Cours Instrumentation Capteur [PDF]

Zitiervorschau

L'objectif global de la régulation peut se résumer par ces trois mots clefs : • mesurer ; • comparer ; • corriger.

REGULATION ANALOGIQUE 1- Introduction

2-LA REGLATION est l'action de régler

La conduite d'une opération chimique ou physicochimique implique la connaissance et la maîtrise de certains paramètres tels que la pression, la température, le débit, etc........ Une stratégie de régulation est, pour un procédé industriel, l'organisation du système de contrôlecommande en vue de maintenir une grandeur physique dans une plage de tolérance donnée. Le choix de stratégie est très important dans les industries de transformation (par exemple les industries chimiques, papetières, agroalimentaires……) en raison de la variabilité d'un nombre élevé de grandeurs physiques incidentes (dites « perturbations ») qui y sont présentes.

automatiquement une grandeur de telle sorte que celle-ci garde constamment sa valeur ou reste proche de la valeur désirée, quelles que soient les perturbations qui peuvent subvenir.

3-RAPPELS GRANDEURS LOGIQUES

Ces grandeurs ne peuvent prendre que deux valeurs notées 0 ou 1 On utilise généralement une logique dite «positive » 0 : Pas d’action 1 : action

0 Fermé Eteint Arrêt Off

Ce sont ces informations qui vont nous permettre de : • quantifier • comparer et vérifier, • dupliquer, recopier, répéter

1 ouvert allumé marche on

GRANDEURS ANALOGIQUES

Ces grandeurs varient de façon continue (entre deux limites) EXEMPLE : Niveau d’un réservoir

En salle de contrôle on peut accéder à ces informations sur : • des indicateurs • des enregistreurs • des écrans des consoles sur différentes vues spécifiques : ✓ synoptiques, ✓ groupes de travail ✓ vues de détail ✓ alarmes ✓ historiques ✓

Grandeurs logiques : Zone A : SH = 1 SL = 0 Zone B : SH = 0 SL = 0 Zone C : SH = 0 SL = 1 Le niveau peut varier de façon continue de 0 à 100%. C’est une grandeur analogique.

4-ELEMENTS CONSTITUTIFS D’UNE BOUCLE DE REGULATION Une boucle de régulation doit comporter au minimum les éléments suivants : • un capteur de mesure ; • un transmetteur souvent intégré au capteur ; • un régulateur ; • un actionneur. 1

Elle est souvent complétée par : • un enregistreur ; • des convertisseurs ; • des sécurités.

Ces signaux sont normalisés

SCHEMA DE PRINCIPE D'UNE BOUCLE DE REGULATION

Le régulateur reçoit deux informations : • Le signal de mesure (M ou PV) provenant du capteur, • la consigne (C ou SP) (qui peut être locale ou externe) En fonction de l'écart entre ces deux valeurs et de l'algorithme de calcul pour lequel il a été configuré, il délivre un signal de sortie (S ou OUT) dirigé vers l'actionneur afin d'annuler cet écart et de ramener la mesure vers la valeur de consigne.

En numérique, les signaux sont codés en binaire sur 8, 16, 32 ou 64 bits en liaison série ou parallèle.

Le régulateur est le "cerveau" de la boucle de régulation.

5-NATURE DES SIGNAUX Ils peuvent être de nature différente : • Electriques • Pneumatiques • Numériques • Plus rarement hydrauliques

2

6-EXEMPLE 1: 7-EXEMPLE 2

RÉGULATEURS DE TEMPÉRATURE/ PROCESS SERIES F4P

• • •

Capteur de niveau par sonde hydrostatique Régulateur numérique (ordinateur) vanne automatique à ouverture analogique à commande pneumatique

SCHEMA DE PRINCIPE D’UNE BOUCLE DE REGULATION COMPLEXE

1 : jauge hydrostatique 2 : convertisseur Pression / Intensité 3 : convertisseur Analogique / Numérique 4 : convertisseur Numérique / Analogique 5 : convertisseur Intensité / Pression 6 : vanne automatique à commande pneumatique

3

Exemple : photodiodes, phototransistors (capteur de vitesse LFIIP), thermocouples.

Les capteurs

Capteur intelligent Le capteur intelligent est un capteur intégrant une interface de communication bidirectionnelle et un microcontrôleur/DSP.

