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Boucle inductive PCSI

Approcher une masse métallique de la bobine et observer quantitativement la .... Mais, sur un sujet assez simple comme celui-ci, le professeur peut aisément ...




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FABRICATION D’UN DETECTEUR
A BOUCLE INDUCTIVE



Fiche professeur 2
Texte de TP 3
Grille d’évaluation commentée 5
Compte rendu succinct 6
Commentaires 9

Fiche Professeur











Pré requisFin du cours d’électronique de la classe de PCSI.
Connaissance des méthodes possibles de tracé d’une caractéristique statique
Au moins un TP mettant en œuvre un amplificateur opérationnel
Bonne maîtrise des appareils usuels en électronique : GBF, oscilloscope et acquisition par ordinateurConditions de mise en œuvreEffectif : 24 élèves répartis en 12 binômes
Liste du matériel :
Paillasse élèves :
Un ordinateur avec le logiciel « Synchronie » et sa carte d’acquisition
Grande plaquette intégrant un A.O.
Une alimentation +15/-15 V
Une boite de capacités réglables
Une boîte de résistances réglables
Un oscilloscope numérique
Un GBF
Une bobine de 1000 spires (inductance de l’ordre de 40 - 50 mH)
Une masse métallique : noyau de fer par exemple
Matériel commun :
Un jeu d’une dizaine de résistances (non montées) de différentes valeurs : de 10 © à 1 M©
Un multimètre mesurant les inductances et les résistances
Déroulement de l activitéCette activité est une synthèse de savoir faire étudiés séparément dans des activités précédentes : tracé de caractéristique statique, utilisation d’un amplificateur opérationnel (montage, problèmes de saturation, etc.), acquisition d’un signal par ordinateur, sensibilisation aux contraintes de la liaison masse, etc.
Ce TP a été testé après 5 TP d’électronique : 1 centré sur le continu, 2 sur l’utilisation du GBF et de l’oscilloscope, 1 sur les régimes transitoires et sinusoïdaux forcés et 1 sur l’A.O. en régime linéaire.
Le texte est volontairement succinct pour laisser une relative autonomie à l’élève afin de le laisser réinvestir ce qu’il a appris précédemment et d’observer ses réactions face à des problèmes nouveaux.
Cette activité est uniquement formative. Il est l’occasion de faire le point avec les élèves sur l’état d’avancement de leurs savoir-faire expérimentaux en électronique.
Elle peut également être couplée à un devoir en temps libre sur l’oscillateur à boucle inductive comme celui de l’épreuve de Centrale PSI 2007 (texte adapté pour la classe de PCSI) FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE

Les détecteurs de véhicules dits à boucle inductive sont actuellement de loin les plus répandus, tant pour le contrôle des flux sur autoroutes que pour la détection automatique pour le déclenchement de feux tricolores ou de barrières de sécurité. Cette activité propose d’étudier le principe et la mise en œuvre d’un tel détecteur.

Instructions
Cette activité expérimentale fera l’objet d’une évaluation formative codifiée, la grille d’évaluation jointe identifie les compétences mobilisées. Un seul compte rendu, concis, est demandé par binôme. Les questions placent en général le binôme dans une situation ouverte où toute initiative sera la bienvenue.

Dans plusieurs questions, un « appel professeur » est indiqué par le pictogramme suivant :

Si le professeur n’est pas disponible immédiatement, continuez d’avancer dans la réalisation du TP.
Lors du passage du professeur, il s’agira d’exposer le protocole, d’indiquer les paramètres choisis, de présenter les résultats expérimentaux, mais cela peut être aussi l’occasion de discuter de la pertinence d’un modèle, de la précision des mesures, etc.

Présentation
Le principe de fonctionnement d’un détecteur à boucle inductive est le suivant : un enroulement de fil électrique placé dans une tranchée rectangulaire en travers de la chaussée (cf. figure ci-dessous) est relié à une borne contenant un oscillateur quasi-sinusoïdal. Ce dernier génère dans la boucle un courant sinusoïdal qui crée au dessus de celle-ci un champ électromagnétique lui-même sinusoïdal.
Lorsqu’un véhicule est à proximité immédiate de la boucle, ce champ induit des courants de Foucault à la surface de celui-ci. Ces derniers ont pour effet de modifier l’inductance de l’enroulement et donc la fréquence de l’oscillateur. Un fréquencemètre permet ainsi de détecter le véhicule passant au dessus de la boucle.
Le TP propose d’élaborer un oscillateur quasi-sinusoïdal simplifié et de mesurer la sensibilité de la boucle de détection.

I – Fabrication d’une résistance négative
On considère le dipôle AB ci-contre. Dans le cas où l’amplificateur opérationnel (supposé idéal et de gain infini) fonctionne en régime linéaire, le dipôle se comporte comme une résistance négative de valeur  EMBED Equation.DSMT4  avec  EMBED Equation.3 .

