PHYWE 04372.00 Manuel utilisateur

 a
a
F F
Unité moteur/gé
Torsiometre
Moteur Stirling, transparent
04372.00
04372.01
04372.02
Mode d'emploi
1 OBJET ET PROPRIETES CARACTERISTISQUES
Un moteur Stirling (moteur a air chaud) sert a la transfor-
mation d'énergie thermique en énergie mécanique. Lor-
squ’il est entraîné mécaniquement, il fonctionne en pompe
à chaleur ou en machine frigorifique; il permet donc de
montrer d'une façon remarquable la réversibilité des pro-
cessus thermodynamiques. Le mode de fonctionnement du
moteur Stirling est expliqué sur la figure 2.
Le piston moteur et le piston de détente sont disposés en V
et décalés de 90°. Le piston moteur (A) est de constitution
métallique, il est exactement ajusté au tube en verre. Le pi-
ston de détente (V) en verre assume en même temps la
fonction de récupération (régénération), une fonction pri-
mordiale dans le principe de fonctionnement d’un moteur
Stirling: il refroidit le courant de gaz chaud, accumule
son énergie et la recède au gaz froid refoulé.
À l’aide de l’unité moteur/générateur l'énergie mécani-
que produite par le moteur Stirling est transformée en
énergie électrique (lumière). Inversement, cette unité
permet aussi l'entraînement mécanique du moteur Stir-
ling.
A l’aide du torsiomètre on peut appliquer au moteur
Stirling un couple déterminé. En outre, en mesurant la
vitesse de rotation, on peut en calculer la puissance
mécanique cédée.
Fr A i a AY
Fig. 2: Mode de fonctionnement du moteur Stirling.
1) Détente isotherme, apport de chaleur, cession de travail
2) Cession de chaleur isochore, pas de travail
3) Compression isotherme, cession de chaleur, absorption de travail
4) Absorption isochore de chaleur, pas de travail
V,—> Va p, — Py et 7, = const
T.— To Ppo—> Pa el V,= const.
Vo—> Vi p3—>p4 et T,= const.
To—>T, py—>p; et V, = const
PHYWE SYSTEME GMBH - Robert-Bosch-Breite 10 - D-37079 - Gottingen - Telefon (05 51) 6 04-0 - Telefax (05 51) 60 41 07
2 DESCRIPTION ET MODE OPERATOIRE
2.1 Moteur Stirling 04372.00
La fourniture comprend:
1 moteur Stirling
1 plaque de base bleue
1 brûleur à alcool
1 Clé Inbus
4 vis à tête moletée
(2 dans la plaque de base,
2 sur le moteur Stirling)
Le moteur Stirling est placé sur la plaque de base et fixé par
le bas par deux vis à tête moletée. Deux autres vis à tête
moletée, sur le dessus de la plague de base, servent à fixer
Funité moteur/générateur ou I'échelle graduée du tor-
siometre. |
Le volant est en général monté fixe sur 'axe. Il peut étre dé-
gagé à l’aide de la clé Inbus. Après un remontage du volant,
l'axe devra être tiré légèrement vers l'extérieur et il ne doit
subsister entre le volant et le corps du moteur qu’un petit in-
terstice de l'épaisseur d’une feuille de papier pour que l’axe
n'ait pas trop de jeu en marche.
Dans le cylindre de détente se trouvent deux points de me-
sure de température. Les douilles métalliques comportent
une ouverture d'un diamètre de 0,6 mm pouvant recevoir
des thermocouples NiCr-Ni gainés. (N° de cde 13615.01)
2.2 Unité moteur/générateur 04372.01
La fourniture comprend:
1 moteur/générateur sur une équerre de montage
1 courroie
1 lampe à incandescence 4 V / 40 mA
L'unité moteur/générateur possède deux poulies à corde de
taille différente, permettant de montrer l'influence du rapport
de transmission sur la puissance et la vitesse de rotation du
moteur Stirling. La liaison avec le volant est assurée par
une courroie.
