Projet Pluviomètre

Réalisation d'un pluviomètre
 à l'aide d'une imprimante 3D
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David Blanchard

BO spécial n° 6 du 28 août 2008

Thème de convergence N°4 : MÉTÉOROLOGIE ET CLIMATOLOGIE

Au collège, la météorologie permet de prolonger et d’approfondir les activités abordées à l’école primaire, en mettant en œuvre des mesures, réalisées pour la plupart directement par les élèves, mesures concernant la pluviométrie, l’hygrométrie, la température, la vitesse, … exploiter sous de multiples formes.
Par ailleurs, météorologie et climatologie permettent d’apporter quelques réponses aux interrogations nombreuses des élèves sur les événements climatiques exceptionnels qui les interpellent.

La technologie étudie les instruments de mesure liés à la
météorologie et peut conduire à la construction de certains d’entre eux. Elle analyse les objets techniques du domaine de la domotique liés à la météorologie.

1 – Introduction : L’eau en France et dans le monde.
Comment établir une carte pluviométrique ?

Carte_pluviométrique01Piste de travail en Interdisciplinarité.
Les sciences de la vie et de la Terre s’intéressent à l’influence du climat sur les modifications du milieu, donc sur la variation éventuelle du peuplement animal et végétal. Par ailleurs, les conditions climatiques en tant que facteurs environnementaux peuvent intervenir sur l’expression du programme génétique de l’individu.

 

Le réseau de mesures pluviométriques 
L'objectif recherché est simple: connaître la fréquence des événements pluviométriques extrêmes pour approcher les risques d'inondations qui en découlent.
Climatologie et records de précipitations

2 – Comment mesurer la quantité d’eau qui tombe du ciel ?

Avec un pluviomètre ! Oui, mais lequel ?pluviometre

L’évolution de l’objet technique
Objectif :
Repérer l’évolution des solutions techniques, non-mécanisées, mécanisées, automatiques, informatisées.
Capacité : Repérer dans les étapes de l’évolution des solutions techniques la nature et l’importance de l’intervention humaine à côté du développement de l’automatisation.

Activité : Réaliser un diaporama.

Diapo 1 : Donner la fonction de l’objet technique (A quoi sert-il ?)
Diapo 2, 3,4 et 5 : Montrer les différents modèles de pluviomètres en les présentant de manière chronologique. Expliquer leur fonctionnement, la solution technique retenue pour donner l’indication de quantité d’eau.

Météo France propose un petit historique.

Piste de travail en Interdisciplinarité.
Les mathématiques trouvent dans la météorologie des possibilités d’application tout à fait intéressantes. A partir de relevés de mesures, l’élève s’investit dans la construction de graphiques, l’utilisation des nombres relatifs, le calcul de moyennes…

3 – Comment fonctionne le système à augets d’un pluviomètre ?

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L’analyse et la conception de l’objet technique
Solution technique
Objectif :
Comprendre le principe de la mesure de la quantité de précipitations réalisée par un pluviomètre enregistreur à augets.
Capacité : Rechercher et décrire plusieurs solutions techniques pour répondre à une fonction donnée.
Choisir et réaliser une solution technique.

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Idée :  pluviometre_meteofrance

4 – Réalisation d’un pluviomètre à augets.

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Source : Yoctopuce

4.1 Comment capter le basculement des augets ?

Connaissances :
La communication et la gestion de l’information
Acquisition de signal : saisie, lecture magnétique, optique, numérisation, utilisation de
capteurs…
Forme du signal : information analogique, information numérique.
Transport du signal :
lumière, infrarouge ; ondes : hertziennes, ultrasons ; électrique…

Capacités :

  • Identifier les modes et dispositifs d’acquisition de signaux, de données.
  • Identifier la nature d’une information et du signal qui la porte.
  • Repérer le mode de transmission pour une application donnée.
  • Associer un mode de transmission à un besoin donné.

Il est possible d'utiliser plusieurs techniques pour capter le basculement des augets. Cette séquence doit pouvoir les recenser et en choisir une ou plusieurs. En effet, il peut être intéressant que plusieurs solutions techniques soient réalisées et comparées.

4.2 Réalisation du pluviomètre. Quelles machines pour quelles pièces ?

Connaissances :
Contraintes liées aux procédés et modes de fabrication :
- formes possibles,
- précision accessible.
Processus de réalisation (fabrication, assemblage, configuration) d’un objet
technique.

