Expérience de Herschel
Lara et Louis vous présente le wiki de notre projet, bonne lecture !
Pour commencer nous allons présentez ce qu'est l'expérience de Herschel, à travers cette expérience William Herschel un astronome allemand du 18ème siècle, va mettre en évidence le caractère plus énergétique des rayons infrarouges. En effet il va à l'aide d'un prisme et de thermomètres, faire le constat que plus loin du spectre vers l'infrarouge il enregistre des températures plus élevées.
Nous allons donc remettre au goût du jour cette expérience, avec comme objectif de pouvoir la présenter à la Fête de la Science il faut donc la rendre pédagogique et facile à comprendre pour des non-initiés ou bien des futurs scientifiques.
Tout d'abord lors de la séance de choix des sujets, on à déjà pu commencer à discuter avec nos enseignants, L.Labrousse et P.Thery pour prendre en mains le sujet et nous aiguiller pour correctement mettre en place notre démarche scientifique. De plus nous avons pris un rdv avec le chercheur ayant proposé le sujet M. Ehouarn Millour, pour comprendre ce qu'il souhaitait faire et comment le réaliser.
Dans un premier temps il fallait faire apparaitre un spectre à l'aide d'un prisme et d'une source de lumière, donc faire un montage optique en effet diriger une lampe sur un prisme ne suffit pas car la source n'est pas dite infinie. Pour faire un rappel rapide d'optique il faut créer une source dite infinie où tous les rayons sont parallèles et vont dans une direction, pour faire cela il faut une lentille convergente et connaitre son point focal :
Après quelques tentatives plus ou moins fructueuses, Pierre Thery nous à trouver un projecteur avec tout le montage préinstaller ce qui nous a faciliter la tache.
Pour la suite nous avons créer, à l'aide du logiciel de modélisation OpenScad, un support pour le prisme afin qu'il ne soit pas en contact du sol et qu'on puisse le manipuler à sa base sans y laisser de trace de doigt. Mais aussi une fente pour que la lumière soit encore plus concentré, ces objets qu'on à ensuite imprimé grâce aux imprimantes 3D présentes dans le FabLab de Jussieu. Dans le même temps nous avons pris une plaque de plexiglas qui nous servira de support que nous avons, à l'aide d'une découpeuse laser, découper pour obtenir la taille désirée. En outre afin de voir correctement le spectre le plexiglas n'est pas un matériau optimal on a donc collé dessus un vinyle blanc pour faire apparaitre le spectre à l'œil, et pour faire tenir le tout on a aussi imprimer des pieds.
plaque de plexiglas avant recouvrement avec un vinyle blanc.
Une fois la partie du spectre et du support terminée, passons à la partie sur la prise et le traitement de donné.
L'idée était de remplacer les thermomètres utilisés par W.Herschel par des moyens plus moderne de prise de donnée, mais aussi de moderniser le support, ainsi après discussion nous nous sommes orienté vers des capteurs de température de type LM35DZ :
Ce sont des capteurs de températures analogiques avec une précision de +/- 0.5°C à 25°C, mais avec ces capteurs il fallait de quoi traiter les donnés et les afficher. Nous avons penser à une carte Arduino qui, avec un code informatique, récupère et afficher les donnés, voici une photo pour se représenter la carte électronique.
Mais pour que cela ait lieu on doit réaliser une circuit électronique afin de connecter les capteurs à la carte, car on doit placer plusieurs capteurs afin de mesurer les températures à différents endroits du spectre pour voir la variation de température entre les rayons infrarouges et le reste du spectre.
Pour ceci il fallait savoir quel support utiliser et comment les placer, en série ou dérivation ?
Après quelques recherches on à utiliser une bread board pour faire le circuit avant de le souder définitivement sur une plaque perforé. On a appris qu'il fallait les placer en dérivation mais ce qui impliquait une sortie de donné par capteur ainsi qu'une alimentation pour chacun mais aussi des condensateurs 100 nF pour ne pas surcharger le capteur.
