COMPOSANTES DES CHAÎNES FONCTIONNELLES

C OMPOSANTES
DES CHAÎNES FONCTIONNELLES
CCP 2009 : Commande des gouvernes de l’A380
Objectifs
REPRESENTER-MODELISER
Ce fascicule se veut être un support pour aborder les différents travaux pratiques qui s’articulent autour du programme
suivant:
• la chaîne d’action :
◦ les transmetteurs de puissance et les effecteurs : fonction, mobilité fonctionnelle d’une partie opérative ļes
actionneurs et pré actionneurs associés : fonction, typologie des énergies d’entrée et de sortie
• la chaîne d’information :
◦ les capteurs: fonction ; typologie des informations d’entrée et de sortie
◦ les commandes programmables : fonction.
• la chaîne d’énergie :
◦ les interfaces de commande et de puissance : fonction, typologie des énergies d’entrée et de sortie.
• Représentation schématique de la structure des chaînes fonctionnelles (mécaniques , électriques, hydrauliques et
pneumatiques) :
◦ graphe de structure
◦ schéma cinématique minimal, schéma d’architecture
◦ schémas électriques, hydrauliques et pneumatiques.
1
Table des matières
1 Chaînes fonctionnelles
1.1 Structure générale d’un système automatisé
1.2 Eléments de dialogue homme/machine . . .
1.3 Transformateurs du mouvement mécanique
1.4 Les transmissions hydrostatiques . . . . . .
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3
3
4
4
4
2 Actionneurs
2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Vérins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
7
8
15
3 Pré-actionneurs
3.1 Préactionneurs hydrauliques et pneumatiques . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Préactionneurs électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
19
21
4 Capteurs
4.1 Nécessité de capteurs . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Détecteurs de présence . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Mesure d’une position . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Mesure d’une vitesse . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Mesure d’une accélération . . . . . . . . . . . . .
4.6 Mesure d’une déformation . . . . . . . . . . . . .
4.7 Mesure d’une force, d’un couple et d’une pression .
4.8 Mesure d’une température . . . . . . . . . . . . .
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24
24
26
28
34
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36
37
39
5 Schématisation
5.1 Symboles normalisés pneumatique et hydraulique . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Schémas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
42
47
LYCÉE C ARNOT (D IJON )
MPSI - PCSI
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G ERMAIN G ONDOR
Chapitre 1
Chaînes fonctionnelles
1.1 Structure générale d’un système automatisé
Un système automatisé est composé d’un partie commande et d’une partie opérative. A ces parties, une interface de dialogue
est introduite entre l’homme et la machine.
La partie opérative peut être décomposées en plusieurs ensembles:
• les capteurs
• les effecteurs
• les actionneurs
• les pré-actionneurs
3
• les transmetteurs de puissance
4. L ES TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES
4/48
1.2 Eléments de dialogue homme/machine
A l’interface homme machine des composants de différentes natures permettent le dialogue:
Opérateur → PC
PC → Opérateur
Dialogue élémentaire (sans informations alphanumériques ni analogiques)
Bouton poussoir
Voyants colorés fixe et clignotants
Bouton tournant
Gyrophares
Bouton à clef
Avertisseurs sonores
Pédale
Manche à position multiple
...
Dialogue alphanumérique
Roue codeuse
Afficheur 7 segments
Clavier alphanumérique
Ecran
...
Imprimante
Dialogue analogique
Potentiomètre
Indicateur analogique (à aiguille)
Souris
...
1.3 Transformateurs du mouvement mécanique
L’étude des transformateurs de mouvements est effectuée en Tp. Les supports proposés permettent d’étudier les systèmes:
• Vis-Ecrou (Maxpid)
• Croix de Malte (Capsuleuse de bocaux)
• 4 barres à longueurs fixes (Ouvre portail)
• 3 barres dont une est un vérin (Pilote automatique)
• Bielle-manivelle (Solidworks, scie égoïne)
• Pignon-crémaillère (Groom)
• ...
1.4 Les transmissions hydrostatiques
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C ONSTITUANTS
DES
CHAÎNES FONCTIONNELLES
MPSI - PCSI
4. L ES TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES
1.4.1
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Introduction
Il existe différents types de transmissions hydrauliques :
• les transmissions hydrocinétiques caractérisées par de faibles pressions (environ 1 bar) mais des vitesses de fluide
très élevées (100 m.s−1 ) : nous ne les étudierons pas.
• les transmissions hydrostatiques caractérisées par de fortes pressions de fluide ( de l’ordre de 300 à 1000 bar) et de
faibles vitesses (< 5 m.s−1 ).
1.4.2
Structure d’une transmission hydrostatique
La structure d’une transmission hydrostatique est la suivante :
Ces transmissions présentent de grands avantages :
• Grande puissance transmissible
• Flexibilité : les liens entre la pompe hydraulique et le moteur hydraulique ne sont que des tuyaux.
• Elles autorisent de plus des variations continues de la vitesse de rotation du récepteur mécanique.
Ainsi, une telle transmission est utilisée dans de nombreux engins de Travaux Public, mais aussi maintenant dans l’automobile : le 4x4 HONDA CRV nommé Joy Machine comporte un moteur thermique qui entraîne une pompe hydraulique qui
entraîne quant à elle, via des tuyaux (grand intérêt pour la direction et le débattement des roues), 4 moteurs hydrauliques
placés dans chacune des roues.
Le sujet CCP 2008 était consacré à la transmission à variation continue VARIO-FENDT (sur un tracteur).
Les moteurs hydrauliques ne sont pas présents au laboratoire de Sciences Industrielles. Cependant, nous possédons la pompe
hydraulique de la direction assistée DIRAVI et celle du pilote automatique.
R EMARQUE : Un moteur hydraulique fonctionne de manière inverse par rapport à une pompe hydraulique.
1.4.3
Notations et définitions de base
D ÉFINITION : Cylindrée d’une pompe ou d’un moteur
Quantité de fluide refoulée ou admise (cas d’un moteur) pour une rotation unitaire de l’arbre d’entrée (ou de
sortie pour un moteur). Cette quantité s’exprime donc, en unité SI, en m3 .
D ÉFINITION : Débit
Quantité de fluide refoulée ou admise par unité de temps
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4. L ES TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES
6/48
Le débit est aussi le produit de la cylindrée par la vitesse de
rotation :



Q débit en m3 /s




Q = V.ω
avec 
V cylindrée en m3 /rad




 ω vitesse de rotation rad/s
D ÉFINITION : Couple
Force mécanique de rotation pure.
#»
R APPEL Soit une force F appliquée au point P. Le moment
#» # »
#»
M(O,F P ) de la force F appliquée au point P est:
#»
# » #»
M(O,F# »P ) = OP ∧ F
La puissance mécanique P en entrée de la pompe est donnée par:



P puissance en W




P = C.ω
avec 
C couple exercé par le moteur d’entrainement sur la pompe en N.m




 ω vitesse de rotation de la pompe rad/s
La puissance mécanique est aussi égale au produit du débit Q par la différence de pression ∆P.
Nous avons donc
1.4.4
Q.∆P = C.ω
avec
Q = V.ω
d’où C = V.∆P
Relations fondamentales
On se place ici dans le cas où le système ne comporte qu’une pompe et qu’un moteur hydraulique
1.4.4.1
Cinématique
En supposant le fluide (de l’huile) incompressible, en se plaçant en régime permanent, en négligeant les éventuelles fuites et
déformations (tuyaux), nous pouvons écrire l’égalité des débits sortant de la pompe (Q sp ) et entrant dans le moteur (Qem ):
Q sp = V p .ω p
Qem = Vm .ωm
avec V p et Vm les cylindrées de la pompe et du moteur
ωm =
On a donc Vm .ωm = V p .ω p soit
1.4.4.2
Vp
.ω p
Vm
Dynamique
En se plaçant en régime permanent, en négligeant les éventuelles fuites, frottements et pertes de charges dans les tuyaux,
nous pouvons écrire l’égalité de la différence de pression ∆P en sortie de pompe et en entrée du moteur::
C p = V p .∆P
Cm = Vm .∆P
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Cp =
donc
Vp
.Cm
Vm
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Chapitre 2
Actionneurs
2.1 Généralités
2.1.1
Fonction globale d’un actionneur
La fonction globale d’un actionneur est de convertir une énergie d’entrée disponible sous une certaine forme en une énergie
de sortie utilisable pour obtenir un effet donné.
Un actionneur transforme donc la nature de l’énergie
2.1.2
Rendement d’un actionneur
La conversion d’une énergie produit toujours, outre la forme d’énergie recherchée (que l’on qualifie d’énergie utile), une ou
plusieurs formes secondaires d’énergie. Le rendement η d’un actionneur correspond au rapport entre l’énergie utile de sortie
recueillie pendant un intervalle de temps donné et l’énergie entrée pendant le même intervalle de temps:
η=
E XEMPLE : Moteur électrique
énergie utile de sortie
énergie d’entrée
Dans un moteur électrique asynchrone, une fraction de l’énergie électrique d’entrée est dissipée sous forme thermique dans
les bobinages. Le rendement correspond au rapport entre l’énergie mécanique disponible sur l’arbre de sortie et l’énergie
électrique fournie. Il a pour valeur de 0,8 à 0,95 selon le type de moteur.
2.1.3
Classification générale des actionneurs
Une classification générale des actionneurs peut être effectuée à partir de leur fonction globale, c’est à dire de leur mode de
conversion d’énergie réalisée dans l’actionneur. On prend donc en compte pour établir cette classification:
• la forme de l’énergie d’entrée de l’actionneur
• la forme de l’énergie de sortie de l’actionneur
Les familles d’actionneurs les plus couramment utilisées en construction mécanique se distinguent en deux groupes:
• les actionneurs qui assurent la transformation d’énergie électrique en énergie mécanique: moteur électriques, electroaimants
7
2. M OTEURS
8/48
• les actionneurs qui assurent la transformation d’une forme d’énergie mécanique en une autre forme d’énergie mécanique. Ces actionneurs sont généralement désignés par le terme d’actionneurs mécaniques.
2.2 Moteurs
Le terme général de moteur englobe les actionneurs mécaniques, les actionneurs électromécaniques (moteurs électriques),
les actionneurs thermo-mécaniques (turbines à gaz) et chimio-mécaniques (moteurs à combustion interne), c’est à dire tous
les actionneurs dont l’énergie de sortie est une énergie mécanique.
2.2.1
2.2.1.1
Moteurs électriques
Fonction globale
La fonction global d’un moteur électrique est de convertir une énergie électrique (U.I avec U la tension et I l’intensité) en
énergie mécanique de rotation (C.ω avec C le couple et ω la vitesse de rotation).
Un moteur électrique possède un stator (partie fixe) et un rotor (partie mobile).Il existe plusieurs sortes de moteurs électriques
qui différent selon la technologie de leur rotor et stator.
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2. M OTEURS
2.2.1.2
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Machine à courant continu
#»
Le stator est un aimant qui crée un champ magnétique B. Le rotor comporte des conducteurs bobinés parcourus par un
courant continu.
L’avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation
simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple
et leur sens de rotation.
Le principal défaut de la machine à courant continu réside dans l’ensemble balais/collecteur rotatif qui s’use, est complexe à réaliser et consomme de l’énergie. Un
autre problème limite les vitesses d’utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c’est le phénomène de défrettage, la force centrifuge finissant par
casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).
Le fonctionnement de ce moteur est régi par 4 équations (cf cours
sur les machines CC).
u(t)
J. dω
dt
Cm (t)
e(t)
2.2.1.3
Les domaines d’utilisations de ce moteur sont les suivants:
= R.i(t) + L. di + e(t)
dt
= Cm (t) − Cr (t)
équation électrique
• hifi, informatique
équation mécanique
• commande d’axe
= K.φ.i(t)
= K.φ.ω(t)
force de Laplace
induction de Faraday
• applications à performances élevées et/ou à
petites puissances
Machine à courant alternatif
Moteur universel
Un moteur universel est une machine à courant continu à excitation série : le rotor est connecté en série avec l’enroulement
inducteur. Le couple de la machine est indépendant du sens de circulation du courant (couple proportionnel au carré du
courant) et peut donc être alimenté en courant alternatif. Pour limiter les courants de Foucault qui apparaissent systématiquement dans toutes les zones métalliques massives soumises à des champs magnétiques alternatifs, son stator est feuilleté.
Les moteurs universels sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple assez fort, tel qu’un robot de cuisine, l’outillage
électroportatif de faible puissance (jusqu’à 1200 W) ou encore les aspirateurs. La vitesse de rotation de ces moteurs peut
être facilement réglée par un dispositif peu coûteux tel qu’un gradateur (variateur servant à régler l’intensité lumineuse des
luminaires).
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2. M OTEURS
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Moteur asynchrone
La machine asynchrone, connue également sous le terme anglo-saxon de machine à induction, est une machine électrique
à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Les machines possédant un rotor en cage d’écureuil sont aussi
connues sous le nom de machines à cage ou machines à cage d’écureuil. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse
de ces machines n’est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.
Les courants statoriques créent un champ magnétique tournant dans le stator. La fréquence de rotation de ce champ est
imposée par la fréquence des courants statoriques, c’est-à-dire que sa vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence
de l’alimentation électrique. La vitesse de ce champ tournant est appelée vitesse de synchronisme.
L’enroulement au rotor est donc soumis à des variations de flux (du champ magnétique). Une force électromotrice induite
apparaît et crée des courants rotoriques. Ces courants sont responsables de l’apparition d’un couple qui tend à mettre le rotor
en mouvement afin de s’opposer à la variation de flux : loi de Lenz. Le rotor se met donc à tourner pour tenter de suivre le
champ statorique.
La machine est dite asynchrone car elle est dans l’impossibilité, sans la présence d’un entraînement extérieur, d’atteindre
la même vitesse que le champ statorique. En effet, dans ce cas, vu dans le référentiel du rotor, il n’y aurait pas de variation
de champ magnétique ; les courants s’annuleraient, de même que le couple qu’ils produisent, et la machine ne serait plus
entraînée. La différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appelée vitesse de glissement.
Couple en fonction du glissement
Couple en fonction de la vitesse de
rotation
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Couple en fonction de la vitesse de
rotation et de la fréquence d’excitation
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2. M OTEURS
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Lorsqu’il est entraîné au-delà de la vitesse de synchronisme - fonctionnement hypersynchrone - la machine fonctionne en
générateur alternatif. Mais son stator doit être forcément relié au réseau car lui seul peut créer le champ magnétique nécessaire pour faire apparaître les courants rotoriques.
Moteur synchrone
Les courants du stator créent un champ magnétique tournant dans le stator. Sa fréquence
de rotation (sa vitesse) est proportionnelle à la fréquence de l’alimentation électrique. La
vitesse de ce champ tournant est appelée vitesse de synchronisme.
Le rotor, souvent appelé roue polaire, est alimenté par une source continue ou auto induite
(spire en court-circuit). Il peut aussi être constitué d’aimants permanents, le rotor n’a alors
plus besoin d’alimentation.
Le champ magnétique du rotor créé cherche en permanence à s’aligner sur celui du stator.
C’est le principe de la boussole (qui voit elle par contre un champ magnétique fixe). Cette
machine est dite synchrone : le champ du rotor ne peut que tourner à la même vitesse que
le champ du stator.
Une machine synchrone est une machine électrique possédant deux modes de fonctionnement:
• fonctionnement générateur : Elle produit un courant électrique dont la fréquence est déterminée par la vitesse de
rotation de la machine
• fonctionnement moteur : Elle absorbe un courant électrique dont la fréquence détermine la vitesse de rotation de la
machine
Au-delà de quelques kilowatts, les machines synchrones sont généralement des machines triphasées. Les alternateurs sont
des machines synchrones fonctionnant en génératrice.
Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV). Ces machines sont associées à
des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle
d’autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).
2.2.1.4
Moteur pas à pas
Un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un
ensemble d’électroaimants situés dans le stator (un ensemble de bobines
alimentées par des impulsions de courant continu).
Le rotor ne tourne pas de façon continue. En augmentant la fréquence
des ordres de commutation, le fonctionnement est assimilable à celui d’un
moteur à courant continu.
Ses caractéristiques sont principalement:
• nombre de position par tour : pas
• couple maximum
Le moteur pas à pas est utilisé pour des applications nécessitant un positionnement précis sans boucle d’asservissement.
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2. M OTEURS
2.2.2
12/48
Pas 1
Pas 2
Pas 3
Pas 4
Pas 5
Pas 6
Pas 7
Pas 8
Moteurs thermiques
2.2.2.1
Fonction globale
La fonction global d’un moteur thermique est de convertir une énergie chimique (∆H chaleur de réaction et n, nombre de
mole) en énergie mécanique de rotation (C.ω avec C le couple et ω la vitesse).
2.2.2.2
Moteur 4 temps
Principe de fonctionnement du moteur à essence:
1. Le cycle commence au point mort haut, quand le piston est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps le
piston descend (admission) ; un mélange d’air et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d’admission.
2. La soupape d’admission se ferme, le piston remonte (compression) comprimant le mélange admis.
3. Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d’allumage, aux environs du deuxième
point mort haut (remontée complète du piston). L’expansion des gaz portés à haute température lors de la combustion
force le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de
l’énergie directement utilisable).
4. Lors du quatrième et dernier temps (l’échappement) les gaz brûlés sont évacués du cylindre via la soupape d’échappement poussés par la remontée du piston.
Départ
1 - Admission
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2 - Compression
Carburant enflammé
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3 - Détente
4 - Echappement
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2. M OTEURS
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Moteur Essence