1-Définitions: -Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable.

o

-Permet de transformer une grandeur physique (luminosité, température, position, pression, vitesse..) en une grandeur électrique (tension, courant, résistance,….)

o

-Le capteur est le composant qui permet d’informer la partie commande d’un état de la partie opérative ou du milieu extérieur.

l’interface de communication permet de commander à distance le capteur et d’en gérer plusieurs ; le microcontrôleur permet de gérer les différentes mesures et de corriger les erreurs dues à des variations de grandeurs physiques parasites (exemple : mesure simultanée de la température pour corriger la dérive thermique).

Type de sortie 

Capteurs analogiques



Capteurs numériques



Capteurs logiques

Classification des signaux

On peut classer les capteurs en deux catégories : -Les capteurs à contact qui nécessitent un contact direct avec l'objet à détecter. -Les capteurs de proximité (sans contact).

2-Classification Apport énergétique Capteur passif Il s’agit en général d’une impédance dont la valeur varie avec la grandeur physique, il faut l’intégrer dans un circuit avec une alimentation.

-Un signal est dit analogique si l'amplitude de la

Exemples : résistance à fil de platine (sonde Pt100), thermistance (alerte température dans le SGA, TD11), capteur de niveau capacitif, inductance de fin de course.

grandeur physique le réprésentant peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. -Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit, niveau.

Capteur actif Il est directement générateur d’une tension, d’un courant ou d’une charge à partir de la grandeur physique.

-Forme : C'est la forme de ce signal qui est importante : pression cardiaque, chromatographie, impact.

La valeur fournie étant généralement faible, il faudra l’amplifier.

-Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse vocale, sonar, spectrographie. 1

Un signal est dit numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2.

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).

-Tout ou rien (TOR) : Il informe sur l'état bivalent d'un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée. -Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état. Exemple : un codeur incrémental donne un nombre fini et connu d'impulsion par tour. -Echantillonnage : C'est l'image numérique d'un signal analogique. Exemple : température, débit, niveau, son (pression)…

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 semiconducteur – TD12) : b R ab T b/T R(T) = a. e => S c    2 e => Sc T T dépend de T => capteur non linéaire. 

Caractéristiques d'une chaîne de mesure informatisée Grandeur physique

4-Propriétés dynamiques Grandeur électrique

Rapidité/temps de réponse

Capteur

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.

DA Grandeur électrique

Circuit de mise en forme du signal

Données numériques

Carte d’acquisition (CAN) 100% 90%

sortie

Unitéde traitement Informatique Mémorisation

entrée D N

(micro-ordinateur)

et affichage

tr

Exemple : quelques secondes pour la sonde Pt100.

3Propriétés statiques

Exercice 1

-Etendue de mesure (Plage de mesure) : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.

A l'usine "Alpha" de Sud, plusieurs capteurs transmetteurs ont été installés et calibrés comme suit :  Débitmètre avec transmetteur pneumatique :  400 Gallons par minute donne 15 psi (pound-force per square inch);  0 Gallon par minute donne 3 psi.  Pression avec transmetteur 4 à 20 mA :  30 pouces de mercure donne 20 mA;  10 pouces de mercure donne 4 mA.  Niveau avec transmetteur de tension :  20 mètres donne 5 Volts CC;

Sensibilité Sc C’est le coefficient qui lie la grandeur physique d’entrée à mesurer à la grandeur électrique Sc 

d ( sortie) d (entrée) 2



 0.5 mètre donne 1 Volts CC. Température avec transmetteur 4 à 20 mA;  120 0 C donne 20 mA;  -400 C donne 4 mA.  Quelle est la sensibilité de chacun des capteurs transmetteurs ?  Ecrire la fonction de transfert (équation linéaire y = Mx + b) permettant de connaitre la valeur des sorties en fonction des entrées?  Si la pression mesurée en sortie du capteur transmetteur de débit est de 8.5 psi, quel sera le débit correspondant ?

Exercice 2 Soit un potentiomètre de 12.5 k utilisé comme capteur de déplacement, pour mesurer une plage de déplacements de 0 à 600 cm, et alimenté par une tension de 10 Volts.

Exercice n°4 On dispose du capteur suivant : Un capteur de pression Il s’agit d’un capteur de pression dans une chambre d’injection d’un moteur diésel. On donne sa caractéristique sur la courbe suivante :

 Quelle est la sensibilité de ce dispositif en V/mm?  Si la classe de précision de ce capteur est de 0.25 % E.M., quelle est son erreur absolue et son erreur relative à 375 cm ?  Répéter la question pour une distance de 1 cm.

Exercice 3 Soit un capteur de température dont la caractéristique entrée (temperature en 0C) vs sortie (tension en Volts) apparait dans la Table (a). Le manufacturier nous indique sur la fiche signalétique que l'étendue de mesure est de 0 à 50 0 C et que le signal de sortie varie de 0 à 5 Volts.  Quelle est l'équation de la meilleure droite approximant cette caractéristique ?  Quelle est l'erreur de linéarité de ce capteur en % de l'étendue de mesure ?  Quelle est la sensibilité de ce capteur ?

