parfaitement le comportement de la sonde de température pour le domaine de température auquel va être soumis notre nacelle.
Nous pouvons alors simuler la sonde PT1000 à l'aide d'une simple boîte à décades de résistances. Ainsi, à une température de -40°C correspond une résistance R = 850,78 ohms. Plus besoin de plonger notre sonde dans le bain marie ou de givrer celle-ci avec notre aérosol.
A partir de ces simulations et de nos expérimentations, nous avons réalisé une carte électronique permettant de convertir la résistance de la sonde en une tension évoluant entre 0 et 5V pour la gamme de température -50°C à 30°C ( la température avoisinant les -40°C dans la stratosphère ).
Le schéma électrique de notre carte est donné ci-dessous :
La carte électronique ( dans la nacelle ) sur laquelle est connectée le capteur de température ( cordon jaune ).
La tension de sortie de la carte sera donc appliquée sur une entrée analogique de l'émetteur KIWI. Elle traduira parfaitement l'évolution de la température à l'extérieur de notre nacelle.
Le capteur de pression utilisé est un capteur Motorola MPX5100. Ce capteur est très facile à mettre en oeuvre : il suffit simplement de l'alimenter sous une tension de 5V pour qu'il fournisse en sortie une tension proportionnelle à la pression atmosphérique. Nous avons mesuré les caractéristiques de ce capteur à l'aide de la manipulation suivante :
Le capteur est relié, par l'intermédiaire d'un tube en silicone, à une seringue dont le rôle est de créer une dépression ( vide d'air ). Cette seringue est également reliée à un capteur de pression étalon ( JEULIN ). Le capteur Motorola est alimenté sous une tension de 5V , nous relevons alors l'évolution de la tension de sortie du capteur en fonction de la pression .
L'évolution de la tension ( Volts ) en fonction de la pression ( hPa ) est la suivante :
La caractéristique obtenue nous permettra de connaître précisément la valeur de la pression atmosphérique où évolue notre nacelle.
Nous avons embarqué dans la nacelle un appareil photo numérique KODAK d'une résolution de 3 MégaPixels ( taille moyenne d'une photo = 400 ko ) . L'appareil stocke les photos sur une carte mémoire SD de 256 Mo, ce qui nous laisse a peu près une capacité de 360 photos .
L'intervalle entre chaque photo est de 30 secondes soit 2 photos par minute donc une durée de prise de vue de 180 minutes ( 3 heures ). Sachant que la durée estimée de l'ascension est de 1h30 à 2h , nous avons une marge importante nous permettant même d'obtenir des photos lors de la redescente. L'appareil trouve facilement sa place au fond de la nacelle afin d'obtenir des vues plongeantes .
Cependant, nous avions 2 problèmes majeurs à résoudre :
L'autonomie : L'appareil s'alimente à l'aide de 2 piles 1,5V LR6 ( AA ) dont l'autonomie reste relativement limitée. Il faut savoir que l'appareil consomme en moyenne un courant de 300 mA sous une tension de 3V ( ce qui représente une puissance d'environ 1W ). Ainsi, l'autonomie des 2 piles LR6 se logeant dans la trappe de l'appareil se limite à 100 photos maximum environ. Nous ne gagnerons guère plus avec l'utilisation d'accumulateurs. Nous avons donc décidé d'alimenter l'appareil par une source extérieure ( piles 1,5V mais de capacité largement plus importante : format LR20 ) en se reprenant sur les bornes d'alimentation de l'appareil.
La temporisation : Cet appareil numérique ne possède pas d'automatisation des prises de vues. Il est donc impossible de déclencher automatiquement l'appareil toutes les 30 secondes. Nous avons donc fabriqué une carte électronique dont le but est de fermer fugitivement et périodiquement un relais. Les contacts de ce relais sont reliés aux 2 contacts de l'interrupteur de déclenchement de l'appareil KODAK.
Notre appareil a bien supporté les "légères" interventions que nous lui avons fait subir, les soudures ayant été effectuées méticuleusement.
Nous pouvons voir, sur la photo, l'appareil avec sa carte électronique "maison" de déclenchement. La pile 4,5V n'alimente pas l'appareil mais l'émetteur VHF KIWI.