Cycle 4 temps d’un moteur essence (d’après Dessin Editechnic - Citroën 84-161-1)
1 - Bobine
2 - Allumeur
3 - Carburateur
4 - Bougie
5 - Air
6 - Essence
A DMISSION
C OMPRESSION
E XPLOSION D ÉTENTE
E CHAPPEMENT
Aspiration d’un mélange
air + essence
Compression du
mélange. Température
d’environ 300 ◦ C
Allumage du mélange par
étincelle électrique
Evacuation des gaz brûlés
Moteur Diesel
Cycle 4 temps d’un moteur Diesel (d’après Dessin Editechnic - Citroën 84-161-2)
A DMISSION
C OMPRESSION
C OMBUSTION D ÉTENTE
E CHAPPEMENT
Aspiration d’air
Compression élevée de
l’air. Température
d’environ 600 ◦ C
Injection du gazole qui
s’enflamme au contact de
l’air surchauffé
Evacuation des gaz brûlés
1 - Air
2 - Pompe
d’injection
3 - Injecteur
4 - Gazole
2.2.2.3
Moteur 2 temps
Le moteur à 2 temps réalise le cycle Beau de Rochas (aspiration,
compression, détente, échappement) en 2 courses de piston au lieu de 4
courses prévues dans le moteur 4 temps.
• A Admission dans le carter et compression dans le cylindre.
• B Compression dans le carter et explosion-détente dans le cylindre.
• C Transfert carter/cylindre et échappement du cylindre
• 1er temps (du PMB au PMH) Le piston étant au PMB, le mélange air-essence est introduit sous une faible pression
de 1,2 à 1,4 bars. Au 1/7 environ de sa course, le piston ferme les lumières pour permettre la compression.
• 2ème temps (du PMH au PMB) La combustion commence un peu avant le PMH ; après le PMH, la descente du piston réalise le "temps moteur". Au 6/7 environ de sa course, le piston découvre l’orifice d’échappement pour permettre
l’évacuation des gaz brûlés. Dans les moteurs 2 temps à lumières, les opérations d’admission et d’échappement ont
une durée très réduite et elles s’effectuent toutes les deux au voisinage du PMB.
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2. M OTEURS
2.2.3
2.2.3.1
14/48
Pompes et moteurs pneumatiques et hydrauliques
Fonction globale
La fonction global d’un moteur hydraulique est de convertir une énergie hydraulique (∆P.Q avec ∆P la pression et Q le
débit) en énergie mécanique de rotation (C.ω avec C le couple et ω la vitesse).
2.2.3.2
Typologie
Les moteurs pneumatiques et hydrauliques se divisent en deux grandes catégories:
• les moteurs à pistons
◦ à pistons axiaux (rapides, ω ≈ 3000 tr/min)
◦ à pistons radiaux (plus lents, ω ≈ 750 tr/min)
• les moteurs à palette ou à engrenages (rapides mais de durée de vie limitée et de rendement plus faible).
Ils sont caractérisés par leur cylindrée qui correspond au volume de fluide déplacé par tour:
Cylindrée =
2.2.3.3
Q
ω
avec Q le débit et ω la vitesse de rotation
Exemples
Pompe à pistons axiaux
Pompe à palettes
Moteur à pistons radiaux
Pompe à engrenages
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3. V ÉRINS
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2.3 Vérins
2.3.1
Vérins électriques
2.3.1.1
Fonction globale
La fonction global d’un vérin électrique est de convertir de l’énergie électrique (U.I avec U la tension et I l’intensité) en
énergie mécanique de translation (F.V avec F la force et V la vitesse).
2.3.1.2
Exemple: vérins de la plate forme 6 axes (Deltalab)
source:Stéphane GENOUEL
2.3.2
Les vérins hydrauliques et pneumatiques
La puissance mécanique développée en technologie pneumatique est moins importante que celle développée en technologie
hydraulique, mais son coût est beaucoup moins élevé. D’autre part, l’écoulement d’air est compressible, alors que le fluide
utilisé en hydraulique est de l’huile qui permet d’obtenir un écoulement incompressible dans la plupart des applications.
Pour réaliser des asservissements, on préférera une technologie hydraulique à une technologie pneumatique.
2.3.2.1
Fonction globale
La fonction global d’un vérin hydraulique ou pneumatique linéaire est de convertir de l’énergie hydraulique ou pneumatique
(∆P.Q avec ∆P la pression et Q le débit) en énergie mécanique de translation (F.V avec F la force et V la vitesse).
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3. V ÉRINS
2.3.2.2
16/48
Les différents types de vérins
Vérin simple effet
Vérin double effet
Les vérins simple effet
L’air comprimé (ou l’huile) ne fournit un effort que dans un seul sens, le rappel étant assuré par un ressort.
On distingue deux types de vérins simple effet :
les vérins simple effet normalement sortis
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les vérins simple effet normalement rentrés
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3. V ÉRINS
17/48
Les vérins double effet
• Les vérins double effet non amortis
L’huile ou l’air comprimé fournit l’effort à la sortie et à la
rentrée de la tige du vérin.
Les vérins non amortis tels que celui représenté ci-dessous
sont utilisés en général pour des déplacements de la tige à
faible vitesse.
• Les vérins double effet amortis
Les masses déplacées par les vérins pneumatiques à double effet et l’importance des vitesses atteintes engendrent des
efforts d’inertie élevés.
Il est nécessaire de réduire ces efforts en fin de course
afin d’éviter les chocs des pistons sur les corps des vérins. Pour cela, on insère des dispositifs d’amortissement. L’amortissement peut être réglable.
1 - Tête
2 - Corps
3 - Piston
4 - Fond
5 - Chemise d’adapatation
6 - Chemise d’amortissement
7 - Ecrou de piston
8 - Tirant
9 - Tige de piston
10 - Vis de purge d’air
11 - Capuchon de securité
12 - Ecrou de Tirant
13 - Jeu de joints
Les vérins rotatifs
Vérin rotatif à crémaillère
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Vérin rotatif à palettes
C ONSTITUANTS
DES
CHAÎNES FONCTIONNELLES
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3. V ÉRINS
2.3.2.3
18/48
Aspect cinématique (uniquement dans le cas de fluide incompréhensible, huile)
La vitesse de la tige du vérin est liée au débit d’huile incomQ = S .v
avec Q, le
pressible qui entre par la relation :
débit en m3 /s, S la section en contact avec le fluide (qui n’est
pas la même de chaque coté) en m2 et enfin v la vitesse de
sortie de la tige en m/s.
Il est très clair que pour un même débit d’entrée, la vitesse de sortie de la tige est plus faible que la vitesse d’entrée puisque
S 1 > S 2 . Pour palier cet inconvénient, il est possible d’utiliser des vérins à double tige :
2.3.2.4
Aspect statique
Prenons un vérin à double effet non amorti, au bout duquel nous fixons une masse (masse M).
En appliquant le Principe Fondamental de la Statique à l’ensemble de la tige du piston et de la masse M, nous avons :
• Cas n◦ 1 en prenant pour simplifier p2 = 0, nous
avons M.g = p1 .S 1
• Cas n◦ 2 en prenant pour simplifier p1 = 0, nous
avons M.g = p2 .S 2
Nous avons donc p1 < p2 car S 1 > S 2 .
Ainsi, là aussi, nous pouvons utiliser un vérin double effet à double tige pour pallier cet inconvénient.
2.3.2.5
Notion de taux de charge
Pour pouvoir réaliser l’étanchéité et le guidage d’un vérin, il est nécessaire d’utiliser des joints et des bagues de guidage.
Ces éléments, s’ils remplissent correctement leur fonction, vont générer des frottements. Ces frottements vont nuire au bon
fonctionnement du vérin. Pour en tenir compte dans la détermination des efforts exercés par un vérin, il est nécessaire de
prendre en considération le taux de charge du vérin.
Les efforts F exercés sur le mobile en mouvement sont alors donnés par
F = η.∆p.S
où η est appelé le taux de charge
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C ONSTITUANTS
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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Chapitre 3
Pré-actionneurs
Les préactionneurs font partie de la chaîne d’action d’un système automatisé. Les préactionneurs sont les interfaces entre
la Partie Commande et la Partie Opérative. Ils distribuent, sur ordre de la Partie Commande, l’énergie de puissance aux
actionneurs.
3.1 Préactionneurs hydrauliques et pneumatiques
3.1.1
Distributeurs hydrauliques et pneumatiques
Pour la représentation des sources d’énergie:
• Pour un distributeur pneumatique, la source d’énergie est représentée par un triangle ou un cercle avec un point vide.
• Pour un distributeur hydraulique, la source d’énergie est représentée par un triangle plein ou un cercle avec un point
plein à l’intérieur.
3.1.1.1
Fonction
Un distributeur est un préactionneur qui, à la réception d’un signal de
commande, laisse passer le débit d’air (d’huile) d’un circuit pneumatique (hydraulique) vers un vérin.
1
2
3
4
5
3.1.1.2
solénoïde
piston
tiroir avec joints d’étanchéité
corps du distributeur
ressort de rappel
6
7
8
9
orifices d’échange
indicateur de pression
déblocage manuel
connecteur électriques
Désignation normalisée
Les distributeurs sont définis par deux caractéristiques fonctionnelles:
• le nombre d’orifices principaux nécessaires au fonctionnement des différents types d’actionneurs, non compris les
orifices de pilotage.
• le nombre de positions, généralement 2, définissant l’une l’état repos l’autre l’état travail. il est possible d’avoir 3
positions, il y aura alors deux positions travail et une position repos.
19
1. P RÉACTIONNEURS HYDRAULIQUES ET PNEUMATIQUES
20/48
La désignation d’un distributeur se présente comme une fraction donnant
le nombre d’orifice puis le nombre de positions.
La représentation schématique des distributeurs est un juxtaposition de
cases carrées.
• Il y a autant de cases que de positions
• Pour chaque position les flèches représentent les connexions internes
reliant les orifices. La flèche donne le sens d’écoulement. On retrouve dans chaque case un même emplacement pour chaque orifice.
Un orifice orphelin est marqué par un bouchon en forme de T.
3.1.1.3
Raccordement
A l’extérieur, dans le prolongement des orifices, on représente les
conduites amenant le fluide.
• Elles sont obligatoirement raccordées à la même case associée à
la position de référence, appelée position active pour le composant
mais position initiale pour le système.
• La source de pression et l’échappement sont identifiables par leur
symbole spécifique qui simplifie le schéma global.
• Les autres conduites sont représentées par un trait simple reliant
deux composants.
• Les conduites auxiliaires sont représentées en trait interrompu (pointillé).
3.1.1.4
Les différents types de pilotage
La nature des commandes peut être très variée, simple ou parfois multiple:
• commande manuelle par poussoir, coup de poing, levier ou pédale
• commande électrique par solénoïde
• commande hydraulique ou pneumatique
• commande mécanique pour les capteurs
• commande par ressort (il s’agit alors de distributeur monostables)
Par défaut, la case centrale correspond à une situation stable, forcée par un ou plusieurs ressorts.
3.1.1.5
Stabilité des distributeurs
D ÉFINITION : Distributeurs monostables
distributeur ayant un déficit entre le nombre de positions que peut prendre ce distributeur et le nombre de pilotes
D ÉFINITION : Distributeurs bistables
distributeur ayant deux positions stables
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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2. P RÉACTIONNEURS ÉLECTRIQUES
21/48
3.2 Préactionneurs électriques
mutation (transistor). Ils permettent de commander un circuit
de puissance (contacteurs, lampes. . . ).
R EMARQUE : ne passer pas 3 heures sur cette partie !
Parmi les préactionneurs électriques les plus utilisés on
Les contacteurs fonctionnent de la même façon que les retrouve les relais et les contacteurs.
lais. Ils permettent cependant la circulation d’un courant
Ces dispositifs permettent de commander un circuit de puis- beaucoup plus important. Les contacteurs sont utilises pour
sance à partir d’un circuit de commande. Les relais sont des très fortes puissances (moteur).
utilisés avec des circuits intégrés et un petit circuit de com-
3.2.1
3.2.1.1
Relais
Relais electromagnetique
Definition
Comme son nom l’indique, il sert en tout premier lieu à relayer, c’est
a dire à faire une transition entre un courant faible et un courant fort.
Mais il sert également a commander plusieurs organes simultanément
grâce a ses multiples contacts synchronises.
Constitution
Un relais standard est constitué d’une
bobine qui lorsqu’elle est sous tension
attire par un phénomène électromagnétique
