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12/03/2012

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Cours dInstrumentation Filire Ingnieurs GI

Abdelwahed ECHCHATBI

Instrumentation: Introduction

Instrumentation

Un procd industriel regroupe divers lments dont les

interactions physiques ou (et) chimiques concourent un but de

fabrication ou de transformation ;

le procd est instrument et pilot cette fin.

Discipline commune lensemble des cursus sciences et techniques et sciences de lingnieur.

Met en uvre les connaissances en physique, chimie, lectricit et lectronique

Objectif principal: mesure (acquisition) des grandeurs

(informations) renseignant ltat dun systme.

Parfois le vocable Instrumentation dsigne aussi des

organes dactions.

Filire Ingnieurs GI - FSTS

Cours Instrumentation - A. ECHCHATBI

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Instrumentation et capteurs (1)

Capteur:

Objet technique de prlvement dinformation.

fait correspondre la grandeur physique dterminer une

grandeur directement accessible llment terminal du systme de mesure.

Les signaux doivent constituer une image fidle des grandeurs

mesurer Ncessit de matrise des caractristiques et des

conditions dutilisation des capteurs.

Filire Ingnieurs GI - FSTS Cours Instrumentation - A. ECHCHATBI

Corps

dpreuve lment

sensible

Circuit

associ

Signal de

sortie

Grandeur

mesurer

Alimentation

en nergie

Grandeur physique

intermdiaire

Grandeur physique

mesurable

CAPTEUR

Signal lectrique : Vecteur dinformation; Peut tre obtenu:

Directement, lorsque la variation de la grandeur intermdiaire engendre

une grandeur lectrique (thermolectricit, pizolectricit,

photolectricit, ),

Indirectement lorsque la variation de la grandeur intermdiaire est due

une modification des proprits intrinsques de llment sensible (conductivit, permabilit, ...).

Le Mesurande : quantit ou grandeur physique dterminer.

Capteurs actifs, capteurs passifs :

Passifs : ragissent la variation du mesurande par une variation

dimpdance.

Ncessitent alors une source dnergie pour laborer le signal de mesure.

Sinon ils sont dits actifs.



Instrumentation et capteurs (2)

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talonnage

opration qui consiste dterminer la loi s(t) = f(m(t)).

l'aide d'un talon, pour diffrentes valeurs de m (m1, m2mi) , on relve les valeurs des signaux correspondants (s1,s2si)

La courbe s(m) est appele courbe d'talonnage du capteur.

L'utilisation du capteur consiste lire s et en dduire m.



Courbe obtenue partir dun talon

Utilisation de la courbe pour la lecture

Chane de mesures Recueille les informations ncessaires la connaissance et au

contrle dun procd ;

Dlivre ces informations sous une forme approprie leur exploitation.

Ncessite:

Le signal issu du capteur est souvent de faible puissance,

Niveaux de courant ou de tension non normaliss,

Signal entach de bruits

Il est de ce fait non directement exploitable.

Chane de mesures: dispositifs utiliss pour palier ces problmes.

Deux cas:

Chane de mesures analogique

Chane de mesures numrique



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Chane de mesure analogique

La loi liant le signal enregistr la grandeur mesurer est une loi continue.

Circuits de traitement relevant de llectronique analogique. (obsolte).

Conditionneur:

lment de base aprs le capteur. Il comprend:

Le convertisseur de mesure : modifie la structure du signal ou llabore partir dune nature passive .

Lamplificateur : augmente lintensit du signal et le rend moins sensible aux bruits et ainsi mieux exploitable.

Circuits de traitement : filtrage, mise en forme,



Systme tudi

Capteur Con-version

Ampli Trai-tement

Mesure

Conditionneur de signaux

Chane de mesures numrique

Impose par lautomatisation et par la ncessit dacquisition dun nombre dinformations de plus en plus croissant Ncessit dinformations mettre la disposition de calculateurs

numriques.

Le signal issu du capteur nest pas forcment numrique mais numris.

Les applications modernes ncessitent: Compatibilit avec les outils informatiques.

Portabilit et communication distance.

Fiabilit et rapidit.

