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Chaîne de mesure et acquisition de données

Chaîne de mesure et

acquisition de données

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Sommaire

A La chaîne d’acquisition de données p 3

I Description de la chaîne d’acquisition de données p 4

II Emplacement de la chaîne d'acquisition p 11

III Caractéristiques d’une chaîne d'acquisition p 12

IV Acquisition de données sur PC p 14

V Carte d'acquisition p 16

VI Le software p 17

VII Systèmes de conditionnement p 19

B Notions de traitement du signal p 21

I Notion de spectre d’un signal p 22

II Outils mathématiques p 24

III … p

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Chaîne de mesure et acquisition de données

A - La chaîne d’acquisition de données

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Chaîne de mesure et acquisition de données

I - Description de la chaîne d’acquisition de données

– recueillir les informations nécessaires à la connaissance de l’état d’un système

⇒ variables du système Ex. : température, pression

⇒ variables environnementales Ex. : température, champ magnétique

– assigner une valeur à un mesurande

mesurande = grandeur physique ou chimique caractérisant l'état d'un système

⇒ mesure Ex : température frein F1= 285 °C

– délivrer ces informations sous une forme appropriée à leur exploitation

⇒ transduction Ex : température → signal électrique

⇒ numérisation Ex : 285 → 100011101

1) Rôle d’une chaîne d’acquisition (ou de mesure)

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Chaîne de mesure et acquisition de données

2) Constitution

CapteurAmplification

du signalFiltrage (fc) Echantillonneur CNA

Une chaîne d’acquisition est généralement constituée des éléments suivants :

Souvent associée à une chaîne de restitution :

CANAmplificateur

de puissanceFiltrage (fc)

Grandeur

physique

I - Description de la chaîne d’acquisition de données

UC

UC Actionneur

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Chaîne de mesure et acquisition de données

– extraction de l'information ⇒ capteur

– traitement analogique du signal ⇒ amplification, filtrage …

– sélection d'un signal parmi plusieurs ⇒ multiplexage

– conversion du signal sous forme numérique ⇒ échantillonnage, numérisation

– analyse et exploitations des données ⇒ PC

– coordination des différents opérations ⇒ PC, automate …

Une chaîne d'acquisition doit pouvoir assurer les fonctions suivantes :

I - Description de la chaîne d’acquisition de données

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Capteur

– interface entre le monde physique et le monde électrique

– conversion de l’énergie de la grandeur physique en énergie électrique

⇒ transduction

– toujours associé à un circuit électrique de mise en forme

⇒ conditionneur

Amplificateur d’entrée

– adapte le niveau du signal fourni par le capteur au reste de la chaîne

Filtrage d’entrée

– limiter le spectre du signal

– supprimer les parasites

I - Description de la chaîne d’acquisition de données

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Echantillonneur

– permet de prélever une suite de valeurs du signal

CAN

– convertisseur analogique → numérique

– transforme la tension de l’échantillon analogique en code binaire numérique ⇒ PC

I - Description de la chaîne d’acquisition de données

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Chaîne de mesure et acquisition de données

CNA

– convertisseur numérique → analogique

– transforme le code binaire en tension

Filtrage de sortie

– permet de « lisser » la tension fournie par le convertisseur

Amplificateur de puissance

– adapte le niveau du signal de sortie du CNA à la charge

Actionneur

– charge passive ou active agissant sur le système à monitorer

I - Description de la chaîne d’acquisition de données

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Chaîne de mesure et acquisition de données

I - Description de la chaîne d’acquisition de données

Structure générale d'une chaîne d'acquisition à plusieurs entréesAcquisition

Transform

ation

Traitem

ent

Mise en forme

du signal

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Chaîne de mesure et acquisition de données

II - Emplacement de la chaîne d'acquisition

la chaîne d'acquisition est le cœur du système de mesure-contrôle d'un procédé

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Chaîne de mesure et acquisition de données

– l'étendue de mesure (E.M.) ⇒ valeurs min et max du mesurande

– la résolution ⇒ plus petite variation mesurable

– la rapidité ⇒ temps de réponse, bande passante

– l'immunité aux parasites ⇒ température, électromagnétisme …

– la précision ⇒ justesse, fidélité, incertitudes

III - Caractéristiques d'une chaîne d'acquisition

1) Caractéristiques métrologiques principales

= imposées par l'application envisagée ⇒ cahier des charges.

