Les capteurs industriels Quelques généralités et définitions... Le premier élément de la chaîne de mesure est le capteur. La grandeur physique à mesurer lui est directement appliquée. Le terme de sonde est plutôt réservé à l'élément du capteur situé localement au point de mesurage. Le transmetteur ou conditionneur transforme le signal électrique en un signal transmissible de haut niveau, le plus souvent conforme à un standard de transmission, qu'elle s'effectue sous forme analogique ou numérique. CAPTEUR GRANDEUR PHYSIQUE Transformer gandeur physique en signal électrique CONDITIONNEUR Adapter le signal électrique en vue de sa transmission RECEPTEUR Ligne de transmission Réception du signal transmis et adaptation à l'unité de traitement INFORMATION A TRAITER A l'autre bout de la ligne de transmission le récepteur adapte le signal à l'unité de traitement, le plus souvent numérique. Actuellement de nombreux capteurs à électronique incorporée sont en réalité des ensembles capteur + transmetteur. Des capteurs sont directement raccordables à un réseau comme ethernet (transmission série rapide multipoint) ou communiquent par liaison sans fil. CAPTEUR GRANDEUR PHYSIQUE CONDITIONNEUR Transformer gandeur physique en signal électrique Pression Poids Position Vitesse Température Adapter le signal électrique en vue de sa transmission RECEPTEUR Ligne de transmission Réception du signal transmis et adaptation à l'unité de traitement ∩ : transmission analogique Signal électrique 0 - 10V 4 - 20mA # : transmission numérique RS 232-C ETHERNET Liaisons sans fil INFORMATION A TRAITER Automate PC Mesure de pression CAPTEUR / CONDITIONNEUR Pression 0-10 bars Capteur de pression à sortie 4-20 mA Pression RECEPTEUR Carte de conversion Signal normalisé 4-20 mA analogique / numérique INFORMATION A TRAITER Mesure de poids CAPTEUR Masse 0-100kg Poids Capteur à jauges de contraintes CONDITIONNEUR RECEPTEUR Conversion ana / num Signal analogique bas niveau Transmission Module de communication RS-232C Signal numérique norme RS-232C INFORMATION A TRAITER Principales caractéristiques de l'instrumentation * L'étendue de mesure : c'est l’amplitude entre le plus petit et le plus grand signal mesuré, sans risque de destruction pour le capteur. exemple : 1g à 10kg ; 0 à 100 bars ; 360° * La résolution : c’est la plus petite variation de la grandeur physique observable exemple : 0,1mm pour une mesure de position 0,2°C pour une mesure de température * La rapidité : c’est l’aptitude à suivre les variations du signal. Elle est chiffrée en nombre de (fréquence d'acquisition en hertz). mesures par seconde Les capteurs de position et de déplacement Codeurs rotatifs incrémentaux Un codeur optique rotatif est un capteur angulaire de position. Lié mécaniquement à un arbre qui l'entraîne, son axe fait tourner un disque qui comporte une succession de zones opaques et transparentes. La lumière émise par des diodes électroluminescentes arrive sur des photodiodes chaque fois qu'elle traverse les zones transparentes du disque. Les photodiodes génèrent alors un signal électrique qui est amplifié et converti en signal carré avant d'être transmis vers une unité de traitement. La plupart des codeurs incrémentaux intègrent 3 détecteurs optiques et fournissent ainsi 3 (ou 6) signaux : Signal voie A, signal voie B et signal top zéro (plus éventuellement les signaux complémentés). * Les signaux voies A et B sont déphasés électriquement de 90° afin de permettre une détermination du sens de rotation. * Le top zéro correspond à une impulsion par tour, ce qui permet de réaliser une référence et d'obtenir ainsi une mesure de position absolue. SENS 2 SENS 1 VOIE A VOIE A VOIE B VOIE B Le nombre d ’impulsions par tour permet de définir, pour une voie, la résolution du codeur : Ainsi un codeur fournissant sur sa voie A 1000 impulsions par tour présentera une résolution angulaire de 0,36°. Certaines cartes spécialisées permettent d'améliorer artificiellement la résolution d'un codeur en prenant en compte les fronts montants et descendants des voies A et B ( résolution angulaire divisée par 4). 1 3 VOIE A 2 4 VOIE B Ces codeurs sont utilisés principalement dans des mesures de déplacement ou de position mais il reste possible par un traitement approprié de réaliser des mesures de vitesse (nombre d'impulsions reçues pendant un intervalle fixé par une base de temps interne au système de traitement). Association avec automate La prise en compte des signaux est difficilement directement par les entrées tout ou rien des API. réalisable Exemple : Résolution = 0.36° Fréquence de rotation = 25T/s Fréquence du signal voie A = 25x360/0,36=25KHz Les entrées tout ou rien "rapides" des API sont limitées en fréquence : - TSX-37 entrées %I1,0 à %I1,3 fmax = 500Hz - TSX-37-22 voie de comptage intégrée fmax = 10KHz L'acquisition des informations en