Activités expérimentales - Le cours de physique

Chapitre Four. Activités expérimentales
le
SPCL - systèmes et procédés
T STL
Régulation fine de la température d'un four électrique (REGULIDE).
On étudie ici une maquette de four électrique permettant la régulation fine de la température. Le système de
chauffage du four est simulé par une ampoule électrique enfermée dans une boite bleue (la RH-BOX). Un
gradateur permet de contrôler la puissance de chauffage de l'ampoule.
I. Réalisation du montage.
1. Sortir tout le matériel de la boite REGULIDE et le disposer comme sur le schéma (sauf les cordons électrique
qui ne seront branchés qu'à partir de la question 2).
Enfoncer la tige métallique de la PT100-BOX (jusqu'au début de la partie noire) dans la RH-BOX (après avoir un
peu dévissé son emplacement) puis visser légèrement son emplacement (sans forcer) pour maintenir cette tige
métallique.
Brancher les appareils et la multiprise sur le secteur (230 V) mais maintenir ces appareils éteints et la multiprise
de la RH-BOX éteinte jusqu'à ce que le professeur ait vérifié le montage complet (à la fin de la question 6).
Alimentation
secteur 230 V
R-BOX
0
1
V+
V‒
+
‒
Demander au professeur
le schéma en couleurs
9
8
RH-BOX
R-BOX
7
A
B’
B
2. Relier la PT100-BOX à la TMPT-BOX (circuit de couleur orangée) avec les cordons électriques très courts (en
respectant bien les couleurs des bornes données sur le schéma).
3. Réaliser la boucle de couleur marron avec des cordons électriques courts (en respectant bien les couleurs des
bornes données sur le schéma).
4. Réaliser la boucle de couleur grise avec des cordons électriques courts (en respectant bien les couleurs des
bornes données sur le schéma).
5. Relier la prise de terre de la multiprise à celle de la RH-BOX avec le cordon électrique de couleur jaune et
verte (la fiche recouverte de bande adhésive étant du côté de la multiprise).
6. Si ce n'est pas déjà fait, enficher l'adaptateur de sécurité gris foncé dans une des prises de la multiprise de la
RH-BOX. Puis réaliser la boucle de couleur violette avec des cordons électriques longs (en respectant bien les
couleurs des bornes données sur le schéma).
Puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
7. Allumer le AD1-24 et la AT403-BOX et attendre que cette dernière soit initialisée.
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ATTENTION : pour le bon fonctionnement du système, en toutes circonstances, la dernière chose à allumer est la
multiprise de la RH-BOX et la première chose à éteindre est cette multiprise (pour le moment, la laisser éteinte).
8. Après avoir bien observé les appareils électriques, indiquer quel est le type de signal :
- pour le signal X de mesure du capteur de température (boucle en marron) ;
- pour le signal Y de commande de l'actionneur (boucle en gris).
9. Le problème des signaux de type intensité (tel que 4-20 mA) est que, pour les mesurer, il faut généralement
ouvrir le circuit électrique pour y insérer un ampèremètre. Il serait plus aisé d'utiliser un voltmètre, qui lui se
branche en dérivation, sans ouvrir le circuit.
De même, pour réaliser l'acquisition de ces signaux, que ce soit en utilisant un oscilloscope à mémoire ou un
module d'acquisition tel que Orphy, on ne peut mesurer que des tensions électriques et pas des intensités.
Quelle astuce, intégrée dans le montage déjà réalisé, permet de pallier à ce problème ?
Rappel :
la caractéristique courant-tension d'une résistance est U
R I (loi d'Ohm).
10. Après l'avoir représenté sur le schéma page 1, brancher un voltmètre aux bornes de la résistance R1 (celle
représentée en haut sur le schéma). Quel signal permet-il d'obtenir ? Si par exemple on obtient U R1 1, 23 V ,
quelle information en déduit-on ?
Après l'avoir représenté sur le schéma page 1, brancher un voltmètre aux bornes de la résistance R2. Quel signal
permet-il d'obtenir ?
Puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
II. Découverte du système.
11. Sur la AT403-BOX, afficher sur la ligne SV la valeur de 25,0°C :
- appui sur ← et le chiffre de droite de la ligne SV clignote car il peut être modifié ;
- appuis sur ▼ ou sur ▲ pour modifier la valeur du chiffre qui clignote ;
- appui sur ← pour passer à un autre chiffre à modifier (etc) ;
- appui sur SET pour valider.
