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Classe:

matériel

dessine la chaîne d'expérimentation (ordinateur (unité centrale et périphériques (moniteur=écran, clavier, imprimante)), interface, adaptateurs et sondes (sonde à oxygène = électrode de Clark, sonde de température et sonde de lumière (mesure de l'éclairement)).

la sonde mesure un paramètre physique sous forme d'une différence de potentiel (ddp = grandeur électrique) qu'elle transmet à l'interface qui la transforme en une valeur numérique électronique qu'elle transmet à l'ordinateur qui affiche une certaine valeur avec une certaine unité.

sonde	paramètre mesuré	unité d'affichage
sonde à oxygène	concentration en dioxygène	µmol.L-1 ou %
sonde de température	température	°C (degré Celsius)
sonde de lumière	éclairement (énergétique)	W.m-2

le logiciel : pilote/laboratoire/reacell

1.mesure de la température de la pièce
Voilà les valeurs affichées par les 5 postes pour les 2 groupes

19,5

25,5

24,0

20,0

85,5

24,0

23,5

22

22,0

20,0

Quelle valeur prendre ? Quelle confiance accorder à la mesure ? Comment la chiffrer ?
la valeur moyenne, arrondie à la précision de l'affichage (0,5 unités) après avoir enlevé la valeur non significative (et essayé vainement de régler la sonde non fonctionnelle) que l'on présente avec l'écart entre toutes les mesures que l'on appelle l'incertitude.

Il faudrait pouvoir régler la sonde par rapport à des valeurs connues :
On place la sonde dans un récipient rempli de glace pilée: les résultats obtenus (certaines valeurs changent continuellement à 1,5°C près) sont les suivants (affichage en °C):

0,0

0,5

0,0

1,5

0,0

3,5

0,5

0,0

0,5

0,0

La température de la glace pilée n'est pas exactement de 0°C mais on voit quand même deux limites à notre mesure:
* l'affichage de la température se fait avec une précision de 0,5 °C (attention c'est la précision de l'affichage et non de la mesure) et le logiciel n'affiche pas de valeurs inférieures à 0°C. Il y a donc ici d'abord une limite de l'affichage liée au logiciel
* l'étalonnage c'est-à-dire le réglage de la sonde par rapport à la valeur connue est nécessaire. Ce n'est pas possible pour la sonde de température mais c'est possible pour la sonde à oxygène.
Remarque:
la notice du constructeur de la sonde donne normalement les limites du domaine de mesure de la sonde et la précision que l'on peut espérer. Ces valeurs doivent être notées. On peut, en première approximation, leur faire confiance mais il n'est pas exclu de les vérifier en utilisant d'autres appareillages de mesure pour comparer les résultats (ici par exemple différents thermomètres : à mercure, à alcool...).

2. étalonnage de la sonde à oxygène
Module "réglage des capteurs". On règle les deux boutons de l'adaptateur à partir de la mesure de la concentration en dioxygène dans un milieu de référence dont on connaît la concentration en oxygène qui est fixe: le bouton "zéro" permet le réglage dans la "solution zéro" : une solution de produit chimique dans lequel il n'y a "pas" d'oxygène (mesurable avec la précision de cette sonde) ; le bouton "pente" permet le réglage dans l'air pour lequel la teneur en dioxygène est 21% soit 275 µmol.L-1 à la température de 25°C (le logiciel fait lui-même la correction en fonction de la température qu'il mesure mais étant donné la précision des sondes de température, la concentration en dioxygène n'est pas elle-même très précise).

3. mesure de la concentration en dioxygène de la salle pendant 10 minutes
Entrez dans le module "Mesure de la concentration en oxygène", "Représentation graphique" puis affichez les trois paramètres. Rentrez les valeurs limites de tracé (min. et max.) pour chaque paramètre avec l'intervalle de votre choix, vous pourrez les modifier ensuite.
Démarrez l'enregistrement.
En cours d'enregistrement ajustez la fenêtre du tracé en jouant sur les touches F1, F2, F3 et F4 de façon à obtenir le tracé le plus précis possible (c'est à dire les points les plus dispersés selon l'axe des Y). A la fin vous pouvez aussi modifier l'échelle des Y en choisissant "Graphique" puis "Echelle".

A quelle courbe auriez vous pu vous attendre et pourquoi ? Une droite horizontale parce que la teneur en O2 de la pièce ne change pas beaucoup en 10 minutes

Quelles courbes obtenez-vous ? Des nuages de points dispersés globalement disposés horizontalement ou obliquement avec des valeurs croissantes ou des valeurs décroissantes. Pour un groupe une superbe droite horizontale sans aucun point s'écartant de la valeur initiale.

Expliquez pourquoi vous obtenez ou n'obtenez-vous pas la courbe attendue ? La courbe absolument horirontale est due à une sonde qui ne fonctionne pas. Les autres courbes ne sont pas des droites horizontales pour différentes raisons possibles : par exemple à cause de l'air qui bouge et donc qui n'a peut-être pas la même teneur en O2 (nous respirons) et surtout à cause de la sonde dont la précision n'est pas forcément très grande...