Voici un schéma du montage réaliser sur fritzing, un logiciel de conception de circuit, avec :
- câbles bleus : sortie analogique (donnés)
- câbles rouges et noirs : alimentation ( + et - )
- composants bleus : condensateur
- composants noirs : capteurs de température
En veillant bien au placement des capteurs, car mal placé il chauffait beaucoup (quelques légères brulures du bout du doigt on été à déplorer) il faut donc bien respecter le sens suivant :
En parallèle du montage, la partie sur le code était toute aussi importante :
Arduino exécute un code que l'on écrit, encore faut-il l'écrire, et utilise le langage C++ un langage que nous ne métrisions pas au début de ce projet, ce qui a rendu la tache un peu compliqué et qui nous a pris une bonne partie de notre temps. Mais avec l'aide de L.Labrousse et P.Thery et de recherche sur internet nous avons réussi à écrire un code fonctionnel :
Code LM35dz
Et maintenant le montage finale en photo et des résultats :
Cependant l'ordre de précision n'était pas suffisant pour voir la différence de température comme on le voit sur la photo de droite, et les courbes se coupent beaucoup trop pour avoir un résultat satisfaisant. Nous avons donc chercher d'autres
Pour bien se rendre compte de ce que l'on a fait tout au long de ce semestre, voici notre journal de bord retraçant notre parcours nos réussites et échecs. Il a été écrit semaine après semaine en fin de séance par nos soins.
Journal de bord
Semaine 0 :
Présentation des différents sujets, des locaux, des enjeux. Choix de notre sujet.
Première prise de contact avec le chercheur Ehouarn Millour du LMD IPSL. Travail personnel de recherche d'informations en lien avec le sujet (contexte, gamme de valeurs sur les températures et sur les longueurs d'onde), premiers schémas.
Semaine 1 :
Premier rendez-vous avec Monsieur Millour : présentation du cahier des charges :
Objectif : refaire l'Expérience de Herschel dans le but de la présenter à la Fête de la Science.
Présentation du matériel déjà à disposition (lampe + ampoule halogène 50W, 1 prisme normal, 1 prisme grand)
Premières ébauches de réflexion quant aux enjeux : la lampe? comment récupérer la température? la traiter? le prisme de diffraction est-il exploitable?
Recherche de capteurs de températures au Fablab.
Expérimentation de l'arduino et des thermocouples pour la récupération de données sur l'ordinateur, réalisation d'une courbe de donnée brute pour visualiser les variations de température. Afin de récupérer la température, on pense à une barre en plexiglass où les thermocouples vont être placés.
Réalisation des premières expériences avec le prisme et observation des spectres de diffraction : résultats peu concluants : spectres non exploitables : trop diffus, la lumière se recompose en lumière blanche : aucune précision dans le spectre.
On prévoit 8 thermocouples (violet, bleu, vert, jaune, orange, rouge, IR, témoin) ou capteurs de températures.
Prochainement :
- posséder un condensateur optique
- refaire l'expérience plus précisément
- essayer de former notre Arduino
- comparer avec un réseau pour voir si c'est mieux qu'un prisme
46 45 1er, salle des clés
Semaine 2 :
Premiers pas et apprentissage du logiciel Openscad :
Conception d'un support du prisme sur ce logiciel
(mettre le schéma)
Mise en place de l'expérience approfondie, test des différents prismes et des lampes : lampes fournies/projecteurs
Exemples de test de diffraction pour placer les thermo-couples
Recherche d'une lentille auprès du super JP Ferreira
Prochainement :
- imprimer en 3D le support du prisme
- avancer les recherches personnelles sur les lampes et prismes
Semaine 3 :
Obtention d'un spectre lumineux exploitable pour l'expérience, il était beau (photo à l'appui).
mettre photo
Réalisation d'une fente sur le logiciel OpenScad et test d'impression 3D dans la salle Image. Test infructueux --> Direction Fablab bâtiment Esclangon pour une nouvelle impression 3D. Durée : environ 1h15. Coût : 0,64€. Poids : 21,3g.
photo
Recherche internet des thermocouples afin de faire des tests : voir si on détecte une variation de température significative.
