ARTheque - STEF - ENS Cachan | Des élèves de T.S. conçoivent et réalisent un densitomètre optique

DES

ELEVES

DE

T.S.

CONÇOIVENT ET REALISENT

UN

DENSITOMETRE

G. GABET

OPTIQUE

A la rentrée scolaire 1973-1974, avec quelques professeurs du lycée, nous avons décidé de tenter une expérience avec les élèves de T.S. deuxième année, spécialisés dans la construction des instruments d'optiques. Nous avons donc recréé les différentel:'l éta.pes de l'élaboration dtun produit,

oomme dans les entreprisse. Nous nous sommes Imposés le programme suivant :

- 4 à 6 semaines de projet

- 4

semaines de fabrication

(15 Octobre ". 30 Novembre) (15 Décembre - 20 Janvier) - Montage de l'appareil et essais après-lee vacances de Pâques,

en raison des délais de livraison de certaines piècese

Avant d'aborder les différents problèmes qui se sont posés, et, de décrire les réactions des élèves, définissons le sujet étudié J

DENSlTOlfJETRE OPrIQUE.

Un denaitomètre permet da définir un corps par analyse spectrale, il mesure donc un flux de lumière. A l'aide d'un ape cbographe , on enregistre le spectre d'émission d'un corps sur une plaque sensible, et, en détermine la composition chimique (ou analyse quantitative) en mesurant le noirciss&-ment des ra~ qui caractérisent ses différents éléments$ En comparant les intensités de certaines raies, on peut déterminer avec une grande précision la teneur des différents éléments contenug dans l'échantillon dont on a photograplrlé le spectre d'émission.

L'étude optLque de cet appareil avait été réalisée par un groupe d'élèves de la promotion précédente. L'avfult projet était donc établi et la fabrication des composant5 optiques était en courSe

...1()..

Etudions SOI1 fonotionnement et regardons le schéna ci-dessous.

le

plaque photographique (6) est traversée par un faisceau lumineux, et on mesure. en fonction de la zone étudiée. les variations de flux du

faisceau transmis. Pour que l'analyse soit suffisamment fine il faut utiliser un faisceau conique dont le sommet soit si tué au niveau de l'émulsion. Toute-fois, le spectrogramme étant oonstitué de "raies" d'une certaine longueur, on limite sur la plaque non pas une zone ponctuelle. maie une zone linéaire. C'est l'image de la fente (3) obtenue par l'intermédiaire du miroir de

renvoi (4) et de l'objectif

(5).

Le but du condenseur (2) est de concentrer le maximum de flux émis par la lampe (1) sur la pupille de l'ob,iectif

(5).

Âprès traversée de la plaque, le condenseur (7) recueille l~s rayons lumi-neux et les focalise sur la photo-diode (8). Celle-ci, liée à un galytUlom~tre, convertit les variations d' éolairement en signaux éleotriques directement exploitables.

_11_

Regardons maintenant comment l'utilisateur se sert de l'appareil.

La.

plaque (6) ci-dessous reçoit plusieurs spectres

à

comparer, ceux-ci étant disposés suivant oyo En conséquence, l'utilisateur est amené à

0 __

-

-

--

_-

- -

---

--x

sélectionner un spectre en déplaçant manuellement la plaque (6) suivant ox (course 80 mm), puis l'appareil va "lire" le spectre par 1U1 mouvement de

translation suivant oy (course 65 mm) Drt1 par un moteur électrique. On peut alors tracer la courbe de l'éclairement reçu en fonction de l'abscisse oy pour un spectre donné.

