Discipline : Mesure et instrumentation

Intitulé de la séance :

Objectifs :

Savoirs (connaissances) :

Déroulement de la séance temps Activité professeur Activité élève Documents et supports

Présentation de la séance Redécouverte de l’outil balance Réflexion individuelle

10 min 10 min 10 min

Présentation de la salle des balances Présentation des balances de précision : prix, calibration, temps de préchauffage … Souligne les points à observer Anime la réflexion individuelle

Complètent le schéma à annoter Un volontaire effectue une pesée d’eau. Observations par le reste du groupe Expriment individuellement par écrit les potentielles sources d’erreur

Docs « les balances de précision au laboratoire » + « étalonnage des balances » + « Le vocabulaire des balances » Brouillon pour noter des observations Feuille de classeur : « Mes constatations à propos des sources d’erreur »

Objectifs : Identifier les différentes sources d’erreur par le diagramme 5M

Savoir faire (capacités) : Construire un diagramme 5M Comparer le poids de différentes sources d’erreur

Savoirs (connaissances) :

Savoir être (attitudes) : Sens de l’observation Communication écrite et orale

Durée : 2 X2 heures

Démarche pédagogique utilisée : Investigation Proposition de protocoles Mise en œuvre de protocoles

Conditions : Groupe de …….. élèves,

Identifier les sources d’erreur lors d’une pesée

1/ Présentation du matériel

2/ Réflexion sur les sources d'erreurs

D'après :

Réflexion collective : Collecte des erreurs possibles Propositions d’expérimentation Mise en œuvre des protocoles par petits groupes Synthèse des résultats expérimentaux Conclusion

30 min 40 min Semaine suivante

Retranscrire les propositions des élèves au tableau. Orienter vers de erreurs permettant de construire le diagramme 5M Indique le matériel à disposition Au tableau : Erreur / Protocole Guide les élèves Présente un doc calcul d’écart-type Propose l’utilisation d’excel pour calculer les écart-types (utilisation des TICE) Distribue le doc « diagramme 5M »

Les élèves s’expriment Les élèves proposent un protocole pour vérifier l’influence des sources d’erreur identifiées. Les élèves manipulent par binômes Consignent les résultats sur une feuille de classeur (ou cahier de laboratoire qui est utilisé en Biotechno.) Calculent l’écart-type pour chaque erreur/protocole Découvrent le diagramme 5M et engagent la discussion sur la manière d’y adapter les observations de la séance précédente.

Les élèves écrivent des protocoles sur leur feuille de classeur Pesée de exactement environ 10 mL d’eau avec erreur Manipulation à réaliser par chaque membre du groupe Ordinateurs ou calculatrices Doc distribué : « diagramme 5M »

Matériel : bulle Milieu : courant d’air Méthode : tare ou pas Manipulateur : poudre, centrage Matière : température eau …

3/ Manipulations

Les balances de précision au laboratoire

Prix = 2000 €

Les balances de précision au laboratoire

Le vocabulaire de la balance

Etalonnage des balances

Vous avez passé tout l'après-midi sur cette manipulation, uniquement pour vous rendre compte, plus tard, que votre balance était mal calibrée... Maintenant, vous n'avez plus qu'à vous débarrasser de toutes les données basées sur l'analyse que vous venez de réaliser, et à recommencer depuis le début : une perte de temps et d'argent ! A notre époque, avec la pression montante sur l'efficacité et la réduction des coûts, une balance mal calibrée peut être coûteuse de bien des façons pour un laboratoire. Alors qu'il n'est pas exagéré de dire que l'exactitude des mesures est plus essentielle que jamais, pour quelles raisons les balances de laboratoire sont-elles souvent mal calibrées ? C'est dû à une procédure assommante, manuelle et obsolète nécessaire pour calibrer une balance, qui est contradictoire avec le mouvement vers des instruments de laboratoire automatisés et technologiquement avancés. En ayant pour objectif d'améliorer la vitesse, l'efficacité et l'exactitude, les fabricants mettent l'accent sur l'amélioration du procédé de calibrage de la balance. Calibrage traditionnel La méthode traditionnelle pour calibrer les balances électroniques consiste à utiliser un poids de calibrage externe. Les utilisateurs calibrent généralement avec une méthode appelée « calibrage de la portée », en commençant par ne placer aucun poids sur le plateau pour obtenir le point zéro, puis en plaçant un poids sur la balance pour obtenir un point de portée (généralement à la portée maximale de la balance). Le procédé, du début jusqu'à la fin, est très long et présente les limites suivantes qui contribuent au calibrage incorrect des balances par les utilisateurs :

Limites physiques Limites techniques

Le laboratoire doit acheter une masse

d'étalonnage se trouvant dans les limites

de tolérance de la balance, et dont le prix

est souvent proportionnel à celui de

l'instrument.

