Séminaire d’instrumentation · Capteur Conditionneur Instrument Conclusion Il est important de...

Séminaire d’instrumentation

Le 19 novembre2007

Alex Bertholet

Laboratoire de Génie CivilPlace du Levant n°1

1348 Louvain-la-Neuve

[email protected]

Mesurer c’est savoir ? Mais encore faut-il savoir mesurer

� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs� Conditionneur� Instruments� Logiciels� Définitions

Présentation

Capteur Conditionneur Instrument Conclusion

Mesurer

Définition : La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation

ATTENTION :Mesurer c’est perturber

La mesure est l’une des bases importantes sur lesquelles repose la recherche expérimentale. Une recherche de qualité ne peut se réaliser sans un programme expérimental reposant sur un dispositif de mesure adapté. Il est important d’y apporter l’attention et le soin nécessaires, en utilisant la chaîne d’acquisition adéquate

MesurandeMesurandeMesurandeMesurande ::::Grandeur physique (P, T, ...).

Mesurage :Mesurage :Mesurage :Mesurage :Toutes les opérations permettant l'obtention de la représentation de la valeur d’une grandeur physique.

Mesure : Valeur représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20°C, 2 m/s,…)Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat de l'action).


La chaîne de mesures

Phénomènephysique

Capteur ConditionneurInstrument

(carte d’acquisition)Logiciel


Les différents éléments


Il est important de faire les bons choix.

La précision de la mesure dépend de chaque élément : Analogie à une chaîne audio

Le capteur : choix de la gamme de mesure

Le conditionneur : Hardware / Software

L’instrument : veiller à l’interchangeabilité

Le logiciel : nécessité de flexibilité / maîtrise

Traçabilité d’une chaîne de mesures.

Le coût $$$

� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs

� Types de capteurs� Capteur de niveau d’eau� Les courantomètres / Vélocimètre� Les débitmètres

� Conditionneur� Instruments� Logiciels� Définitions

Capteurs


Types de capteurs

Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable

Capteur actif

Effet thermoélectrique

Effet piézo-électrique

Effet d'induction électromagnétique

Effet photo-électrique

Effet Hall

Effet photovoltaïque

Capteur passif

Résistif (Déplacement, température,luminosité)

Capacitif

Magnétique


Mesure de niveau d’eau

Capteur de pressionCapteur ultrasoniqueCapteur laser


Bed profiler Radar

Mesure de conductivité

Capteur à bulles Capteuràflotteur

Wavo

Capteur de pressionLa pression absolue : C’est la différence de pression par rapport au vide. C'est la pression réelle, dont on tient compte dans les calculs sur les gaz. Pour mesurer une pression absolue, il faut faire un vide poussédans une chambre dite de référence.Le vide : Il correspond théoriquement à une pression absolue nulle. Il ne peut être atteint, ni dépassé. La pression relative : C'est la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique. Elle est le plus souvent utilisée, car la plupart des capteurs sont soumis à la pression atmosphérique. La pression atmosphérique ou pression barométrique : La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer, à 15 °C, est d'environ 1013 mbar. Elle peut varier, avec la pluie ou le beau temps. Elle est fonction de l'altitude (hydrostatique).Pression différentielle : C'est une différence entre deux pressions, dont l'une peut servir de référence. Une pression différentielle peut prendre une valeur négative.

Vide


Types de capteur de pression

Capteur à jauges de contraintes Capteur piézo-résistif/électriqueCapteur inductifCapteur capacitif


Jauge de contrainte

La résistance d’un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet :

où R est la résistance électriqueρ la résistivité du matériauL la longueur du fils la section du fil

s

LR

ρ=

Sous sa forme la plus simple, une jauge est constituée d’un très fin fil (2 microns) conducteur collésur un support. Cette feuille très mince est arrangée suivant la forme de la Figure 1. Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée.


Capteur à jauges de contraintes

Le capteur à jauges comprend donc un dispositif mécanique (corps d’épreuve), destiné àprovoquer, sous l’action de la grandeur physique, la déformation de ladite pièce.Des jauges collées sur ce corps d’épreuve transforment ces déformations en variation de résistance. Les précisions obtenues dans ce cas (0,01 %) sont considérablement supérieures àcelles que donnent les mesures de déformation.En réalisant un étalonnage du capteur (comparaison entre la valeur vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques de justesse, fidélité, réversibilité, retour à zéro….


Capteur piézoélectrique

La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps (quartz) de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables.

Capteur utilisant l’effet piézoélectrique :Capteur de force / PressionAccéléromètreCapteur de déplacement ultrasoniqueDébitmètre ultrasoniqueCourantomètre ADVRadar


Capteur ultrasoniqueL'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source.L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attend le retour du signal.


