I. Mise en service et observations

Vous disposez d'une photo de la cafetière didactisée avec les différents éléments qui la composent

I. Introduction

Dans ce TP, nous allons essentiellement travailler sur la chaîne d'information dont la structure a été abordée lors du TP 2.1

Sur le schéma de la carte électronique:

- Identifier  les différents blocs de la chaîne d'information.

- Construire le schéma bloc de la chaîne d'information.

II. Etude du capteur de température et mise en oeuvre

II. 1 Etude du capteur

Après avoir identifier le capteur de température de la cafetière, faites quelques recherches rapides sur internet afin de déterminer:

- Différente classification des thermistances

- Ses symboles

- Sa loi de variation

- Ses différentes caractéristiques (sensibilité, plage de température)

- Autres types de capteurs de température

II. 2 Mise en situation

a.Etude de la thermistance

A partir du document technique sur la thermistance B57500 :doc technique CTN

- Donner la valeur de la résistance de cette thermistance à + 25°C.

- Donner l’indice de sensibilité thermique B

- Compléter le tableur Excel \"CTN à Compléter \" à la feuille 1

- Relever la caractéristique R_Thermistance= f(température) (se lit R_thermistance en fonction de la température)

- Est ce que l'on obtient bien une variation  comme définie en II.1?

- Cette thermistance est elle linéaire dans toute la gamme de température ?

b. Analyse du schéma

La cafetière fonctionne pour des température de 20°C (température ambiante) à 90°C (température max); nous allons étudier l'évolution de la résistance de la thermistance seulement dans cette plage de température.

Sur le schéma électronique donné précédemment, la thermistance est en série avec une résistance de 6.6 KΩ et fournit une tension V_Thermistance en fonction de la variation de la résistance de la thermistance donc de la température. Ce montage est appelé un pont diviseur et est très souvent utilisé

On obtient la valeur de la tension par la relation suivante:

Sachant que R₇= 6.6KΩet que V_alimentation= 12 V

-  Calculer V_20°Cet V_90°C.

-  A partir du tableur Excel feuille 2:

- comparer vos valeurs à celles obtenues dans le tableau.

- relever  la caractéristique  V_Thermistance = f (température ), de 0°C à + 90°C (Faire un copier-coller de votre courbe).

-  Conclure sur la nature de la courbe. A quelle gamme de température peut on considérer la courbe « linéaire » (droite affine) ? (tracer une courbe de tendance)

c. Linéarisation de la courbe

En mettant une résistance en parallèle sur la CTN (prendre une résistance de valeur égale à R_CTN à 20°C), la courbe devient plus « linéaire » (droite affine) sur une plus grande gamme de température. La relation vue précédemment va changer car on a maintenant R_Thermistance en parallèle avec une résistance que l'on prendra à 12KΩ

- A partir du tableur Excel feuille 3, relever la nouvelle caractéristique  la courbe V_Thermistance= f (température ), de 0°C à + 90°C (Faire un copier-coller de votre courbe) avec une résistance de 12KΩ en parallèle avec la CTN.

- A quelle gamme de température peut on considérer la courbe « linéaire » (droite affine) ? (tracer une courbe de tendance)

- Déterminer  V_Thermistance graphiquement pour une température de 85°C (température où l'on doit couper l'alimentation  du corps de chauffe)

III. Mise en forme d'un signal de commande pour la chaîne de puissance

Nous verrons dans le TP de la modulation que la chaîne d'information envoie un ordre de commande au pré-actionneur de la chaîne de puissance sous une forme suivant la technologie employée en préactionneur. Dans la partie précédente, nous savons que l'on souhaite alimenter le corps de chauffe jusqu'à ce qui atteigne 85°C; Vous avez déterminé la tension  V_Thermistance  à 85°C .