1. Quelle est la grandeur physique d’entrée de ce capteur ? 2. Quelle est sa grandeur physique de sortie ? 3. S’agit-il d’un capteur actif ou passif ? 4. Représenter la chaîne de mesure associée à ce capteur. 5. Calculer la sensibilité de ce capteur. 6. La caractéristique de ce capteur est-elle linéaire ? 7. La sensibilité de ce capteur est-elle constante ? 3

- bar (bar) : 1 bar = 105 Pa

✓ L’altitude (position % à la mer). La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer, à 0 °C, est de 1013 mbar • La pression absolue C’est une pression, positive, mesurée par rapport au vide absolu, par exemple la pression atmosphérique est une pression absolue. • La pression relative C’est une pression, positive ou négative, exprimée par rapport à la pression atmosphérique. C’est l’écart entre la pression réelle absolue et la pression atmosphérique Pr = Pabs - Patm. - Si elle est négative, elle est appelée dépression . - Si elle est positive, elle est appelée surpression. On dit qu’un appareil est en pression lorsque la pression enregistrée est supérieure à la pression atmosphérique. Exemples : - Pression de refoulement d’un ventilateur ; - Pression d’une chambre à air de pneu ; On dit qu’un appareil est en dépression lorsque la pression enregistrée est inférieure à la pression atmosphérique. Exemples : - Dépression d’un ventilateur à l’aspiration ; - Dépression à l’aspiration d’une cheminée ;

- millibar (mbar) :1 mbar =10-3 bars = 102 Pa - atmosphère (atm) : 1 atm = 1,013 bars = 1,013 10 5 Pa

La pression différentielle C’est la différence entre deux pressions :

Mesure et capteurs de pression 1-Définition de la pression. La pression est la force appliquée à une surface ou répartie sur celle-ci. Elle se définit comme suit :

P : pression en N/m² ( 1 Pa = 1 N/m²) F : force en Newton S : surface en m² La pression est souvent exprimée en bar ( 1 bar = 105 Pa) Certains constructeurs utilisent des unités anglosaxonnes p.s.i ( 1 p.s.i = 0,07 bar) Unités usuelles - déca pascal (daPa) : 1 daPa = 10Pa - kilo pascal (kPa) : 1 kPa= 103 Pa - Méga Pascal MPa : 1MPa =106 Pa

ΔP = PA –PB

Domaines de mesure de pression

Pressions statique, dynamique et totale.

2-Les différentes sortes de pressions • Le vide Le vide est une pression inférieure à la pression atmosphérique. Le vide parfait correspond théoriquement à une pression absolue nulle. • La pression atmosphérique ou barométrique C’est la pression ressentie en chaque point de la surface terrestre. Elle est due au poids des couches d’air environnant le globe. La pression atmosphérique varie avec : ✓ La température. ✓ la latitude (position % à la terre).

Les différents types de pression 3-Les capteurs de pression (ou manomètres de pression) Un manomètre ou capteur de pression est un instrument destiné à mesurer la pression des fluides 1

(liquide ou gaz). Les mesures de pression sont effectuées suivant différents principes à savoir : - Application d’une masse connue en réaction à l’effet d’une pression sur une section connue (balances manométriques). - Modification du niveau d’un liquide sous l’effet de la pression (manomètre à liquide). - Détection de la déformation d’un élément sensible sous l’effet de la pression : on site par exemples : ✓ Tube de bourdon. ✓ Capteurs de pression à jauges métalliques, ✓ Capteurs de pression à jauges piézo-résistives, ✓ Capteurs de pression par variation d’inductances, ✓ Capteurs de pression piézo-électriques. Balance manométrique Dans le capteur de pression à équilibre de force ou balance manométrique, le système contrebalance les effets des forces de pression pour rester dans une position d’équilibre. Capteurs à déformation élastique ( manomètre métallique) Le principe de fonctionnement de ces appareils repose sur la déformation d’un tube, d’une membrane ou d’un soufflet généralement métallique, sous l’action de la force créée par la pression à mesurer. Manomètre à tube de BOURDON

Capteurs utilisant un liquide : C’est le plus simple de tous les manomètres. Son principe repose sur l’application de la relation

PA – PB = ρ g (ZB – ZA) et la mesure consiste à déterminer la hauteur h = ZB – ZA, Les manomètres couvrent un domaine de 10 à 105 Pa pour la mesure de pression de gaz uniquement.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

