Le capteur 1. Définition C'est un dispositif transforme une grandeur physique en grandeur physique exploitable de nature différente, souvent de nature électrique. Mesurande Capteur Signal exploitable (électrique) Perturbation externe 2. Terminologie : 2.1 Le mesurande : c’est la grandeur que l'on cherche à mesurer 2.2 Le Capteur actif 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. C’est la loi physique elle-même qui relie mesurande et grandeur électrique de sortie. Il est dit actif car la sortie du capteur est équivalente à un générateur. C’est un dipôle actif qui peut être du type courant, tension ou charge. Les principes physiques mis en jeu sont présentés ci-dessous. Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie T Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de Tension Fem Température nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(T1,T2). F Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à Charge electrique Force ou pression 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. V ou Ω Vitesse linéaire ou angulaire Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique. Tension Fem Flux de Rayonnement lumineux 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 champ B crée dans le matériau un champ électrique E dans une direction perpendiculaire. Permet des mesures de position, courants etc Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes. Tension Effet pyroélectrique : c’est la température qui est la grandeur principale de mesure Tension B champ magnetique Φ flux dune onde électromagnétique Φ flux thermique Tension Tension 2.3 Capteur passif Les capteurs dont le signal électrique délivré est une variation d'impédance la Mesurande agit sur: - la géométrie et les propriétés électriques () du capteur ils sont dits passifs car ils nécessitent une source d'énergie électrique pour que l'on puisse lire la sortie. Le circuit dans lequel ils sont incorporés s'appelle le conditionneur. 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'extensomètre liée à une structure déformable). le capteur passif se comporte en sortie comme un dipôle passif qui peut être résistif, capacitif ou inductif. Mesurande Caractéristique électrique Matériaux Grandeur Grandeur électrique électrique principale mesurée 𝜌 et ᵋ T Résistivité Platine, nickel, cuivre, Resistance Température Cste diélectrique semi-conducteurs ou Très basse température Verre impédance 𝜌 Φ Flux optique Résistivité Semi-conducteurs Courant ou tension 𝜌 et ᵋ ∆F Déformation Résistivité Perméabilité Alliages nickel Resistance Alliages ferromagnétiques ∆B variation de champ magnétique Position Résistivité Humidité L déplacement ou Niveaux Résistivité Resistance Le tableau ci-dessus résume, en fonction du Magnétorésistances : Bismuth, antimoine d’indium Chlorure de lithium liquide 𝜌 𝜌 et ᵋ 𝜌 et ᵋ Resistance Resistance Resistance 3. Transmission du signal de mesure Selon le type de capteur, le signal électrique de mesure peut être de différentes natures : analogique, numérique ou logique. 3.1 Signal analogique :signal de mesure analogique : Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. il est lié au mesurande par une loi continue, parfois linéaire, qui caractérise l'évolution des phénomènes physiques mesurés. Il peut être de toute nature : courant 0 - 20 mA , 4 - 20 mA tension 0 - 10 V , 0 - 5 V Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit, niveau. Forme : C'est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie, impact. Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse vocale, sonar, spectrographie. 3.2 Signal numérique : Signal de mesure numérique : il se présente sous la forme d'impulsions électriques générées simultanément (mode parallèle, sur plusieurs fils) ou successivement (mode série, sur un seul fil). Cette transmission est compatible avec les systèmes informatiques de traitement. Un signal est numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état. Exemple : un codeur incrémental donne un nombre fini et connu d'impulsion par tour. Echantillonnage : C'est l'image numérique d'un signal analogique. Exemple : température, débit, niveau. signal de mesure logique : il ne compte que deux valeurs possibles, c'est un signal tout ou rien. Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un l'état bivalent d'un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée. Différents types de signaux Type de capteur Analogique Numérique Logique Type de signal de sortie Appellation Bas niveau Capteur Capteur transmetteur Codeur absolu Codeur incrémental Détecteur Haut niveau Numérique absolu Numérique incrémental Tout ou rien Exemple Sonde pH - 50 mV/unité pH Capteur pression 4 - 20 mA Capteur de position angulaire Capteur de vitesse Détecteur de niveau 4. Constitution d'un capteur 4.1 Corps d'épreuve et Capteurs composites corps d'épreuve : élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer. Il transforme la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable. transducteur : il traduit les réactions du corps d'épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie. transmetteur : Un transmetteur est un appareil de mesure dont l'entrée est issue d'un capteur et dont la sortie est un signal conforme à un standard analogique (0,2-1 bar ou 4-20 mA) ou numérique, directement utilisable dans une boucle de mesure ou de régulation (mise en forme, amplification, filtrage, mise à niveau du signal de sortie pour sa transmission à distance). Il peut être incorporé ou non au capteur proprement dit. 4.2 Capteur intégré C'est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d'épreuve et l'électronique de conditionnement. Capteur integré 5. Fonctions, symbolisation, schéma TI 5.1 Fonctions Le capteur peut être associé avec plusieurs fonctions : o La fonction indicateur local, o La fonction indicateur à distance, o La fonction transmetteur. 5.2 Symbolisation La norme NF E 04-203 définit la représentation symbolique des régulations, mesures et automatisme des processus industriels. Les instruments utilisés sont représentés par des cercles entourant des lettres définissant la grandeur physique réglée et leur (s) fonction (s). La première lettre définie la grandeur physique réglée, les suivantes la fonction des instruments. Lettres pour le schéma TI Schéma TI - Représention de l'instrumentation Figure ti Régulation de niveau dans le ballon avec correction de tendance 5.3 Opérations mathématiques Dans certain cas, la mesure du capteur sera corrigée pour compenser les effets des grandeurs d'influence. On sera amené alors à représenter sur le schéma TI ces différentes opérations. Le schéma figure math représente une mesure de débit avec compensation de température et de pression. Mesure de débit corrigé en pression et température Figure math Bus de terrain 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 capteursÊ; 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 : o Le montage de l'intervenant sur le bus ; o L'adaptation, par l'intermédiaire d'un logiciel, du fonctionnement de la régulation. Malgré l'existence de passerelles, on ne peut qu'espérer 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. Bus de terrain