III. 1 Analyse du schéma de la thermistance sous PROTEUS

a. Présentation du logiciel

Proteus est une suite logicielle de CAO électronique éditée par la société Labcenter Electronics. ISIS est la composante de Proteus qui permet la création de schémas et la simulation électrique. La grande force de ISIS est de pouvoir simuler le comportement d'un microcontrôleur (PIC, Atmel, 8051, ARM, HC11...) et de son interaction avec les composants qui l'entourent. 

b. Construction du montage sous protéus

- Ouvrir le logiciel Protéus et créer un nouveau projet

- Appuyer sur le P (bleu) à gauche de l'écran. Une bibliothèque s'ouvre et permet de choisir les composants;on prendra:

- 2 résistances en 0.6W: 12K, 6K8 

- 1 CTN (noté NTC) de I0K

- Placer les composants sur la partie centrale et construisez le schéma

- Alimenter le schéma par un générateur DC en 12V (voir photo)
- Mettre la masse
- Mettre un Voltmètre pour VThermistance
On obtient le montage suivant

- Double cliquer sur la CTN et régler la valeur de R à celle trouvée pour 85°C (cf tableur Excel \"CTN à Compléter\" à la feuille 1)

- Lancer la simulation en appuyant sur le triangle en bas à gauche et relever la valeur V_Thermistance (à comparée à celle trouvée en II.2.c)

III. 2 Réalisation d'un ordre de commande pour la chaîne de puissance

L'objectif n'est pas d'étudier un montage électronique mais seulement d'interpréter des mesures afin de comprendre le signal obtenu pour commander un élément de la chaîne de puissance

a. Réalisation du schéma d'ensemble

Réaliser le schéma complet de la chaîne d'information après avoir sélectionner dans la librairie les composants suivants

Composants		schéma complet

b. Analyse du montage

Vous compléterez le tableau Excel à partir de vos essais : Tableau à compléter

- Lancez la simulation

- Régler le potentiomètre à 100% et relever les différentes tension 1 à 4; définir la position du contact du relais RL1

- Régler le potentiomètre à 0% et relever les différentes tension 1 à 4; définir la position du contact du relais RL1

- A quelle valeur de \"Tension 2\" a t-on un basculement de notre montage? est ce que cela correspond à ce que l'on veut c'est à dire couper l'alimentation du corps de chauffe à 85°C

c. Conclusion

- Compléter les blocs de la chaîne d'information à partir du schéma en rappelant la fonction de chacun

- Quelle la nature du signal \"Ordre de commande\"? 

I. Introduction

Dans ce TP, nous allons revenir sur la fonction MODULER et ses différentes caractéristiques; elle est assurée par le Pré Actionneur se trouvant en amont de l'actionneur dans la chaîne de puissance. 

Le modulateur d'énergie est le lien entre la source d'énergie et l'actionneur électrique, c'est à dire entre la fonction ALIMENTER et CONVERTIR de la chaîne d'énergie d'un système.

Nous verrons également son importance et son lien avec la chaîne d'information.

II. Lecture de schéma électronique

Vous disposez des schémas électronique de la cafetière ERM ainsi qu' une photo de la carte

En reprenant votre TP2.1  \"Chaine de puissance et d'information\" :

- Identifiez le bloc Actinneur et Préactionneur  de la chaîne de puissance du corps de chauffe et de la pompe

- Identifier l'élément permettant d'assurer la fonction MODULER

- A partir des documents fournis, expliquer son fonctionnement 

III. Rappel sur la fonction MODULER

Un modulateur d'énergie est un montage utilisant des interrupteurs électroniques de puissance permettant, par un séquencement adapté de ces derniers, de faire varier :

- la vitesse d'un moteur (alternatif ou continu)

- La tension

- l'éclairage d'une lampe

- La température

- Etc

On trouve différents convertisseurs suivant la nature de l'alimentation et le type d'actionneur

Nom du convertisseur	Fonction	Symbole
Le Hacheur	Les hacheurs convertissent une tension continue fixe en tension continue variable
Le redresseur	Les redresseurs convertissent une tension alternative en une tension continue variable
L'onduleur	Les onduleurs convertissent une tension continue fixe en une tension alternative de fréquence variable
Le gradateur	Les gradateurs permettent d'obtenir une tension alternative variable à partir d'une tension alternative fixe.

Définir le type de modulateur pour le corps de chauffe et pour la pompe? justifier votre réponse à partir des questions précédentes

IV. Etude sur la fonction MODULER

Dans cette partie, vous allez étudier la modulation permettant d'obtenir une tension alternative variable. Ce travail se fera en 2 parties:

- Analyse pratique à partir d'un montage 

- Analyse théorique à partir d'une simulation sous PSIM

Ces analyses permettront de comprendre l'importance de bien adapter  le modulateur avec l'actionneur

IV.1 Analyse pratique d’une modulation d’énergie 

Vous disposez d’un gradateur à variation d’angle d’ouverture (photo ci-contre), d’un réseau 230V et d’une résistance réglable.  Le montage est déjà câblé (ne pas toucher le matériel ou le réglage de l'oscilloscope)

- Faire plusieurs relevés de U et P en fonction de la position du curseur (0, 1/4,1/3,1/2,2/3,3/4, max)

- Pour 2 positions de votre choix, relevez l'oscillogramme

- Expliquer simplement comment se faire la modulation d'énergie

- Ce type de modulateur s'appelle \"modulateur à variation d'angle d'ouverture\"; Déterminer cette angle et justifiez son appellation.

