Partie spécifique - Partie A · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - SIN 2021

PARTIE A: Peut-on obtenir 6 mesures de consommation différentes par jour pour un débit moyen de 0,7 g·s⁻¹ ?

Mise en situation

Afin de pouvoir gérer plus facilement la consommation de granulés et donc l'énergie consommée par l'habitation en chauffage, il est décidé de mettre en place un dispositif de mesure de la masse de granulés ainsi qu'un enregistrement de cette donnée sur une base de données hébergée localement.

Les données enregistrées permettront de comparer la consommation de cette habitation avec la consommation moyenne d'une habitation comparable et d'archiver plusieurs années de consommation.

On s'intéressera également à l'échange interne d'informations au sein de la chaudière.

Pour évaluer la consommation en granulés de la chaudière, le choix a été fait de mesurer la masse de granulés dans le silo de stockage. Des capteurs de pesage à base de jauges de contrainte sont placés sous chaque pied du silo de stockage.

A.1

Expliquer comment, à partir de la déformation d'un capteur de pesage équipé de jauges de contrainte, on obtient un signal électrique proportionnel à la charge appliquée.

Hypothèses

Le silo de stockage peut contenir au maximum une masse $m_{granulés} = 3t$ de granulés. La masse propre du silo et de sa structure est $m_{silo} = 240$ kg, répartie équitablement sur les 4 pieds. On considérera le cas défavorable où la masse de granulés se répartit de manière identique uniquement sur deux pieds du silo (pied 1 et pied 2).

A.2

À l'aide des hypothèses ci-dessus, donner l'expression littérale permettant de calculer la charge équivalente $C_{capteur}$ (en kg) à laquelle est soumis un capteur sous le pied 1 ou le pied 2 en fonction de $m_{granulés}$ et $m_{silo}$. Réaliser l'application numérique.

A.3

Les capacités nominales disponibles pour les capteurs de pesage sont: 300kg, 500kg, 1000kg ou 2000kg. Justifier l'utilisation de 4 capteurs de pesage de capacité nominale de 2000kg pour mesurer la masse de l'ensemble (granulés + silo et sa structure).

A.4

Le DRS1 présente la chaîne d'information de la mesure de la masse de granulés. Compléter les rectangles vides en utilisant les termes ci-dessous: "Information numérique" - "Tension analogique" - "poids de l'ensemble" - "Tension analogique amplifiée"

A.5

La tension $V_{IN+} - V_{IN-}$ délivrée par un capteur de pesage dépend de sa tension d'alimentation. Le DTS3 indique la caractéristique $V_{IN+} - V_{IN-}$ en fonction de la masse mesurée et pour différentes tensions d'alimentation du capteur.

A.6

Les Convertisseurs Analogiques Numériques (CAN) sont intégrés à une carte Arduino. Les entrées analogiques de l'Arduino acceptant des tensions comprises entre 0 et 5V, justifier l'utilisation d'un amplificateur en sortie de chaque capteur de pesage.

La tension en sortie de chaque amplificateur est donnée par: $U_0 = (V_{IN+} - V_{IN-}) \times G$, G étant le gain de l'amplificateur. Calculer le gain G des amplificateurs pour obtenir une tension de 5V sur une entrée analogique de l'Arduino pour la tension nominale $(V_{IN+} - V_{IN-})_{nominal}$ délivrée par un capteur.

A.7

À l'aide du document technique DTS4, calculer le quantum (résolution) du CAN. Le quantum est la tension minimale détectable par le CAN (correspondant à N = 1). On choisira une tension pleine échelle de 5V et on précise que n = 10 bits pour une entrée analogique d'un Arduino Uno.

A.8

Quels que soient les résultats précédents, on considérera que la valeur de masse de granulés est donnée par: $m_{granulés} = 400 \times U_0$ (avec $U_0$ en V). À partir du quantum déterminé précédemment, calculer la masse minimale $m_{mini}$ détectée par le CAN pour un capteur puis pour 4 capteurs $m_{4mini}$.

A.9

Si l'on prend également en compte l'erreur de mesure introduite par les capteurs de pesage (1,36kg), on peut estimer que $m_{4mini}$ = 9,18 kg. Si on considère un débit moyen de granulés de 0,7 g·s⁻¹, calculer le temps mis pour consommer la masse $m_{4mini}$ de granulés (en heures).

A.10

Conclure sur la possibilité de respecter la problématique de la partie A avec cette chaîne d'information. En étudiant les résultats précédents, pour obtenir une meilleure précision sur l'acquisition de la masse de granulés, indiquer quel est l'élément de cette chaîne d'information à modifier en priorité (entre les capteurs de pesage, les amplificateurs ou les CAN). Justifier votre réponse.