Avant de décrire Pappareil, analysons les impératifs à respecter pour sa conceptiono

la fabrication au lycée doit se faire avec les outillages et les machines disponibles. N'est-ce pas un des premi.ers problèmes industriels? Faire avec ce que l'on possède. Les élèves, en p,énéral, ne s'en préoccupent guère. C'est pourquoi, le bâti du Densitomètre sera réalisé à l'aide d'éléments Tissés, le ~cée ne disposant pas de fonderie ni de poste de soudure. Toutefoi8~

on peut demander aux élèves, en étude complémentaire, de concevoir un bâti moulé et un M.ti soudé. Notons aussi que l'atelier ne possède pas de machines spéciales et qu'il faut se limiter aux usinages les plus sinrpçs; ce qui est souhaitable dans tous les cas.

le. conception d'un appareil demande également l'achat de fourrùtures dans le commerce. Onfait ainsi entrer concrétement dt autres notions dans la conception d'un p~odtùt : connaître ce qui existe sur le marché, de quelle manière on l'obtient, dans quels délais, et à quel prix~

Regardons maintenant la réalisation du densitoutre et la lI!Wlière

de résoudre ces problMies que l'on ne renoontre pe.8 dans une épreuft de dessin.

CONCEPrION GENERALE lU DENSIT<JŒTRE.

La perspective d'ensemble (voir page suivante) donne une idu de l'architecture du btti (où tout n'a pu être représenté), et du montage des oomposants optiquee.

le pl..-

(6)

est posée sur trois petites surfaces en feutrine, et elle est maintenue au même endroit par trois lames de ressort souple.

Que devoJlS-noW!l respecter ?

Bous avons déjà précisé que l'illage de la fente

(3)

doit se trouver

sur la ~laque (6). Nous sommes donc oonduits, au montage, à déplacer

l'en-semble (1)

(2) (3)

suivant 0'1'. Il faut en outre que la totalit' du faisceau. transmis soit reçu sur la photo-diode, 0'est pourquoi on a prévu un réglage

de la cellule suivant les trois axes ox,C:11, 011.

CONCEPrION

DES

CHARIOTS (10

et 11)

le probla n'est pail simple car i l faut réaliser deux translatiOI1l!l

perpendiculaires et laisser traverser le faisceau lumineux. afto des courses de 80 _ suivant ox et de 65 111I suivant OYe les dimensions de la plaque sont 60 x 90 (en mm).

Le chari. . (10), d par un moteur électrique, se déplace suivant oy. C'est le mouvement de travail. le guidage en translation est nalisé à l'aide de glissières à bille/ll. Cette conception permet de déplacer le

chariot (10) avec de faibles efforts et de conserver la prépondérance cinéma tique de la liaison.

DEN51TOMETRE

r

P '

1 .. Lampes de projection 2 .. Condenseur C1

3 .. Fente

4 .. Prisme de renvoi

5 Objectif

6 .. Plaque photographique (recevant le spectre à étudier)

7 .. Oondenseur C2 8 .. Photo-diode 9 .. Galvanom~tre

10 .. Ohariot assurant la translation suivant 01' 11 .. Chariot assurant la. translation suivant ox 12 .. Glissières en téflon

13 .. Laae de ressort

14 .. lues de resSort

Le

chariot

(11)

se déplace suivant ox, le mouvement est donné par l'o-pérateur. Pour limiter le coût de 11appareil, et ne pas répéter la conception du chariot (10), nous avons choisi un guidage par frottement .. Plusieurs

études ont été faites, et l'on a retenu le principe que l'on peut retrouver sur le dessin d'ensemble et sur le dessin ci-dessous.

Les glissières sont en téflon, ce qui a permis d'approfondir la connais-sance de ce matériau et de voir quels probLènes il pose au niveau de la conception et de l'usinage. le chariot (11) zepoee sur trois lignes sur le plan horizontal A, et la translation suivant ox est matérialisée par le plan verticalB. A et B sont les plans principaux de guidage~

La

maintien du contact du chariot (11) sur le3 glissières est réalisé par les lames de ressort (13) et (14) non représentée3 sur le dessin. Elles assurent en outre l'arrêt en translation du chariot dans une position déterminée.

ENTRAINEMENT DU CHARIOT (1 0)

Pour assurer le mailleur mouvement, il faut que l'effort qui provoque la translation se trouve dans l'axe géométrique de la liaison prismatique; ou s'en approche. On évite ainsi les principaux efforts parasd.atea , Les élèves ont cherché dans différenWsvoies, et le choix s'est porté sur un entra1nement par cable dont la tension est assurée par un ressort (voir le schéma ci-dessus).