- Peut on employer cette modulation pour tous les types de charges (ex : lampe, résistance…) ? ; justifier votre réponse.

IV.2 Analyse par logiciel d'une modulation d'énergie

a. Rappel

PSIM est un logiciel de simulation bien adapté à l’électrotechnique et l’électronique de puissance. Par défaut, les composants sont parfaits (pas de pertes), ce qui permet de se centrer sur la compréhension du fonctionnement du circuit testée.. Il est possible de réaliser des analyses temporelles (les plus fréquentes pour ce simulateur) mais aussi faire une étude de réponse en fréquence (FFT) ; également on peut paramétrer diverses analyses.  

b. Principe général d’utilisation :

Après avoir lancé le logiciel, il faut successivement :

- Dessiner le circuit (ou le système à simuler) ou ouvrir fichier donné

- Attribuer des valeurs aux composants.

- Placer les appareils de mesure

- Paramétrer la simulation souhaitée.

- Lancer l’exécution.

- Exploiter les résultats (généralement sous forme graphique)

c. Simulation

- Ouvrir le logiciel se trouvant sur le PC

- Ouvrir fichier mis à disposition Fichier PSIM

- Paramétrer les blocks comme indiqué 

- Régler les paramètres du générateur et de la charge au même valeur que l’essai précédent

 - Simulation 

d.Analyse

- Pour 2 positions de votre choix, relevez l'oscillogramme  U et P

- Expliquer simplement comment se faire la modulation d'énergie

- Ce type de modulateur s'appelle \"Train d'onde\"; justifiez son appellation.

- Peut on employer cette modulation pour tous les types de charges (ex : moteur, lampe, résistance…) ? ; justifier votre réponse.

IV.2 Conclusion

A partir des mesures et simulation, compléter le tableau suivant

V. Lien avec la chaîne d'information

Dans les parties précédentes, Vous avez vu qu'on pouvez moduler la puissance:

- soit en agissant sur un angle d'ouverture

- soit en agissant sur un temps de fermeture par rapport à une période

Dans un système autonome avec une régulation, La chaîne d'information enverra donc un ordre au modulateur différent suivant sa technologie; c'est ce que nous allons travailler dans cette partie

Vous allez travailler à partir de la documentation technique d'un Controleur de puissance TE10P que vous devez consulter: TEP.pdf

- A partir de la page 13:

- Déterminer les 2 types de signaux de commande

- Relever les caractéristiques de ces signaux (valeurs, nature, mode de variation)

- Dessiner ces différents signaux

- A partir de la page 71:

- Justifier le type de signal que doit envoyer la chaîne d'information au modulateur suivant qu'on se trouve en \"variation d'angle d'ouverture \" ou en \" train d'onde\".

I. Quelques rappels de thermodynamique

Définition encyclopédie LAROUSSE :

  Thermodynamique :nom féminin. Branche de la physique qui étudie les propriétés des systèmes où interviennent les notions de température et de chaleur.

  Chaleur :nom féminin (latin calor, -oris)

                       * Qualité de ce qui est chaud ; température élevée ; sensation que donne un corps chaud : La douce chaleur d'un soleil d'automne.

                        * Qualité d'une couleur, d'un parfum, d'une voix, etc., à la fois soutenus et attirants.

                        * Qualité de quelqu'un, de quelque chose qui est chaleureux, ou qui manifeste de l'ardeur dans les sentiments, de l'animation, etc. : Plaider une cause avec chaleur.

                       * Peintures et vernis : Qualité d'un coloris où dominent le rouge, l'orangé ou certains jaunes.

                       * Physique : Mode de transfert de l'énergie d'un corps à un autre qui ne correspond pas à un travail. (L'énergie ainsi transférée se nomme quantité de chaleur.)