une armature ferromagnétique qui déplace
des contacts.
Caracteristique
chable, à souder.
Un relais est caractérise par :
• la tension de sa bobine de commande, 5 V à 220 V.
• le type de courant de sa bobine, en général du continu.
• le pouvoir de coupure de ses contacts, qui est généralement exprime en Ampère, 0,1 A à 50 A. C’est le
courant maximal qui pourra traverser les contacts.
• la tension d’isolement entre la bobine et les contacts.
• le nombre de contacts souhaités.
• la gamme de temps pour un relais temporisé.
• son ambiance, vibrations, humidité, poussières, température.
• son emplacement, circuit imprimé, à visser, embro-
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2. P RÉACTIONNEURS ÉLECTRIQUES
22/48
Contacts
Contact à fermeture NO
On appelle contact, les parties métalliques qui transmettent ou interrompent le courant en fonction de la
commande de la bobine. On peut distinguer 3 types de
contacts
3.2.1.2
Contact à ouverture NF
Contact inverseur
Relais statique
Définition
Un relais statique est par définition un organe ayant la fonction d’un relais mais réalisé avec des composants électroniques,
sans aucune pièce mécanique en mouvement.
Constitution
Circuit d’entrée
Celui-ci assure l’isolement galvanique entre le circuit
de commande et celui de puissance. Cet isolement est
assuré par un photocoupleur.
Circuit d’adaptation
Il traite le signal d’entrée et assure la commutation
du circuit de sortie. En particulier dans le cas de la
commutation au zéro de tension, ce circuit assure que
la commutation de la sortie à lieu au zéro de tension
suivant.
Circuit de sortie
Il est composé de l’organe de puissance. Celui-ci
peut être soit un triac soit des thyristors antiparallèles.
Dans le cas de la commutation de charges continues,
l’élément de puissance est soit un transistor soit un
MOSFET
3.2.2.2
3.2.2
Contacteurs
Les contacteurs électromagnétiques sont les
préactionneurs associés aux actionneurs électriques, principalement les moteurs.
3.2.2.1
Définition
Le contacteur est un appareil mécanique de connexion, capable
d’établir, de supporter et d’interrompre des courants dans les
conditions normales du circuit, y compris les conditions de
surcharge en service.
Constitution
Le contacteur comporte 4 ensembles fonctionnels :
• le circuit principal ou circuit de puissance
• le circuit de commande
• le circuit auxiliaire
• l’organe moteur
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2. P RÉACTIONNEURS ÉLECTRIQUES
3.2.2.3
23/48
Caractéristiques des contacteurs
• Tension nominale : tension maximale d’utilisation en courant continu ou en courant alternatif de fréquence 50 ou 60
Hz.
• Intensité nominale : courant d’utilisation.
• Pouvoir de coupure : valeur du courant que le contacteur peut couper sous une tension donnée.
• Nombre de pôles : uni-, bi-, tri- et tétrapolaire selon le type d’installation et le régime de neutre.
3.2.2.4
Choix d’un contacteur
Le choix se fait en fonction du courant nominal alternatif ou continu et de la tension nominale et en tenant compte de certains
éléments comme :
1. la catégorie d’emploi (chauffage, distribution, commande moteur, ascenseurs. . . )
2. de la nature du circuit de commande : tension d’alimentation de la bobine
3. du nombre de manœuvres par heure et du nombre d’heures d’utilisation par jour
4. du pouvoir de coupure
3.2.2.5
Représentation et schéma
3.2.2.6
Principe de fonctionnement
Explications :
1. Une impulsion sur MARCHE enclenche KM1 qui s’autoalimente (par son contact auxiliaire). Le moteur tourne.
2. Une impulsion sur ARRET provoque l’arrêt. Le moteur
s’arrête
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Chapitre 4
Capteurs
4.1 Nécessité de capteurs
4.1.1
4.1.1.1
Mesure - grandeurs physiques à mesurer
Définitions
La mesure est une représentation quantifiée d’une grandeur physique. On définit la terminologie suivante :
D ÉFINITION : Mesurande
Grandeur physique (pression, température,. . . ) soumise à un mesurage
D ÉFINITION : Mesurage
Toutes les opérations permettant l’obtention de la valeur numérique d’une grandeur physique (mesurande)
D ÉFINITION : Mesure
Valeur numérique représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20◦ C, 2 m/s,. . . )
4.1.1.2
Unités et dimensions
Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et
mesure (résultat de l’action). Les techniques de mesurage font
appel à des méthodes très variées et font intervenir différents types
de phénomènes physiques.
La valeur numérique de la mesure est associée à une unité. Les
grandeurs qui nous intéressent sont celles qui interviennent dans
le domaine de la mécanique physique, à savoir principalement :
déplacement, allongement, vitesse, débit, accélération, force,
pression, contrainte, température.
Il est possible d’exprimer la dimension de la mesure à partir du
produit de quelques dimensions.
E XEMPLE : système M, K, s, A pour Mètre [L], Kilogramme [M],
Seconde [T ], Ampère [I]. Pour exprimer toutes les grandeurs rencontrées en mécanique, nous utiliserons aussi le Kelvin pour la
température:
24
Grandeur physique soumise à mesurage
Unités
Dimensions
Longueur, épaisseur
m
[L]
Position, niveau
m
[L]
Déplacement
m
[L]
Allongement relatif (Déformation)
1
1
Temps
s
[T ]
Vitesse linéaire
m/s
Vitesse angulaire
rad/s
Vibration, Accélération
m.s-2
[L]
[T ]
1
[T ]
[L]
[T ]2
[M].[L]
[T ]2
[M].[L]2
[T ]2
[M]
[L].[T ]2
Force
N
Couple
N.m
Pression
Pa ou MPa
1. N ÉCESSITÉ DE CAPTEURS
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25/48
C ONSTITUANTS
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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2. D ÉTECTEURS DE PRÉSENCE
4.1.1.3
26/48
Principe du mesurage
Pour mesurer une grandeur, on utilise un corps d’épreuve qui lui est sensible.
E XEMPLE : Pour la mesure de la température, on utilise dans une thermomètre traditionnel, le mercure.
La chaîne d’acquisition permet de transformer une grandeur à mesurer en un signal électrique exploitable.
Grandeur
à mesurer
Signal électrique
de bas niveau
Signal
de mesure
Signal de
mesure transmis
Capteur
Conditionneur
Transmetteur
Transformer
Adapter
le signal
Transmettre
le signal
Signal
exploitable
Traiter
le signal
La chaîne d’acquisition est intégrée dans des systèmes qui nécessitent le pilotage d’une grandeur. On obtient le schéma
classique suivant:
Consigne
+
−
Ecart
Correcteur
Commande de
puissance
Signal
exploitable
4.1.2
Grandeur
physique
Système
physique
Chaîne
d’acquisition
Grandeur
à mesurer
Capteurs
La fonction d’un capteur est de délivrer un signal électrique Dans le domaine nominal d’emploi, on va définir les caractéristiques métrologiques suivantes :
de sortie S qui est fonction de la mesurande m.
• Etendue de mesure
Le capteur nous donne la relation S = f (m):
• Plage d’utilisation
• Domaine de linéarité
S = f (m)
• Sensibilité statique et dynamique
• Résolution et précision
• Rapidité et temps de réponse
m
• Hystérésis et répétitivité
• Etalonnage,. . .
4.2 Détecteurs de présence
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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2. D ÉTECTEURS DE PRÉSENCE
4.2.1
27/48
Capteurs de fin de course ou détecteurs de position
Ces sont des capteurs de type tout ou rien, c’est à dire qu’ils n’ont pas pour fonction de mesurer, mais uniquement de détecter
des événements. C’est pour cela qu’on les trouve surtout sur les systèmes automatisés de production.
Présence ou non de
l’objet au lieu désiré
Détecter la
présence d’un objet
Signal électrique
capteur de présence
4.2.1.1
Contacteurs de fin de course
Il s’agit de contacteurs délivrant un signal électrique lorsque la tige du vérin est dans la position extrême : rentrée ou sortie.
• Avantages : ils sont simples à installer, très peu chers
• Inconvénients : ils ont une durée de vie relativement courte car il y a toujours contact entre la pièce dont on souhaite
avoir les positons extrêmes et le contacteur.
4.2.1.2
Interrupteurs à lame souple (ILS)
On place un anneau magnétique au niveau de la tige du piston et ce champ magnétique permanent vient modifier le champ
magnétique au niveau du capteur.
Un tel capteur est constitué d’un boîtier à l’intérieur duquel
est placé un contact électrique métallique souple sensible
aux champs magnétiques.
Lorsque le champ est dirigé vers la face sensible du capteur
le contact se ferme.
4.2.2
Détecteurs de proximité inductifs ou magnétiques
Ce type de capteur est caractérisé par l’absence de liaison mécanique entre le dispositif de mesure et l’objet en déplacement.
L’objet est donc à proximité du capteur mais pas en contact contrairement à un détecteur de position.
• Avantages :
◦ Pas de contact physique avec l’objet détecté.
◦ Pas d’usure - possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints. . .
◦ Détecteur statique, pas de pièces en mouvement.
◦ Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres.
◦ Produit entièrement encapsulé dans la résine.
◦ Très bonne tenue à l’environnement industriel : atmosphère polluante
• Inconvénients : ils sont assez chers mais très fiables
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3. M ESURE D ’ UNE POSITION
28/48
La technologie des ces détecteurs de proximité inductifs est basée sur la variation d’un champ magnétique à l’approche d’un
objet conducteur du courant électrique.
4.2.3
Détecteurs de proximité à commande opto-électronique (ou photo électrique)
Les détecteurs photoélectriques se composent essentiellement d’un émetteur de lumière associé à un récepteur photosensible.
Les détecteurs photos-électriques portent aussi le nom de barrières lumineuses, ils sont de technologie électronique et délivrent une information binaire chaque fois que le faisceau issu de la partie émettrice est interrompu par un obstacle quelconque occultant la partie réceptrice.
Présence ou non de
l’objet au lieu désiré
Détecter la
présence d’un objet
Signal binaire
capteur de présence
Pour réaliser la détection d’objets dans les différentes applications, 3 systèmes de base sont proposés:
Barrage
Reflex
Proximité
• Avantages :
◦ Pas de contact physique avec l’objet détecté.
◦ Pas d’usure - possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints. . .
◦ Détecteur statique, pas de pièces en mouvement.
◦ Durée de vie indépendante du nombre de manœvres.
• Inconvénients : Sensibles à la poussière et aux perturbations.
4.3 Mesure d’une position
La mesure d’un déplacement, ou d’une position, revient toujours à mesurer des déplacements circulaires ou linéaires. Deux
grands critères sont utiles pour juger de la qualité d’un capteur de position :
• la résolution : c’est la plus petite valeur mesurable
• son étendue de mesure : elle est définie par les valeurs extrêmes mesurables par le capteur.
4.3.1
Les capteurs de position analogiques
Position du solide
Mesurer la position
d’un solide
Grandeur proportionnelle
à la position (tension)
capteur de
position analogique
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C ONSTITUANTS
DES
CHAÎNES FONCTIONNELLES
MPSI - PCSI
3. M ESURE D ’ UNE POSITION
29/48
Bien que la place des capteurs numériques dans les systèmes asservis soit considérable maintenant, les capteurs de déplacement analogiques trouvent encore leur place dans bon nombre d’applications, en raison de leur qualité et de leur facilité
d’intégration.
Le principe de la mesure consiste à mesurer une grandeur physique (souvent d’origine électrique), qui varie en même temps
que la grandeur à mesurer appelée mesurande.
La mesure n’est donc pas directe, ce qui est souvent source d’erreurs, en particulier de linéarité ! Ce sont des capteurs
généralement basés sur la variation d’impédance d’un dipôle passif. La variation de la grandeur physique à mesurer peutêtre liée à :
• la variation de résistance (R en Ω) d’une résistance
• la variation de capacité (C en F) d’un condensateur
• la variation d’inductance (L en H) d’une bobine
4.3.1.1
Capteurs potentiométriques ou potentiomètres
La simplicité du potentiomètre en fait un instrument de mesure directe. La tension recueillie est en effet directement proportionnelle à la résistance du circuit entre le curseur et l’une des extrémités de la piste, qui est elle-même proportionnelle à la
distance entre ces deux points.