Puis allumer la multiprise de la RH-BOX (l'ampoule doit s'allumer) et observer l'évolution du système pendant
quelques minutes (observer entre autres la RH-BOX et la AT403-BOX).
12. (durée conseillée : 2 min) Observer l'évolution du système lors d'un changement modéré de la valeur
affichée sur la ligne SV de la AT403-BOX (par exemple 35,0°C).
13. (durée conseillée : 2 min) Observer l'évolution du système en présence d'un courant d'air (faire souffler un
ventilateur sur la RH-BOX).
14. En s'aidant de l'introduction et des expériences précédentes : Quelle est la grandeur réglée ? Sur quelle ligne
est affichée la consigne ? Sur quelle ligne est affichée la grandeur réglée ? Quelle est la grandeur réglante ?
Quelle est la grandeur perturbatrice visualisée précédemment ? Donner le nom d'une autre grandeur
perturbatrice.
15. Relier chaque appareil électrique à son code :
sonde de température avec son boitier
convertisseur de température
régulateur
gradateur
boitier de chauffe
alimentation continue 24 V
résistance de 100 Ω
AD1-24
R-BOX
AT403-BOX
GRAD-BOX
RH-BOX
TMPT-BOX
PT100-BOX
16. Après avoir précisé qu'est ce qui sert ici d'actionneur, compléter le schéma fonctionnel de la boucle de
régulation puis APPELER LE PROFESSEUR pour vérification (mais il est possible de continuer en attendant sa
venue).
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…
…
Opérateur
…
…
Régulateur PID
…
…
boitier de
chauffe
…
Capteur
…
…
17. Chercher sur le convertisseur de température TMPT-BOX quelles sont les températures minimale et maximale
mesurables puis effectuer les calculs nécessaires pour compléter le tableau suivant :
valeur de X
valeur de la température
Xmin =
10,0 mA
50,0 °C
Xmax =
signal signalmin
signalmax signalmin
Rappel :
grandeur grandeurmin
grandeurmax grandeurmin
18. Quel est le rôle du convertisseur de température TMPT-BOX ?
III. Réponse à un échelon de commande.
19. Éteindre la multiprise de la RH-BOX.
Calibreur de
boucle 4-20 mA
Alimentation
secteur 230 V
VA100
R-BOX
0
1
V+
V‒
+
‒
Demander au professeur
le schéma en couleurs
9
8
RH-BOX
R-BOX
7
A
B’
B
Démonter les cordons électriques la boucle de couleur grise (ainsi que le voltmètre et le module d'acquisition
Orphy aux bornes de R1) afin de la reconstituer en y intégrant le calibreur de boucle VA100 (en respectant bien
les couleurs des bornes données sur le nouveau schéma). Rebrancher le voltmètre et le module d'acquisition
Orphy aux bornes de R1. Brancher l'alimentation électrique du VA100 et allumer ce dernier à l'aide de la touche
ON/OFF. La consigne n'est alors plus opérante mais on doit choisir la valeur Y du signal de commande en mA.
Laisser un signal de commande de 4 mA (c’est-à-dire 0%).
Puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
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Puis allumer la multiprise de la RH-BOX et observer le comportement du système.
Rappel :
Y Ymin
Ymax Ymin
donc
pourcentage
100
pourcentage
Y
100
Y
donc ici
16
4
20
et
4
4
pourcentage
100
pourcentage
100
Y
4
16
avec Y en mA
20. (durée max = 4 min) Observer brièvement le comportement du système pour différentes valeurs du signal de
commande : saisir, avec le clavier numérique du VA100, la valeur du signal de commande Y désiré (en mA) puis
valider avec la touche ENTER.
À la fin de ces expériences (pour gagner du temps par la suite), imposer un signal de commande de 7,2 mA.
21. On souhaite enregistrer la réponse du système à un échelon de commande de 30% (autour de 35%, pour une
température ambiante d'environ 20°C et en l'absence de vent). Proposer un protocole expérimental permettant
d'obtenir l'enregistrement de cette réponse puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
22. Effectuer l'expérience permettant d'enregistrer la réponse à un échelon de commande de 20% à 50% (pour
une température ambiante d'environ 20°C et en l'absence de vent) :
- allumer le module d’acquisition Orphy GTS puis, sur l’ordinateur, démarrer le logiciel GTS (chemin d’accès en
utilisant le poste de travail : C:\Prog Physique Chimie\Orphy GTS\gts\ ) ;
EA0
EA1
- après avoir représenté ses bornes sur le schéma page 3 (
,
,
et
), brancher le module
d'acquisition Orphy aux bornes de la résistance R1 et aux bornes de la résistance R2 ;
- attendre que le système soit stabilisé (prévoir quelques dizaines de minutes) depuis au moins une minute
avant de réaliser la mesure ;
- prévoir une durée d'acquisition d'environ 30 min ;
- après le début de l'acquisition, ne valider Y = 50% qu'au bout de 1 à 2 min environ ;
- envoyer les résultats vers Regressi et enregistrer une copie sur clé USB.
