Épreuve de sciences de l’ingénieur





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13SISCMLR1





BACCALAURÉAT GÉNÉRAL


SÉRIE SCIENTIFIQUE


Épreuve de sciences de l’ingénieur

Session 2013

Durée de l’épreuve : 4 heures

Coefficient 4,5 pour les candidats ayant choisi un enseignement de spécialité autre que sciences de l’ingénieur


Coefficient 6 pour les candidats ayant choisi l’enseignement de sciences de l’ingénieur comme enseignement de spécialité


Aucun document autorisé
Calculatrice autorisée, conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999












Thermographie aérienne d’une station de ski par ballon captif


Constitution du sujet

  • texte pages 3 à 18

  1. Analyse du besoin

  2. Réponse au besoin

  3. Analyse des écarts entre la traction attendue et les résultats obtenus avec le modèle de calcul en altitude

  4. Comparaison, en termes d’autonomie, des résultats de l’expérimentation réalisée en plaine avec les résultats obtenus avec un modèle multiphysique

  5. Décodage des informations issues de la carte GPS en vue de leur exploitation

  6. Conclusion sur la réponse apportée à la problématique initiale

  • documents techniques pages 19 et 20

  • documents réponses pages 21 à 23

Le sujet comporte 30 questions.

Les documents réponses DR1 à DR3 sont à rendre
avec les copies.


Thermographie aérienne d’une station de ski par ballon captif
La thermographie infrarouge est un outil de diagnostic permettant de détecter des variations thermiques locales et des déperditions de chaleur (ensemble des fuites calorifiques) sur des bâtiments publics ou privés.

La technique est basée sur la captation d’images par une caméra thermique, l’énergie émise ayant un rapport direct avec la température du matériau.

La thermographie infrarouge se limite à la mesure de températures de surfaces. La visualisation de défauts d’isolation, ignorés ou soupçonnés, peut être ainsi mise en évidence, tant sur des bâtiments anciens (visualisation des défauts à traiter en priorité) que sur des bâtiments neufs (qualité de réalisation).

Le rayonnement capté par la caméra est analysé et corrigé par un logiciel de calcul thermographique et le résultat final est une image correspondant à la répartition de la température sur la scène filmée.

Le thermogramme est généralement présenté en couleurs ou niveaux de gris. Chaque couleur ou niveau de gris représente un niveau de température défini.

bilan-thermique-maison4

Figure 1 : thermogramme d’une maison individuelle

(http://www.projetvert.fr)
Les déperditions, ainsi mises en évidence, peuvent être dues à :

  •  des isolants de mauvaise qualité, dégradés ou sous-dimensionnés ;

  •  une existence de ponts thermiques(1) ;

  •  une présence d’humidité ;

  •  des défauts d’étanchéité.


La thermographie terrestre permet de réaliser des mesures sur les façades et sur des toitures peu élevées à l’aide d’un mât télescopique. La mise en œuvre est, dans ce cas, simple et particulièrement économique mais le champ d’action reste limité en hauteur.

  1. Un pont thermique est une zone ponctuelle ou linéaire qui, dans l'enveloppe d'un bâtiment, présente une variation de résistance thermique. Il est généralement situé à la jonction de deux parois.

La thermographie aérienne permet de réaliser des cartographies thermiques de toitures de bâtiments d’une grande hauteur, mais elle offre d’autres applications :

  • détection des cavités souterraines ;

  • détection de fuites hydrauliques souterraines importantes ;

  • contrôle de centres d’enfouissement ;

  • recherche des pollutions sur terre et en mer.