On désire faire une acquisition par ordinateur (avec « Synchronie ») afin de tracer la caractéristique statique courant-tension expérimental V = f(I) de ce dipôle.

1. Elaborer un protocole et un schéma de montage que l’on présentera oralement au professeur.

2. Réaliser le montage complet et présenter au professeur la courbe V = f(I) obtenue à l’ordinateur. Préciser le réglage des instruments employés, les valeurs choisies pour les différents paramètres, les grandeurs à mesurer, la durée d’acquisition, etc., et les raisons éventuelles de ces choix. 

3. A partir de la courbe V = f(I), déterminer expérimentalement la valeur de Rn, en précisant la méthode utilisée. Comparer avec la valeur attendue.

4. Complément éventuel : Que se passe-t-il lorsque l’on s’éloigne trop de la zone centrale (V = 0, I = 0) de la caractéristique ? A quel phénomène cela est-il dû ? Indiquer un moyen de le vérifier expérimentalement et le faire apparaître sur la caractéristique statique.

II – Elaboration de l’oscillateur
On élabore dans cette partie un montage générant spontanément des oscillations, sans source alternative extérieure, la fréquence des oscillations dépendant des caractéristiques du circuit.
Pour jouer le rôle de la boucle inductive, on prendra une bobine de 1000 spires d’inductance L.
Montrer rapidement que pour une valeur particulière de R, le montage ci-contre peut être le siège d oscillations sinusoïdales non amorties dont on exprimera la fréquence nð.
Réaliser le montage afin d observer des oscillations de fréquence voisine de 1 kHz. Observer le déclenchement des oscillations de V(t) en jouant sur R.
Déterminer expérimentalement la valeur de R à partir de laquelle démarrent les oscillations et la comparer à la valeur attendue. 

III – Détection d’un véhicule
Approcher une masse métallique de la bobine et observer quantitativement la variation de fréquence des oscillations. 
Imaginer un système permettant de détecter qualitativement ces variations de fréquences.
Le mettre en œuvre si le temps le permet.
NOMS : Date :
Prénoms :
Fabrication d’un détecteur à boucle inductive
PartiesObservablesBarème CompRemarques : ACQN.A- Appliquer les consignesAPPVous êtes en autonomie. Il faudra prendre des initiatives (concertées avec le professeur) en cas de problèmes.I. Fabrication de la résistance négative- Proposition du montage de base
- Justification du protocole
- Justification des valeurs des paramètres (R, fréquence)
- Réalisation du montage (code couleur fil, organisation)
- Maîtrise de l’AO (alimentation, masse)
- Mesure de Rn et validation du modèle
- Penser à tester différentes valeurs de R
- Réactions face à la saturation
- Explications ou hypothèses de l’hystérésis pour  EMBED Equation.DSMT4 
- Validation expérimentale des hypothèses ANA
ANA
ANA
REA
REA
VAL
AUTO
AUTO
ANA
VALIl faut une source externe car la caractéristique passe par l’origine.
Au départ, montage de base avec GBF assez basse fréquence (pour se rapprocher du continu) + résistance et acquisition V et I. Tester à plus haute fréquence pour valider l utilisation de la caractéristique à 1kHz (cf II)
Choix de R1=R2 pour faire simple, valeurs raisonnables (~1kWð).
Si R trop grand, hystérésis à cause de la saturation. Observer les réactions et aider en donnant l allure de la caractéristique.
En italique, partie facultativeII. Elaboration de l’oscillateur- Mesure de L à l’impédance mètre
- Choix de C et de R0 (sensibilité du montage)
- Valeur de R pour oscillations (théo./exp.)AUTO
ANA
VALPrendre R0 pas trop petite pour la sensibilité du réglage de R. Penser à mesurer L pour calculer C.III. Détection de véhicule- Comparer variation de fréquence et variation de L
- Montage de détection complémentaire (Passe Bande)
- Réalisation du montage complémentaire.AUTO
ANA
REAPenser à rapprocher variation de fréquence et variation de L. Penser à mesurerla variation de L à l’impédancemètre.Compétences communes- Maîtrise de l’oscilloscope
- Maîtrise du GBF
- Maîtrise de l’acquisition
- Présentation orale
- Recherche défauts éventuels
- Organisation générale de la paillasse (couleurs des fils..)
- Travailler en équipeREA
REA
REA
COM
AUTO
REA
AUTOAC/DC, Synchronisation
Problèmes de masses communes
Acquisition, modélisation adaptée.
Présentation des incertitudes, nombre de chiffres significatifs Compte rendu écritCOMGrille d’évaluation FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE

I - Fabrication d’une résistance négative
On réalise le montage ci-contre avec  EMBED Equation.DSMT4 .
Le GBF délivre une tension sinusoïdale  EMBED Equation.DSMT4  de fréquence  EMBED Equation.DSMT4 .
On fait les acquisitions sur synchronie avec les entrées du montage.
L’entrée EA_1 donne V(t).
Le calcul (EA_0-EA_1)/R0 donne I(t).
Acquisition :123456R (kWð)0,50,50,50,81,01,3E (V)2,05,010,05,05,05,0On effectue les acquisitions du tableau ci-dessous.