Un commutateur permet de choisir entre la marche moteur
et la marche générateur.
Lors du fonctionnement en générateur la lampe à incan-
descence est allumée. Parallèlement à la douille de la
lampe se trouvent deux douilles de sortie permettant d’y
raccorder une résistance réglable. |
En position ,0* du commutateur, le générateur n’est pas en
charge. |
Lors d'un fonctionnement en moteur, on applique une ten-
sion continue aux douilles d'entrée.
2.3 Torsiomètre 04372.02
La fourniture comprend:
1 aiguille indicatrice
1 échelle graduée
La pièce métallique intérieure de l'aiguille (frein de Prony
avec poids d'inclinaison) est fixée solidement à l’aide de la
clé Inbus devant le grand votant sur l’axe du moteur Stirling.
Le frottement entre la pièce métallique et l’aiguille peut être
modifié par la vis de réglage sur l'aiguille. |
Lorsque le moteur Stirling tourne, l'aiguille est enfilée avec
précaution sur l'axe. Alors, le frottement doit être lente-
ment augmenté, toutefois il ne doit pas atteindre la valeur
bloquant le moteur. Le couple réglé est affiché sur l’échelle
graduée.
PHYWE
3 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
Moteur Stirling
Vitesse de rotation à vide min. 800/min
Puissance max. env.1 W
Unité moteur/générateur
Tension moteur max. 12 V-
Lampe à incandescence A4V/40 mA
Diamètre de la courroie 150 mm
Torsiomètre
Plage de mesure 25-1073 Nm
Résolution 1:-103 Nm
4 iNDICATIONS PARTICULIERES
Le piston moteur ne doit pas être huilé, il est exactement
ajusté dans le cylindre en verre. L'huile augmenterait le frot-
tement et diminuerait ainsi la puissance du moteur.
Le cylindre de détente est monté pour qu'il existe un jeu ré-
gulier … . entre lui et ie piston et que la puissance soit op-
timisée. Les vis de fixation ne doivent donc pas être modi-
fiées.
Lorsque la puissance du moteur Stirling baisse, la tige -
| du piston de détente doit être munie d’une goutte
d'huile de machine très fluide. Pour ce faire, utiliser une se-
ringue (NP de cde 02593.03) avec une canule (NP de cde
02597.04) pour qu'aucune goutte d'huile ne parvienne sur
le piston moteur.
5 LISTE DES APPAREILS
Moteur Stirling, transparent 04372.00
Unité moteur/générateur 04372.01
Torsiometre 04372.02
Accessoires pour marche en moteur solaire 04372.03
Cheminée pour moteur Stirling 04372.04
Unité de détection pVn 04371.00
Appareil de mesure pVnT 04371.97
Thermocouple NiCr-Ni, gainé (2x) 13615.01
Oscilloscope 20 Mhz, 2 canaux 11454.93
Cable blinde BNC (2x) 07542.11
Rhéostat 330 Q 06116.01
Fils de connexion
‚ 04372.00
zh
Fig. 3: Puissance mécanique P, et puissance électrique P, en fonction de la vitesse de rotation (Pa1 = grande poulie, P,, = petite poulie)
6 EXPERIENCES 7 BIBLIOGRAPHIE:
Les appareils complémentaires bien accordés au moteur | Travaux pratiques Enseignement supérieur Physique,
Stirling permettent de nombreuses expériences qualitatives = Partie 5, expérience 3.19
et quantitatives.