Archivage, impression de compte rendus



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Chane de mesures numrique (2)



Capteur Condit

E/B CAN

Voie 1

Donnes numriques

Capteur Condit Voie 2

Capteur Condit Voie n

Mul t ipl exeur

Logique de commande



Chane de mesures numrique (3)

Capteur Condit

CAN

Voie 1

Donnes numriques

Capteur Condit Voie 2

Capteur Condit Voie n

Mul t ipl exeur

Logique de commande

E/B

E/B

E/B

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Constitution dune chane de mesures numrique

Capteur,

Conditionneur,

Echantillonneur/bloquer (E/B) : prlve des valeurs instantanes du signal et les maintient lentre du

convertisseur analogique numrique au moins pendant le temps ncessaire la conversion.

Convertisseur analogique/numrique (CAN) : associe un mot binaire au signal appliqu son entre suite une

commande sur une de ses broches spcifique. Avec lE/B, il est pilot par une logique de commande du ressort dun calculateur.

Convertisseur numrique/analogique : reconstitue la donne sous forme de signal analogique afin de pouvoir

agir sur des dispositifs de commande par exemple.



Caractristiques mtrologiques dun dispositif de mesure

Les performances globales de la chane de mesure rsultent des performances individuelles des divers dispositifs qui la constituent.

Les caractristiques mtrologiques de la chane imposent celles de chaque composant.



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Caractristiques mtrologiques (1) tendue de mesure:

Plage de valeurs du mesurande m pour lesquelles le capteur rpond aux spcifications du constructeur.

E.M. = mmax mmin

Sensibilit S(m):

Quotient de la variation de la grandeur lectrique par la variation du mesurande.

mm

smS

Capteur linaire sensibilit constante.

(dans ltendue de mesure)



Incertitude apporte par un dispositif

La loi rgissant le comportement dun organe est:

yn = Gn x + y0n

Gn : gain nominal du dispositif,

y0n : dcalage nominal de zro (en gnral 0)

Gn et y0n sont donnes par le constructeur.

y = G x + y0 (relation relle)

cart entre le signal de sortie rel et sa valeur thorique (nominale).

y = y yn = G.x + y0

Le constructeur peut fournir les caractristiques nominales ainsi quune incertitude relative par rapport la pleine chelle.



max0max y

y

yy

y

n

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Caractristiques statiques (1)

Erreur de gain :

Le gain est susceptible de prsenter un cart maximum

G que lon spcifie par rapport la valeur nominale Gn par :

Valeur maximale de lincertitude sur la sortie y :



.n

n

n

GG

GG

G

Gn

nG G

yGxGy

n

maxmax

n

n

G

G

y

y

max

Erreur de linarit :

Linarit: caractristique trs recherche dans les

dispositifs de mesure.

soit

Gl est lincertitude sur le

gain due la non-linarit.




x xmax

ymax

y0

0

y

ly

n

lll G

yGxGy maxmax

n

ll

G

G

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Erreurs de mobilit ou

dinsensibilit:

Mobilit: aptitude dun instrument ragir

aux petites variations de la grandeur

dentre.

Erreur de mobilit = seuil de mobilit =

zone morte (dead band).

Causes:

Frottements et jeu de pices.

Dtecteurs pas pas ou dtecteurs

numriques.




x

Insensibilit

ascendante

Insensibilit

descendante

x

x

y

Erreur dhystrsis ou dirrversibilit: la courbe de linstrument possde deux branches, ascendante et descendante.

Lindication dpend de:

tats antrieurs,

Nombre et vitesse des cycles, temps

darrt.

Erreur se manifestant dans les

phnomnes dformation

plastique, les phnomnes

ferromagntiques.




Entre

x

y

x

y Sort

ie

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Autres caractrisations des erreurs

Rptabilit: concordance entre rsultats conscutifs obtenus court

terme pour la mme valeur.

Ninclut pas lerreur dhystrsis.

Reproductibilit: concordance entre rsultats obtenus long terme.

Inclut les autres formes derreurs.

Erreurs de justesse:



Justesse Fidlit Prcision

Expression de limprcision

Un instrument donnant des valeurs +0,1% est dit possdant une

imprcision de +0,1%.