ρ la résistivité




l
On rappelle que la résistance d’un conducteur est donnée par : R = ρ. S avec 
l la longueur du conducteur




 S la section du conducteur
On mesure la résistance entre une extrémité fixe L (respectivement θ) et un curseur mobile x
(respectivement θ) :
Dans le cas d’un déplacement linéaire du curseur le long : R(x) = Lx .R0
On a une relation analogue dans le cas d’un déplacement angulaire (circulaire ou hélicoïdal) :
θ .R
R(θ) = Θ
0
La résistance est constituée par une piste conductrice en résine chargée de grains conducteurs (carbone, métal. . . ) ou un fil
bobiné isolé (sauf au contact avec le curseur). Les ordres de grandeurs de R0 vont de 1 kΩ à 1 MΩ . La résistance du curseur
doit être faible et stable (mouvement, usure). La résistance de contact doit présenter les mêmes qualités (plus dur à assurer
dans le cas de la piste).
• Etendue de mesure
Pour les potentiomètres linéaires, l’étendue de mesure est la longueur de la piste.
Pour les potentiomètres circulaires (comme ceux de la plate forme 6 axes, de MAXPID et du groupe de direction du
chariot filoguidé), l’étendue de mesure est légèrement inférieure à 1 tour. Ces potentiomètres circulaires (ou rotatifs)
sont donc monotour.
• Résolution Elle est théoriquement infinie pour les pistes en plastique constitué d’un polymère chargé en graphite,
conducteur, mais elle est directement liée au diamètre du fil de bobinage pour les pistes bobinées.
• Avantages
◦ Simplicité de fonctionnement et d’exploitation du signal électrique en sortie.
◦ Précision assez forte car la résolution est bonne
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3. M ESURE D ’ UNE POSITION
30/48
◦ Peu chers
• Inconvénients
◦ Bruit dans le signal engendré par le frottement du curseur sur la piste
◦ Usure car le frottement mécanique entre le curseur et la piste détériore les éléments en contact
◦ Durée de vie limitée
4.3.1.2
Remarques sur les potentiomètres
Le capteur rotatif peut être directement relié à la grandeur à mesurer, c’est le cas pour MAXPID où le potentiomètre donne
la position angulaire du bras ou pour le groupe de direction du chariot filoguidé. En effet, le potentiomètre est placé directement au niveau de l’arbre de sortie du réducteur, qui est l’arbre du groupe de direction.
R EMARQUE : Cette prise de mesure assure une bonne précision car elle est située directement au niveau de l’élément dont
on souhaite avoir la position angulaire.
Pour la plate forme 6 axes, le potentiomètre, appelé potentiomètre de recopie, trouve sa place après un système de transformation de mouvement, le système roue et vis sans fin. Ce système est nécessaire afin que le potentiomètre ne fasse pas plus
d’un tour pour toute la course de la tige du vérin. Il a pourtant pour objectif de mesurer la longueur de la tige du vérin :
ainsi, dans ce cas, la mesure ne s’opère pas directement au niveau de l’élément concerné. Cependant, on connaît la chaîne
cinématique liant la longueur de la tige du vérin à la rotation du potentiomètre. Ainsi, à partir de la mesure du potentiomètre,
on peut déduire la valeur de la longueur de la tige du vérin, aux jeux près. . . .
R EMARQUE : Pour un souci de précision, il est donc plus judicieux, lorsque cela est possible, de mesurer la grandeur
physique via un capteur au niveau de l’élément concerné. On s’affranchit par-là de la chaîne cinématique qui peut comporter
des jeux et conduire à des erreurs dans la mesure.
4.3.1.3
Les capteurs de déplacement capacitifs
La capacité d’un condensateur vaut :
S
C = ε0 .εr .
e
avec



