- Transformation: Chaleur - énergie méc. - lumière
- Fonctionnement en pompe à chaleur ou en machine fri-
gorifique |
- Puissance mécan. en fonction de la vitesse de rotation
(Fig. 3)
- Puissance électr. en fonction de la vitesse de rotation
— (Fig. 3)
- Mesure des températures
- Relevé du diagramme pV
Komm.Nr.: KOM044777
Auftrag: LAU001304-1
Empfänger: Phywe Systeme GmbH (FRANKREICH
Grand Route 79
BE - 4610 Beyne-Heusay
Artikel Komponente Beschreibung
04372-00 MOTEUR STIRLING, TRANSPARENT
04372-01 UNITE MOTEUR/GENERATEUR
04372-02 TORSIOMETRE
04371-97 METRE P. MOTEUR STIRLING PVNT
04371-00 UNITE DETECTEUR PVN MOT. STIRL
Unité de détection pVn
Appareil de mesure pour moteur Stirling, pYn7
04371.00
04371.97
Mode d'emploi
04371.00
1 OBJET ET PROPRIETES CARACTERISTIQUES
L'unité de détection et l'appareil de mesure ont été spé-
cialement étudiés pour le moteur Stirling transparent
04372.00. lls servent a saisir et a afficher toutes les valeurs
des états thermodynamiques de ce moteur Stirling.
Pression
Un capteur sensible à compensation de température saisit
continuellement la pression dans le moteur Stirling.
Signal de sortie: Valeur de tension analogique.
Volume et vitesse de rotation
Le mouvement du piston moteur est exploré par un détec-
teur incrémentiel accouplé au vilebrequin. Les signaux du
détecteur permettent de calculer la vitesse de rotation et les
volumes d'air momentanés dans le moteur Stirling.
Signal de sortie pour la vitesse de rotation: Affichage
numérique à 4 chiffres
Signal de sortie du volume: Valeur de tension analogique
Affichage d’un diagramme pV, par exemple, à l'aide d’un
oscilloscope.
Température |
Les températures dans les parties froide et chaude du cy-
lindre de détente sont mesurées par l'intermédiaire de deux
piquages de mesure à l’aide de thermocouples
NiCr-Ni.
Sortie: deux display avec indication numérique à 4 chiffres
Display T, peut être commuté sur une mesure différentielle
T, - To.
2 MONTAGE DE L'UNITE DE DETECTION pVn
Pour pouvoir effectuer les mesures de pression, de volume
et de vitesse de rotation du moteur Stirling, l’unité de dé-
tection et le moteur Stirling doivent être reliés solidairement
entre-eux. Un entraîneur (7) est fixé sur l’axe du détecteur.
I! peut être libéré et bloqué à l'aide d’une clé Inbus (fournie
04371.93
avec le moteur Stirling). Avant le montage, cet entraîneur
devra être poussé complètement vers la tour de mesure.
Le moteur Stirling est détaché de sa plaque de base bleue.
Puis, la plaque de montage est retirée de sa face inférieure
à l'aide d'un tournevis. Ensuite, le moteur Stirling est fixé
sur la plaque de montage de l’unité de détection (2).
L'entraîneur du détecteur incrémentie! est poussé vers le
moteur Stirling, accouplé à la masse d'inertie fongiforme et
bloqué sur l'axe. Pour terminer, le moteur Stirling avec la
tour de détection est remonté et revissé sur la plaque de
base bieue.
Pour la mesure de la pression, le capteur de pression doit
être relié par l'intermédiaire d’un tuyau caoutchouc à paroi
épaisse avec l'olive de raccordement de la plaque de mon-
tage (3).
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C
a
3 DESCRIPTION DE L'APPAREIL DE MESURE pVnT
Douille à diode 8 pôles
pour le raccordement de l’unité de détection pVn.
Capteur de pression et détecteur incrémentiel sont
alimentés par cette douille à la tension nécessaire.
Les signaux de mesure sont dirigés vers l'appareil de
mesure pour être traités et affichés.
2 Entrées
pour les thermocouples NiCr-Ni (NP de cde
13615.01)
3 Sorties analogiques
pour la pression resp. le volume pour la représenta-
tion du diagramme pV, par exemple avec l’aide d’un
oscilloscope ou d'une interface d'ordinateur.
4 Affichage numérique
pour la vitesse de rotation |
5 Affichages numériques
pour les températures (5a). Dans le display du milieu,
on peut afficher soit la température T, soit la dif-
férence T, - T,. La sélection se fait par la touche à
encliquetage ,Display“ (5b). Deux diodes lumineuses
Oc) indiquent laquelle des deux valeurs est repré-
sentée.
