Chapitre IV Systèmes de Transmission Pour Capteurs [PDF]

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Chapitre IV : Systèmes de transmission pour capteurs Introduction : La transmission de données entre un émetteur et un récepteur suppose que soit établie une liaison sur un support de transmission (appelée aussi voie de transmission ou canal) munie d’équipement de transmission à ses extrémités. Émetteur et récepteur sont désignés communément par les termes ETTD (Equipement Terminal de Traitement de Données) ou DTE en anglais (Data Terminal Equipement) terme normalisé désignant un équipement informatique connecté à un canal de transmission (ça peut être un ordinateur, un terminal ou autres).

I Le transmetteur: I-1 Définition : C’est un support physique qui permet de transporter les informations d’un appareil à un autre. On a différents types de supports de transmission de nature très divers : Transmetteur, ligne téléphonique, câble coaxial, fibre optique, atmosphère et autres. C’est un appareil qui, recevant une vraie variable mesurée, produit un signal de sortie normalisé pouvant être transmis et ayant une relation continue et définie avec la valeur de la variable mesurée. Un capteur délivre un signal de mesure de faible intensité, qui ne peut être transmis sur de grandes longueurs. La solution consiste à

faire appel à un transmetteur universel, soit intégré dans le boîtier de raccordement du capteur, soit déporté et monté sur rail dans un coffret d’instrumentation distant jusqu’à quelques dizaines de mètres du capteur.

Transmetteur universel intégré

Transmetteur universel déporté

Les transmetteurs actuels s’adaptent à un très grand nombre de capteurs industriels par configuration numérique. Ils permettent notamment le réglage de la nature de l’entrée et de son étendue, du temps de réponse souhaité, de la linéarisation éventuelle, et de la nature de la sortie et de son étendue. I-2 Constitution : Pour élaborer un signal normalisé à partir du signal généré par le capteur, le transmetteur comprend globalement un amplificateur, un filtre, et un traitement du signal. Le transmetteur complète ainsi la chaîne de mesure du capteur.

Figure (1) : Schéma synoptique de l’ensemble capteur- transmetteur a- L’amplificateur : Il augmente le niveau du signal électrique E1 délivré par le

Capteur ; il réduit le rapport « bruit de

fond/signal», et améliore ainsi la qualité du signal E2 transmis. b- Le filtre : élimine ou atténue les signaux parasites dans la limite de certaines fréquences pour garantir un signal de mesure E3 convenable. Parmi de nombreuses familles de filtres, le plus répandu est le filtre passe-bas. c- Le traitement du signal : réalise la fonction finale désirée, généralement linéaire entre le mesurande et le signal électrique mesuré, et détermine la nature, tension ou courant, et l’intensité du signal de mesure.

Exemple : capteur-transmetteur de température à entrée thermocouple type K de 500 °C à 900 °C, et sortie courant 4 – 20 mA. Ce capteur n’est pas linéaire, et c’est le transmetteur qui rend la relation linéaire.

I-3 L’intérêt d’un transmetteur : Un capteur délivre un signal de faible intensité désigné par l’appellation « Signal bas niveau ». C’est le cas par exemple des thermocouples et des capteurs à résistance thermométrique RTD. Ils délivrent une tension (exemples : – 20 mV à + 20 mV, 0 à 100 mV). Malgré ce signal « bas niveau », le capteur peut être relié à l’entrée de mesure d’un dispositif de contrôle tel qu’un Automate Programmable Industriel (API) ou un régulateur qui remplace le transmetteur absent et réalise par exemple l’amplification et le traitement de linéarisation du signal délivré par le thermocouple. – Par contre, quand le capteur est équipé d’un transmetteur, il délivre un signal appelé « signal haut niveau » puisque son énergie permet la transmission de la mesure à une grande distance (plusieurs centaines de mètres) du point de mesure. Ces signaux « haut niveau » sont 0 – 5 V, 1 – 5 V, 0 – 10 V, 0 – 20 mA et 4 – 20 mA. Dans ce qui va suivre, on cite l’exemple de la boucle 4-20mA.