provenance d'un codeur incrémental nécessite le plus souvent l'utilisation de cartes spécialisées : - Cartes de comptage rapide. - Coupleurs intelligents type carte d'axe numérique. Etage de sortie à collecteur ouvert Vcc COLLECTEUR OUVERT NPN CODEUR Fmax =25KHz Lmax=30m Entrée de comptage / décomptage AUTOMATE Le courant est sortant de l ’automate. A l ’état 1L la ligne est en haute impédance. Etage de sortie totem pole ou push-pull Vcc Vcc TOTEM POLE Entrée de comptage / décomptage CODEUR Fmax =25KHz Lmax=30m AUTOMATE Le courant est sortant du codeur à l ’état 1L et sortant de l ’automate au 0L. la ligne n ’est impédance. jamais en haute Etage de sortie à émetteur de ligne ou RS422 Vcc EMETTEUR DE LIGNE Vcc GND Codeur Récepteur Fmax > 100KHz Lmax=1000m C ’est une transmission différentielle avec les signaux A, A/, B, B/, Z et Z/ suivant la norme RS422. Elle est insensible aux parasites industriels. Exemple de codeur incrémental Les codeurs optiques absolus A chaque position du disque correspond un code numérique fourni par l'état de N détecteurs optiques, alignés, et en regard de N pistes gravées. On peut réaliser par gravure un code binaire pur, BCD ou GRAY. Association avec API Ces codeurs sont destinés à des mesures de position absolue, voir de déplacement. Les codeurs simples ne donnent une information de position que sur 360°, il existe des codeurs multitours qui comptabilisent le nombre de tours effectués. Le plus souvent ces codeurs nécessitent des cartes spécialisées moins courantes sur le marché. Les informations sont fournies soit sous forme parallèle soit sous forme série. Les capteurs potentiométriques +10V SCHEMA DE PRINCIPE ENTREE ANALOGIQUE P1 1K VE RE = 50K GND Le mouvement du curseur est lié au déplacement de l'objet dont on veut mesurer la position. Le potentiomètre est alimenté par une source de tension continue de grande précision et la tension mesurée entre le curseur et un point fixe donne l'image de la position angulaire. Technologie du capteur On utilise des potentiomètres simple tour (320° utiles ) ou multi-tours (10, 20 tours), avec une loi résistance /déplacement linéaire. Ils sont choisis étanches à l'eau et à la poussière. La piste résistive en contact glissant avec le curseur est généralement à couche plastique (plastique chargé de poudre conductrice ) ou à couche cermet (composite CERamique - METal ). Pour ces types de potentiomètres la résolution est infinie. Modèle à déplacement du curseur linéaire Association avec automate RACCORDEMENT 4 FILS 0V ALIMENTATION +10V 1+ MODULE ENTREE ANALOGIQUE 1câble blindé GND L'information position est transformée par le potentiomètre en signal tension, par exemple 0-10V, formant ainsi un ensemble capteur + transmetteur. Pour un traitement numérique de l'information par API le potentiomètre est relié à une carte d'entrée analogique qui réalise une conversion analogique / numérique. Ces cartes sont disponibles pour la plupart des automates. Module d ’entrée analogique Pour ces modules les principales caractéristiques à prendre en compte sont : * La gamme d ’entrée et le nombre de voies : 0..+10V * La résolution de la conversion analogique / numérique exprimée en nombre de bits par exemple 8 ou 16 bits * La fréquence d ’acquisition Il faudra s'assurer que l'impédance d'entrée de la carte de conversion ne vienne pas perturber la mesure et choisir la valeur ohmique du potentiomètre en conséquence, soit : R (entrée du module) en Ω >> R (potentiomètre) Module d ’entrée analogique Les capteurs à transformateur différentiel Le transformateur différentiel est constitué d'un enroulement primaire et de deux enroulements secondaires placés symétriquement par rapport à ce dernier et reliés en opposition. Lorsqu’un courant alternatif parcourt l'enroulement primaire, le déplacement d'un noyau ferromagnétique dans l'axe médian des bobines modifie le couplage entre les enroulements primaire et secondaire. La tension résultante aux bornes des enroulements secondaires est fonction de la position du noyau par rapport aux enroulements. PRIMAIRE VP NOYAU MAGNETIQUE MOBILE VS1 VS VS = VS1 - VS2 VS2 Principales caractéristiques : * Résolution théoriquement infinie du capteur. * Excellente linéarité (0.5% de l'étendue de mesure ou mieux). * Courses faibles : quelques dizaines de mm Association avec automate par conditionneurs spéciaux qui fournissent en sortie une mesure de position sous forme analogique ou numérique, standardisée. Les resolvers Stator Stator 5 à 10KHz Stator Un transformateur, dont le primaire est sur le stator et le secondaire sur le rotor, est alimenté par une tension alternative de fréquence proche de 10 kHz, appelée porteuse. Un autre enroulement rotorique reçoit son alimentation par le secondaire du transformateur précédent. Il produit un champ tournant qui induit dans deux enroulements