Les masses d'étalonnage haute précision

sont très sensibles ; un simple contact à

main nue suffit à nuire à leur précision à

long terme.

De plus, les masses externes peuvent

facilement être perdues ou mal

positionnées, notamment dans les

laboratoires où l'activité est intense.

L'étalonnage est seulement valide pour une gamme de

température donnée. Les changements de température

dans l'environnement de pesage affectent l'étalonnage de

l'instrument, entraînant des résultats de pesage moins

précis.

Pour que les résultats soient de nouveau fiables,

l'utilisateur doit ré-étalonner la balance.

Si seulement deux points d'étalonnage sont utilisés, la

balance risque de renvoyer une réponse non linéaire sur

l'ensemble de la plage de pesage.

Innovation en matière de calibrage Depuis le début des années 1990, de nombreux fabricants proposent des balances avec une technologie de calibrage interne, permettant de résoudre les nombreux inconvénients des poids externes. Chacun des concepts de calibrage interne respecte les principes fondamentaux suivants :

Toutes les méthodes de calibrage sont basées sur des poids réels, qui se trouvent à l'intérieur de la balance

et qui ne seront jamais endommagés ou perdus.

Toutes les méthodes de calibrage ont un système pour régler la valeur de poids interne de sorte qu'elle

corresponde à celle d'un poids externe certifié, si besoin.

Tous les systèmes de calibrage interne proposés sont rapides, conviviaux et les résultats du calibrage

peuvent être documentés.

Matériel à disposition :

Balances de précision

10 béchers 50 mL

Bécher 50 mL contenant 20 mL d’eau + 30 mL d’éthanol (noté « eau frelatée »)

Echantillon de poudre fine

Exemples de protocoles proposables par les élèves :

Manip avec niveau à bulle décentré

Manip portes ouvertes en faisant des courants d’air (même en agitant un cahier)

Manip sans tarer (par sous traction des masses du récipient vide et plein)

Manip avec eau frelatée

Manip avec des traces de poudre fine sur le plateau

Manip avec pesée décentrée sur le plateau

Manip sans temps de préchauffage

Le diagramme causes-effets ou diagramme 5M ou diagramme de d’Ishikawa

Dans une démarche de gestion de la qualité totale, l'ingénieur chimiste japonais Kaoru Ishikawa a mis au point un diagramme de causes et d'effets. Se présentant sous la forme d'un graphique en arête de poisson, cet outil permet de rechercher et de mettre en évidence l'ensemble des causes à l'origine d'un état de fait. En effet, face à un problème, il est rare que la cause soit unique. Et pour apporter des mesures correctives pour que ce problème ne se répète plus, il faut avoir défini l'ensemble des causes.

Le but du diagramme est de constituer un outil d'analyse et/ou une "base de données" listant de manière exhaustive les causes et sources d’erreurs.

On peut estimer que pour être exhaustif, lors de la construction du diagramme causes-effet, il est impératif de regrouper des personnes ayant acquis une expérience et un niveau technique suffisant sur le sujet à traiter. Cette construction ne peut pas être réalisée de façon individuelle. Toutefois elle permettra aux personnes non expérimentées d'en apprendre beaucoup.

On peut aussi penser qu’au contraire, des personnes n’ayant pas de grande expérience et/ou connaissances dans le domaine en question, enrichissent la recherche par une vision originale, celle du " candide ".

Lors du recours aux techniques créatives, tel le brainstorming, il est recommandé d’adjoindre au groupe au moins un candide.

La recherche des causes peut se faire selon les 5M :

Main d'œuvre, Matière, Méthode, Machines (équipement), Milieu (environnement).

Milieu : porte ouverte, courant d’air, vibrations

Méthode : pesée directe ou par tare

Machine (ou matériel) : balance de précision, balance de

cuisine

Main d’œuvre (ou manipulateur) : soin de l’élève

Matière : eau , eau frelatée avec éthanol

Exemples issus du milieu industriel