2

Organe moteur, tube de Bourdon Support de tube Capuchon du tube Secteur denté Biellette Engrenage Aiguille Cadran

Principe de fonctionnement

Capteur de pression Potentiometrique

Le tube de Bourdon est brasé, soudé ou vissé avec le support de tube qui forme généralement une pièce complète avec le raccord. Par l'intermédiaire d'un trou dans le raccord, le fluide à mesurer passe à l'intérieur du tube. La partie mobile finale du tube se déplace lors de changement de pression (effet Bourdon). Ce déplacement qui est proportionnel à la pression à mesurer, est transmis par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression. Le système de mesure, le cadran et l'aiguille sont montés dans un boîtier.

Quand l'intérieur d'un tube de bourdon est soumis à une pression supérieure à la pression ambiante, le tube se déforme ; Sa section s'arrondit ce qui tend à dérouler le tube (comme lorsque vous soufflez dans un mirliton !). Cette déformation est utilisée pour déplacer le curseur d'un potentiomètre linéaire aux bornes duquel une tension constante est appliquée. La tension recueillie entre le curseur et le point commun du montage varie proportionnellement avec la différence de pression qui existe entre le tube de bourdon et le milieu ambiant.

Capteurs électriques Ils sont particulièrement bien adaptés aux techniques modernes de régulation, traitement informatique des données, etc. Les variations de pression peuvent se traduire par des variations de différence de potentiel, de capacité, d’induction, de résistance, etc. Mais sont généralement transformées pour obtenir en sortie du capteur, un courant électrique d’intensité variant avec la pression, généralement de 4 à 20 mA.

Phénomène

Désignation du capteur

Variation de résistance

Capteur à jauge de contrainte

Variation de tension

Capteur potentiométrique

Variation capacité d’un condensateur

Capteur à variation capacité

Variation d’induction

Capteur à variation d’induction

Création des charges électrique dans un cristal

Capteur à cristal piézoélectrique

3

sans dimension est suffisant pour caractériser l'écoulement, c'est le nombre de REYNOLDS.

MESURE DES DEBITS 1-Débits Le débit est la quantité de matière ou de fluide, liquide ou gazeux, qui s’écoule par unité de temps. Exemple : Le débit d’un cours d’eau, d’une pompe...

V : vitesse moyenne de débit en m/s D : diamètre de la canalisation en mètre : viscosité cinématique du fluide en m²/s (eau douce n = 1,1 x 10-6 m²/s ) µ : viscosité dynamique du fluide en poise (1 centipoise = 1 millipascal.seconde)

Il existe deux types de débits Le débit massique (Qm) Le débit volumique(Qv). sont liés par la relation :

La viscosité cinématique du fluide est: ρ la masse volumique

Dans une conduite de section circulaire : si R< 2000, l'écoulement est laminaire si R> 2000, l'écoulement est turbulent

4-La viscosité S'exprime en poises ou en Pa·s. 1 Poise = 0.1 Pa·s. Exemples de viscosité (à 20 °C): Eau: 1.005 cPo; Huile de ricin: 6.27 cPo; Acétone: 0.323 cPo; Acide sulfurique: 27 cPo; Mercure: 1.550 cPo; Benzène: 0.651 cPo.

2-Régimes d'écoulement dans une canalisation

Facteurs influant sur l'écoulement des fluides dans les conduites Les principaux facteurs influant sur l'écoulement des fluides dans une conduite sont les suivants :

Écoulement laminaire (Le fluide parfait) Écoulement turbulent (Le fluide réel)

Vitesse du fluide Frottement du fluide en contact avec la conduite Viscosité du fluide Masse volumique du fluide

5-Capteurs de débit Le choix d’un capteur de débit repose sur 3 critères: Nature du fluide transporté (liquide ou gaz); Type de signal de mesure; Analogique, numérique ou logique. La grandeur directement mesurée: Vitesse, masse ou volume. 3-Nombre de REYNOLDS (R) : Pour faciliter la comparaison entre deux écoulements, on utilise des nombres sans dimension. Ainsi, dans un écoulement incompressible (pression = constante) et isotherme (température = constante), un seul paramètre 1

électromotrice d'autant plus forte que le débit est élevé. Ce type de débitmètre nécessite que le fluide ait une conductivité électrique suffisante.