Chaleur sensible :   La chaleur sensible provoque une hausse de température d'un corps sans en changer de phase. La quantité de chaleur sensible, Q_sens, transférée à un corps, ou d’un corps, provoque un changement de température d’une valeur initiale, T_in, à une valeur finale, T_fin. Ainsi, 

Q_sens = m . C . ΔT = m . C . (T_fin - T_in).

où m est la masse du corps en kg, C la capacité calorifique* spécifique de la matière dont le corps est composé (définie plus bas) et ΔT la variation de température en Kelvin causée par le transfert de chaleur.

Remarque : L'unité de mesure de température Européenne étant le Celsius, les températures données sont en Celsius. Cela n'est pas gênant car dans la formule, intervient la différence de température (T_finale - T_initiale). Cette différence est égale à celle constatée en Kelvin.

Dans cette équation, ΔT sera positive si T_fin > T_in c’est-à-dire si l’on transfère de la chaleur au corps. Dans le cas contraire, la perte chaleur ΔT sera négative. Donc, la quantité de chaleur sensible, Q, sera soit positive si le corps gagne de l’énergie, soit négative s’il en perd dans le transfert de chaleur. Cette convention de signe permet d’exprimer mathématiquement la direction de l’échange de chaleur relativement au corps.

La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange thermique au cours d'une transformation pendant laquelle sa température varie. La capacité thermique est l'énergie qu'il faut apporter à un corps pour augmenter sa température de un Kelvin. Elle s'exprime en Joule/Kg/Kelvin. Elle dépend du matériau. Plus C est grand (voir tableau ci-dessous), plus il faut d’énergie pour élever la température.

Puissance : La puissance est la quantité d'énergie fournie par un système à un autre par unité de temps. La puissance correspond donc à un débit d'énergie :

P = Q / t

avec P : puissance moyenne en Watt (W), Q énergie en Joule (J) et t durée du transfert d'énergie en seconde (s)

Rappel : 1Wh = 3600 J, 1h = 3600s donc 1Ws = 1J

 II. Réalisation du modèle théorique du corps de chauffe de la cafetière

Lors du préchauffage, l'eau est \"stagnante\", ce qui permet de quantifier la chaleur sensible nécessaire à sa chauffe et le temps de préchauffage.

Hypothèse : Toute la puissance consommée est transmise en chaleur sensible (pas de pertes par rayonnement...), c'est-à-dire que toute la chaleur produite par la résistance sert à chauffer l’eau

Données :

Eau dans le réservoir = 20 °C

 Eau en sortie du corps de chauffe = 85 °C

Puissance de la cafetière P = 1200 W

Capacité calorifique de certains matériaux

       Matériaux :

Corps de chauffe en alliage alu 1060

Conduite d’eau en acier inox chromé

II.1 Échange thermique: Sur le dessin en coupe ci-dessous et en fonction des modèles 3D SW fournis (lancer l'assemblage SW)

- Indiquer par une flèche rouge le trajet de la chaleur émise par la résistance, jusqu'à l'eau. La résistance est noyée dans une céramique (que nous devons prendre en compte : couleur gris foncé et blancs sur la coupe ci-dessous).

- Indiquer le nom des composants traversés ainsi que leurs matériaux (eau incluse). La résistance est en marron sur le dessin ci-dessous et l'eau en bleu.

II. 2 Calcul théorique à partir d'une simulation SW

a. Calcul pour chaque élément traversé la quantité de chaleur sensible.

- Ouvrir SW puis aller chercher le fichier AssCORPS DE CHAUFFE

- Sur SW, relever les masses de chaque solide concerné :

• la conduite d’eau ( CONDUITE EAU CORPS DE CHAUFFE)
• le corps de chauffe ( CORPS )
• la conduite en céramique ( ISOLANT C DE C CORPS DE CHAUFFE)

- Ouvrir le fichier pièce désiré en cliquant droit puis icone ouvrir

- Vérifier le matériau dans l'arbre de création en cliquant sur éditer. Modifier si nécessaire

Sous Sw2010, dans l'onglet évaluer, prendre l'outil propriété de masse.

		Valeurs des capacités calorifiques
Relever la masse. Retrouver, dans le tableau donné ci-dessus, la capacité calorifique de chaque élément. Calculez des quantités de chaleur sensible par élément

b. Calcul de la quantité de chaleur sensible totale.

