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Capteurs industrielles

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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.
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