Débitmètres à ultrasons - temps de transit -Le débitmètre à ultrasons est un instrument utilisant les ultrasons pour mesurer la vitesse moyenne d'un fluide. -L'ultrason est une onde mécanique et élastique, qui se propage au travers de supports fluides, solides, gazeux ou liquides. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 20 000 et 10 000 000 Hertz, -Débitmètre par mesure de différence des temps de transit : on mesure le temps de parcours de l'onde ultrasonore d'amont/aval à aval/amont. Cette différence de temps est en fait l'image de la vitesse moyenne du fluide.

On considère un conducteur ab se déplaçant dans un champs magnétique uniforme B. On peut alors écrire :

V = Vitesse de déplacement du conducteur L = Longueur du conducteur B = Champs magnétique uniforme et constant

Débitmètres fixes : Utilisation de débitmètres fixes, notamment dans les secteurs suivants :

Capteur de débit électromagnétique. L’induction magnétique, de l’ordre de 10 -3 `a 10-6T, est produite par deux bobines placées de part et d’autre de la conduite de mesure. Les bobines sont alimentées par une tension alternative (30 Hz par exemple). La vitesse d’écoulement pouvant varié de 1 à 10 m/s ;

Eau potable et assainissement (égouts, épuration, sectorisation…) Environnement / rivières / irrigation Energie (hydroélectricité, nucléaire, génie climatique…) Gaz et hydrocarbures ;Chimie et pétrochimie Industrie pharmaceutique Industrie agro-alimentaire ;Industrie mécanique…

domaine d'utilisation : liquide visqueux, pâteux, chargés d'impuretés, abrasifs ou très corrosifs à condition qu'ils soient conducteurs de l'électricité (ce qui n'est pas le cas des hydrocarbures) diamètre de canalisations : 3 mm à 3 m bonne précision de l'ordre de 1 % . mesure ne dépendant pas des caractéristiques physique du liquide (viscosité, densité, granulométrie) et possible à haute température (450 °C) et haute pression (1000 bars).

Débitmètres portables Utilisation multisecteur de débitmètres portables, notamment dans le cadre d’opérations de : Contrôle ;Maintenance ;Expertise Process ;Sectorisation…

DEBITMETRE A ORGANE DEPRIMOGENE

Débitmètre électromagnétique

Un diaphragme est une plaque rigide de faible épaisseur et percée d’un orifice. Cette plaque s’introduit dans la canalisation perpendiculairement au sens d’écoulement L'une des techniques les plus utilisées. Repose sur le théorème de Bernouilli:

Un débitmètre électromagnétique (DEM) est un type de débitmètre utilisant le principe de l'induction électromagnétique. Pour ce faire, un champ magnétique est appliqué au fluide dont on souhaite mesurer le débit, ce qui crée une force 2

Le long d'un écoulement de fluide parfait (viscosité nulle), la pression ou charge totale est constante.

Donc la vitesse du liquide (débit) est:

« La mesure est non-linéaire»

Exemple Un Venturi est un système de mesure permettant la mesure du débit d'un liquide en convertissant une variation en pression à un débit massique en utilisant l'équation suivante :

Principe de conservation de masse :

Où P1 et P2 sont les pressions en amont et en aval du Venturi et d le diamètre mesuré du tube.

Théorème de Bernouilli :

1.Si K = 1.0, P1 = 1 bar, P2 = 0.999 bar, d = 20.0 cm et r = 1.0 kg/l Calculer le débit massique du liquide en (kg/s) 2. Si l'erreur possible sur chaque mesure de P1, P2 et d est de 1%, estimer l'erreur possible sur le débit massique calculé.

Les termes d'élévation sont négligeables. Il se produit un changement de pression statique:

3

Exercice 1. La mesure du débit prévue (que l’on sait être comprise entre 4 et 10 m3/h) est confiée à un débitmètre électromagnétique Promag 50H Endress+Hauser (photo ci-contre). Le constructeur du débitmètre donne les caractéristiques suivantes : - grandeur de mesure : vitesse d'écoulement v - gamme de mesure :v = 0,01 …10 m.s-1 - sortie courant : 4 - 20 mA ; résistance de charge < 700  . Le capteur est inséré le long de la conduite PVC de refoulement, son orifice est de section égale à celle de la conduite, à savoir qu'il a un diamètre intérieur D = 50 mm.

Le débitmètre renvoie l'information "débit Q" sur une sortie 4 - 20 mA. Cette information sera ensuite récupérée par une entrée analogique de l'automate après conversion en une tension V Q comprise entre 0 et 10 V, conformément à la figure 4. Le convertisseur 4 - 20 mA / 0 - 10 V a une impédance d'entrée Ze = 500  .