Semaine 4 :
Première utilisation de notre super fente malheureusement elle semble trop petite : elle atténue trop la lumière et donc le spectre. On va donc garder notre "rond" qui est, on vient de l'apprendre, un embout de tuyau imprimé en 3D pour l'expérience de DARCY. On a ensuite fait des tests de prise de température avec les thermocouples et un code Arduino qui s'est avéré plus compliqué que prévu. En effet le code a fonctionné au départ puis mystérieusement plus du tout; problème que l'on essaye de régler en ce moment avec l'aide de Loïc et Pierre.
On a ensuite lancé l'impression de notre 2ème pièce d'orfèvrerie en impression 3D : un support pour notre prisme pour ne pas l'endommager plus que de raison. Durée : 1h17. Cout : 0,37€. Poids : 12g.
En somme une semaine mouvementée.
Prochainement :
- se renseigner sur les arduinos et les ThC, les commander. Trouver tuto pour faire un code correct qui marche.
recherche internet et lien :
https://www.mesurex.fr/non-classe/comment-choisir-son-thermocouple/
https://learn.adafruit.com/thermocouple/wiring-a-thermocouple
https://forum.arduino.cc/t/question-sonde-thermocouple-et-larduino/130848/9
https://www.tcsa.fr/thermocouples/thermocouple-patch.html
Semaine 5 :
Récapitulatif des choses à faire :
- acheter 8 thermocouples DEMANDER A PIERRE
- trouver un écran en plexiglass noir (Fablab) / y faire 8 trous
- s'occuper de la partie électronique
Semaine 6 :
thermocouple et voir si faut un amplifier
http://emery.claude.free.fr/arduino-capteur-temperature.html/
https://www.carnetdumaker.net/images/montage-de-lexemple-arduino-lm35/
https://www.raspberryme.com/guide-des-capteurs-de-temperature-lm35-lm335-et-lm34-avec-arduino/
Commande de capteurs de températures LM35
Le capteur de température LM35 est un capteur analogique de température fabriqué par Texas Instruments. Il est extrêmement populaire en électronique, car précis, peu couteux, très simple d'utilisation et d'une fiabilité à toute épreuve.
Le capteur de température LM35 est capable de mesurer des températures allant de -55°C à +150°C dans sa version la plus précise et avec le montage adéquat, de quoi mesurer n'importe quelle température.
La sortie analogique du capteur est proportionnelle à la température. Il suffit de mesurer la tension en sortie du capteur pour en déduire la température. Chaque degré Celsius correspond à une tension de +10mV.
La version plus précise du LM35 (nommée "LM35A") a une précision garantie de +/-0.5°C à 25°C et +/-1°C à -55°C ou +150°C.
Le capteur LM35 fonctionne avec n'importe quelle tension d'alimentation comprise entre 4 volts et 30 volts, ce qui permet de l'utiliser dans virtuellement n'importe quel montage numérique ou analogique. Le capteur LM35 ne fonctionne pas en dessous de 4 volts, donc oubliez l'utilisation d'un LM35 avec des cartes Arduino 3.3 volts (Due, Zero, etc), sans alimentation 5 volts externe, ça ne marche pas.
Mise en évidence rapide des variations de température à l'aide d'un thermomètre classique :
On voit que la température est plus élevée sur la photo de gauche (quand la température est mesurée dans le rouge), et plus basse dans la photo de droite (dans le violet).
Préparation du montage avec tous les composants nécessaires sauf les capteurs de températures LM35DZ :
- condensateur 100 nF
- breadboard + fils
- carte Arduino Méga
Il reste à déterminer si l'on réalise un montage en série ou en dérivation. Si dérivation, besoin de 8 condensateurs.
Nous avons été cherché au Fablab : 8 condensateurs et un breadboard.
Référence capteurs à commander :
https://fr.rs-online.com/web/p/capteurs-de-temperature-et-d-humidite/8115595
Semaine 7 :
On a commandé les thermocouples et on les attend. en attendant on voit pour le circuit imprimé et on répond à Claude.
on associe chaque couleur du spectre à un câble de cette même couleur.
On a vu qu'il fallait mettre tout les capteurs en dérivations ce qui complexifie le câblage mais rend le traitement de donné plus simple
source :
https://forum.arduino.cc/t/multi-sensor-lm35/584761
La partie du LM35DZ qui détecte la température est appelée "élément sensible", il s'agit d'une petite puce située au centre du boitier en plastique noir.
