2.4 CAPTEURS ET TRANSMETTEURS 2.4.1 Définitions sur les

2.4 CAPTEURS ET TRANSMETTEURS
2.4.1 Définitions sur les capteurs
Le capteur
Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une
grandeur physique (information entrante), une autre grandeur physique de nature
différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée
est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
Grandeur physique à
mesurer
Milieu physique
CAPTEUR
Interface
Grandeur physique de
sortie
Système de controle
Capteur actif
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe
sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie
propre à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de
rayonnement.
Les plus classiques sont :
•
Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique
différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une
force électromotrice e(T1,T2).
•
Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains
matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une
déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces
opposées.
•
Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique
dans un circuit électrique induit une tension électrique.
•
Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous
l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde
électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil caractéristique
du matériau.
•
Effet Hall : Un champs B crée dans le matériau un champs électrique E dans une
direction perpendiculaire.
•
Effet photovoltaïque :Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une
jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.
Grandeur physique à
mesurer
Effet utilisé
Grandeur de
sortie
Température
Thermoélectricité
Tension
Flux de rayonnement
optique
Photo-émission
Courant
Effet photovoltaïque
Tension
Effet photo-électrique
Tension
Piézo-électricité
Charge
Vitesse
Induction
électromagnétique
Tension
Position (Aimant)
Effet Hall
Tension
Force
Pression
Accélération
courant
Capteur passif
Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la
grandeur mesurée. La variation d'impédance résulte :
•
Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement
d'un grand nombre de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux
mobile, condensateur à armature mobile.
•
Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression
accélération (armature de condensateur soumise à une différence de pression,
jauge d'extensiométrie liée à une structure déformable).
Grandeur mesurée
Caractéristique
électrique sensible
Type de matériaux utilisé
Température
Résistivité
Métaux : platine, nickel, cuivre ...
Très basse
température
Constante diélectrique Verre
Flux de
rayonnement
optique
Résistivité
Semi-conducteur
Déformation
Résistivité
Alliage de Nickel, silicium dopé
Perméabilité
magnétique
Alliage ferromagnétique
Position (aimant)
Résistivité
Matériaux magnéto résistants :
bismuth, antimoine d'indium
Humidité
Résistivité
Chlorure de lithium
L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu'en intégrant le
capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur.
Corps d'épreuve et Capteurs composites
Pour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation on peut être amené à utiliser un
capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l'un de ses effets. Le
corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer produit une
grandeur directement mesurable par le capteur.
Grandeur
à mesurer
Corps d’épreuve
Capteur actif ou passif
Signal
électrique
Grandeur
intérmédiaire
Capteur composite
Capteur intégré
C'est un composant réalisé par les techniques de la microélectronique et qui regroupe sur
un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d'épreuve et
l'électronique de conditionnement.
Grandeur
à mesurer
Corps d’épreuve
Capteur actif
ou passif
Électronique
associée
Substrat Si
Capteur intégré
Signal
électrique
2.4.2
Le Transmetteur
Transmetteur de pression intélligent Platinum Standard de Elsag Bailey
Le rôle du transmetteur
C'est un dispositif répondant à une variable mesurée afin de générer et de transmettre un
signal de sortie standard en relation continue avec la valeur de la variable mesurée.
Le transmetteur "intelligent"
C'est un appareil de mesure sur site muni d'un microcontrôleur et utilisant les
communications numériques pour la transmission des informations.
Ses nouvelles fonctionnalités :
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 (voir chapitre sur les mesures de
niveau).
• de corriger l'influence des grandeurs d'influences sur la mesure.
Avantages métrologique du transmetteur "intelligent"
Précision
Le transmetteur possède moins de composants analogiques. Les grandeurs d'influences
sont compensées. La non linéarité du transducteur peut être corrigé.
• Rangeabilité
• Répétabilité
• Autosurveillance
• Traitement du signal
•
Avantages à la configuration et maintenance
• Convivialité
• Standardisation
• Diagnostic
• Archivage des configuration
Structure d'un transmetteur "intelligent"
2.4.3 Évolution des capteurs
Comme dans le reste de l'industrie, les capteurs analogiques laissent la place de plus en
plus aux capteurs numériques. Dans un premier temps ceci c'est matérialisé par
l'apparition des transmetteurs intelligents. Aujourd'hui, on se rapproche de plus en plus
d'une architecture en réseaux des capteurs ; le bus de terrain.
Il existe plusieurs standards industriels de bus de terrain, on citera : Profibus, Fieldbus,
WoldFip. Leur objectif est le même, simplifier la mise en place des boucles de
régulation. Pour cela, ils utilisent une liaison unique entre les différents intervenants de la
boucle de régulation (capteurs, régulateurs, actionneurs), liaison qui sert à la fois au
dialogue entre ces intervenants et à leur alimentation en énergie. Ainsi, l'ajout d'un
intervenant dans une boucle complexe se résume en deux interventions :
•
Le montage de l'intervenant sur le bus ;
•
L'adaptation, par l'intermédiaire d'un logiciel, du fonctionnement de la régulation.