Remarque : Les pertes étant négligées, on suppose que les températures (initiale et finale) sont identiques pour chaque solide. La quantité totale de chaleur sensible est égale à la somme des quantités de chaleur sensible de chaque élément participant au transfert de chaleur.

 Dans notre exemple elle est de ........... J, ce qui correspond à une quantité de chaleur sensible de ......... Wh (1Wh = 3600J)

 c. Calcul du temps de préchauffage

La puissance est la quantité d'énergie fournie par un système à un autre par unité de temps. La puissance correspond donc à un débit d'énergie : 

P = Q_sens / t

avec P : puissance moyenne en Watt (W), Q énergie en Joule (J) et t durée du transfert d'énergie en seconde (s)

La durée de transfert d’énergie de la résistance à l’eau (temps de préchauffage théorique) de la cafetière Nespresso CITIZ est de ........s.

III. Validation du modèle théorique de la bouilloire par des essais

L'activité suivante nécessite la maquette didactisée de la cafetière; il est très important de suivre les consignes sinon vous risquez de perdre du temps et d'avoir des relevés totalement éronés

Mode opératoire:

- mesure des températures sur l'afficheur en façade

- mise sous tension seulement dès qu'on est prêt pour les mesures

- Temps de préchauffage jusqu'à un allumage continu des 2 voyants de la cafetière

III.1 Mesure

Sur le thermomètre digital en façade (cafetière didactisée) :

                        - Faire un relevé des températures, à l'aide de l'affichage digital, toutes les 10 secondes lors :

            * de la préchauffe de l'appareil (de la mise sous tension jusqu'à la stabilisation de la température durant 10s)

            * de la réalisation de 5 expressos (réalisé à la suite l'un de l'autre)

            * de la réalisation de 5 Lungos (réalisé à la suite l'un de l'autre)

                        - Réaliser sous EXCEL, les courbes correspondantes. 

III.2 Analyse

Déterminer sur la courbe les périodes de préchauffage, de maintien en température, de chauffe de l'expresso et  du lungo.

Comment évolue la température? 

IV. Analyse à partir du modèle simulé de la cafetière sous PSIM

Nous partirons du principe qu’elle est constitué de :

- 21 g de céramique avec C = 820 J/kg.K°

- 330 g de corps alu avec C = 880 J/kg.K°

- 65 g de conduite acier inox avec C = 470 J/kg.K°

- 15 g d’’eau avec C = 4187 J/kg.K°

- 40 cm de tuyau PTFE de rayon interne 1 mm + 1mm de paroi λplastique=0.25 w/(m.K)

Elle a une puissance de 1200W. Le volume d’eau chauffée sera de 0.015 litre de 20° à 95°.

IV.1  Calculs préliminaires

- D’ après la formule suivante , calculer la résistance thermique du plastique :

- D’ après la formule suivante , calculer la capacité thermique  C_TH des différents éléments :

Cth=M.C  en (J/K) avec M :Masse en (kg),  C :coefficient de chaleur massique C_eau=4187 J/(kg.K)

IV.2  Simulation sous PSIM

- Ouvrir le fichier PSIM de la cafetière:

- Configurer le fichier PSIM  avec les différents éléments calculés en IV.1

- Configurer la simulation en cliquant sur  Simulation/simulation control et définir les valeurs suivantes

- Cliquer sur Simulate/run simulate, sélectionner d’abord les températures T_a et T_eau puis afficher les courbes.

- Ensuite cliquer sur screen et rajouter l’énergie.

- A l’aide de l’icone Measures en bas dans la barre de tache, Lire à 85° le temps de chauffe et l’énergie consommée.

IV.3 Analyse

Est ce que les résultats obtenus sont proches de ceux de la mesure? justifiez vos réponses en argumentant au mieux à partir des différents relevés

V. Réalisation du modèle simulé de la cafetière sous SW 

La courbe de chauffage du corps de chauffe peut être également obtenue  avec le module FlowSimulation sur SW2010. Vous pouvez essayer de travailler sous SW afin d'obtenir cette courbe

Courbe de chauffage du corps de chauffe

- Vérifier et comparer le temps de chauffe réel chronométré (idem que précédemment), simulé (tutoriel Flow Simulation,) et calculé.

- Identifier les paramètres pouvant générer les écarts s'il y en a.

- Proposer une solution qui permettrait de diminuer les écarts (voir hypothèse de départ).