Capacités :

  • Énoncer les contraintes techniques liées à la mise en œuvre d’un procédé de réalisation.
  • Mettre en relation des caractéristiques géométriques d’un élément et son procédé de réalisation.
  • Réaliser tout ou partie du prototype ou de la maquette d’un objet technique.
  • Compléter ou modifier un planning pour adapter la réalisation d’un objet technique en
    fonction d’aléas.

explodedview_preview_featuredPluviomètre USB Yoctopuce

Toutes les pièces peuvent être réalisées avec l'imprimante 3D. Après avoir testé la réalisation avec l'imprimante 3D, le temps d'usinage cumulé est de plus de 15 heures, sans compter les aléas ! Il n'est donc pas réalisable en l'état avec des élèves.

Pistes de travail pour adapter le pluviomètre USB Yoctopuce :

  • Remplacer la surface de collecte de la pluie par des parties déjà existante. La solution la plus utilisée est celle de la bouteille d'eau en plastique.
  • La base peut-être réalisé avec une fraiseuse à commande numérique (CharlyRobot).
  • L'imprimante 3D reste indispensable pour les augets et son support. Un travail de conception peut être réalisé avec les élèves pour réaliser les supports de fixation des augets. Les solutions seront alors différentes en fonction des choix techniques retenues pour capter le basculement des augets.

pluviometre01Entonnoir et base.

4.3 Le calibrage

4.3.1 Calcul de la surface de récupération d’eau

Il convient de ramener la quantité d'eau de pluie récoltée à la surface de collecte de l'entonnoir. Pour cela, calculons la surface de collecte de l'entonnoir :

Surface(en cm²) = Pi x R² (avec Pi = 3,14, R rayon en cm)

Pour un rayon d'entonnoir de 11cm, la surface de collecte de l'eau de pluie est donc proche de 100cm². On exprime généralement la quantité d'eau de pluie tombée en un lieu en mm. Ainsi 1 mm d'eau de pluie tombé sur 1 m² correspond à un volume de 1L. De même, 1 mm d'eau de pluie tombé sur les 100cm² de l'entonnoir correspond donc à un volume de 0,1cm x 100 = 10 millilitres (ou 10cm3)

Cette surface de récupération sera donc à calculer pour chaque réalisation en fonction de l'entonnoir pour calibrer le pluviomètre.

4.3.2 Capacité de stockage d’eau d’un auget

Deux méthodes possible :

  •  Méthode 1 : il suffit de verser une quantité connue d'eau dans le mécanisme et compter le nombre de basculements générés. Compte tenu de la surface de l'entonnoir, on peut en déduire la quantité de pluie que représente un basculement.

Selon Yoctopuce :

Ici nous avons mesuré 295 basculements pour 300 ml d'eau. L'entonnoir faisant 10cm de diamètre, cela nous donne 0.13mm de pluie par basculement.

 

  • Méthode 2 : Pour ceci nous allons utilisée une seringue graduée et le pluviomètre.
    La seringue étant graduée en ml, et nous savons que 1 ml = 1 g nous allons pouvoir déterminer la quantité et le poids de l’eau pour que l’auget bascule.

Selon "Station météo GROOMY"

Calcul de notre capacité d’eau pour l’auget en mm :
Capacité d’eau ? 16 ml, soit 16 g
->Donnée technique :
16/288 = 0,055 g/cm²
->Donnée technique : On sait que 1 mm d’eau tombé représente 1l d’eau sur 1m² soit 1000ml/10 000 cm²
( produit en croix)
1 mm -> 0,1
? mm -> 0,055
On a donc, pour chaque basculement, une résolution de 0,55 mm

4.4 Programmation

Une fois que l'on connait la quantité de pluie par basculement (ex : 0,13 mm) il suffit de modifier un petit programme qui incrémentera la valeur à chaque basculement.

Pluviometre_scratchScratch

Connaissances :
Traitement du signal : algorithme, organigramme, programme.

Capacités :

  • Identifier les étapes d’un programme de commande représenté sous forme graphique.
  • Modifier la représentation du programme de commande d’un système pour répondre à un besoin particulier et valider le résultat obtenu.

La programmation d’un support automatique ne demande pas l’écriture de lignes de code. Elle doit être graphique si le support présente une interface qui le permet. Le système automatique doit être simple. L’objectif est de comprendre de manière globale l’impact de la modification sur le fonctionnement du système.

Pluviometre-scratch02

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