Malgré l'existence de passerelles, il faut une standardisation de ces différents bus, dans le
but de simplifier la mise en oeuvre de ces nouvelles technologies et d'en diminuer le coût.
Exemple 1 : Régulation en cascade
Considérons la régulation en cascade des niveaux de deux réservoirs figurés ci-dessous.
Régulateur de niveau en cascade
La grandeur d'état primaire, celle dont on souhaite contrôler la valeur, est le niveau L1;
celle d'état secondaire est le niveau L2.
L'objectif est d'obtenir en régime permanent L1 égal à sa consigne W1. Si les deux
régulations possèdent une action intégrale, en régime permanent on a très précisément
: W1=M1, W2=M2.
Si par contre le régulateur R2 n'est pas doté de ce perfectionnement le régime permanent
correspond à W1=M1 et M2=W2-e, avec e écart résiduel entre signal de mesure et
consigne. Ce qui revient à dire que le capteur d'état secondaire doit être fidèle mais pas
nécessairement juste à la différence du capteur de grandeur primaire.
Exemple 2: Échangeur de chaleur
Prenons l'exemple d'un échangeur de chaleur : on souhaite Ts=consigne. On peut
considérer le débit Qf comme une grandeur perturbatrice principale puisque toute
augmentation de Qf provoquera, après un certain temps, une augmentation de Ts (on
suppose le fluide Qc à une température inférieure à Ts). il y aura donc lieu de prévoir
une régulation de tendance qui agira directement sur le débit Qc dès la variation de Qf et
non après variation de Ts d'où le schéma.
Échangeur de température
Il est à noter que si le signal de réglage de la vanne sortant du sommateur peut être
modifié indifféremment par les régulateurs R1 et R2, les capteurs à l'origine de ces
modifications n'ont pas lieu de présenter les mêmes caractéristiques. Le capteur de
température C1(grandeur primaire) doit être précis, tandis que le capteur C2 de débit Qf
doit seulement être fidèle (c'est à dire donner la même variation dk2 pour une même
variation dQf ).
Exemple 3: Documentation technique du capteur
On exprime très souvent la précision en pourcentage de l'étendue de mesure (ou de la
pleine échelle % P.E. soit en anglais % fso, pour full scale output). Il en est de même de
beaucoup de caractéristiques fournies dans les documents techniques. A titre d'exemple la
figure ci-dessous extraite du catalogue de la société SCAIME montre un exemple de
présentation des caractéristiques métrologiques essentielles d'une gamme de
transmetteurs de pression.
Caractéristiques métrologiques de capteurs de pression (documentation SCAIME)
2.4.4 Les actionneurs
Les systèmes physiques peuvent être utilisés en les sollicitant électriquement pour faire
varier une grandeur physique.
L'actionneur le plus utilisé est celui appelé "moteur électrique". Le mouvement de
rotation obtenu permet de commander de nombreux actionneurs mécaniques (vanne,
vérin, etc..)
Exemples de moteurs:
Classement des différents actionneurs, selon les grandeurs physiques les plus courantes :
2.4.5 L'importance du câblage
Dans toute chaîne d'acquisition de données, il est très important de bien définir les
spécifications du câblage entre les sources des signaux (les capteurs) et les entrées du
système ou entre les sorties du système et les actionneurs.
2.5 – COMMUNICATION AVEC LE MONDE DE LA PUISSANCE
2.5.1
Introduction
Monde des microprocesseurs = monde faible puissance (souvent TTL)
Monde des applications industrielles = monde de la puissance et des perturbations.
Pour interagir avec le monde de la puissance, le microprocesseur ou microcontrôleur
utilisera des transformateurs faible puissance/forte puissance et inversement. et non pas
interagir directement.
Le raccordement à ces transformateurs se fait lui-même à travers des circuits spécialisés
Exemple de difficultés :
Une ampoule alimentée par le réseau électrique (courant alternatif 110V à 60 Hz), 120
fois par seconde le courant qui traverse cette lampe sera égale à zéro.
Si la commande des relais est directement validée par le microprocesseur, la mise en
route ou l'arrêt des lampes, des moteurs, etc...va générer des parasites importants. Ces
parasites ont au moins deux effets :
€ créer des étincelles sur les contacts des relais (réduit leur durée de vie)
€ engendrer des inductions qui se propagent dans les différents circuits
électroniques.
Des phénomènes aussi simples peuvent perturber le bon fonctionnement du
microprocesseur (micro-coupures du réseau 110V, Actionnement d'une sonnette d'entrée,
démarrage de l'ascenseur, mise en route d'un moteur,....)
Le degré de perturbations dépend de la capacité du montage électronique à protéger et à
isoler le microprocesseur.
Si la commande des relais, par exemple, ne peut pas protéger le microprocesseur contre
les perturbations externes, au moins elle ne doit pas créer ces propres perturbations.
Les perturbations sont présentes dans tous les systèmes électroniques, mais elles sont
bien évidentes dans les systèmes de puissance.