ε0
εr
S
e
la permitivité du vide
la permitivité relative de l’isolant
la surface en regard des armatures
l’épaisseur de l’isolant
Pour faire varier la capacité du condensateur en
fonction du déplacement, on fait varier soit la surface en regard, soit l’épaisseur e.
La mesure de la capacité requiert
une tension alternative. L’impédance du condensateur est alors, à fréquence fixe, fonction
1 .
uniquement de sa capacité jCω
• Avantages
◦ Faible étendue de mesure ( < 1cm)
◦ Grande sensibilité
◦ Relativement complexes en traitement du signal
a posteriori
• Inconvénients
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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3. M ESURE D ’ UNE POSITION
4.3.1.4
31/48
Capteurs inductifs, Transformateurs Différentiel Variables (LVDT)
Un enroulement parcouru par un courant électrique crée un
champ magnétique. On peut canaliser les lignes de champ
magnétique par un noyau interne en fer doux, constituant
en fait le circuit magnétique.
Les capteurs LVDT possèdent un bobinage inducteur, appelé primaire, et un bobinage induit, appelé secondaire. Le
bobinage induit est alors double, disposé symétriquement
par rapport au primaire.
L’inducteur est alimenté par une tension alternative sinusoïdale de haute fréquence. Le champ magnétique ainsi créé induit
dans chaque circuit secondaire une tension de même fréquence, dont l’amplitude est fonction de la position du noyau.
La mesure du déplacement est constituée par la différence des deux tensions induites.
• Inconvénients
• Avantages
◦ Faible étendue de mesure (<50cm)
◦ Relativement complexes en traitement du signal
a posteriori
4.3.2
◦ Pas de pièces en contact
◦ Grande sensibilité et précision
Capteurs numériques de position
Position du solide
Mesurer la position
d’un solide
Signal numérique
capteur de
position numérique
Ces capteurs fournissent directement, sous forme codée, la mesure numérique du déplacement. On place la plupart des temps
ces capteurs rotatifs au niveau des moteurs, on ne s’affranchit donc pas du problème des jeux dans la chaîne cinématique.
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DES
CHAÎNES FONCTIONNELLES
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3. M ESURE D ’ UNE POSITION
4.3.2.1
32/48
Capteurs incrémentaux
Fonctionnement
Un capteur ou codeur incrémental est constitué d’un disque
comportant 1, 2 voies, avec ou non un index. Le disque est
lié à l’arbre tournant dont on souhaite avoir la position.
D’un côté du disque se trouvent des diodes électroluminescentes et de l’autre, des phototransistors, ces constituants
étant fixes. On a un couple de diode et phototransistor par
voie.
Chaque voie du disque, excepté l’index, possède des zones
alternativement opaques et transparentes.
Ces capteurs incrémentaux utilisent donc l’opto électronique. Le signal émis par le phototransistor, après un traitement électronique, est un signal carré de type TTL (train d’impulsions plus ou moins espacées dans le temps).
Un codeur incrémental comporte donc une piste ou voie A au moins, avec un index ou non (piste intérieure). L’index permet
de compter le nombre de tours.
Fonction de transfert pour 2 voies
Le comptage (ou décomptage) de toute les transitions des signaux A et B donne pour résultat une image numérique du
déplacement angulaire.
Si on note n le nombre de fentes sur le disque codeur, on peut en déduire le gain du capteur de position angulaire ainsi
réalisé: S n = µ.θ avec:
θ
Sn
µ
le déplacement angulaire
la sortie numérique, image du déplacement
correspondant au comptage des transitions
sur les deux voies du codeur (nombre d’incréments de comptage)
θ
Tours
µ
4.n
Sn
inc/tr
Degrés
4.n
360
inc/◦
Radians
4.n
2.π
inc/rad
le gain du capteur de position à sortie numérique
Résolution
Etendue de mesure
Sa résolution, donc en grande partie sa précision et sa qualité, est liée au nombre de fentes.
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C ONSTITUANTS
DES
CHAÎNES FONCTIONNELLES
Elle est a priori infinie
MPSI - PCSI
3. M ESURE D ’ UNE POSITION
33/48
Détection du sens de rotation
Le codeur incrémental est un capteur relatif (on ne connaît pas le sens de rotation ni l’origine). La détection du sens de
rotation peut néanmoins avoir lieu grâce à une deuxième voie, décalée d’un quart de période par rapport à la première voie.
L’évolution des deux signaux est alors différente dans un sens par rapport à l’autre.
Le déphasage des signaux A et B permet de déterminer
le sens de rotation :
• dans un sens pendant le front montant du signal
A, le signal B est à 0.
• dans l’autre sens pendant le front montant du signal A, le signal B est à 1.
Prise d’origine
L’initialisation d’un capteur incrémental est une prise d’origine. Sa nécessité provient du fait que le capteur est relatif. Elle
consiste en un déplacement du système vers un capteur tout ou rien, appelé capteur d’origine, qui matérialise l’origine machine.
Elle est indispensable à chaque remise sous tension du système : c’est le cas pour le Robot ERICC3. Elle peut être supprimée
si on utilise des codeurs absolus, plus chers.
4.3.2.2
Les codeurs absolus
Fonctionnement
Un codeur optique absolu fonctionne de la même manière qu’un codeur
incrémental sauf que cette fois, le signal émis n’est pas un train d’impulsions mais un véritable code numérique sur 4, 8, 9, 12 ou même 16 bits.
Ceci n’est pas réalisé par un ou deux couples de diodes et phototransistors
mais par un couple par piste, avec un nombre de pistes égal au nombre de
bit. Le disque comporte donc plusieurs pistes.
La première piste en partant du centre du disque est composée d’une moitié opaque et d’une moitié transparente, la lecture
de cette piste permet de déterminer dans quel demi-tour du disque on se situe. C’est la piste MSB Most Significant Bit= bit
de poids le plus fort.
La piste suivante, en allant vers l’extérieur, est divisée en quatre quarts alternativement opaques et transparents. La lecture de
cette piste, combinée avec la lecture de la piste précédente, permet de déterminer dans quel quart de tour du disque on se situe.
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DES
CHAÎNES FONCTIONNELLES
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4. M ESURE D ’ UNE VITESSE
34/48
La piste suivante permet de déterminer dans quel huitième de tour on se situe, la suivante dans quel seizième de tour on se
situe. etc . . .
La dernière piste, la plus extérieure, est la piste LSB Least Significant Bit = bit de poids le plus faible.
Afin de limiter le risque d’erreur, on préfère employer un codage en code GRAY, en ne changeant qu’un bit à la fois.
Résolution
C’est la dernière piste qui donne la précision finale du codeur appelée résolution.
Si on appelle N le nombre de pistes, cette dernière piste comportera 2N points. Le nombre de positions codées sur un tour
du disque sera 2.N, on dira alors que le codeur a une résolution de 2N points par tour.
Détecter le sens de rotation n’est pas utile puisque le mots binaire émis est la valeur d’un angle compris entre 0 et 2.π . C’est
pour cela qu’on les appelle codeurs semi-absolus. Lorsque le codeur doit mesurer des angles >2.π , on doit lui adjoindre un
compteur qui compte le nombre de tours effectués. Il n’est donc pas toujours nécessaire d’initialiser le capteur.
4.4 Mesure d’une vitesse
4.4.1
Génératrice tachymétrique
Les génératrices tachymétriques sont des moteurs montés à l’envers. En effet, les moteurs transforment une tension en rotation d’un rotor. Les moteurs électriques peuvent également fonctionner en récepteur. On impose une vitesse de rotation au
moteur qui va être transformée en tension.
Il existe trois types de moteurs (à courant continu, synchrone et asynchrone). Il existe par conséquent trois types de génératrices tachymétriques :
• Les génératrices tachymétriques continues
• Les génératrices tachymétriques synchrones
• Les génératrices tachymétriques asynchrones
4.4.2
4.4.2.1
Mesure de vitesse à partir d’une mesure de position
Codeur incrémental
On utilise l’information de position donnée par le codeur incrémental pour donner la vitesse.
Le nombre de transitions reçues des deux signaux du codeur, pendant un temps fixé, appelé temps d’échantillonnage, est une
image numérique de la vitesse de rotation.
Si on note le temps d’échantillonnage de mesure T em , on peut en déduire le gain du capteur de vitesse:


N est la vitesse de rotation exprimée en tr/min







4.n
 S n est la sortie mesure numérique de vitesse exprimée en incréments (inc)
.T em .N avec 
S n = µv .N =


60
n le nombre de fentes sur le disque codeur





 µv est le gain du capteur exprimé en inc/tr/min.
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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5. M ESURE D ’ UNE ACCÉLÉRATION
35/48
C’est cette méthode de mesure qui est utilisée sur le chariot filoguidé.
4.4.2.2
Capteur à variation d’inductance
La mesure de la vitesse est basée sur le signal donné par un détecteurs de proximité inductifs. L’information délivrée par le
capteur étant fonction de l’entrefer et non de sa vitesse de variation, ce capteur doit être excité par une source de courant
alternatif de fréquence 5 à 10 fois plus élevée que la limite supérieure de la bande passante. Un amplificateur à porteuse
conditionne le signal. Cette solution, rarement utilisée en tachymétrie car coûteuse, doit être mentionnée car elle est intéressante dans le cas d’un environnement sévère sur le plan bruit.
4.5 Mesure d’une accélération
4.5.1
Accéléromètres
4.5.1.1
Classification
Classification suivant la nature du phénomène de détection
Les accéléromètres non asservis, classés suivant le phénomène de détection, sont les suivants :
•
•
•
•
à jauges de contrainte
à détection piézorésistive
à détection piézoélectrique
à détection optique par occultation
• à fibres optiques
• à détection capacitive
• à réluctance variable (détection inductive)
Accéléromètres à déplacements asservis
Il s’agit des accéléromètres :
• à rappel électromagnétique à aimants permanents
• à rappel au moyen de forces d’origine électrostatique.
La boucle d’asservissement, dans les deux cas, peut être de type analogique ou numérique.
Accéléromètres à poutres vibrantes
Bien que de type en boucle ouverte, les accéléromètres à poutres vibrantes (dénommés aussi à ondes de volume) rivalisent
de précision avec les appareils asservis. Leur sensibilité est très élevée, malgré les déplacements extrêmement faibles de la
masse d’épreuve.
4.5.1.2
Accéléromètres à jauges de contrainte
Ce type d’accéléromètre est placé sur le support suspension de moto BMW.
Principe
Une masse sismique M subit une force d’origine inertielle sous l’action d’une accélération appliquée au capteur suivant l’axe
Y.
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6. M ESURE D ’ UNE DÉFORMATION
36/48
Cette force induit des contraintes, de traction sur une face, de compression sur l’autre face, sur une poutre montée en porteà-faux. Ces contraintes sont mesurées au moyen de jauges métalliques résistives collées sur cette poutre, généralement au
nombre de quatre, et réparties deux par deux sur chaque face de la poutre, câblées suivant un schéma de type pont de Wheatstone.
Les variations de contrainte dans la poutre entraînent des variations de résistance des jauges (diminution sur une face,
augmentation sur l’autre), donc l’apparition d’une tension de déséquilibre du pont de mesure, fonction de l’accélération
d’entrée.
• Avantages de ce type d’accéléromètre :
◦ résolution continue
◦ utilisation sous alimentation alternative ou continue (quelques volts, souvent ± 15 V en courant continu)
◦ faible encombrement (masse de 0,5 à 50 g)
◦ domaine de mesure : de 50 m.s−2 à 50 000 m.s−2
◦ sensibilité : typiquement 0,1 % de la pleine échelle.
• Inconvénients :
◦ performances globales moyennes (précision d’environ 0,5 %)
◦ faible niveau de sortie (sauf avec amplificateur incorporé)
4.5.2
A partir d’une mesure de position angulaire d’un codeur incrémental
La variation du nombre de transitions reçues des deux signaux du codeur, pendant un temps fixé, est une image numérique
de l’accélération. Si on note le temps d’échantillonnage de mesure T em on peut en déduire le gain du capteur d’accélération:


a est la vitesse de rotation exprimée en tr/s2







 S n est la sortie mesure numérique de vitesse exprimée en incréments (inc)
2
S n = µa .a = 4.n.T em
.a avec 