Touche
pour I'étalonnage des deux sondes de températures
voir point 4 ,Etalonnage lors de I'enclenchement de
’appareil“, |
Touche
pour confirmer (valider) le positionnement du piston
moteur pour le calcul du volume (voir point 4 ,Etalon-
nage lors de I'enclenchement de l'appareil“
Montage expérimental
4 ETALONNAGE DE LA TEMPERATURE ET DU VO-
LUME LORS DE L'ENCLENCHEMENT DE L'AP-
PAREIL
Pour effectuer des mesures relatives, les thermocouples
NiCr-Ni possèdent une bonne précision (0,1 K), toutefois
les valeurs absolues de deux sondes peuvent s’écarter
entre-elles jusqu'à 6°C. Un étalonnage est donc nécessaire
en cas de la mesure différentielle de température
T, - To.
Un étalonnage est également indispensable lors de la me-
sure des volumes: |
Le volume momentané de Pair dans le moteur Stirling est
déterminé à partir de la position du piston moteur, c'est-à-
dire à partir de la position angulaire du vilebrequin à l'aide
du palpeur détecteur incrémentiel. Dans ce cas, il faut
procéder à une prédétermination d’une valeur d'origine.
Température
Immédiatement après sa mise en route, l'appareil effectue
toujours un court autotest de tous les composants. Si ce
test est concluant, le display du milieu affiche l’ordre ,CAL“.
- Les deux sondes de température raccordées doivent alors
être amenées à la même température (p. ex. d’un bain-
marie), puis il faut actionner la touche (6) ,Calibrer AT“.
- L'appareil saisit les deux valeurs de mesure et mémorise
leur différence jusqu'à la coupure de l’appareil.
Ce calibrage n’a aucune répercussion sur l’affichage des
valeurs absolues.
Au cas d'utilisation d'une seule sonde de température, ou
si la différence de température ne présente pas d'intérêt, la
touche peut être actionnée pour n'importe quelle tempéra-
ture de la sonde.
Volume |
Apres Fétalonnage de la température, le display supérieur
affiche l'indication Lot“ (= point mort supérieur = PMS).
- Le détecteur incrémentiel de l’unité de détection doit alors
être monté solidement sur le vilebrequin du moteur Stirting
et l'unité de détection doit être reliée à la douille
8 pôles de l'appareil de mesure.
- Puis, le piston moteur est amené à la position pour la-
quelle dans le moteur Stirling règne le plus petit volume,
c’est-à-dire le piston moteur se trouve à son point le plus
bas. La touche (7) ,Calibrer V* est actionnée pour cette
position.
- Un étalonnage erroné améne un offset dans le calcul du
volume, d’où une déformation du diagramme pV!
Les touches pour les opérations d’étalonnage n’ont plus au-
cune fonction pendant le fonctionnement suivant de l'ap-
pareil. Un nouvel étalonnage ne peut être réalisé qu'après
une extinction et un réenclenchement de l’appareil.
5 ETALONNAGE DE LA TENSION DE SORTIE POUR
LA PRESSION
Le capteur de pression mesure la différence de pression
par rapport à la pression de l'air p,. Sa tension de sortie est
amplifiée par l'appareil de mesure, et à la pression atmos-
phérique р, une tension offset est affectée. Pour que l’ap-
pareil de mesure du moteur Stirling soit indépendant d'une
unité de détection déterminée, l’amplification et l’offset de
l'appareil de mesure sont réglés pour les caractéristiques
propres du capteur de pression.
Pour exploiter le diagramme pV, il faudra donc étalonner la
tension de sortie de la pression de l’appareil de mesure en
fonction du couple capteur-appareil de mesure existant.
Ceci peut être exécuté facilement, par exemple à l'aide
d'une seringue a gaz.