1. Déterminer la plage de débit mesurable par l'appareil et justifier son choix. 2. Calculer la tension maximale fournie par la sortie 4 - 20 mA du débitmètre. Cette valeur est-elle compatible avec les spécifications du constructeur du débitmètre données ci-dessus ? 3. Calculer le facteur K D tel que V Q = KD .Q, sachant que le débitmètre peut renvoyer une valeur de Q au maximum égale à 70 m3.h-1 . Préciser son unité.

La mesure du niveau 1-Définition La mesure de niveau est aussi une information forte utile pour de nombreuses applications industrielles. En physique, le niveau correspond à la distance entre la surface d'un liquide et le fond du réservoir le contenant. Il existe deux types d'informations relatives au niveau :  la mesure continue.  la détection de seuil. Le choix d'une méthode de mesure appropriée amène à prendre en compte : - les propriétés physiques et chimiques du liquide: conductivité, constante, diélectrique, masse volumique, viscosité, formation de mousse, caractère corrosif ; - les conditions de stockage : température, pression, présence d’un agitateur ; - les facilités d’implantation.

Le plongeur est suspendu à un capteur dynamométrique. Le capteur va mesurer une force F, égale à la différence entre le poids propre du plongeur et la force de poussée d'Archimède. On a donc : F = P - ρ.g.S.h Avec :  F, poids apparent  P, poids du plongeur  ρ, densité du liquide  g, accélération de la pesanteur  S, aire de la section du plongeur

2-Méthodes hydrostatiques Les méthodes hydrostatiques concernent toutes les mesures de niveau dont l'information fournie est une fonction continue de la hauteur de liquide.

Mesure par un capteur de pression différentielle

Mesure par flotteur

Le flotteur est composé d’un système maintenu à la surface du liquide et solidaire d'un capteur de position. Le capteur transmet un signal électrique qui correspond au niveau du liquide dans le réservoir.

Un capteur de pression différentielle est placé à la base du réservoir où la pression P â pour valeur p=p0 +ρgh p0 pression au sommet du réservoir. ρgh est la pression hydrostatique due à la hauteur h de liquide de densité ρ ; l’accélération de la pesanteur étant g.

Mesure par plongeur Un cylindre est immergé verticalement dans le liquide contenu dans le réservoir. La hauteur de ce plongeur doit au moins être égale à la hauteur maximale du liquide dans le réservoir.

Quelques précisions sur le capteur : Le corps d'épreuve du capteur est une membrane, soumise sur l'une de ses faces à la pression P et sur l'autre à la pression Po. La déformation de la membrane est proportionnelle à la hauteur h.

3-METHODES ELECTRIQUES Ce sont des méthodes employant des capteurs spécifiques, c'est à dire traduisant directement le niveau en signal électrique. Leur intérêt réside dans la simplicité des dispositifs et la facilité de leur mise en œuvre.

Détection de niveau 1

La détection de niveau est une mesure binaire, c'est-àdire que le capteur délivre une information binaire indiquant si le niveau seuil défini est atteint ou pas.

Détection par micro-ondes Le rayonnement utilisé est électromagnétique, du domaine hyperfréquence (plusieurs GHz). Le faisceau d'ondes électromagnétiques est émis selon un axe horizontal. Lorsque le produit s'interpose entre l'émetteur et le récepteur, le signal reçu par le récepteur est fortement atténué. Le circuit de traitement du signal change alors l'état de la valeur binaire de sortie.

Détection par lames vibrantes Le dispositif est constitué des deux lames métalliques parallèles, fixées sur une membrane métallique. Les lames sont portées à leur fréquence de résonance ( par effet piézoélectrique). La fréquence de résonance est choisie de manière à éviter toute perturbation de la fréquence du secteur (50 Hz).

Ondes acoustiques En mesure continue, on utilise un transducteur fonctionnant successivement en émetteur et en récepteur. Ce transducteur placé au sommet du réservoir émet, dans un cône de faible ouverture, des trains d'onde acoustiques qui après réflexion sur la surface du liquide retournent vers le transducteur qui les convertit en signal électrique. Fibre optique Il est nécessaire que l'indice de réfraction du liquide soit différent de celui de l'air. Lorsque le niveau est bas, le rayon lumineux incident est réfléchi à l'extrémité de la fibre optique et est détecté à sa sortie. Lorsque le niveau est haut, le rayon incident est réfracté dans le liquide.

