Capteurs Chaines de Mesure [PDF]

Zitiervorschau

Chapitre 1

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Généralités sur les chaines de mesure

I.1 Introduction * En Electrotechnique, faire une mesure (mesurage) consiste à chercher la valeur numérique d’une grandeur. Dans l'instrumentation moderne, on constate pratiquement que chaque équipement ou appareil de mesure comprend un ou plusieurs microprocesseurs. Il convient donc, à l'intérieur du système de mesure de convertir le signal analogique représentant la grandeur que l'on veut mesurer en une valeur numérique que l'on pourra traiter dans le processeur. Les signaux de sortie d'un capteur sont généralement petits, il est donc nécessaire de les amplifier. D'autre part le capteur doit être placé à un endroit bien précis du processus, à une distance appréciable de l'équipement de mesure (de l'ordre du mètre - p.e. oscilloscope, à plusieurs centaines de mètres - pour de grands systèmes). Il faut donc transmettre l'information entre le capteur et le système de mesure proprement dit. L'information concernant la grandeur à mesurer va ainsi traverser une série d'éléments et d'appareils avant d'obtenir le résultat. Cette succession d'appareils ou éléments est appelée une chaîne de mesure. *Comment réaliser la meilleure mesure ? Le scientifique suit 3 étapes : 1) Chercher les sources d’incertitude à considérer 2) En déduire le protocole expérimental définitif 3) Evaluer l’incertitude du résultat de sa mesure I.2 Principe d’une chaine de mesure La structure de base d’une chaine de mesure comprend au minimum trois étages : - Un capteur sensible aux variations d’une grandeur physique et qui, à partir de ces variations, délivre une autre grandeur physique ; - Un conditionneur de signaux dont le rôle principal est l’amplification du signal délivré par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l’unité de visualisation ou d’utilisation. Cet étage peut parfois intégrer un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal. - Une unité de visualisation et/ou d’utilisation qui permet de lire la valeur de la grandeur et/ou de l’exploiter dans le cas d’un asservissement, par exemple. Cette structure de base se rencontre dans toutes les chaines de mesure quelle que soit leur complexité et leur nature. De nos jours, compte tenu des possibilités offertes par l’´electronique et l’informatique, les capteurs délivrent un signal électrique et la quasi-totalité des chaines de mesure sont des chaines électroniques

I.3 Rôle de la chaîne - Recueillir les informations nécessaires à la connaissance de l’état d’un système ; - Délivrer ces informations sous une forme appropriée à leur exploitation ; - Assigner une valeur à un mesurande ;

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I.4 Structure d’une chaîne

I.5 Emplacement de la chaîne d’acquisition des données

*Importance du capteur dans la chaîne de mesures : Le capteur est le premier élément de la chaîne de mesure. I.6 Généralités sur les propriétés des capteurs Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable. En d'autres termes, les capteurs prélèvent une information sur le comportement de la partie opérative et la transforment en une information exploitable par la partie commande (donc sous une forme électrique). Le but étant de faire évoluer le système aux caractéristiques de l'environnement extérieur. Dans les systèmes automatisés séquentiels, la partie commande traite des variables logiques ou numériques. L'information délivrée par un capteur pourra être logique (2 états), numériques (valeur discrète) ou analogique. Nous pouvons caractériser les capteurs selon deux critères :  En fonction de la grandeur mesurée ; on parle de capteurs de position, de température, de vitesse, de force, de pression etc.  En fonction du caractère de l'information délivrée ; on parle alors de capteurs logiques appelés aussi capteurs tout ou rien (TOR), de capteurs analogiques ou numériques. 2

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On peut alors classer les capteurs en deux catégories, les capteurs à contact qui nécessitent un contact direct avec l'objet à détecter et les capteurs de proximité. Chaque catégorie peut être subdivisée en trois catégories de capteurs : les capteurs mécaniques, électriques, pneumatique. Tous les capteurs présentent deux parties distinctes. Une première partie qui a pour rôle de détecter ou mesurer un événement et une deuxième partie qui a pour rôle de traduire un événement en un signal compréhensible par un système de contrôle PC. Pour choisir correctement un capteur, il est donc important de définir :  Le type d'évènement à détecter  La nature de l'évènement.  La grandeur de l'évènement.