Type

Consommation de carburant

Niveau sonore

Prix de l’heure de vol

Hauteur de prise de vue

Émission de CO2

Type de mesures

Hélicoptère léger
(2/3 places)


30 à 40

70 dB
à 500 m

250 €

Mini 400 m

Oui

Toitures sur grande zone

Hélicoptère mono-turbine (5/6 places)

100 à 140

70 dB
à 500 m

500 €

Mini 400 m

Oui

Toitures sur grande zone

Avion de tourisme

27

70 dB
à 500 m

110 €

Mini 400 m

Oui

Toitures sur grande zone

ULM

12 à 14

35 dB

à 500 m

60 €

Mini 400 m

Oui

Toitures sur grande zone

Ballon captif




0 dB

à 30 m

30 €

Maxi 150 m

Non

Toitures, façades et sites difficiles d’accès


Tableau 1 : différents moyens de transport utilisés pour la thermographie aérienne 
La thermographie par ballon captif (ballon relié au sol par un câble) permet de cibler plus précisément un bâtiment. Elle présente l’avantage de réduire les délais d’intervention, de simplifier les démarches administratives, et elle est sans danger pour les personnes présentes sur la zone d’intervention.
Le ballon, gonflé à l’hélium (gaz porteur plus léger que l’air), peut être équipé d’un système de géo référencement intégrant un récepteur GPS. La caméra thermique est fixée sur une nacelle, l'ensemble est piloté depuis le sol par un système de radiocommande. Les images sont visualisées en temps réel depuis le sol sur un écran de contrôle grâce à un système de transmission vidéo sans fil.

Pourquoi un tel projet ?

Le maire d’une commune de montagne incluant une station de ski située à 1 800 m d’altitude désire lancer une opération de thermographie aérienne. Lors des vacances d’hiver, la venue des vacanciers génère un revenu important pour la commune mais elle est aussi un facteur influant sur les dépenses énergétiques.

Le but de cette opération sera de valider le travail réalisé sur les constructions neuves et de mesurer les progrès effectués sur les bâtiments en cours de réhabilitation. Cette étude qui portera autant sur les toitures que les façades devra se dérouler en période froide pour être exploitable. Elle devra donc être sans nuisance pour les vacanciers qui affluent dans la station pendant cette période.

Une politique de maîtrise de l’énergie est un facteur de communication important auprès du grand public. Le maire espère donc, par la publication des résultats des travaux entrepris via un site internet, la presse et les plaquettes de l’office du tourisme, la valorisation de sa station.

1.Analyse du besoin
Objectifs de cette partie : analyser le besoin à l’origine des prises de vues thermographiques et comparer la solution retenue avec les autres solutions possibles.


  1. Argumenter, en quelques lignes, sur l’intérêt d’une thermographie aérienne plutôt que terrestre.




  1. Analyser les différents choix possibles de thermographie aérienne (tableau 1 page 4) et donner pour chaque solution les avantages et les inconvénients en complétant le tableau sur le document réponse DR1.

La solution qui est retenue est la prise de vues par ballon captif.

http://www.ballonphoto.fr/wp-content/uploads/ballon-captif-photo.png

Figure 2 : ballon captif (http://www.phodia.com)



Figure 3 : dispositif par ballon captif

Le ballon est hissé en altitude par déroulement d’un câble en matière synthétique à haute performance sur le tambour d'enroulement du treuil.







L’opérateur est au sol avec son pupitre de commande. Il peut piloter à distance l'orientation ainsi que le zoom de la caméra qui est suspendue au ballon par l’intermédiaire d’une nacelle. Le document technique DT1 présente les chaînes d’information et d’énergie du système étudié.


FS1 : permettre à un opérateur d’effectuer des relevés de thermographie infrarouge sur une station de ski.

FS2 : être utilisable sous certaines conditions météo.

FS3 : s’adapter au terrain d’évolution.

FS4 : être utilisable quelle que soit l’altitude du terrain.

FS5 : être esthétique (aspect des matériaux, formes, couleurs, etc.).

FS6 : respecter les normes environnementales.

FS7 : connaître les coordonnées GPS de la prise de vue.