23. (avant de traiter cette question, pour gagner du temps, traiter la question 24 et démarrer la question 25) À
partir de cet enregistrement (la réponse à un échelon de commande), en utilisant le logiciel Regressi, afficher
l'évolution temporelle de la température puis déterminer (pour une température ambiante d'environ 20°C et en
l'absence de vent) :
- le gain statique autour d'une température du four d'environ 45°C ;
- le temps mort pour un échelon de commande de 30% autour d'une température du four d'environ 45°C ;
- la constante de temps pour un échelon de commande de 30% autour d'une température du four d'environ
45°C.
APPELER LE PROFESSEUR pour lui montrer (mais il est possible de continuer en attendant sa venue).
Rappel :
comme θ
θ
10U R
2
0,16
X
4
(avec X en mA et θ en °C) et R2 = 100 Ω et U R2
0,16
4
R2 X
avec U R 2 en V et θ en °C.
IV. Critères de performance de la régulation PID.
24. On souhaite déterminer les critères de performance du système pour un échelon de consigne de 10,0°C
(autour de 55°C, pour une température ambiante d'environ 20°C et en l'absence de vent). Proposer un protocole
expérimental permettant de déterminer cette caractéristique puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR
pour vérification.
25. Éteindre la multiprise de la RH-BOX.
Débrancher le calibreur de boucle VA100 et, à la place, réaliser la boucle de couleur grise avec des cordons
électriques assez courts (en respectant bien les couleurs des bornes données sur le schéma initial).
Fixer la consigne à 50,0°C.
Puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
Puis allumer la multiprise de la RH-BOX et attendre que le système soit stabilisé depuis au moins une minute.
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Puis, avec Orphy, enregistrer la réponse du système à un échelon de commande de 10,0°C autour de 55°C :
prévoir une durée d'acquisition d'environ 30 min et ne valider la consigne de 60,0°C qu'au bout de 1 à 2 min
environ … puis envoyer les résultats vers Regressi et enregistrer une copie sur clé USB.
26. À partir de cet enregistrement, en utilisant le logiciel Regressi, afficher l'évolution temporelle de la
température puis déterminer (pour un échelon de commande de 10,0°C autour de 55°C, pour une température
ambiante d'environ 20°C et en l'absence de vent) :
- l'écart statique ;
- la valeur du premier dépassement ;
- le temps de réponse à 5%.
Puis APPELER LE PROFESSEUR pour lui montrer.
Rappel :
comme θ
θ
10U R
2
0,16
X
4
(avec X en mA et θ en °C) et R2 = 100 Ω et U R2
0,16
4
R2 X
avec U R 2 en V et θ en °C.
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Régulation fine de la température d'un four électrique.
Liste du matériel.
En 1 seul exemplaire :
en A209, sur la table où se trouve Orphy avec le boitier adaptateur fait maison
□ PT100-BOX (boitier sonde de température) avec sa sonde
□ TMPT-BOX convertiseur de température)
□ AD1-24 (alimentation DC 24 V)
□ AT403-BOX (régulateur PID)
□ GRAD-BOX (gradateur)
□ RH-BOX (boitier de chauffe)
□ CHT-V7 (voyant)
□ 22 cordons de connexion électrique sécurisés
□ 1 cordon de connexion électrique sécurisés femelle (vert et jaune)
□ multiprise avec interrupteur
□ adaptateur secteur (230V)/fiches de connexion sécurisées
□ 2 R-BOX (résistances 100 Ω sécurisées)
□ VA100 calibreur de boucle 4-20 mA avec son alimentation 9V
matériel dans le
carton noté
"REGULIDE"
ème
□2
multiprise
□ petit ventilateur à 2 vitesses (le même que pour les expériences sur l'éolienne)
□ Orphy (avec boitier adaptateur fait maison) + ordinateur
□ 2 voltmètres (sans cordon de connexion électrique)
réglages usine :
P1=12 I1=240
D1=60
réglages auto-tuning vers 40°C :
P1=5,3 I1=223 D1=55
réglages perso :
P1=8 I1=223 D1=55
6

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