Radar Le principe est similaire à celui des ondes à ultrasons, on utilise une onde lumineuse infrarouge. L’avantage sur l’ultrason est que le procédé est indépendant de la : température, du taux d’humidité, poussière, la pression, densité, tribulations. Précision : 0,5 % de la distance mesurée, soit 5 à 10 mm dans la plupart des cas

2

Mesures de températures 1-Définition

‘’La température est une grandeur no n directement mesurable, mais repérable par la variation d’une grandeur associée (résistance, dilatation)’’. La température est une grandeur intensive, qui peut être mesurée de deux façons différentes :  Ë l'échelle ato mique, elle est liée à l'énerg ie cinétique moyenne des constituants de la matière ;  Au niveau macroscopique, certaines propriétés des corps dépendant de la température (volu me massique, résistivité électrique, etc...) peuvent être choisies pour construire des échelles de température.

2-Échelles thermodynamiques ou absolues La température thermodynamique est la température définie uniquement à partir du premier et second principe de la thermodynamique. Elle ne dépend donc pas des thermomètres utilisés pour mesurer la température et possède ainsi une définition universelle.

Oxygène

Tr

54,3584

-218,7916

Mercure

Tr

234,3156 - 38,8344

Eau

Tr

273,16

0,01

Gallium

F

302,9146

29,7646

Indium

C

429,7485 156,5985

Zinc

C

629,677

419,527

Aluminium

C

933,473

660,323

Argent

C

1234,93

961,78

Or

C

1337,33

1064,18

Cuivre

C

1357,77

1084,62

Tr : point triple C : point de congélation sous p.a.n F : point de fusion sous p.a.n Exemple1 : dilatation de liquide

Conversion entre échelle de Celsius et de Fahrenheit : Exemple 02 dilatation de gaz

Tableau de correspondance : températures

Échelles thermométriques Kelvin (K)

Zéro absolu

Celsius (°C)

Rankin (°R)

Fahrenheit (°F)

0

- 273,15

0

- 459,67

Mélange eauglace sous p.a.n

273,15

0

491,67

32

Point triple de l'eau

273,16

0,01

491,69

32,018

3-Mesure de la température par contact Il existe trois grandes familles de capteurs :

Ébullition de l'eau 373,15 100 671,67 212 sous p.a.n p.a.n : pression atmosphérique normale (=101 325 Pascals)

Échelles Internationale de Température (EIT 90) Substance Type de point*

T(K)

T(°C)

Hydrogène

Tr

13,8033 - 259,3467

Néon

Tr

24,5561 - 248,5939

Les capteurs passifs (La thermométrie par résistance) La thermométrie par résistance utilise, comme son nom l'indique, la variation de la résistance d'un matériau en fonction de la température. Cette variation de résistance peut être faite aussi bien avec un métal (résistance métallique) Métal Platine

Caractéristiques Précis, stable, durable

Étendue de mesure -200 °C , 600 °C

Les capteurs intégrés (la thermométrie par diode et transistor)

Coût important : 30 € S tungstène > S platine Moins Stable que platine Tungstène Meilleure linéarité en haute température

-100 °C , 1 400 °C

Nickel

Sensibilité la plus élevée Résistivité élevé Faible linéarité Peu stable

-60 °C , 180 °C

Cuivre

Linéaire Résistivité faible donc encombrement Peu stable

-190 °C , 150 °C

Les capteurs actifs (les thermocouples) Les thermocouples sont des capteurs actifs qui délivrent une fém lorsque ceux-ci sont soumis à une modificat ion de la température. Le principe de fonctionnement est basé sur l'effet Seebeck qui lorsque deux conducteurs métalliques sont reliés par deux jonctions soumises à des températures différentes, crée une différence de potentiel au x bornes du circuit. Une fois que l'on a la fém pour pouvoir remonter à la valeur de la température,

Lettre

Conducteur positif

Conducteur négatif

T

Cuivre

Nickel-Cuivre (Constantan)

J

Fer

Constantan

E

Nickel-Chrome (Chromel)

Constantan

K

Chromel

Nickel-Aluminiu m (Alumel)

S

Platine-10 % Rhodium

Platine-6 % Rhodium

N

Nickel-ChromeSilicium (Nicrosil)

Nickel-ChromeMagnésium (Nisil)

U

Cuivre

Constantan

G

Tungstène

Tungstène-26 % Rhénium

……

………

……..

Couple non normalisé

Platine

Or

Lettre

Domaine d'utilisation (°C)

Sensibilité moyenne ( μV/°C)

T

-200 à 370

51

J

-40 à 800

55

E

-270 à 870

78,5

La tension aux bornes d'un semi-conducteur ainsi que le courant qui le traverse dépendent de la température.

Ce sont des capteurs dit intégrés et qui ont l'avantage que à courant constant I, la mesure de V est linéaire en fonction de la température et se présente sous la forme : V = aT + b avec a qui dépend de l'élément sensible.