Figure 4 : diagramme des interacteurs





  1. Compléter, sur le document réponse DR1, le diagramme des interacteurs avec les différentes fonctions énumérées. Classifier celles-ci dans les trois catégories proposées sur le document réponse DR1.

2.Réponse au besoin
Objectif de cette partie : proposer un choix de matériels permettant de répondre au besoin et aux contraintes particulières de la prise de vue thermographique dans une station de ski.
La caméra embarquée sous le ballon sera pilotée à distance, un module vidéo est ajouté pour transmettre l'image jusqu’au sol.

Modèle

FLIR P660

NEC AVIO TVS 500EXZ

Variocam HR Research

Résolution

640 × 480 pixels

640 × 480 pixels

1 280 × 960 pixels

Zoom

× 8

× 8

aucun

Masse

2,18 kg

1,5 kg

1,4 kg

Autonomie

3 heures

2 heures

3 heures

Dimensions

355 × 144 × 147 mm

226 × 140 × 140 mm

133 × 106 × 110 mm


Tableau 2 : caméras pour la thermographie

  1. Donner, pour chacun des modèles de caméra ci-dessus, les avantages et les inconvénients pour l'utilisation souhaitée.


La nacelle porte la caméra, elle est motorisée pour orienter la caméra, les mouvements sont commandés depuis le sol par radiocommande. La caméra retenue est le modèle NEC AVIO TVS 500EXZ.

Modèle

Nacelle 1



Nacelle 2



Masse nacelle

800 g

1 100 g

Masse transportable

jusqu’à 1,2 kg

jusqu’à 4 kg

Structure

Carbone - aluminium

Carbone

Rotation horizontale

360° dans les 2 sens

360° dans les 2 sens

Inclinaison

100°

100°

Alimentation

2 batteries haute capacité

2 batteries haute capacité

Pilotage zoom

Rotation progressive

Rotation progressive

Pilotage caméra

Déclencheur infrarouge universel

Déclencheur infrarouge universel

Autres

Amortisseur élastomère

Amortisseur élastomère


Tableau 3 : nacelles pour ballon captif

  1. Choisir, en le justifiant, un type de nacelle permettant le montage sous le ballon de la caméra sélectionnée.

Le treuil permet de dérouler et enrouler le (ou les) câble(s) de fixation du ballon.


Treuil électrique roulant



Utilisation sur terrain plat, autonomie importante

Treuil électrique dorsal



Utilisation sur terrain difficile, autonomie réduite

Caractéristiques techniques

  • structure acier-inox ;

  • moteur 48 V/350 W ;

  • vitesse de rembobinage de 50 à 100 m·min-1 ;

  • diamètre d'enroulement de 17 cm ;

  • capacité : 300 m, type Dynatran 300 kg ;

  • batteries au plomb 4 × 12 V - 12 A·h ;

  • masse linéaire du câble : 0,007 kg·m-1 ;

  • débrayage manuel ;

  • variateur de vitesse ;

  • frein manuel ;

  • roues à crampons sur roulement à billes.

Caractéristiques techniques

  • structure aluminium-fibre de verre ;

  • moteur 250 W ;

  • vitesse de rembobinage de 0 à 50 m·min-1 ;

  • diamètre d'enroulement de 20 cm ;

  • capacité : 2 × 400 m, type Dyneema 150 kg ;

  • batteries 36 V – 1 500 mA·h ;

  • masse linéaire du câble : 0,003 kg·m-1 ;

  • traction : 10 kg ;

  • 3 compartiments de rangement ;

  • masse en ordre de marche 11,5 kg :

  • sangles avec système anti-transpiration.


Tableau 4 : treuil pour ballon captif

  1. Choisir, en le justifiant, le modèle de treuil adapté au type de relevés demandés.


La caméra retenue avec son module de transmission vidéo et les différents systèmes de fixation représentent une masse de 1,7 kg à laquelle il faut ajouter la nacelle et le câble, soit une masse totale de 3,7 kg.