II- La boucle de courant 4-20 mA : La boucle de courant 4-20 mA est un moyen de transmission analogique permettant de transmettre un signal analogique sur une grande distance sans perte ou modification de ce signal. II- 1 L’intérêt de la boucle 4-20 mA : On a toujours eu un besoin de transmettre un signal analogique depuis le premier capteur analogique. Au début les ingénieurs ont eu de grandes difficultés à trouver un signal électrique qui pouvait être transmis sur des fils sans introduire des erreurs. L'utilisation d'une simple variation de tension n'était pas assez fiable, car un changement dans la longueur et la résistance des fils avait pour conséquence de modifier la valeur mesurée. La boucle 4-20 mA devenue le standard, elle est très précise et n’est pas affectée par la résistance des fils et par les variations de la tension d'alimentation. Elle présente une bonne immunité aux bruits.

II- 2 Constitution de la boucle 4-20 mA : La boucle 4-20mA est constituée de 4 éléments : l'émetteur, l'alimentation de la boucle, les fils de la boucle et le récepteur. Ces 4 éléments sont connectés ensemble pour former une boucle.

Figure (2) : La boucle 4-20mA a- L'émetteur :

L'émetteur convertit la valeur mesurée par le capteur en un courant compris dans l'intervalle 4-20 mA. On a un courant de 4 mA pour la première valeur de l'échelle de mesure du capteur et 20 mA pour la dernière mesure du capteur. Exemple: Si on a un capteur qui doit mesurer une température de -40°C à 50 °C, 4mA correspondra à -40°C et 20mA à 50°C. Si on lit 0 mA la boucle ne fonctionne plus ou il y a une erreur dans la boucle.

b- L'alimentation :

L'émetteur doit être alimenté pour fonctionner, ceci est réalisé à l'aide des deux fils de la boucle. Le courant de 0 à 4 mA de la boucle sert pour l'alimentation du circuit émetteur (l'émetteur doit donc consommer moins de 4 mA). La plupart des émetteurs sont alimentés en 24 V mais certains de bonne qualité n'ont besoin que de 12V.

c- Les fils de la boucle :

Deux fils relient tous les composants ensemble qui doivent avoir les conditions suivantes : - Il faut qu'ils aient une très faible résistance, - Une bonne protection contre la foudre, - Avoir une seule mise à la masse, plusieurs masses rendrait la boucle inopérante car une petite fuite de courant de masse dans la boucle risquerait d'affecter l'exactitude de la boucle. d- Le récepteur :

On a toujours au moins un récepteur dans la boucle. Il peut être un afficheur digital, une table d'enregistrement, un déclencheur de vanne....... Ils ont tous une chose en commun, une résistance. Il peut y avoir plus d'un récepteur dans la boucle tant qu'il y a assez de tension pour alimenter la boucle, on peut insérer autant de récepteurs que l'on veut. Si l'on prend par exemple une résistance d'entrée de 250 ohms pour un récepteur, on perdra 5V à cause de la tension au bornes de la résistance pour un courant de 20 mA. De même un courant de 4 mA causera une perte de tension de 1V.

Si l'on prend trois récepteurs avec une résistance d'entrée égale à 250 ohms, on aura une perte total de tension maximale de 3 x 5 = 15V pour un courant de boucle de 20 mA. L'alimentation de la boucle devra avoir ces 15V en plus de celle nécessaire pour le fonctionnement de l’émetteur et des pertes (négligeables) dues à la résistance du fil.

II- 3 Installation et test de la boucle : Pour installer la boucle, il suffit de relier en série l'émetteur, l'alimentation et le récepteur avec le fil. Après avoir alimenté la boucle, on insère un milliampèremètre. On devrait lire un courant d'une valeur comprise entre 4 et 20 mA dépendant de la sortie de l'émetteur. Dans une boucle de courant, le courant est l’image de la grandeur physique qui peut être une mesure ou une commande. On pourra représenter cette relation linéaire à l’aide du graphique suivant :

Exemple : Un transmetteur de PH est calibré entre 4pH et 10 pH avec une sortie de courant 4-20 mA On détermine le PH mesuré par le transmetteur correspondant pour une sortie du courant de 11,3 mA ? 20𝑚𝐴 − − − −→ 10𝑃𝐻

11,3 − − − −→ 𝑥 4 − − − −→ 4𝑃𝐻 (20 − 4) − −→ (10 − 4) (11,3 − 4) − −→ (𝑥 − 4) 16 − −→ 6 ⟹ 𝑥 − 4 = 2,73 7,3 − −→ 𝑥 − 4 ⟹ 𝑥 = 2,73 + 4 = 6,73 Donc : 𝑥 = 6,73 𝑃𝐻

II-4 Raccordement électrique d’un transmetteur Le

raccordement

électrique

d’un

transmetteur

au

dispositif

d’exploitation de la mesure, dépend de la nature du signal de mesure et de son alimentation. Il existe des transmetteurs «à 2 fils», «à 3 fils » ou « à 4 fils ».