Figure 4.1: Principe de capteurs En fonction de ces paramètres, on pourra effectuer un ou plusieurs choix pour un type de détection. D'autres éléments peuvent permettre de cibler précisément le capteur à utiliser:  Ses performances.  Son encombrement.  Sa fiabilité.  La nature du signal délivré par la capteur (électrique, pneumatique etc. )  Son prix...  L'analyse de ces critères a été couteuse en temps mais le choix du capteur nous semblait crucial. Nous nous sommes également documenté sur la nature des différents types de capteurs qui existait. Nous préférons vous les présenter dans un tableau selon leurs spécificités de manière à bien les différencier. I.7 les différents types de capteurs largement utilisés Il ya plusieurs classes de capteurs, les plus utilisés sont regroupés dans je tableau suivants: LES CAPTEURS LES PLUS FREQUENTS Produisent dans l'axe du capteur un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par système constitué d'une self et d'une capacité montée en parallèle. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, il y a perturbation de ce champ, atténuation du champ oscillant. Capacitif. Capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques ou isolants. Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection des électrodes sensibles du capteur, la fréquence des oscillations est modifiée en même temps que la capacité de couplage du condensateur. Capteur photoélectrique ou se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection optique. d'un objet se fait par coupure du faisceau lumineux Capteur de position Ce sont des capteurs à contact. Ils peuvent être équipe d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien et peut être électrique ou pneumatique. Capteur ILS (Interrupteur à Un capteur ILS est un capteur de proximité composé d'une lame souple Lame Souple) sensible à la présence d'un champ magnétique mobile. Lorsque le champ se trouve sous la lame, il ferme le contact du circuit provoquant la commutation du capteur. Ce capteur se monte directement sur un vérin et permet de détecter des positions autres que les positions extrêmes. Pour utiliser ce type de capteur, il est nécessaire d'utiliser un vérin comportant un aimant sur le piston. Capteurs à fuite. Les capteurs à fuite sont des capteurs de contact. Le contact avec l'objet à détecter peut se faire soit par une tige souple, soit par une bille. Pour pouvoir Inductif.

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Capteur de température : Capteur de pression : Capteur de lumière : Capteur de débit :

Capteur de courant : Capteur de son :

Généralités sur les chaines de mesure fonctionner correctement, ces capteurs doivent être couplés avec un relais pour capteur à fuite. Le capteur est alimenté en pression par le relais. L'air peut alors s'échapper de ce capteur par un orifice prévu à cet effet. Lorsque la bille ou la lame souple est déplacée dans son logement, elle obture l'orifice d'évacuation d'air et le relais pour capteur à fuite se déclenche et émet un signal à la pression industrielle. pyromètre, thermomètre, sonde PT100, thermocouple, thermistance... tube de Bourdon, capsule anéroïde, piézo-électrique, corde vibrante, baromètre, hypsomètre... photodiode ou phototransistor, capteur photographique, cellule photoélectrique... débitmètre à turbine, roues ovales, plaque à orifice, tube de Pitot, débitmètre à effet vortex, débitmètre, lectromagnétique, débitmètre à Venturi, débitmètre à ultrasons, débitmètre ionique, débitmètre massique... Capteur de courant à effet Hall, Shunt... microphone, hydrophone...

I.8 Classification des capteurs I.8.1

Capteurs passifs Il s’agit d’impédances (très souvent des résistances) dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. Mesurande Température

Caractéristique électrique sensible Résistivité

Très basse température Constante diélectrique Flux lumineux Résistivité Déformation Résistivité

Position (aimant) Humidité

I.8.2

Perméabilité magnétique Résistivité Résistivité Constante diélectrique

Types de matériaux utilisés Métaux : platine, nickel, cuivre. Semi-conducteurs. Verres. Semi-conducteurs. Alliages de nickel, silicium dopé. Alliage ferromagnétique.