Le

cable est enroulé sur deux roues, et l'une d'elles est entra!née par friction par la roue (15) liée au moto-réducteur électrique.

...16-ESSAIS DU DENSlTOMETRE.

Les éUves ont fait les essais en compagnie des différents profes-seurs. Le prototYlè a confirmé l'exactitude des principes technologique et physique décri'te précédemment. NOUA avone complété le densitomètre d'une table traçante en reliant la photo-diode à l'axe des ordonnées oU par

l'intermédiaire d'un amplificateur, et, l'axe d'entrdnement du chariot (10)

à

Un

potentiomètre qui traduisait le déplaoement oy de la plaque. Voici oi-dessous le graphe obtenu pour le speotre de l'Hélium.

Echelle

s

oU ol 25 mV/cm 500 mY/en

o

u

y

Après la deàcription du densitomètre, essayons de dégager les idées essentielles de cette expérience. Notons que la conception de l'appareil n'est pas parfaite, mais qu'elle est le fruit de la réflexion et du travail des élèves dans un temps limité, l'essentiel étant de mener à bien une tâche.

QUELLE A ETE LA. REACTION DES ELEVES ?

Les professeurs ont été unanimes, les élèves ont porté beaucoup d'intérêt à ce qu'ils faisaient.

A

l'atelier, ils étaient impAtients de voir le densitomètre achevé et nous avons du tempérer l~ur empressem~nt.

En classe de construction mécanique, j'ai été agréablement surpris lors de l'exécution des dessins de définition. Ils y ont mis beaucoup de coeur et d'ardeur alors qu'en général ils s'en désintéressent. L'étude terminée, les élèves ont montré quelques réticences à revenir aux sujets traditionnels préparatoires aux examens. Ils préféraient recommencer l'étude d'un autre appareil.

A tout momant, ils ont i'iravaillé avec passion, et~ je crois qu'ils ont éprouvé leur plus grande satisfaction, lors des essais, en constatant le bon fonctionnement méOBIdqua et optique~

OE TRAVAIL EST...I1 PROFITABLE POUR LA FORMATION DES ELEVES "1

Oui je le pense- Ils ont iravaillé par peUts groupes sur un m3me sujet, puis ils ont confronté leure idées, et ils en ont t'ait la 19ynth~". Oe qulil est important de remarquer, (:liei'!t que tous les élèves ont été

st~ ~e ai ohacun participait à son rythmee

QUtEST-CE QUE CELA APPORTE POUR LA CONSTRUCTlœ MECANIQUE ~

No'l.1S xt'ltrouvons les d1œs intérêts du dessin d9étude _{~t, mais}

en plWll nous lui demandons di3tN plus préois car les données techniques sont complèteS! ; il faut tenir compte des impératifs concrets qui ont été définis préoédemment., A tout m~nt, P~lè," sait quwa,près Pétude de l'appareil81 il devra le Nalilser.. Cela l'am. à réfléchir plus profon-d18mment flllO.r les usinages et leur exéoution.. Ce c~M est intéraS8M.t oar il est parfois bÜm difficile de faire admettre am:: élèves que leur solution est compliquée, voi.:r ~a1isable" D8 0 ù la n'eessité de s'orienter vers des usinages simples, cri.tères de bonne conception et de faible prix de reviente

L'étude complète du d~nBi~êt~ a permis d'approfondir les connaissances des coapoaente optaquea et él®ct:l."O'aiqusa~ 00 qui a été fait en travaux

pratiques de physique" Nous veyone donc l'inté~t et la possibilité d'une ouverture 'Vers la plu...-:idiI1H:lipl.tNœité..

Tout projet ne peut ~tre Mné à b:i.an~ aana la eonnaf.asence parlaite du conterl.e de l'apparoil~ et C~fJst pourqued , lorsque lion demande une

~tude à un élève, on doit définir la plus complèt~antpossible les données du problme à :réaoud...'I"e" C'est une approche vars les réalités de la vie

industri"\!Ile ..

Gilbert GABET~

P:roofes.oour L

or

.El FR&'3NEL

319 Boulevard Pasteur