4-Mesure à distance

Thermographie La thermographie ou thermographie infrarouge est une technique permettant d'obtenir une image thermique d'une scène par analyse des infrarouges. L'image obtenue est appelée « thermogramme». La mesure à distance de la température s'effectue au moyen des appareils suivants :  thermomètres infrarouges sans contact, appareil de mesure de température, ou, strictement, d'un "état thermique"  caméra thermique appareil de mesure de la thermographie. La caméra thermique fournit des mesures avec image.  Imageur thermique appareil de l'imagerie thermique, fournit des images sans mesures  caméras infrarouges cas particulier de caméra thermique (par exemple caméra QwipFlir).  radiomètre appareil de mesure de flux de rayonnement (flux directionnel et partiel)  système de thermographie Ensemble d'appareils ou de fonctionnalités destiné à la mesure thermographique, depuis le capteur jusqu'à la présentation des températures. Une caméra thermique monobloc peut être un système de thermographie (cas des appareils pour la maintenance)

Applications La technique est exploitée dans de nombreux domaines.  La thermographie et construction automobile  La thermographie du bâtiment  La thermographie et aéronautique / aérospatial  La thermographie et recherche scientifique  La thermographie et Contrôle Non Destructif (CND)  La thermographie et médecine / vétérinaire

EXERCICE On souhaite utiliser une sonde Pt100 de classe B comme capteur de température sur une plage de mesure allant de 0 à 300 °C.  1- Rappeler les significations de Pt et 100 de la sonde Pt 100.  2- Quelles sont les grandeurs d’entrée et de sortie de la Pt100 ?  3- Qualifier ce capteur ?  4- A l’aide de l’annexe 1, donner l’erreur maximale de température ΔT à 200 °C. En déduire la plage des valeurs limites de température. On doit mesurer la température dans un four à 200°C distant de 20 m de la centrale de mesure. Celle-ci est constitué d'un générateur de courant d'intensité I0 =1,000mA constante quelque soit la température et d'un système de mesure de la tension U. Celui-ci est considéré comme idéal (le courant de mesure prélevé est nul). On utilise pour relier la sonde de température un fil de résistance de r = 85 Ω par km de fil. Méthode 2 fils :

Méthode à 4 fils :

Analyse de la méthode 2 fils :  5- Calculer la résistance Rfils des fils de liaisons. En déduire la plage des valeurs limites de la résistance mesurée par la centrale de mesure Rm =U/ I0  6- L'erreur induite par la résistance des fils de liaisons est-elle négligeable ? Justifier. Analyse de la méthode 4 fils :  7- Quelle est la valeur de Im ?  8- Expliquer pourquoi ce système de mesure est plus juste ? Dans la suite du problème, on utilisera la méthode 4 fils. On souhaite linéariser la relation entre T et R pour T variant entre 0 et 300 K. On recherche donc à établir l'équation T = a.R + b  9- En utilisant l'annexe 2, déterminer les coefficients a et b de la droite passant par les points M (0°C) et N (300°C). A partir de cette équation, trouver la température correspondante à une résistance 175,86 Ω.  10- En comparant à la valeur donnée par l'annexe 2, calculer l'erreur de linéarité engendrée εl . Est-elle négligeable ? Justifier. On mesure une tension U = 173,6 mV lorsque la sonde est placé dans le four à l'aide d'un voltmètre sur un calibre 300mV ayant comme formule d'incertitude : ΔU = 1 % U + 1,5 mV.  11- Calculer l'incertitude sur la mesure de la tension ΔU et la valeur Rm de la résistance mesurée.

1

ANNEXE 1 : Valeurs des tolérances

ANNEXE 2 : Relation entre résistance et température pour l’élément sensible d’une Pt100.

d’une Pt100

 1- "Pt" : ……………………………………. "100"………………………………………………  2- Grandeur d'entrée : ……………………… Grandeur de sortie :…………………………………  3-

actif

passif

analogique

numérique

 4- ΔT = ………°C

Tminimale = ……..°C

 5- Rf ils = ……….Ω

Rminimale=………. Ω Rmaximale = …………… Ω

Tmaximale = ……….°C

 6- Rf ils négligeable : ……………, car ………………………………….  7- Im = ………….A  8- Explication :…………………………………..  9- a = ……………..°C/Ω 

b = ……………..°C

T(175,86 Ω) = ………….. °C

10- εl = …………….°C Justification : ………………………………………………………..

 11- ΔU = …………….. mV

Rm= ……………… Ω

2

TOR (tout ou rien)