Nous avons ensuite réfléchi sur l’esthétique du support : les composants seront exposés face visible pour rendre les explications plus facile et pédagogique. ils seront collés sur une plaque de plexiglas avec une gravure de nos prénoms pour les royalties, ainsi que le logo Fablab et celui de SU. De plus il faut que nous réalisions un support pour maintenir la plaque de plexi à la verticale pour plus de confort.
après avoir fait les tests sur breadboard nous allons réaliser notre propre circuit imprimé qu'on devra réaliser et souder nous même.
Semaine 8 :
On a toujours pas reçu les thermocouples. La première commande n'a pas abouti donc il a fallu en faire une deuxième.
Aujourd'hui, on va s'occuper de la plaque de plexiglass, la couper aux bonnes dimensions si besoin et aussi réaliser son support.
On a été chercher la plaque qu'on a ensuite découpé au laser aux dimensions 40x40 cm. On a modélisé les pieds de support et notre logo.
Prochainement : imprimer le support et la gravure de notre logo.
Semaine 9 :
Mercredi :
On a reçu les thermocouples. On a pu réaliser le montage du câblage (voir photo). Malheureusement, après de nombreuses tentatives d'écritures du codage Arduino, on ne parvient pas à en trouver un qui fonctionne.
On a également fini de designer notre logo (voir photo)
On va maintenant aller lancer la gravure de notre logo et imprimer les supports de notre plaque.
Jeudi :
On est parti graver notre logo mais on va le refaire car il nous convenait pas parfaitement. On a aussi lancé l'impression de nos supports pour tenir notre plaque de plexi mais elle a échoué nous allons donc devoir en relancer une autre.
Echec de l'impression des supports de la plaque...
Vendredi :
Avec Loic et Pierre, nous avons mis bcp de temps avant de réaliser un code qui fonctionne. En effet, on pensait que notre montage manquait d'une résistance (même deux), que la carte Arduino MEGA 2560 ne marchait pas, ou encore qu'il y avait un problème dans les branchements des fils alors qu'en réalité, le problème venait seulement du monitor.
Nous avons choisi un code écrit par Claude (cf Le Blog de Claude) mais il est valable que pour un capteur donc nous devons le modifier pour qu'il nous renseigne les températures de nos 6 capteurs.
On a été réalisé une deuxième fois notre gravure qui est meilleure.
On a été voir Stéphane au Fablab pour nous aider à corriger notre code Arduino. Au final, c'est avec l'aide du directeur du Fablab qu'on a pu trouver notre erreur et avoir un code qui marche. Notre erreur venait du fait que l'on avait placé nos thermocouples sur tout le long de la breadboard, en oubliant que celle-ci était divisée en deux au milieu, séparant ainsi le circuit électrique en deux. Le directeur nous a aussi écrit une partie du code permettant de visualiser les courbes de températures. Donc un grand merci à .........
Semaine 10 :
Après deux tentatives, on a finalement, au bout de la troisième fois, réussi à graver un logo qui nous convient, avec les bonnes dimensions et le bon matériau.
2 tentatives ratées : 1 trop grande et 1 avec un contraste de couleur trop faible
Réussite !
Après l'échec de la semaine passée, on a aussi finalement réussi à imprimer les pieds de support de notre plaque !
Les supports de notre plaque
"L’infrarouge, d’un autre côté, est un rayon physique caractérisé par une action de chaleur intense et une faible énergie."
"Plus la longueur d’onde IR est courte, plus le radiateur IR est « chaud » et plus sa chaleur est « transmissive », ce qui signifie qu’il peut parcourir de plus grandes distances dans des « faisceaux » plus étroits."
La lampe du projecteur (notre source de lumière) est une lampe halogène, ce qui convient le mieux pour avoir une maximum de rayonnement infrarouge.
Spectre d’une lampe halogène. Il présente une courbe régulière avec une forte proportion de rouge: la température de couleur se situe entre 2800 et 3000°K (lumière chaude). La lampe émet beaucoup de chaleur (rayonnement infrarouge = IR).