Les fichiers portent le nom Acquisn.SN2 où n est le numéro de l acquisition.


On observe typiquement une acquisition comme ci-dessous :




Les caractéristiques pour différentes valeurs de  EMBED Equation.DSMT4  sont représentées ci-contre.
Les modélisations permettent bien de retrouver la valeur de R.
On observe aussi la saturation haute (à gauche) et basse (à droite).
Si on augmente trop la résistance R, la droite de charge (de pente –R0) coupe la caractéristique en trois points et le régime linéaire n’est jamais atteint. On observe alors de l’hystérésis, comme le montre la figure de la page suivante.






La partie en pointillées (régime linéaire) n’est jamais observée si  EMBED Equation.DSMT4 . Il faudrait pour cela intervertir les entrées inverseuse et non inverseuse de l’A.O. et transformer ainsi la caractéristique « en N » en une caractéristique « en Z ». A tester.
Les pentes négatives de la caractéristique à hystérésis sont de  EMBED Equation.DSMT4  : c’est celle de la droite de charge qui balaie la caractéristique lorsque U(t) varie dans le temps.





II – Elaboration de l’oscillateur
La bobine de 1000 spires a une inductance de l’ordre de : EMBED Equation.DSMT4 .
En prenant :  EMBED Equation.DSMT4 , on a une fréquence d’oscillation de EMBED Equation.DSMT4 .
On prend  EMBED Equation.DSMT4  pour ne pas que le réglage de R soit trop sensible si on ne prend en compte que la faible résistance de la bobine.
Pas d’oscillations tant que  EMBED Equation.DSMT4 . Observation des oscillations pour R=991±… kWð.ð (il faut vérifier les valeurs exactes des résistances, mais je n ai pas eu le temps.)
On vérifie à l oscilloscope la forme du Vs(t) pour voir les moments de saturation. Visiblement quasiment pas de saturations.

III  Détection d un véhicule
Si on approche une masse métallique comme un noyau de fer au dessus de la bobine, on observe une clairement une diminution de fréquence de l’ordre de 4%, comme le montrent les courbes ci-dessous.


La fréquence sans noyau de base est de  EMBED Equation.DSMT4 . Une fois le noyau de fer posé dessus, on observe  EMBED Equation.DSMT4 .
A l’impédance mètre, L passe de 42 à 46 mH, soit une augmentation relative de l’ordre de 9%. Comme  EMBED Equation.DSMT4 , il est logique d’observer une diminution relative de fréquence de l’ordre de 4%, à cause de la racine.
Il y a aussi une modification des pertes et l’oscillateur peut arrêter d’osciller. Pour l’éviter, on peut prendre R suffisamment grande. On perd le caractère sinusoïdal du signal, mais ce n’est pas fondamental.

Idée : Envoyer V(t) sur un passe bande sélectif puis buzzer => fait Bip quand on approche la masse de fer.


FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE - Commentaires

Effectif : 24 élèves par séance (12 binômes)
Durée : 3 heures

Travail préparatoire
Bien tester le TP avant pour prévoir les directions que pourront prendre les élèves.
La grille d’évaluation a été conçue de manière à avoir le temps d’observer tous les binômes sans retarder ceux qui n’ont pas encore été visités. Les observables retenues sont suffisamment « globales » pour être évaluées pendant une longue période de TP, ce qui évite d’avoir à contrôler tous les binômes en même temps.

Commentaires sur la séance :
Le texte a été distribué à l’avance pour permettre aux élèves de se familiariser avec ce qui est demandé et limiter le temps pris sur la réalisation expérimentale. La grande majorité des élèves arrive avec la proposition d’un protocole expérimental pour tracer la caractéristique de la résistance négative.
Sur les deux séances, peu de problèmes techniques, ce qui laisse le temps de remplir la grille d’évaluation.
Même avec une bonne préparation, on ne peut pas prévoir toutes les idées que pourront avoir les élèves. Mais, sur un sujet assez simple comme celui-ci, le professeur peut aisément s’adapter aux protocoles proposés.
Visiblement, les élèves ont apprécié si l’on en juge par leur enthousiasme lors de la séance. Si une majorité d’élèves, suffisamment à l’aise en électronique expérimentale, est amenée à beaucoup plus réfléchir que dans un TP classique, une telle activité expérimentale est jugée très difficile par les quelques élèves éprouvant davantage de difficultés : ils ont été gênés par des problèmes techniques et n’ont pas pu consacrer assez de temps !3457JUWuwŽžŸ ¡¢´¶øçÖÅÖ´ø禕¦•¦•¦•¦‡•waF4jh‡m5CJOJQJU\^JaJmHnHu+h‡m5CJOJQJ\^JaJmHnHuhÊ
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