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Étude d’un Système Technique Industriel Bac Génie Électronique Session 2009 Éle

Étude d’un Système Technique Industriel Bac Génie Électronique Session 2009 Électronique 9IEELAG3 BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES Spécialité génie électronique Session 2009 Étude des Systèmes Techniques Industriels TURBIDIMÈTRE Électronique Durée Conseillée 4h30 Lecture du sujet : 20mn Analyse fonctionnelle : 20mn Étude de FP1 (Émission) : 50mn Étude de FP1 (suite Réception) : 1h20mn Étude de FP6 : 40mn Étude de FP4 : 30mn Étude de FP3 : 30mn Bac Génie Électronique Session 2009 Étude d’un Système Technique Industriel 9IEELAG3 Sujet Électronique Page C1 sur 10 SUJET I Questions relatives à l’analyse fonctionnelle (dossier A1 à A5). Q1 : Donner l’intérêt d’une station d’alerte. Q2 : Citer les différents appareils qui permettent d’évaluer l’état de pollution de l’eau avant traitement. Q3 : Donner le paramètre de nettoyage qui sera modifié dans la centrale de contrôle si la turbidité de l’eau brute est mauvaise. Q4 : Décrire brièvement le processus de mesure utilisé dans le turbidimètre « Turbilight ». Q5 : Expliquer ce qui se passe après une forte coloration de l’eau (boue, petite pollution …) pour le flux lumineux émis afin d’assurer une mesure fiable de la turbidité. On se propose d’étudier le fonctionnement de l’appareil pour effectuer des mesures de la turbidité de l’eau brute sur une plage de valeurs comprises entre 0 et 100NTU. II Étude partielle de FP1 : Captage de la turbidité « Émission IR » II-1 Schéma fonctionnel de second degré partiel Élaboration d’un signal de référence FS 1.1 Adaptation de tension FS 1.2 Émission IR FS 1.3 F0 Z Z1 Contrôle du courant Flux_IR Tous les calculs devront être justifiés et présentés d'abord sous forme d'expression littérale puis sous forme numérique. Ne pas oublier les unités adéquates. La lecture des signaux doit être interprétée comme ceci (Exemple donné pour un signal A) A : nom du signal ; VA : différence de potentiel du signal A ; IA : courant du signal A. Sur les schémas structurels saisis à l’aide d’un logiciel de CAO, les unités doivent être interprétées comme ci- dessous : R = 100 signifie 100Ω R = 1K signifie 1kΩ R = 1M signifie 1MΩ C = 2.2uF signifie 2,2µF C = 2.2nF signifie 2,2nF C = 2.2pF signifie 2,2pF I=1.5mA signifie 1,5mA I=1.5uA signifie 1,5µA I=1.5nA signifie 1,5nA Bac Génie Électronique Session 2009 Étude d’un Système Technique Industriel 9IEELAG3 Sujet Électronique Page C2 sur 10 F0 : Signal logique de fréquence égale à FF0. Z : Signal rectangulaire de rapport cyclique égal à 0,5 et de fréquence FF0 dont les niveaux de tension sont en 0-12V. Il est utilisé pour effectuer le découpage du flux IR. Z1 : Signal de commande envoyé par l’unité centrale pour limiter le courant dans la LED durant la phase de démarrage de la compensation. Flux_IR : Flux émis en infrarouge de fréquence FF0. II-2 Schéma structurel partiel de FP1 Q6 : À l’aide de la documentation constructeur du 4060 (page CAN1) et du schéma structurel ci- dessus, donner la valeur de la fréquence du signal d’horloge (noté Fclk) utilisée par ce circuit dans FP1. Q7 : Donner les relations entre les fréquences des 3 signaux Q7, F0 et Q9 (respectivement FQ7, FF0 et FQ9) avec la fréquence du signal d’horloge Fclk. Q8 : Calculer les valeurs numériques de ces 3 fréquences. Q9 : Tracer les chronogrammes de Q7, F0 et Q9 sur le document réponse CR1. CTR14 CT=0 CX RX RCX 3 9 11 13 1G CT + 11 12 7 5 4 6 14 13 15 1 2 3 9 10 4060 X1 640kHz R7 10M C12 22pF C6 100pF 3 2 4504 T5 IRFZ34 R61 49.9 T3 IRFZ34 R60 100 T4 BD645 100 R71 560 5 4 4504 Q7 Q9 F0 Z Sortie de FP2 Contrôle du courant Z1 Circuit 4060 alimenté en +5V. La patte 13 du 4504 est fixée au 0V ; Vcc=+5V et VDD=+12V pour le 4504 R74 D1 +12V ID1 Bac Génie Électronique Session 2009 Étude d’un Système Technique Industriel 9IEELAG3 Sujet Électronique Page C3 sur 10 Q10 : Relever dans la documentation constructeur des transistors T3 et T5 (page CAN3), la valeur maximale du paramètre Vgs(th). Q11 : Donner les états des 2 transistors en fonction des niveaux de tension présents en Z et Z1 dans le tableau du document réponse CR1. Q12 : Donner la valeur de la résistance RDS(on) de ces 2 transistors. Q13 : Finir de compléter le tableau en dessinant les schémas équivalents des 2 transistors, puis, donner