Signal courant

Signal Alimentation Alimentation tension en tension en tension continue alternative 00-5V 10Vdc à 24Vac 20mA 1-5V 48Vdc en 48Vac 0-10V fonction de 230Vac ou la charge autre Non Non Oui Non

Transmetteur

4-20 mA

à 2 fils

Oui

à 3 fils

Oui

Oui

Oui

Oui

Non

à 4 fils

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

Figure (3) : Raccordement des transmetteurs à signal 4 – 20 mA avec alimentation en tension continue

En instrumentation industrielle, par souci d’économie et de standardisation, les transmetteurs « à 2 fils » en signal 4 – 20 mA sont les plus répandus. III Le transmetteur intelligent C'est un appareil de mesure muni d'un microcontrôleur et utilisant les communications numériques pour la transmission des informations. Le module de communication permet de régler le transmetteur à distance, de brancher plusieurs transmetteurs sur la même ligne. Le microcontrôleur permet de convertir la mesure en une autre grandeur. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau. Il compense l'influence des grandeurs d'influence sur la mesure. La non linéarité du transducteur peut être également corrigée.

Figure (4) : Transmetteur de pression intelligent La structure d’un transmetteur intelligent est donnée par la figure (5) suivante :

Figure (5) : Structure d’un transmetteur intelligent IV Systèmes de transmission analogique et numérique : Les signaux issus du capteur sont la plupart du temps utilisés dans un système de traitement numérique (microprocesseurs, microcontrôleur, API….). Ce système de traitement permet non seulement d’obtenir la valeur du mesurande mais également son exploitation.

Certains capteurs donnent directement des valeurs exploitables par un système numérique (capteurs digitaux, capteurs TOR), d’autres nécessitent l’emploi d’un convertisseur analogique-numérique. IV-1 Transmission analogique : Cette transmission est faite à l’aide de la liaison 4-20 mA. L’amplitude du courant est proportionnelle à la tension à mesurer. La conversion analogique numérique se fait du côté contrôle commande.

Figure (6) : Schéma synoptique d’une transmission analogique IV-2 Transmission numérique : La conversion analogique est effectuée en sortie du capteur. La transmission du signal s’effectue alors de plus en plus soit par des réseaux locaux dédiés à l’instrumentation soit par le réseau intranet de l’entreprise grâce au protocole TCP/IP (sur des distances importantes) ou alors via une connexion USB (surveillance du fonctionnement du capteur ou mesure à courte distance). TCP/IP : Transmission Control Protocol/Internet Protocol : c’est un protocole utilisé sur le réseau Internet pour transmettre des données entre deux machines. Le Protocole de transport, TCP prend à sa charge l'ouverture et le contrôle de la liaison entre deux ordinateurs. Le protocole d'adressage, IP assure le routage des paquets de données.

Figure (7) : Schéma synoptique d’une transmission numérique Avantages : - On peut transmettre des informations non transmissibles de manière analogique (nom du capteur, zone où ce capteur est installé, type de panne…), - réduction des câbles et des coûts, - correction des grandeurs d’influence, - réduction des dérives dues aux composants analogiques. Principe de la conversion analogique numérique :

V Transmission numérique série asynchrone Les « liaisons séries » sont des moyens de transport d’informations (communication) entre divers systèmes numériques. On les oppose aux liaisons parallèles par le fait que les différents bits d’une donnée ne sont pas envoyés en même temps mais les uns après les autres, ce qui limite le nombre de fils de transmission. Elles sont appelées

asynchrones car aucune horloge n’est transportée avec le signal de données.