Diffrents modes dexpression:

Imprcision en nombre dunit techniques.

Imprcision en pourcentage de ltendu de lchelle.

Imprcision en pourcentage de la porte maximale.

Imprcision en pourcentage de la valeur observe.



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Grandeurs dinfluence

Grandeurs physiques autres que le mesurande susceptibles daffecter la sortie du capteur.

Influences:

Dcalage du zro;

Drive de la sensibilit.

Exemples:

Temprature (la plus gnrale)

Vibrations,

Pression,

Humidit,

Champs magntiques.



Caractristiques dynamiques Cest la caractrisation de lvolution dans le temps de y(t) en

fonction de x(t).



Sf

Rgime permanent

t

s(t)

Organe de 1er ordre Organe de 2nd ordre

t

Sf

s(t)

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Les convertisseurs de mesures

Les convertisseurs de mesure

Convertit la grandeur intermdiaire en grandeur lectrique.

Exemple:

dbitmtre lectrique :

Diaphragme Membrane Poten-

tiomtre Amplificateur

Alimentation

Conditionneur de signal

Convertisseur de mesure

Signal

lectrique

Dplacement

mcanique

Pression

diffrentielle

Dbit

mesurer



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Montages convertisseurs de mesures

Diffrents montages possibles:

Montage source de courant

Montage potentiomtrique

Montages en pont



Montage source de courant

I doit tre indpendant de la variation de ZC.

Si I est faible : altrable par les bruits.

Si I est important : consommation importante et limitation selon le courant admissible par ZC.

V = ZC.I ZC

I

-

+ Erf

R

ZC

V = -ZC.I



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Montage potentiomtrique

Montage simple.

Tension de mesure non linaire en fonction de ZC.

Ncessit dune compensation.

Limpdance ZC est toujours soumise une tension mme au repos.

ZC

R

Erf

RZ

ZEV

C

Crf



Montages en pont

On utilise le pont de Wheatstone pour transformer une variation dimpdance en un signal lectrique.

A e

R1 R4

R2 R3

E

P1

P2

S1 S2

+

Lune (ou 2 ou 4) des rsistances est la sonde de mesure.

Pour des mesures prcises en alimentation courant continu, il y a perturbation par lexistence de thermocouples au niveau des liaisons cbles-impdance du capteur.

En alternatif il faut ajuster la frquence dalimentation en fonction de la dynamique du phnomne surveiller.

La variation de la tension de mesure est une fonction non linaire de la variation de la rsistance du capteur.

Des montages de linarisation sont proposs.

Il y a risque de dsquilibre du pont pour un simple changement de la capacit des cbles.



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Etalonnage

A

E

P1

P2

S1 S2

+

R1

Jauge

Les caractristiques des capteurs (ou du canal de mesure) risquent de changer avec temps.

R1: rsistance talon permettant de simuler une variation connue de la grandeur et ainsi rgler le gain de lamplificateur.

Les constructeurs fournissent des tableaux de valeurs de rsistances talon.



Rglage du zro Les valeurs des rsistances sont indicatives:

assignes avec une certaine tolrance,

subissent des drives dans le temps,

les dispositifs de mesures doivent prvoir la fonction remise zro (le pont doit tre quilibr sur une valeur nulle de la tension de sortie lorsque les jauges sont au repos).

Le montage suivant donne un exemple de compensation par potentiomtre.

E

P1

P2

S1 S2

+ Jauge

P



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Diffrents montages de capteurs rsistifs Il existe diffrentes configurations de montages des capteurs rsistifs:

Montage deux fils,

Montage 3 fils

Montage 4fils

Lobjectif des montages 3 et 4 fils est de compenser leffet des fils de liaisons du capteur.

Ea

R0

R(m)

Vm

R0

R0

A A

B

Rl

Rl

Exemple de montage trois fils



Montages 3 fils, montages 4 fils

V E

R0 r

r

r

Rx V E

R0 r

r

r

Rx



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Conditionneurs lments ractifs

Voir TDs.



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Documents

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echchatbi courbe obtenue

signal enregistr