les états de la led d’émission infrarouge D1 en supposant que le transistor T4 conduit. Q14 : Z et Z1 sont au niveau logique 1. Calculer la valeur du courant ID1 dans la diode émettrice lorsque T4 est saturé. Caractéristiques électriques BD645 : Vcemax=60V ; Icmax=8A ; β>750 ; Vcesat=2V. Diode D1 : Vf = 1,45V Q15 : Dans la phase de démarrage du circuit d’alimentation de la led D1, le transistor T4 est saturé et le signal Z1 = +12V. Tracer l’allure du courant ID1 et donner ses valeurs en tenant compte de ces conditions sur le document réponse CR1. III Étude partielle de FP1 : Réception ; Amplification à détection synchrone L’amplification à détection synchrone permet d’amplifier un signal de fréquence FF0, connue, noyé dans le bruit électrique, avec un excellent rapport signal sur bruit. III-1 Schéma fonctionnel de second degré de la réception Bac Génie Électronique Session 2009 Étude d’un Système Technique Industriel 9IEELAG3 Sujet Électronique Page C4 sur 10 IIRd : Courant de très faible valeur (quelques µA) image du flux lumineux infrarouge réfléchi par les particules reçues sur la photodiode. Ce courant est donc porteur de l’information de la turbidité de l’eau. L’intensité du courant IIRd est proportionnelle à la valeur de la turbidité telle que : IIRd(A) = 10-7 x (valeur de la turbidité). V1 : Tension alternative de sortie de FS1.4 de fréquence FF0 et bruitée dont l’amplitude est proportionnelle au courant IIRd et de faible valeur. V2 : Tension alternative de sortie de FS1.6 de fréquence FF0 et bruitée telle que : V2 = K x V1. La valeur de K est un coefficient d’amplification programmable. V3 : Tension alternative de sortie de FS1.7 de fréquence FF0. III-2 Schéma structurel de FS1.4 Q16 : Déterminer la relation qui lie la tension V1 au courant IIRd. Q17 : Remplir le tableau sur le document réponse CR2 pour les différentes valeurs de IIRd. Q18 : Relever dans la documentation constructeur de l’amplificateur opérationnel la valeur de la tension d’entrée d’offset maximale (page CAN4). Q19 : À partir des résultats des questions 17 et 18, déduire l’intérêt d’utiliser ce circuit pour réaliser FS1.4. Q20 : Tracer l’allure de V1 sur le document réponse CR2 pour une turbidité de l’eau de 50NTU. R44=6.65K 3 2 6 4 7 AD711C +12V -12V IIRd V1 Récepteur infrarouge présent dans la cuve de mesure Hypothèse : Les courants d’entrée de l’amplificateur opérationnel sont nuls. Bac Génie Électronique Session 2009 Étude d’un Système Technique Industriel 9IEELAG3 Sujet Électronique Page C5 sur 10 VB - R17 R16 VA R17 R16 1+ VC VOUT SDI 4 VOUT 8 VDD 1 CLK 3 CS 2 LD 5 CLR 6 GND 7 U1 DAC8512 C18 100nF R12 2K R13 499 +5V HORL Zc LOAD 3 2 6 4 7 U3 AD648 +12V -12V R17 1M R16 205K R31 10K DOUT 4 VDD 8 IN 1 CS 3 SCLK 2 AGND 5 REFIN 6 VOUT 7 U2 MAX539 +5V G HORL CS V5 VA VB R14 499 D1 BYV1020 D2 BYV1020 +5V V6 CS VC VOUT La tension V1 est ensuite amplifiée et filtrée pour supprimer tout le bruit superposé au signal utile. La valeur de l’amplification est programmable de manière à avoir une mesure la plus exploitable possible par l’unité de calcul de la moyenne de la turbidité (FP2). La tension alternative amplifiée et non bruitée de fréquence F0 est ensuite transformée en une tension continue. Cette tension continue sera l’image de la turbidité. Afin de prendre en compte les erreurs de la chaîne de mesure, il est nécessaire de corriger cette tension en injectant une tension continue. De plus, la tension de mesure sera à nouveau amplifiée plus finement de manière à profiter de la meilleure précision possible du convertisseur analogique/ numérique de l’unité de traitement et de contrôle. On se propose d’étudier le schéma électronique de FS1.5 qui correspond à ces 2 tâches. III-3 Schéma structurel de FS1.5 Avant de mettre en service le turbidimètre, l’utilisateur doit réaliser un étalonnage de l’appareil. Pour cela, il utilise une solution étalon qu’il injecte dans la cuve de mesure. Une série de mesures est lancée pour que l’unité de traitement et de contrôle produise les valeurs de correction (Zc) et d’amplification (G) utilisées dans FS1.5. On considère l’effet du condensateur C18 négligeable et le courant dans R16 négligeable. On donne VC = Q21 : Donner l’expression qui lie la tension VA à la tension VOUT. Bac Génie Électronique Session 2009 Étude d’un Système uploads/Industriel/ turbidimetre-electronique-pdf 1 .pdf