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Chaîne de mesure et acquisition de données

2) Caractéristiques globales d'une chaîne d'acquisition

= dépendent des caractéristiques de chaque maillon de la chaîne

⇒ données constructeur, étalonnage

3) Principales sources d'erreurs ou d'incertitudes

– adaptation d'impédance

– erreur de gain, erreur de linéarité

– dérives thermiques

– parasites

– vieillissement

III - Caractéristiques d'une chaîne d'acquisition

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Chaîne de mesure et acquisition de données

IV - Acquisition de données sur PC

1) Introduction

⇒ forte croissance dans tous les secteurs d'activité

⇒ mesures et analyses de systèmes complexes

⇒ régulation de systèmes

⇒ fournit des données formatées pour les systèmes d'informations

2) Intérêt de l'acquisition sur PC

– rapidité et puissance ⇒ processeurs et mémoire RAM

– stockage des données à moindre coût ⇒ disques durs "énormes"

– facilité et confort d'utilisation ⇒ PC portable, technologies sans fil

– outils logiciels ⇒ LabView, C, assembleur, Delphi …

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Chaîne de mesure et acquisition de données

– capteurs – transmission des données vers le PC

– conditionneurs de signaux – le PC

– système de conversion – logiciel d'acquisition et de traitement

3) Éléments constitutifs

IV - Acquisition de données sur PC

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Caractéristiques importantes

– nombre d'entrées/sorties analogiques

– nombre d'entrées/sorties numériques

– fréquence d'échantillonnage

– résolution en nombre de bits

– multiplexage des voies

– compteurs et timers

V - Carte d'acquisition

Carte d'extension d'un PC permettant la conversion analogique numériqued'un ou plusieurs signaux et le transfert des données dans la mémoire du PC.

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Chaîne de mesure et acquisition de données

1) Le "driver" (ou "logiciel Pilote") = logiciel fourni par le constructeur de la carte

– permet de contrôler la carte ⇒ fréquence, voie d'acquisition …

– librairies de fonctions spécifiques ⇒ écriture de ses propres programmes

VI - Le software

carted'acquisition

2) Le langage de haut niveau

– permet à l'utilisateur de gérer l'acquisition et le traitement des données acquises

– logiciel "clé en mains" ⇒ avantage = tout fait, fonctionne

⇒ inconvénient = figé, prix

– programme "maison" ⇒ avantage = prix, évolutivité

⇒ inconvénient = à faire, fonctionne ? …

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Chaîne de mesure et acquisition de données

3) Exemple de programmes

programme Labview

programme écrit en C

(code source)

(interface utilisateur)

VI - Le software

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Spécificités

– carte de conditionnement modulaire

– châssis robuste (compatible avec les environnements industriels)

– bus de fond de panier (conditionnement, filtrage, multiplexage, CAN)

– sortie compatible avec une carte d'acquisition ou sortie RS232 / RS485

Module SCXI : Standard industriel de conditionnement de signaux et d'architecturepour l'instrumentation et la mesure.

VII - Systèmes de conditionnement

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Module USB : Nouveau mode de conditionnement et d'acquisition de signaux pourl'instrumentation et la mesure.

VII - Systèmes de conditionnement

NI USB-9211A

DAQ USB portatif pour thermocouples

Spécificités

– encombrement réduit

– connectique simplifiée

– parfois logiciel embarqué

– sortie compatible avec PC portable

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Chaîne de mesure et acquisition de données

B - Notions de traitement du signal

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Comment représenter la fonction x(t) = Xm.cos(2πf0t) ?

– Représentation temporelle

I - Notion de spectre

– Représentation fréquentielle

⇒ 2 façons

x(t)

t

f

Xm

f0

Spectre[x(t)]T0

Xm

-Xm

00T1f =Rq : Rappel…

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Chaîne de mesure et acquisition de données

– Représentation temporelle – Représentation fréquentielle

y(t)

t

Y1+Y2

f

Y1

f0

Spectre[y(t)]T0

Y2

f1T1 Y1 = 1 f0=50 Hz

Y2 = 0,2 f1=500 Hz

Spectre d’amplitude du signal y(t)

Rq : il existe aussi le spectre de phase du signal y(t)

-Y1-Y2

I - Notion de spectre

Fonction à plusieurs composantes fréquentielles :

y(t) = Y1.cos(2πf0t) + Y2 cos (2πf1t)

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Chaîne de mesure et acquisition de données

⇒ décomposition en série de Fourier de la fonction x(t)

1) Série de Fourier

x t( )= A0 + An ⋅ cos n ⋅ω0 ⋅ t( )n=1

n=∞∑ + Bn ⋅ sin n ⋅ω0 ⋅ t( )

ω0 = 2πf0 = 2πT0

Rappel :

II - Outils mathématiques

– outil mathématique ⇒ opérateur mathématique

– s’applique uniquement aux signaux périodiques

– permet de déterminer le spectre d’un signal périodique

→ composition fréquentielle

⇒ un signal x(t) périodique, de période T0, peut s’écrire sous la forme suivante :

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Chaîne de mesure et acquisition de données

Avec :

An = 2

T0

⋅ x t( )⋅ cos n ⋅ ω0 ⋅ t( )⋅ dtα

α +T0

∫A0 = 1

T0

⋅ x t( )⋅ dtα

α +T0

∫

Bn = 2

T0

⋅ x t( )⋅ sin n ⋅ ω0 ⋅ t( )⋅ dtα

α +T0

∫

Écriture complexe de la série de Fourier :

x t( )= Cn ⋅ e j⋅n⋅ω0 ⋅ t

n=−∞

n=∞∑ Avec : Cn = 1

T0

⋅ x t( )⋅ e− j⋅n⋅ω0 ⋅ t ⋅ dtα

α +T0

∫

et la relation suivante : 2

BAC nn

n

+=

II - Outils mathématiques