secondaires placés au stator et décalés de 90°, deux tensions Cos et Sin dont la combinaison permet de déterminer la position du rotor. L’intérêt de ce capteur angulaire réside dans sa robustesse et sa grande fiabilité, du fait qu’il n’y a pas de contacts glissants. Sa précision est de l’ordre de quelques minutes d’angle. Ce capteur est associé, et le plus souvent intégré, aux servomoteurs synchrones autopilotés ( moteurs sans balais, brushless). les capteurs employés en pesage Les capteurs à jauge de contrainte Un corps d'épreuve (aluminium, acier,...) est soumis par compression, flexion ou cisaillement au poids à mesurer. Il se déforme à l'intérieur de son domaine élastique. Des jauges d'extensiométrie à trame pelliculaire collées sur ce corps d'épreuve et convenablement groupées transforment ces déformations en variations de résistances. Réalisées sous forme de trames pelliculaires les jauges sont, sur un même corps d'épreuve, le plus souvent regroupées en pont de wheatstone. R1 Alimentation 5 à 10 V DC VALIM A R3 R2 J1 B VS J3 J2 R4 En déformation : J1 et J4 s'allongent J2 et J3 sont comprimées J4 En déformation : A l’équilibre : R1=R2=R3=R4=R VS=0V R1=R4=R+∆R R2=R3=R-∆R VS=- VALIM.(∆R/R) La tension VS est proportionnelle au poids appliqué Scaime F60X Scaime CPJ Autres capteurs de pesage Le défaut principal des jauges à trame pelliculaire est lié à leur collage sur le corps d'épreuve. Les fabricants ont ainsi développé des capteurs à couche mince où la colle est remplacée par une couche céramique diffusée sur laquelle on "dépose" par des procédés sophistiqués la jauge. Ces jauges piézoélectriques sont une alternative aux jauges à variation de résistances. Elles fournissent une tension proportionnelle à la contrainte mécanique et sont surtout utilisées dans les capteurs de pression avec une électronique intégrée (sortie analogique 0-10V ou 4-20mA). + pas de déformation + temps de réponse faible les capteurs de température Les thermocouples Un thermocouple est constitué de 2 conducteurs métalliques de natures différentes reliés à leurs extrémités. En portant les soudures à des températures différentes on constate l'apparition d'un courant : effet Seebeck. SOUDURE CHAUDE SOUDURE FROIDE Fer Tx mV Ta U Cuivre-nickel En ouvrant le circuit à un endroit quelconque ce dernier se comporte comme un générateur de FEM dont la valeur dépend du couple de métaux et de la différence entre la soudure dite chaude et l'autre soudure dite froide. U = C.(Tx-Ta) avec C constante en V/°C et Tx, Ta en °C Caractéristiques : * Couple J : Fer / Cuivre-nickel C=52.3 µV/°C domaine de mesure : -50 à +350°C * Couple K : Nickel-chrome / Nickel-aluminium C=6.4 µV/°C domaine de mesure: -50 à +900°C - Les câbles de raccordement entre capteur et module de traitement sont des câbles spéciaux, d'extension ou de compensation, compatibles avec le couple utilisé et on devra respecter les polarités. - La tension mesurée (de quelques millivolts) étant proportionnelle à la différence de température entre soudure chaude (au point de mesure) et soudure froide il faudra pour réaliser une mesure de température absolue faire ce que l'on appelle une "compensation de soudure froide", ce qui revient le plus souvent à faire une mesure de température ambiante. Des cartes ou modules permettent de réaliser l'adaptation de ces capteurs aux API : - Amplification du signal - Compensation de soudure froide - Conversion analogique numérique Les sondes platine On utilise ici la loi de variation de la résistance en fonction de la température de certains métaux. Le plus employé est le platine pour sa très bonne linéarité. Le capteur est constitué par un fil très fin de platine enrobé dans une enveloppe métallique, céramique ou pyrex de quelques mm de diamètre et de quelques cm de longueur. Caractéristiques : - Résistance à 0°C : 100Ω - Domaine d'utilisation : -200 à +600°C - R(-200°C) = 18.49Ω - R(100°C) = 138.5Ω - R(200°C) = 175.84Ω Montage des sondes platine Des modules adaptateurs permettent pour un coût modeste : - d'alimenter la sonde en courant (2 mA). - d'adapter et d'amplifier le signal mesuré pour le mettre à un format standard de transmission, par exemple 0-10V. Transmetteur pour rail DIN / système 4 fils / thermocouple / Pt100 * Sortie signal analogique 0-10 V DC, 0-1 V DC, 4-20 mA ou 0-20 mA * Pour montage sur rail DIN Spécifications : * Plage mini : Thermocouple 50°C, Pt100 25°C * Linéarisé en température * Alimentation 24 V DC (autres tensions d'alimentation sur demande) * Plage climatique : -10ºC/+70ºC * Détection de rupture capteur : configurable, limite haute ou basse Mesure de température par infrarouge Intérêt principal : mesures SANS CONTACT Il existe des sondes de température à infrarouge avec des sorties compatibles thermocouples K, J, etc… permettant ainsi des remplacements directs de thermocouples.