Capteur laser

La mesure est basée sur le principe de la triangulation. La position de la lumière sur le capteur CCD (caméra) varie en fonction du déplacement de la cible.

Problème : zone morte importante

Il existe également des lasers utilisantle principe d’interférométrie.


Tableau Récapitulatif


LentPrécisWavo

Plan D’eauRéférenceLimnimètre

TrainéeSurface / FondBed profiler

Zone morteRapidité / ponctuelleCapteur laser

Sensible aux objets

Flottants / Mousse

Compact / RobusteCapteur ultrasonique

TuyauteriePrécis Capteur de pression

InconvénientsAvantagesType

Les débitmètres

Le débit est habituellement mesuré par déduction, en mesurant la vitesse moyenne àtravers une section connue. Le débit mesuré par cette méthode indirecte est le débit volumique Qv : Qv = S . V

S est la surface de section de la conduite en m² Attention à la position du débitmètreV est la vitesse moyenne du fluide en m/s le long de la conduite : coude/vanne

Autres types de mesures :-Déversoir-Venturi / Diaphragme-Empotement


Débitmètre électromagnétiqueLe principe de mesure d’un débitmètre électromagnétique repose sur la loi d’induction de Faraday : Tout conducteur coupant les lignes d’inductions d’un champ magnétique à une certaine vitesse est soumis à une force électromotrice. Et c’est le liquide électriquement conducteur qui représente le conducteur en déplacement. La tension est induite par le champ magnétique et l’amplitude obtenue est proportionnelle à la vitesse d’écoulement du liquide conducteur. E = B * L * V


Débitmètre ultrasonique

Les sondes A et B sont à la fois émettrices et réceptrices. Elles émettent alternativement l'une vers l'autre. Le signal acoustique qui se propage dans le fluide est capté par la sonde opposée.Les temps de propagation Amont/Aval et Aval/Amont sont mesurés avec grande précision (typiquement 0.2 ns). A partir de ces temps et de la position géométrique des sondes, la vitesse moyenne sur le trajet acoustique peut être calculée.


Débitmètre

Limité à de petits

diamètres

Gaz / Produit alimentaire

Coriolis

Grande rangebilité

Pas pour faible débit

Simple

Linéaire

Vortex/diaphragme

Moins précisAmovibleUltrasonique

Coûteux / IntrusifPrécis / immergeableElectromagnétique

InconvénientsAvantagesType


Les courantomètres / Vélocimètre

-Tube de Pitot / -Preston-ADV-Fil à bulles


PTV

Moulinet / micro moulinet

Courantomètre à fil chaud

Tube de Pitot

Il est constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière.•L'un, placé orthogonalement, à une vitesse relative v égale à la vitesse du fluide et une pression statique ps égale à la pression ambiante.•L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale pt, somme de la pression dynamique et de la pression statique.

La différence entre ces pressions donne la vitesse

v = vitesse

p = pression dans la conduite (ps est la pression statique, pt est la pression totale)ρ = masse volumique du fluide


ADV (Acoustic Doppler Velocimeter)

La vélocimétrie à effet Doppler est l'une des techniques les plus modernes destinées aux mesures de la vitesse moyenne et ses fluctuations dans un écoulement de suspension de particules liquide. Cette technique se révèle bien adaptée à l'étude d'une zone de recirculation dans la mesure où elle permet, sans perturber l'écoulement, d'obtenir le sens, le taux de fluctuation et le module d'une composante de la vitesse. Le principe de mesure repose sur l'effet Doppler, qui traduit la différence qui existe entre la fréquence d'un signal émis par une particule de fluide en mouvement et celle recueilliepar le récepteur fixe.


� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs� Conditionneur

� Son rôle� Types de sorties� Les réglages

� Instruments� Logiciels� Définitions

Conditionneur


Rôles du Conditionneur

Son 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 intègregénéralement l’alimentation du capteur et un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal.

vb


Sortie analogiqueSortie tension: +/- 10 V

Utilisée en laboratoire

Sortie courant : 4-20 mA

Pour de grandes distances (industrie)

Rapport S/N :

Le transmetteur intelligent : est un transmetteur muni d'un module de communication et d'un microcontrôleur.