Figure (8) : Schéma synoptique d’une transmission série asynchrone V- 1 Principes, caractéristiques et protocoles (RS232C, RS422, RS485) : a- Notion de protocole : Dans le monde des réseaux, un protocole définit un ensemble de règles suivies par les équipements pour se mettre en relation ou pour échanger des informations. Au niveau de la communication, des protocoles gèrent le transport des données entre deux machines en s’appuyant sur la connexion. Au niveau du service, des protocoles décrivent les commandes et les réponses permettant de transférer et de traiter les données. Les protocoles les plus courants sont : - RS232 utilisée notamment pour la communication avec un PC - RS422 : norme industrielle mieux immunisée vis à vis du bruit. - RS485 : Identique à la RS422 mais développée pour pouvoir connecter plus de deux appareils sur le même bus. Elle est utilisée dans les applications où les perturbations sont importantes. On en trouve sur les Automates Programmables Industriels.

Les différents types d'interface sont couramment désignés par le numéro de l'avis ou de la norme qui les définissent : - "RS..." correspond aux normes américaines définies par l'EIA (Electronic Industrie Association). - "V..." ou "X..." correspond aux avis internationaux définis par le CCITT (Comité Consultatif International pour le Téléphone et les Télécommunications). - Boucle de courant particulièrement utilisée dans l'industrie, ne correspond pas à une norme. - Le choix d'une norme dépend : o De la vitesse de transmission souhaitée o De la longueur du câble o Du nombre d'équipements que l'on souhaite connecter o De l’immunité vis à vis des parasites

b- Principe : Dans une communication série RS232, les bits sont envoyés les uns à la suite des autres sur la ligne en commençant par le bit de poids faible. La transmission s’appuie donc sur le principe des registres à décalage. La transmission se fait octet par octet :

• pas d'horloge transmise entre les deux équipements, les fréquences d'horloge de l'émetteur et du récepteur doivent être identiques. • Nécessité de rajouter un bit de ”START” ('0' logique) avant l'octet à transmettre, et un bit de ”STOP” ('1' logique) après l'octet à transmettre. • La norme RS232 prévoit également la possibilité de rajouter un autre bit juste avant le bit de STOP : - Bit de parité qui sert à détecter les erreurs éventuelles de transmission. – ou un 2ème bit de STOP • 10 ou 11 bits sont transmis au registre à décalage qui assure la transmission en commençant par le bit de poids faible.

c- Caractéristiques : - Vitesse de transmission des données : La vitesse de transmission représente la quantité d’informations qui peuvent être transportées pendant un certain temps. Elle est exprimée en BAUDS (ou bits/seconde) Les deux équipements doivent être configurés avec la même vitesse (baud rate). Ces vitesses sont normalisées : o 1200 bauds o 2400 bauds o 4800 bauds o 9600 bauds o 19200 bauds o 38400 bauds o 57600 bauds o 115200 bauds - Contrôle de flux : Le contrôle de flux dans un réseau informatique représente un asservissement du débit binaire de l'émetteur vers le récepteur. Le rôle du contrôle de flux est de permettre d’éviter de perdre des informations pendant la transmission. Différents types de contrôle de flux : - Contrôle de flux matériel (hardware) - Contrôle de flux logiciel - Contrôle de flux matériel : Il est possible de contrôler le flux de données entre deux équipements par deux lignes : RTS (Ready To Send) et CTS (Clear To Send). Le principe de fonctionnement est le suivant :

1. L’émetteur informe le récepteur qu'il est prêt à envoyer une donnée en agissant sur RTS et en le mettant à l'état bas. 2. Le récepteur informe l'émetteur qu'il est prêt à recevoir en mettant le signal CTS à l'état bas. 3. La transmission devient effective. Cette technique permet d'éviter d'envoyer des données quand le récepteur n'est pas prêt et donc permet d'éviter la perte d'information. - Contrôle de flux logiciel : Il est également possible de contrôler la transmission à l'aide de deux codes ASCII «XON» et «XOFF» : – XOFF (code ASCII 17) : demande l'arrêt de la transmission – XON (code ASCII 19) : demande le départ d'une transmission Intranet : Un réseau intranet est un réseau informatique, mis en place au sein d'une entreprise ou de toute autre entité équivalente. Il permet aux collaborateurs de cette entreprise d'accéder à un échange d'informations sécurisé, au sein d'un espace dont l'accès est restreint à un groupe. C’est un ensemble de services internet par exemple un serveur web. Ethernet : Ethernet désigne un protocole de réseau local (LAN). Il s'agit d'un câble utilisé pour la transmission de données informatiques. Il permet de connecter une console, un décodeur tv ou encore un ordinateur à une connexion Internet.