Que mesure donc à peu près l'écart entre les deux valeurs minimales et maximale obtenues sur l'intervalle de 10 minutes ? L'incertitude mais en se méfiant des sondes qui ne fonctionnent pas

Quelle valeur obtenez-vous ? 4 µmol.L^-1 pour un groupe et 14 µmol.L^-1 pour l'autre groupe

Remarque :
Pour le deuxième groupe une démarche complémentaire a été réalisée : la mesure a été faite dans une enceinte fermée.
On obtient exactement le même type de courbe que dans la première expérience, avec la même incertitude. Notre interprétation sur les mouvements de l'air est donc inexacte. C'est bien l'imprécision de la sonde qui est responsable de la dérive observée.
Remarque intéressante :
En interchangeant les sondes entre les postes et selon les 4 groupes de TP de la semaine, on peut voir que chaque sonde a un dérive assez reproductible : certaines sondes présentant toujours une courbe croissante, d'autres décroissante, d'autres enfin marquant des petits arrêts dans la mesure (parties horizontales de courbe pendant 5 à 30 s). Ce type de résultat est à mettre en rapport avec le principe de fonctionnement de l'électrode et dépasse nettement le cadre de ce cours...

Une mesure expérimentale est toujours affectée d'une incertitude qui dépend de la précision de l'appareil de mesure (précision de la mesure et de l'affichage de cette mesure). La plupart des appareils de mesure doivent être étalonnés.

expérience

Montage :

On place trois tiges feuillées d'élodée dans le bécher de 250 mL rempli d'environ 200 mL d'eau distillée. On règle l'agitateur magnétique à la vitesse minimale. On prépare mais on éteint la lampe. On plonge les trois sondes (O2, lumière et température) dans l'eau avec l'élodée sans empêcher le barreau magnétique de tourner.

On utilise la logiciel REACELL (société Jeulin) avec l'option "Concentration en oxygène", Représentation graphique et "Oxygène, température et lumière". Durée 15 minutes. Limites à ajuster en fonction des valeurs affichées pour chaque poste. On peut modifier les limites du tracé de la concentration en dioxygène en cours de manip.

résultats

témoins

Trois types de témoins ont été trouvés et réalisés par les élèves :

Témoin 1 : on enlève la plante et on recommence la même expérience sans élodée. L'eau était la plupart du temps sale et contenait quelques feuilles d'élodée. Les résultats étaient quasiement identiques au premier enregistrement. On trouve des variations en 15 min de l'ordre de 30 µmol.L^-1. Ce qui est du même ordre de grandeur de celles mesurées dans l'expérience. L'EXPERIENCE N'A DONC PAS UNE VALEUR QUANTITATIVE MAIS QUALITATIVE. Ce qui est significatif dans l'expérience est le sens de variation de la concentration en dioxygène en fonction de l'éclairement. Les valeurs ne sont pas utilisables.

Témoin 2 : on enlève l'élodée et on change l'eau distillée. On recommence la même expérience dans les mêmes conditions. On observe bien une corrélation très nette entre la concentration en dioxygène affichée et la température de l'eau. Il est aisé de relier l'augmentation de température au chaffage du à la lampe à filament lorsque l'on allume celle-ci. Globalement, plus la température baisse, plus la concentration en dioxygène augmente. Inversement, plus la température augmente, plus la concentration en dioxygène du milieu diminue. Ces variations sont bien celles de la solubilité du dioxygène dans l'eau en fonction de la température (voir fiche technique de la sonde où quelques valeurs sont fournies).

Témoin 3 : pour tester le rôle de la température mis en évidence à partir des témoins 1 et 2, on réalise, comme pour le témoin 2, un montage sans élodée avec uniquement de l'eau distillée. Au départ on la refroidit grâce à un glaçon (et l'on observe que la concentration en dioxygène diminue, ce qui est l'inverse de ce que l'on a obtenu précédemment) puis on allume une ou deux lampes pour faire augmenter progressivement la température : la concentration en dioxygène affichée augmente alors régulièrement; ce qui est encore contradictoire avec les résultats du témoin 2.
On a noté aussi qu'à partir d'une certaine température (ou d'écart...?) la sonde à dioxygène présente une brusque baisse de valeur d'affichage.
Pour expliquer ces affichages pour le moins peu fiables et surprenants, il semble qu'il faille invoquer la présence d'un mécanisme de réglage interne au niveau de l'adaptateur du fait que la sonde de chez Jeulin présente une sonde thermique intégrée qui est censée corriger la température.... l'utilisateur ne peut pas du tout maîtriser cette correction, ce qui rend la sonde peu fiable.

"Témoin 4" : quelques élèves ont réalisé la même expérience en changeant simplement l'ordre de l'allumage et de l'extinction de la lampe. Ce n'est pas vraiment un témoin mais la même expérience réalisée dans d'autres conditions de temps. Les résultats sont similaires, même après 3 heures de TP sans arrêt (2 groupes).

remarques techniques

Voici quelques petits problèmes qui ont été observés en cours de manip :

1. la sonde de lumière est cassée bien qu'elle affiche dans l'air des valeurs correctes d'éclairement (en fait le verre de la fenêtre de mesure est fêlé), le plus surprenant est que, dans l'eau, elle pertrurbe le fonctionnemnent de la sonde à dioxygène qui affiche une valeur quasi stable autour de 500 µmol.L-1. La solution la plus simple est de laisser la sonde de lumière cassée hors de l'eau...
2. La sonde de température, déjà peu fiable (voir page précédente sur la mesure de l'incertitude), a affiché, sous très fort éclairement (3 lampes de 100W à moins de 10 cm), des valeurs erratiques de 45 et 88°C alors qu'elle était plongée dans l'eau à environ 25°C.... Il semble qu'il y ait là encore quelques faux contacts...