Protocol de liaison Field bus, Profibus, Hart, TEDS


Les réglages

Le conditionneur (transmetteur) possède en général au moins deux paramètres de réglage ; le décalage de zéro et le gain déterminant l'étendue de mesure (FS)

Réglage de zéro Réglage de gain (amplification)


� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs� Conditionneur� Instruments

� Circuit� Les entrées analogiques� La conversion analogique/digitale� La vitesse d’échantillonnage

� Logiciels� Définitions

Les instruments


Les instruments

Spécifications :FormatNombre d’entrée/sortie (A/D)Vitesse de mesureRésolution

Oscilloscope Agilent

Multimètre scanner AgilentDaQPad USB National Instruments

Carte PCI National Instruments


Circuit

Circuit d’entrée analogique d’une carte série M de National Instruments


Entrées analogiquesSource flottante Source référenciée

à la masse Source flottante : -Thermocouples.-Utilisation de conditionneur avec sortie isolée.-Dispositifs sur batterie.

Source référenciée à la masse : -Appareil avec sorties non isolées.

Entrées Single-Ended :N entrées disponibles.

Entrées Différentielles : N/2 entrées disponibles.


Le Convertisseur A/D

Un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN, ADC pour Analog to Digital Converter ) est un montage électronique dont la fonction est de générer, à partir d'une valeur analogique, une valeur numérique (codée sur plusieurs bits), proportionnelle à la valeur analogique entrée. Le plus souvent, il s'agira de tensions électriques

Plage de conversion 0-5V, 0-10V, ou encore ±5V ou ±10V Résolution:FS / 2 ^ 16 (bit) 10 V / 65536 = 0,0001525 V

- Convertisseur par intégration - Convertisseur à approximation successive- Convertisseur delta/sigma


Rapidité, temps de réponse

C'est l'aptitude d'un instrument à suivre les variations de la grandeur à mesurer


Echantillonnage

Le théorème de Nyquist-Shannon énonce que la fréquenced'échantillonnage d'un signal doit être égale ou supérieure au double de la fréquence maximale contenue dans ce signal, afin de convertir ce signal d'une forme analogique à une forme numérique

Bon échantillonnage Mauvais échantillonnage


FFT (Fast Fourier Transform )Cet algorithme est couramment utilisé en traitement numérique du signal pour transformer des données du domaine temporel dans le domaine fréquentiel, en particulier dans les analyseurs de spectre. Son efficacité permet de réaliser des filtrages en passant dans le domaine transformé.


Connectique

RS232 : aussi appelé EIA RS-232C ou V24, est une norme standardisant un port de communication de type série.

USB : L'Universal Serial Bus est une connexion à haute vitesse qui permet de connecter des périphériques externes à un ordinateur (hôte dans la littérature USB). Il supporte le branchement simultané de 127 périphériques, en série. USB 2.0 Full Speed pour un dispositif transmettant au maximum à 12 Mbit/s.

GPIB : General Purpose Interface Bus de 8 bit en parallèle permettant la communication avec plus de 15 instruments.

Fire Wire IEE1394 : est le nom d'une norme d'interface série multiplexée. Il s'agit d'un bus rapide véhiculant à la fois des données et des signaux de commandes des différents appareils qu'il relie.

Ethernet (RJ 45): est un protocole de réseau informatique à commutation de paquets implémentant la couche physique.

RS232

Fire Wire IEE1394

GPIB


Les erreursL'erreur de justesse est l'erreur globale résultant de toutes les causes pour chacun des résultats de mesure pris isolément

La fidfidfidfidéééélitlitlitlitéééé est l'aptitude d'un appareil de mesure à donner des mesures exemptes d'erreurs accidentelles.

Erreur de linéarité

Erreur d’ hystérésisIncertitude de mesure : Somme des erreurs systématique et aléatoire d’une chaîne de mesures


Partie logiciel

Acquimem Contact Pro

Acquisition rapide ( > 10 hz)Drivers National uniquement

Acquisition/pilotage lentDrivers multi instrument


DéfinitionsSensibilitSensibilitSensibilitSensibilitéééé: : : : La sensibilité exprime la variation du signal de sortie d'un appareil de mesure en fonction de la variation du signal d'entrée.

Résolution: La résolution est le plus petit écart entre deux valeurs, tel que l'appareil en donne une mesure différente.

La précision: La précision est l’aptitude d’un instrument àmesurer une valeur vraie.

L'étendue de mesurage: C'est le domaine de variation possible de la grandeur à mesurer. Elle est définie par une valeur minimale et une valeur maximale (FS: full scale).

I: Indication donnée par l'essaiG: Quantité de grandeur à mesurer

Étalonnage: Ensemble des opérations établissant, dans les conditions spécifiées, la relation entre les valeurs de la grandeur indiquée par un appareil de mesure ou un système de mesure, ou les valeurs représentées par une mesure matérialisée ou par un matériau de référence, et les valeurs correspondantes de la grandeur réalisée par les étalons.

Calibration: est l’action qui consiste à régler l’instrument de façon à ce que le résultat corresponde à celle du calibre (calibration par résistance shunt d’un pont de jauge).


Fin

� Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré" (Galilée)

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