n le nombre de fentes sur le disque codeur





 µa est le gain du capteur exprimé en inc/tr/s2 .
R EMARQUE : Un seul capteur physiquement présent, de type incrémental, permet de réaliser par calcul numérique, trois
capteurs virtuels et permettra ainsi de contrôler trois grandeurs physiques, position, vitesse et accélération.
4.6 Mesure d’une déformation
4.6.1
A partir d’un capteur de déplacement
Une déformation ε est un allongement relatif: ε = ∆l
l
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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7. M ESURE D ’ UNE FORCE , D ’ UN COUPLE ET D ’ UNE PRESSION
37/48
Connaissant la longueur initiale l, on mesure à l’aide d’un capteur de déplacement l’allongement ∆l de l’objet. En faisant le
rapport, on obtient la déformation.
4.6.2
Jauges résistives métalliques
Il s’agit de mesurer la variation de résistance d’un fil métallique conducteur placé sur le matériau dont on cherche à
déterminer la déformation. Le conducteur est disposé comme
indiqué sur le schéma ci-dessous.
L’utilisation de n brins permet d’augmenter la résistance du
capteur et donc la variation de résistance pour une même déformation.
ρ.n.l
La résistance de la jauge vaut R = s où s est la section du fil et ρ sa résistivité électrique. L’ordre de grandeur de la
résistivité des métaux usuels est de 10−8 − 10−7 Ω.m. Lors de l’allongement du support, la résistance varie et on obtient la
∆l
relation linéaire suivante : ∆R
R = K. l = K.ε. K est appelé le facteur de jauge. Son ordre de grandeur est de 2 pour les
jauges métalliques.
A partir d’un pont de Wheastone (le plus fréquemment) ou d’un montage potentiométrique, on lie la variation relative de
résistance, donc la déformation à la variation relative de tension.
4.7 Mesure d’une force, d’un couple et d’une pression
4.7.1
4.7.1.1
Mesure de Force
A partir d’une mesure de déformation
Ces capteurs possèdent un corps d’épreuve métallique (voir la cordeuse de raquette). La déformation de ce corps d’épreuve
est régie par la loi de Hooke, tant que cette déformation reste dans le domaine élastique. Cette loi se traduit par la règle de
proportionnalité entre effort et déformation.
Il existe plusieurs formes courantes de corps d’épreuve (barreau, cylindre, lame, etc. . .). La forme et la dimension du corps
d’épreuve sont essentiellement liées à l’utilisation envisagée (traction, compression, efforts alternés, efforts dynamiques. . . ).
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CHAÎNES FONCTIONNELLES
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7. M ESURE D ’ UNE FORCE , D ’ UN COUPLE ET D ’ UNE PRESSION
38/48
Elles dépendent de la valeur maximale de l’effort appliqué ainsi que de la nature du champ de contraintes détectées, donc
de la position des jauges (contraintes longitudinales et transversales) collées sur les éléments actifs du corps d’épreuve. Par
exemple, les capteurs possédant un corps d’épreuve travaillant en flexion auront une meilleure linéarité que d’autres travaillant en traction ou compression. C’est une qualité intéressante en pesage, la contrepartie étant une plus grande fragilité
aux surcharges et une plus grande sensibilité au fluage.
4.7.1.2
Capteurs à mesure de déplacement
Plutôt que de passer par la déformation subie par un organe collé comme dans les capteurs à jauges, le principe
est ici de mesurer la variation de longueur du corps d’épreuve soumis à un effort, le problème technologique
posé étant de rendre perceptibles des déformations de faible amplitude.
Historiquement, le peson à ressort hélicoïdal (le ressort étant le corps d’épreuve) illustre le principe où l’on suit
la déformation par la position d’un index sur une règle graduée.
L’amplitude de la déformation dépend de la raideur du corps d’épreuve ou, plutôt, de son élasticité. La grande
souplesse d’un corps d’épreuve de ce type améliore relativement la sensibilité du capteur (intéressante dans le
cas du pesage) mais elle réduit la finesse et les caractéristiques dynamiques qui sont, dans ce cas, quasi nulles.
4.7.2
Mesure de couple
Comme pour les capteurs d’efforts, on utilise pour les couplemètres les propriétés d’un corps d’épreuve déformable.
Il s’agit, dans un couplemètre, de solliciter en torsion soit un cylindre ou un tube, soit un barreau de section carrée et de
détecter la torsion provoquée par le moment du couple. Le système de direction assistée utilise des jauges de déformation
pour mesurer le couple au volant.
Cette détection est effectuée comme pour les capteurs d’efforts, selon les mêmes principes auxquels correspondent les types
de couplemètres suivants : couplemètres à jauges, les plus courants.
4.7.3
Mesure d’une pression
4.7.3.1 Manomètre en U
4.7.3.2 Manomètre à ressort
Le plus simple des manomètres est un tube en U,
rempli de liquide. À l’une de ses extrémités on
applique une pression de référence (par exemple
la pression atmosphérique), tandis qu’à l’autre on
applique la pression à mesurer.
La différence de niveau de liquide observée dans les
deux parties du tube correspond à la différence de
pression et permet d’effectuer la mesure.
La différence de hauteur entre les deux tubes dépend
de la densité du produit utilisé (mercure, eau, etc. . . ) Le fluide ou le solide exerce une pression
ceci explique pourquoi l’on parle de pression en mm sur une membrane générant une force qui
de Hg (mercure) ou de mm de CE (colonne d’eau).
vient comprimer un ressort.
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8. M ESURE D ’ UNE TEMPÉRATURE
4.7.3.3
39/48
Transmetteur de pression (technologie jauges à couche mince)
La structure d’un capteur absolu à jauges couches minces est
décrite ci-après. Soudé au corps du capteur, le senseur est
placé dans un compartiment qui l’isole mécaniquement des
contraintes extérieures causées par le montage, la pression et
le câble de connexion. Les forces de pression sont intégrées
par une membrane séparatrice reliée par une tige au centre du
corps d’épreuve : une poutre.
La chambre de référence est scellée par une bille après y avoir
fait le vide. Le pont et les connexions sont protégés des nuisances ambiantes par encapsulation et les fils de raccordement
sont soudés par thermocompression ou ultrasons sur des plots
généralement en or.
4.8 Mesure d’une température
Pour la mesure de la température, différentes méthodes sont envisageables. Notons principalement:
• le thermomètre à liquide
• le thermocouple
• le thermomètre infrarouge
4.8.1
Thermomètre de Galilée
Le premier thermomètre fut le thermomètre de Galilée, fondé sur le principe de la flottabilité. Galilée a
découvert que la densité d’un liquide est fonction de sa température.
Ce thermomètre est constitué d’un cylindre de verre scellé contenant un liquide transparent dont la densité varie
sensiblement en fonction de la température et d’une série d’objets dont les densités sont conçues pour qu’ils
coulent un à un, à mesure que le liquide est chauffé et que sa densité diminue.
C E THERMOMÈTRE N ’ EST PAS UN CONSTITUANT DES CHAÎNES FONCTIONNELLES !
4.8.2
Thermomètre à liquide
Les thermomètres à liquide sont fondés sur le principe de la dilatation d’un liquide lors d’un échauffement et de sa rétraction
lors d’un refroidissement. Le thermomètre est fait d’un tube capillaire sous vide rempli de mercure (1717 par Fahrenheit) ou
d’alcool (1654 par Le Grand Duc de Toscane). Ces derniers ont du toluol ou du créosote comme liquide, l’alcool proprement
dit bout à 78◦ C, ce qui ne permet pas de faire des thermomètres qui vont au-delà de cette température.
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8. M ESURE D ’ UNE TEMPÉRATURE
40/48
Lorsque la température s’élève, le mercure ou l’alcool se réchauffe et son volume augmente. Le niveau de la colonne de
liquide monte donc et on peut ainsi déterminer la température en lisant sa valeur sur l’échelle graduée.
4.8.3
Thermomètre infrarouge
Un thermomètre infrarouge est un instrument permettant de mesurer la température d’un objet à partir de l’émission de lumière de type corps noir qu’il produit. On utilise également le terme de pyromètre de manière à exprimer la différence avec
un thermomètre classique puisqu’il mesure le rayonnement thermique émis et non la température elle-même. En connaissant
la quantité d’énergie émise par un objet, et son émissivité, sa température peut être déterminée.
Schématiquement, le procédé consiste à mesurer l’énergie lumineuse (située dans l’infrarouge) sur un détecteur permettant
de la convertir en un signal électrique. Cette méthode permet de mesurer la température à distance, contrairement aux autres
types de thermomètres comme les thermocouples. Ainsi il est possible de mesurer la température si l’objet est en mouvement, s’il est entouré d’un champ électromagnétique, s’il est placé dans le vide,. . . .
Cette méthode de mesure peut-être très précise à condition cependant d’être bien calibrée, le rayonnement mesuré étant
dépendant de nombreux paramètres : émissivité de l’objet, uniformité de la source, géométrie du dispositif. Ces thermomètres
peuvent être utilisés pour de nombreuses applications comme :
• la détection de nuages pour les téléscopes,
• la vérification d’équipement mécaniques ou de circuits électriques,
• le contrôle de la température d’un four ou d’autres équipements,
• la détection de zones chaudes lors d’un incendie.
• le contrôle du réchauffement ou du refroidissement de matériaux avec précision.
On utilise aussi la caméra infrarouge pour repérer les zones
chaudes de systèmes, traduisant:
• une déformation
• une transformation cristalline
(cas des alliages à mémoire de forme)
• une fuite électrique
Photo J.M. Gouerec
4.8.4
• ...
Thermomètre bilame
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8. M ESURE D ’ UNE TEMPÉRATURE
41/48
Un ressort hélicoïdal constitué de deux métaux réagissant différemment à la
température, agit comme un ressort sur l’aiguille, montrant ainsi la température sur
un cadran.
Le principe de ce thermomètre est souvent utilisé pour les thermostats (comme
dans le fer à repasser ou la bouilloir électrique). Deux lames ayant de coefficients
des dilatation distincts sont collées entre elles. Lorsque la température varie, la
différence de déformation des lames crée une flexion de la poutre créant ou rompant
un contact électrique.
4.8.5
Thermocouple
L’effet Seebeck est un effet thermoélectrique, découvert par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Celuici remarqua qu’une aiguille métallique est déviée lorsqu’elle est placée entre deux conducteurs de natures différentes liés
par des jonctions à leurs extrémités et soumis à un gradient thermique.
Seebeck expliqua ce phénomène par l’apparition d’un champ magnétique, et crut ainsi fournir une explication à l’existence
du champ magnétique terrestre. Ce n’est que bien plus tard que fut comprise l’origine électrique du phénomène: une différence de potentiel apparaît à la jonction de deux matériaux soumis à une différence de température. L’utilisation la plus
connue de l’effet Seebeck est la mesure de température à l’aide de thermocouples.
Par effet Seebeck, le thermocouple génère une différence de potentiel qui dépend de la différence de température entre les
jonctions, T1-T2. Les thermocouples ne mesurent pas une température, mais une différence de température. Pour mesurer
une température inconnue, l’une des deux jonctions doit être maintenue à une température connue, par exemple celle de la
glace fondante (0◦ C).
C’est ce type de capteur thermique qui est principalement utilisé dans les chaînes fonctionnelles.
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Chapitre 5
Schématisation
Normes NF ISO 11727 - NF ISO 1219 à partir du Guide du Dessinateur Industriel d’André Chevalier et éditer chez Hachette.
5.1 Symboles normalisés pneumatique et hydraulique
5.1.1
5.1.1.1
Distribution de l’énergie
Commandes
42
1. S YMBOLES NORMALISÉS PNEUMATIQUE ET HYDRAULIQUE
5.1.1.2
Accessoires de distribution
5.1.1.3
Distributeurs ou préactionneurs
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43/48
DES
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1. S YMBOLES NORMALISÉS PNEUMATIQUE ET HYDRAULIQUE
5.1.1.4
Limiteurs et régulateurs
5.1.1.5
Exemples
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44/48
DES
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1. S YMBOLES NORMALISÉS PNEUMATIQUE ET HYDRAULIQUE
5.1.2
45/48
Transmission de l’énergie et appareils de conditionnement
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C ONSTITUANTS
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1. S YMBOLES NORMALISÉS PNEUMATIQUE ET HYDRAULIQUE
5.1.3
46/48
Conversion de l’énergie
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2. S CHÉMAS
5.1.4
47/48
Indicateurs
5.2 Schémas
5.2.1
5.2.1.1
Schémas en construction mécanique
Définitions
On distingue principalement 4 types de schémas pour la représentation de solution en phase d’avant projet: les schéma de
principe, technologiques, architecturaux et cinématiques.
D ÉFINITION : Schéma de principe
Définit l’idée générale d’une solution et son principe de fonctionnement. Il peut également comporter des indications sur quelques composants importants du produit
D ÉFINITION : Schéma technologique
Décrit les solutions adoptées en termes d’agencement des principaux composants du produit
D ÉFINITION : Schéma architectural
Met en évidence la position relative des différentes liaisons élémentaires entre les ensembles cinématiquement
liés d’un mécanisme
D ÉFINITION : Schéma cinématique minimal
Met en évidence les mouvements relatifs entre les ensembles cinématiquement liés d’un mécanisme
5.2.1.2
Exemples
Voici trois représentations différentes d’une meuleuse:
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2. S CHÉMAS
Schéma technologique
5.2.2
48/48
Schéma architectural
Schéma cinématique minimal
Schémas hydraulique et pneumatique
CCP 2008 Transmission continue d’un tracteur
X-ENS 2008 Treuil d’une dameuse.
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