2.5.2 Description d'un exemple de chaîne industrielle commandée par calculateur
(Extrait du livre "traitement des signaux et acquisition de données", Francis Cottet,
DUNOD)
Afin de donner un exemple sur la diversité des problèmes rencontrés dans la mise en
place des systèmes de mesure et de commande, étudions un système qui doit commander
une enceinte thermostatée.
Opérations à réaliser :
h régulation en température de l'enceinte (chauffage par résistance électrique)
h mesure de la température intérieure (thermocouple)
h vérification de la fermeture de la porte de l'enceinte (simple contact
électrique)
h allumage d'une lampe témoin (lorsque la température de consigne est
atteinte)
4 interfaces nécessitant toutes des adaptations
Interface 1 (liaison thermocouple – calculateur)
C'est une entrée analogique, d'un signal faible (quelques dizaines de mV) nécessite un
montage du type ampli+CAN
Remarque: T=f(V) caractéristique non-linéaire, fournie par le fabricant, donc à prendre en
compte au niveau des calculs.
Interface 2 (liaison contact électrique – calculateur)
Interrupteur à deux positions :
+15V (porte ouverte)
0V (porte fermée)
Adaptation (+15V, 0V J TTL)
e' = e[R2/(R1+R2)]
avec R2=10KΩ et R1=20KΩ
Interface 3 (liaison lampe – calculateur)
Lampe alimentée en 110V alternatif, utilisation d'un relais permettant de commuter le
secteur sur la lampe tout en réalisant l'isolement électrique (voir 8.4 et 8.5 livre
référence).
Interface 4 (liaison calculateur – résistance électrique)
La résistance électrique nécessite une puissance de commande importante,
solution=CNA+ampli.puissance.
Conclusion :
Pour un exemple simple comme celui ci-dessous, on observe la diversité des types
d'interfaces à mettre en oeuvre.
2.5.3 Chaîne d'E/S numérique
2.5.3.1 Cas simples : signaux compatibles TTL
Exemple:
liaison sortie numérique-LED,
échange de données par deux microprocesseurs,
etc...
2.5.3.2 Cas général
L'interface doit être étudiée au niveau des différentes fonctions : adaptation, isolement,
filtrage, étage tampon.
2.5.3.3 Composants d'une chaîne d'E/S numériques
a) Adaptation
Ê Adaptation en puissance
Par relais électromagnétiques ou statiques
• Relais électromagnétiques : isolement électrique de l'ordre de 1000V, un gain en
puissance important (une gamme très large de relais EM)
Avantages : temps de réponse mécanique de l'ordre de 10 ms, donc limités en fréquence
(joue le rôle d'un filtre passe-bas)
• Relais statiques : des étages de puissance réalisés avec des transistors pour les tensions
continues et des triacs pour les tensions alternatives, plus grande durée de vie, bande
passante plus étendue.
Ê Adaptation de niveau
• Pont diviseur
• Amplificateur
Ê Changement du type de signal
L'information que l'on veut récupérer, peut être contenue seulement dans une partie du
signal reçu: amplitude maximale, valeur moyenne, une fenêtre,...ou par exemple, changer
un signal alternatif en signal continu en utilisant un pont de diode.
b) Isolement et filtrage
Ê Isolement électrique
Coupleurs optoélectroniques : protection contre les surtensions, isolement du système
jusqu'à plusieurs milliers de volts, élimination du couplage par la masse dans le cas
d'alimentations séparées,...
Ils sont caractérisés par le rapport CTR (Current Transmission Ratio)
CRT =Isortie/Ientrée exprimé en %
Avantages: - grande vitesse de transmission > Mbit/s
- compatibilité TTL
- faible courant d'entrée
- gain élevé.
Ce système optique de transmission de l'information permet aussi d'éloigner le
calculateur du processus industriel en faisant une liaison diode
électroluminescente/phototransistor par fibre optique, cette liaison est insensible aux
parasites.
Ê Protection
Diode de protection contre les courants inverses
Diode de protection pour écrêtage du signal
Diodes Zener pour limiter la tension (faibles tensions seulement < dizaine de volts)
Ê Filtrage
Une forme d'isolement est la suppression de certaines fréquences (exemple les 60 Hz et
ses harmoniques 120 et 240 Hz, par un filtre passe-haut ou un filtre réjecteur
( Pour l'Amérique du nord, il faut prendre des filtres
en fonction du réseau 110V-60Hz)
c) Étage tampon
- Mémorisation des données
- adaptation à un bus de données
- synchronisation par la logique de commande
2.5.4 Les automates programmables industriels API
(Consulter une documentation plus détaillée, par exemple "Électrotechnique" Théodore
Wildi, Les presses de l'université de Laval)
2.5.4.1 Les éléments d'un système de commande
2.5.4.2 Structure d'un API
Modules d'entrée et modules de sortie:
module d'entrée
Module de sortie
Exemple: Un bouton poussoir doit alimenter trois lampes L1, L2 et L3 de sorte que L1 et
L2 s'allument et que L3 s'éteigne lorsqu'on appuie sur le bouton.