Pour ce faire, on retire le tuyau souple de l’olive de la pla-
que de montage et on détermine d'abord la tension pour la
pression atmosphérique p,
Le piston d’une seringue a gaz fermant hermétiquement
est, par exemple, retiré de 20 ml, puis relié par l’intermé-
diaire du tuyau au capteur. En repoussant le piston vers l'in-
térieur en opérant par pas de 1 ml (p. ex. jusqu'à la marque
des 15 ml) la pression peut facilement être augmentée. La
compression est isotherme. La plage de la phase en dé-
pression est mesurée respectivement par une détente, par
exemple, en opérant de 15 ml par pas à pas jusqu'à 20 mi.
Le volume du tuyau de liaison d'env. 0,07ml peut être nég-
ligé. La figure montre un exemple de mesure.
Compression de 20 ml à … |
| 1
0 -200 -00 0
7 | | |
100 200 300 400
AP >
hPa
PTY
2019 16 17 % %
! !
Пу — — ->>-
— Détente de 15 mi à.
20% 18 17 % 15
«= mn
Etalonnage de la tension de sortie pour la pression (exemple de mesure) Tension U en fonction de la surpression Ap=p-p,
PHVWE 3
04371.00
— Plage de mesure:
Résolution: 0,1°C
6 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
Pression
Les tensions de sortie du capteur de pression sont ampli-
fiées par l'appareil de mesure.
Caractéristiques du capteur de pression (pour une tension
de service de 5 V):
Sensibilité typ. 44-108 V/hPa
(min 28-10 V/hPa)
Linéarité typ. 0,15% (max. 0,35%)
Tension pour p, typ. 0 mV (+/-25 mV)
Caractéristiques de l'appareil de mesure:
Facteur d’amplification: 114
Tension de sortie: typ. 5,0-10%3 V/hPa
(min 3-103 V/hPa)
pour po typ. 2,5 V (+/-2,8 V)
Vitesse de rotation et volume
La valeur de la tension pour le volume est calculée à partir
de la position du détecteur incrémentiel. Pour ce faire, on
affecte lors de l’opération d'étalonnage la valeur 0 V au plus
petit volume Vmin
Détecteur incrémentiel: 256 impulsions/tour
‘Affichage vitesse de rotation: max. 1999 min7!
Tension de sortie: 4,2 Viem$
pour des volumes Vin (32 cm) = 0,0 V
Va (44 cm®) = 5,0 V
Température
Lors d'un fonctionnement en moteur pendant lequel règne
température (flamme), il est judicieux de limiter la mesure
de température à une précision de 1°C. La position du point
de mesure a été choisie en fonction de relevés thermogra-
phiques pour qu'en cet endroit on soit en présence d'une
température moyenne du gradient.
Lors d'un fonctionnement en pompe à chaleur, resp ma-
chine à froid, les variations de température du système sont
nettement plus petites. Pour cette raison, on a choisi pour
le deuxième point de mesure de la température une réso-
lution de 0,1°C.
T,et AT: |
Plage de mesure: -10°С...+400°С
Résolution: 1°C
To:
-10,0°C...+99,9°C
PHYWE
7 LISTE DES APPAREILS
Appareil de mesure pour moteur Stirling pVnT 04371.97
Unité de détection, pVn 04371.00
Moteur Stirling, transparent 04372.00
Unité moteur/générateur 04372.01
Torsiométre 04372.02
Cheminée pour moteur Stirling 04372.04
Thermocouple NiCr-Ni, gainé (2x) 13615.01
Oscilloscope, 20 Mhz, 2 canaux 11454.93
Câble blindé BNC, L = 500 mm 07542.11
Seringue 20 ml, LUER, 1 piéce de 02591.03
Pour le relevé du diagramme pV, on peut utiliser á la place
d'un oscilloscope une interface d'ordinateur avec un pro-
gramme d'un traceur XY.
8 BIBIOGRAPHIE
Travaux pratiques Enseignement supérieur Physique,
Partie 5, expérience 3.19.
04371.00
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