Le ballon à utiliser doit permettre l’élévation de l’ensemble du dispositif dans de bonnes conditions.


Un ballon de type sphère est un produit peu coûteux et performant par faible vent. Ses performances sont vite limitées avec le vent car son coefficient de pénétration dans l’air (Cx) est très défavorable par rapport à celui d’un ballon dirigeable.

Un ballon dirigeable est très stable au vent, il apporte un confort appréciable et une facilité de travail sans commune mesure. Son gros inconvénient est la difficulté de son transport. Il impose d’utiliser une grosse remorque ou un camion.

c:\users\user\documents\phodia\ballon-photo-sphere.jpg

Figure 5 : ballon sphère






Figure 6 : ballon gélule


Le ballon gélule est un compromis entre le ballon sphère et le ballon dirigeable.

Facilement transportable, il a également une bonne pénétration dans l'air.





Dimensions (m)

Volume (m3)

Masse (kg) enveloppe

Traction* (daN) maximale

Portabilité annoncée par le constructeur (kg)

Sphère 1

2

4,2

1,5

2,7

1,9

Sphère 2

2,3

6,4

2,0

4,4

2,6

Sphère 3

2,5

8,2

2,4

5,8

3,8

Gélule 1

2,9 × 1,6 × 2

5,6

2,4

3,2

2,1

Gélule 2

3,6 × 1,8 × 2,2

8,5

3,2

5,3

3,7

Gélule 3

3,8 × 2 × 2,3

10,5

3,7

6,8

4,5

Dirigeable 1

4,2 × 1,9

8

3,5

4,5

3,0

Dirigeable 2

5,0 × 2,0

10,2

3,8

6,4

4,5

*la traction correspond à l’effort ascendant que fournit le ballon pour porter les masses transportées et maintenir une tension dans le câble qui le relie au treuil.
Tableau 5 : dimensions, caractéristiques et performances (en plaine)

des différents ballons captifs



  1. Choisir, en le justifiant, le modèle de ballon le mieux adapté.




  1. Valider les choix effectués dans cette partie en complétant le diagramme FAST sur le document réponse DR2.




  1. Justifier, en cinq lignes au maximum, le choix de la thermographie aérienne par ballon captif pour cette station.




  1. Analyse des écarts entre la traction attendue et les résultats obtenus avec le modèle de calcul en altitude


Objectif de cette partie : vérifier les performances du ballon en altitude à partir d’un modèle d’équations physiques fourni et les comparer à celles annoncées par le constructeur.

Le ballon retenu est le ballon gélule 2 car il permet, d’après les données du constructeur, de transporter la caméra retenue associée à son module de transmission vidéo, les différents systèmes de fixation ainsi que la nacelle et le câble, soit une masse totale de 3,7 kg.

Cependant, les performances annoncées (voir tableau 5 page 8) correspondent à une utilisation à une altitude proche du niveau de la mer. La pression atmosphérique, plus faible en altitude, aura inévitablement une influence sur la traction du ballon.

La traction et la portabilité en altitude peuvent être calculées à partir d’un modèle théorique simplifié.

Modélisation des actions mécaniques :

  • il est prévu d’utiliser le ballon à une altitude comprise entre 1800 m (altitude de la station de ski) et 1950 m (ballon en vol au bout de 150 m de câble) ;

  • le ballon, en altitude au bout de son câble, est soumis à une action mécanique ascensionnelle (poussée d’Archimède) modélisée par une force dirigée vers le haut et s’exerçant au point (voir DR3) ;

  • l’ensemble {ballon, nacelle + caméra, câble déroulé} est soumis à l’action mécanique du câble enroulé sur le tambour du treuil qui l’empêche de s’envoler et modélisée par une force s’exerçant au point K (voir DR3) ;

  • les actions mécaniques de la pesanteur sur le ballon, la nacelle + caméra et le câble déroulé sont modélisées par des forces s’exerçant respectivement aux points, et (voir DR3). Prendre .



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