Première Enseignement scientifique

Mesurer simplement le taux de CO2 dans l’air avec les élèves

Dans cet article, nous allons voir comment mesurer la concentration en CO2 à l’aide d’un microcontrôleur muni d’un capteur, sans avoir à écrire de lignes de codes.

Ce type d’expérimentation pourrait par exemple s’utiliser dans le cadre du projet expérimental et numérique en enseignement scientifique en classe de première, mais pourquoi pas aussi en club scientifique (collège ou lycée).

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Mesure de la concentration en CO2 et transmission de la COVID-19

En intérieur, la transmission du virus sous forme d’aérosols fait partie des modes principaux de propagation de la COVID-19. Une bonne aération permet d’éliminer ces aérosols. La mesure du taux de CO2 dans une pièce permet de déterminer si l’aération est suffisante et s’il faut ouvrir la fenêtre.

Présentation du matériel utilisé ici

Sont utilisés ici : une carte micro:bit (petit ordinateur de poche), un « shield grove » (afin de faciliter les branchements), le capteur CO2 Sensirion SCD30 et un module qui permet également de stocker des données sur une carte SD.

Il est possible d’acheter facilement ce matériel en ligne. Par exemple chez VittaScience.
Ci-dessous des liens vers les différents composants utilisés ici pour les acheter sur VittaScience (les prix sont donnés à titre indicatif et sont ceux au moment de la rédaction de l’article) :

Cela représente donc un budget d’environ 125 € pour tout le matériel.

VittaScience propose aussi 2 kits sur la qualité de l’air (kit 1 ou kit 2) mais le matériel n’est pas tout à fait le même que celui utilisé ici.

Programmation de la carte micro:bit

Pour programmer la carte micro:bit, il est ici proposé d’utiliser la console de Vittascience. Cela permet, de programmer la carte microbit de manière simple en utilisant des blocs similaires à ceux rencontrés sur Scratch.

Code utilisé ici

Il est bien sûr possible d’adapter le code. Par exemple, le code proposé ici fait une mesure toutes les minutes mais cela se modifie très facilement.

Une fois le code défini, il faut le télécharger en cliquant sur « Télécharger .hex ». Puis, connecter la carte micro:bit à l’ordinateur et déposer le fichier « .hex » ainsi créé sur la carte micro:bit.

Mesurer le taux de CO2

Une fois le code déposé sur la carte micro:bit, il suffit de mettre l’ensemble du montage à l’endroit où on désire faire la mesure. Dès que la carte micro:bit est alimentée, l’acquisition des mesures commence.

Il est possible d’alimenter la carte micro:bit avec des piles mais l’autonomie n’est que de quelques heures.
En branchant la carte sur le secteur (comme proposé ici), les relevés de mesures peuvent durer plusieurs jours si on le souhaite.

Une fois que le relevé de mesures est terminé, il suffit de récupérer le fichier texte contenant les données sur la carte SD.

Lecture des résultats

Le fichier texte contenant les mesures est au format CSV (c’est-à-dire que les données sont séparées par des points virgules).

Exemple du début d’un fichier texte récupéré sur la carte SD (ici ouvert dans le bloc note). Donnée1 correspond au temps (en s) et Donnée2 à la concentration en CO2 (en ppm)

Il est possible d’importer ces données dans un tableur (Calc ou Excel) puis de les exploiter, en traçant une courbe par exemple.

Il est aussi possible de traiter les résultats avec Python.

Exemple de résultats obtenus

Exemple de résultat obtenu durant un TP de SVT

Au début de l’acquisition, il y avait 15 élèves et le professeur dans la salle de classe depuis environ 40 minutes.
Au niveau de la barre verte, les élèves sortent de la salle et le professeur ouvre les fenêtres.
Au niveau de la barre rouge, les élèves rentrent (17 élèves) mais les fenêtres restent en partie ouvertes.
L’acquisition des mesures s’arrête avec la sortie des élèves (les fenêtres sont restées tout le temps en partie ouvertes).
Le capteur est resté durant toute la mesure sur le bureau du professeur.

Discussion sur le choix du capteur

Le choix du capteur est très important. Il existe des capteurs beaucoup moins chers que celui utilisé ici. Cependant, les capteurs d’entrée de gamme risquent d’être très peu fiables. Il est recommandé de prendre un capteur qui utilise la technologie « NDIR ».

Voici un exemple de résultat avec un capteur d’entrée de gamme (le SGP30) où les résultats semblent assez peu crédibles.

Exemple de résultat pour un TP de 2 heures avec 17 élèves

Conclusion

Nous avons pu voir ici qu’il était assez simple de faire une mesure de CO2 pour un coût relativement modeste (environ 125 €). Une fois le matériel acheté, il sera d’ailleurs possible de le réutiliser pour d’autres expériences (avec les capteurs nativement présents sur la carte micro:bit ou avec d’autres capteurs qu’il est possible de connecter à la carte).

Cette expérience peut par exemple s’inscrire dans le projet numérique de première enseignement scientifique où l’on retrouve les trois dimensions de celui-ci :

  • utilisation d’un capteur éventuellement réalisé en classe ;
  • acquisition numérique de données ;
  • traitement mathématique, représentation et interprétation de ces données.

À noter que le matériel est proposé ici juste à titre indicatif. Il serait par exemple possible de faire ce genre d’expérience avec une carte arduino plutôt qu’une carte micro:bit.

Aller plus loin

La vidéo de ScienceEtonnante présente une très bonne explication du lien entre la COVID et le taux de CO2.

Le groupe de travail Projet CO2 propose de nombreuses ressources en lien avec la mesure du CO2. Par exemple, ce webinaire est une très bonne introduction à ce sujet.

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