Matériaux magnétorésistants : bismuth, antimoniure d’indium. Chlorure de lithium. Alumine ; polymères.

Capteurs actifs

Ils fonctionnent en générateurs en convertissant la forme d’énergie propre au mesurande en énergie électrique. Mesurande Température Flux lumineux

Force Pression Accélération Vitesse Position (aimant)

Effet utilisé Thermoélectricité Pyroélectricité Photoémission Effet photovoltaïque Effet photoélectromagnétique

Grandeur de sortie Tension Charge Courant Tension Tension

Piézoélectricité

Charge

Induction électromagnétique Effet Hall

Tension Tension 4

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Figure 1.5: Comparaison du fonctionnement des capteurs actif et passif.

Capteurs intégrés Un tel capteur intègre sur le même substrat de silicium (donc dans un seul composant électronique) : I.8.3

- le capteur - le conditionnement du signal (le transmetteur) Ce principe réduit l’encombrement de la chaîne de mesure, facilite la mise en œuvre du capteur et favorise la normalisation des capteurs.

mesurande

Corps d’épreuve (éventuel)

Capteur (actif ou passif)

Electronique associée

Liaisons (alimentation et signal)

Substrat de Si

Corps d’épreuve : dispositif qui soumit au mesurande étudié, en assure une première traduction en une autre grandeur physique non-électrique (mesurande secondaire) qu’un capteur adéquat traduit alors en grandeur électrique Capteur intelligent Avec le développement de la technologie LSI (large scale integration) et VLSI (very large scale integration), les capteurs peuvent être intégrés aux circuits de traitement du signal sur la même puce, pour réaliser l’ensemble des fonctions. On les appelle « capteurs intelligents ».

I.8.4

Il intègre : - le capteur - une conversion analogique numérique - la chaîne de mesure et de traitement numérique du signal pilotée par un microprocesseur - une mémoire - une interface de communication numérique standardisée avec un calculateur ou ordinateur via un bus partagé entre plusieurs capteurs intelligents.

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Ces capteurs intelligents peuvent ainsi, outre la prise du signal, assurer des fonctions multiples : - amélioration du rapport signal/bruit par adaptation d’impédance et amplification ; - prétraitement du signal, tel que compensation en température et en variation d’alimentation, remise à zéro automatique, filtrage de signaux parasites, corrections de non_linéarité ; - traitement du signal, tel que codage et modulation des signaux de sortie, moyennage redondance pour acquérir le même signal avec plusieurs capteurs, alarmes intégrées pour signaler des défauts de fonctionnement des capteurs ; - logique et décision ; - réduction de consommation, par exemple en faisant travailler les capteurs en temps partagé.

mesurande Capteur principal Capteurs secondaires

grandeurs d’influence

Multiplexeur

PROM - identification - paramètres métrologiques

PROM programmables

ampli RAM

échantillonneur/ bloqueur CAN

micro-processeur

Bus interne

Bus externe de communication

interface de communication bidirectionnelle

I.9 Limites d’utilisation du capteur

Les contraintes mécaniques, thermiques ou électriques auxquelles un capteur est soumis entraînent, lorsque leurs niveaux dépassent des seuils définis, une modification des caractéristiques du capteur. Audessus d’un certain seuil, l’étalonnage n’est plus valable. Au-dessus d’un autre plus grand le capteur risque d’être détruit.

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I.10 Caractéristiques métrologiques

Pour choisir un capteur spécifique, il faut donc chercher à délimiter les principales caractéristiques que l'on souhaite lui attacher. Globalement, voici les caractéristiques que nous avons cherché à délimiter : I.10.1 Propriétés statiques a) Justesse Un capteur est juste si ses valeurs ne changent pas quand on les compare à des valeurs étalon, ou à des valeurs données par d’autres capteurs normalisés. b) Sensibilité Sc C’est le coefficient qui lie la grandeur physique d’entrée à mesurer à la grandeur électrique de sortie. Sc 

d ( sortie) d (entrée)