Le spectre d’une ampoule incandescente classique est similaire, avec un décalage un peu plus marqué vers le rouge. (https://www.energie-environnement.ch/maison/eclairage-et-piles/1369)
On veut maintenant savoir comment placer les capteurs de températures, c'est-à-dire à quelle distance les uns des autres et surtout pour capter le maximum de température dans le rayonnement IR. Pour cela, on utilise la loi de Bragg (2dsinθ=nλ) pour déterminer à quelle distance placer le capteur pour qu'il reçoive le maximum d'énergie thermique infrarouge.
Calcul pour déterminer la distance couverte par le rayonnement IR le plus important. On en conclut que cette distance est 1,4 fois pour grande que celle couvrant le spectre du visible.
Potentiel capteur plus précis mais plus cher :
+/- 0.1°C
https://www.ist-ag.com/en/products/digital-temperature-sensor-ic-to93
+/- 0.25°C
https://fr.farnell.com/texas-instruments/lmt86lp/temp-sensor-0-25-deg-c-to-92-3/dp/3124226RL
Semaine 11 :
Les nouveaux capteurs ne sont pas arrivés.
On a décidé de prendre moins de capteurs mais de les placer à des endroits plus stratégiques : témoin, UV, violet, vert, rouge, IR.
On a été prendre une plaque perforée sur lequel faire notre circuit.
On y a placé les capteurs et les condensateurs.
Schéma de notre circuit
faire le vinyle
faire le circuit
tester avec les nouveaux capteurs
Semaine 12 :
On a reçu les nouveaux capteurs de températures.
On a replacé les capteurs sur notre plaquette car le spectre fait maintenant 5 cm.
En effet, on a remarqué que le spectre était de meilleure qualité, c'est-à-dire que les couleurs étaient plus intenses si l'on réduisait la surface d'une face du prisme, on a donc placé une feuille noire sur la face en aval du prisme. Ça induit une réduction de largeur du spectre.
On a été mettre un vinyle blanc sur la plaque au Fablab avec l'aide d'Alexandre. On a utilisé la découpeuse vinyle.
On a pas réussi à faire fonctionner le code avec les nouveaux capteurs
A faire : faire fonctionner le code et faire le circuit
Semaine 13 :
Jeudi :
On est venus pour finaliser le code, on n'arrive pas encore à afficher le plot.
On a également réalisé les soudures nécessaires pour notre circuit.
Vendredi :
On a reconfectionné le circuit et mis le vinyle noir dessus et on y a fait des trous pour laisser passer les capteurs.
Aperçu du montage presque final
Remerciements :
Nous tenons à remercier dans un premier temps nos encadrants, Loic Labrousse et Pierre Thery qui ont été présent tout au long du semestre apportant conseils, suivi mais aussi aide logistique pour les commandes de matériels.
M.Ehouarn Millour pour la proposition de sujet qui nous a de suite intéressé, et qui nous a mit sur la bonne voie dès le début.
Mais aussi tout ce qui ont participé, d'une part en nous prêtant du matériels, mais aussi en nous apportant conseils et aide dans notre démarche.
Un grand merci à :
- l'équipe du Fablab qui nous ont montré comment utiliser les différentes machines, et le prêt de certains composants
- Jean-Philippe Fereira pour les conseils en optique
Bibliographie
https://www.mesurex.fr/non-classe/comment-choisir-son-thermocouple/
https://learn.adafruit.com/thermocouple/wiring-a-thermocouple
https://forum.arduino.cc/t/question-sonde-thermocouple-et-larduino/130848/9
https://www.tcsa.fr/thermocouples/thermocouple-patch.html
http://emery.claude.free.fr/arduino-capteur-temperature.html
https://www.carnetdumaker.net/images/montage-de-lexemple-arduino-lm35/
https://www.raspberryme.com/guide-des-capteurs-de-temperature-lm35-lm335-et-lm34-avec-arduino
https://fr.rs-online.com/web/p/capteurs-de-temperature-et-d-humidite/8115595
https://forum.arduino.cc/t/multi-sensor-lm35/584761
https://www.ist-ag.com/en/products/digital-temperature-sensor-ic-to93
https://fr.farnell.com/texas-instruments/lmt86lp/temp-sensor-0-25-deg-c-to-92-3/dp/3124226RL
https://arduino.stackexchange.com/questions/13289/arduino-uno-with-lmt86lp-temperature-sensor