Exemple : Capteur de pression: V(P) = a.P + V0 => Sc = dP/dV = a = 1mV/hPa. c) Linéarité Un capteur est linéaire si sa sensibilité est constante. La relation entre grandeur physique à mesurer et grandeur électrique est alors linéaire (équation d’une droite). Exemple : variation de la résistance avec la température :  Cas d’une résistance à fil de platine (sonde Pt100): R(T)= R0 (1 + a T) => Sc = dR/dT = a.R0 = 0,385Ω/°C est une constante => capteur linéaire.  Cas d’une thermistance (matériau semi-conducteur) : b R ab T b/T   2 e => Sc dépend de T => capteur non linéaire. R(T) = a. e => S c  T T d) Fidélité Un capteur est fidèle si ses valeurs ne changent pas au cours du temps (mesures reproductibles) : si on mesure deux fois la même grandeur à deux moments différents, on doit obtenir deux fois la même valeur. e) Plage de mesure C’est la gamme des valeurs d’entrée qu’il peut traiter sans dégrader son fonctionnement. L'étendu de la mesure : C'est plus ou moins la différence entre le plus petit signal détecté et le plus grand perceptible.

I.10.2 Propriétés dynamiques a)

Rapidité/temps de réponse Un capteur est caractérisé par son temps de montée tm (ou tr : rise time) à 90% ou 95% : c’est le temps au bout duquel la sortie atteint 90% ou 95% de sa valeur finale quand la grandeur d’entrée est un échelon. 100% 90%

sortie entrée

tr

Exemple : quelques secondes pour la sonde Pt100. 7

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b) Bande passante C’est la plage de fréquence pour laquelle le fonctionnement du capteur est correct. On lui applique une variation périodique de la grandeur physique d’entrée, on mesure la sortie associée et on trace la sensibilité du capteur en fonction de la fréquence (sensibilité dynamique). Ceci permet de mesurer sa bande passante à -3dB. La théorie des systèmes linéaires montre que leurs comportements sont décrits par une équation différentielle à coefficient constant. Le premier cas possible est une équation différentielle du premier ordre du type :

Dans cette équation,quantifie l’inertie du capteur et S0 la sensibilité statique du capteur . Dans le cas sinusoïdal, c'est-à-dire le cas où : En utilisant les formules d’Euler et les propriétés des systèmes linéaires, l’étude du comportement dynamique se ramène à :

La solution générale de cette équation s’écrit alors :

L’amplitude et la phase de la sortie varie en fonction de la fréquence de l’excitation sinusoïdale du mesurande. L’étude de cette variation s’effectue en étudiant le rapport entre l’amplitude du mesurande en entrée et celle de la sortie. Il s’agit de la sensibilité dynamique du capteur :

Le tracé du module de |S(j)| en décibel normalisé par rapport à S0 et en utilisant une échelle logarithmique pour normalisé par rapport à 1/, donne :

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Tant que la fréquence est inférieure à 1/t, la sensibilité dynamique reste dans la limite de -3db. Au delà de 1/t, la sensibilité dynamique décroit en fonction de la fréquence. Tant que la sensibilité dynamique reste inférieure -3 dB, l’atténuation subie par la grandeur de sortie est de l’ordre de 77% du mesurande, le capteur fonctionne alors dans un intervalle de fréquence désignée comme étant la bande passante à -3dB. I.11 Conclusion  Le capteur idéal est celui pour lequel on dispose d'une relation linéaire connue entre la grandeur à mesurer et le signal de sortie du capteur. Les conditions d'emploi sont telles qu'aucune grandeur d'influence ne perturbe son fonctionnement.  L’erreur globale de mesure ne peut être qu’estimée. Une conception rigoureuse de la chaîne de mesure permet de réduire les erreurs et donc l’incertitude sur le résultat. On parle de : fidélité, justesse, précision, incertitude, linéarité.  Les contraintes mécaniques, thermiques ou électriques auxquelles un capteur est soumis entraînent, lorsque leurs niveaux dépassent des seuils définis, une modification des caractéristiques du capteur. Au-dessus d’un certain seuil, l’étalonnage n’est plus valable. Audessus d’un autre plus grand le capteur risque d’être détruit.

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