Capteur / Transmetteur.
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CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 Pression et Transmetteurs 1 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 Chapitre 1 : Capteur / Transmetteur. 1- Présentation. 2- Définitions. 3- Familles de capteurs. 4- Relation entrée-sortie. 5- Exercices. 6- Alimentation et branchement. 7- Cablage de la boucle. 8- Charge de la boucle. 9- Mise au juste. 10- Procédure d'étalonnage. 11- Principaux constructeurs. Précision… Matériel d'étalonnage. MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 2 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE INSTRUM LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 2004/2005 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre : 1 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. CIRA1 1. Présentation. Un transmetteur fournit un signal analogique normalisé image de la grandeur physique mesurée (grandeur réglée en général) grandeur physique sortie analogique grandeur normalisée TRANSMETTEUR Zéro Etendue d ‘ Echelle SPAN Suivant la technologie utilisée le signal de sortie sera : -un signal électrique courant 4-20mA, 10-50mA tension 0-10V, 1-5V, 0-5V, 0-10V -Un signal pression 200-1000mBar -un signal numérique.() Un transmetteur doit être "exactement" adapté au process sur lequel il est installé. Pour cela un transmetteur de base dispose d'un minimum de 2 réglages : -réglage du Zéro.(Zéro) -réglage de l'étendue d'échelle.(SPAN) Les opérations nécessaires pour adapter le transmetteur au process sont appelées l'ajustage ou l'étalonnage (ancienne dénomination) La valeur de ces réglages est déterminée par le procédé lui-même et par les consignes de l'exploitant, ils doivent être régulièrement vérifiés par un instrumentiste... Pour définir une mesure on parlera en % (de l'étendue d'échelle) 0% 25% 50% 100% 10bars 4mA 8mA 12mA 16mA 20mA 0% 75% MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE 15bars 20bars 25bars 30bars 25% 50% 75% 100% Pression et Transmetteurs 3 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 2. Définitions. Les professionnels, utilisateurs et constructeurs de capteurs ont défini le langage à utiliser. Capteur. Elément d’un appareil mesureur servant à la prise d’informations relatives à la grandeur physique à mesurer. ( pression, débit, niveau, température, vitesse,...) Hier encore, l’information se bornait à la lecture directe d’un repère ou d’une aiguille le long d’une échelle graduée. Aujourd’hui l’on tend à transformer cette information en une grandeur électrique qui est exploitée dans la chaîne de Mesure et de régulation Selon cette définition, le capteur constitue nécessairement le premier élément transducteur. Transducteur. Elément qui sert à transformer, suivant une loi déterminée, la grandeur mesurée (ou bien une grandeur déjà transformée de la grandeur mesurée) en une autre grandeur ou en une autre valeur de la même grandeur avec une précision spécifiée et qui constitue un ensemble pouvant être utilisé séparément. Transmetteur. Elément influencé par une grandeur physique mesurée, qui transmet un signal. Ce peut être un assemblage d’éléments constitué d’un capteur, d’un amplificateur ou d’un convertisseur qui modifie le signal suivant spécification . CAPTEUR MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE CONDITIONNEUR par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 4 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 Calibrage-Etalonnage-Réglage - Ajustage ? Etalonner un appareil de mesure, c'est établir la relation entre les valeurs qu'il indique et les valeurs correspondantes de grandeurs réalisées par un étalon. L'étalonnage permet d'estimer les erreurs d'indication de l'appareil; il peut être estimé sous la forme d'un facteur d'étalonnage ou d'une courbe d'étalonnage. Le calibrage correspond seulement au positionnement matériel des repères, c'est à dire des traits sur le dispositif indicateur d'un l'appareil de mesure en fonction des valeurs correspondantes de la grandeur mesurée. C'est en principe le travail du constructeur. L'ajustage et le réglage sont deux opérations analogues. Elles consistent à amener un appareil de mesure à un fonctionnement et à une justesse convenables pour son emploi. Le réglage est fait par l'utilisateur habituel de l'instrument, en agissant sur les moyens mis à sa disposition. L'ajustage, par contre , est effectué par le fabricant de l'appareil ou par un laboratoire spécialisé. Il met en jeu des dispositifs qui ne sont pas normalement accessibles à l'utilisateur. Etendue de Mesure: Différence algébrique entre les valeurs extrèmes pouvant être prises par la grandeur à mesurer, pour laquelle les indications d’un capteur obtenues à l’intérieur du domaine nominal d’emploi en une seule mesure ne doivent pas être entachées d’une erreur supérieure à l’erreur maximale tolérée. Portéee: Valeurs de la grandeur à mesurer correspondant aux limites minimale et maximale de l’étendue de mesure. Zéro: C’est la valeur prise comme origine de l’information délivrée par le capteur. Sensibilité: Quotient de l'accroisement de la réponse par l'accroisement correspondant au signal d'entrée. C'est la pente de la courbe d'étalonnage. Ex. Colonne à eau. (mm/Pa) La justesse est l'aptitude d'un appareil à donner des indications qui, en moyenne, correspondent à la valeur vraie ou à la valeur conventionnellement vraie de la grandeur mesurée. La fidélité est l'aptitude d'un instrument à donner la même indication pour une même valeur de la grandeur mesurée.Un instrument peut être fidèle sans être juste. MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 5 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 3. Familles de capteurs. Les capteurs peuvent être classé selon les grandeurs à mesurer: grandeurs géométriques. Proximité, présence position, déplacement angulaire ou linéaire niveaux grandeurs cinématiques. Vitesse, accélération. Débit. Grandeurs mécaniques. Force, couple masse... grandeurs "physiques" pression, débit, niveau, Température, densité.. Le cours CIRA est limité à l'étude de ces derniers... MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 6 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 INSTRUM 2004/2005 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre : 1 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. CIRA1 4. Relation entrée-sortie d'un transmetteur. (mise en équation) Dans la grande majorité des applications le signal de sortie est proportionnel à la grandeur mesurée: la loi est linéaire. S S S ( E DZ ) TS EE S DZ: décalage de zéro. EE: étendue d'échelle ou Span S Ts: talon de sortie. S: échelle de sortie. EE ou SPAN E DZ Pour certaines applications (mesure de débit par OD) le transmetteur est équipé d'un étage extracteur de racine carrée. S S S EE E Dz TS S S EE ou SPAN E DZ MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 7 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 INSTRUM 2004/2005 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre : 1 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. CIRA1 5. Exercices. exo1. On dispose d'un transmetteur de pression de type proportionnel. échelle d'entrée: 0-25bars échelle de sortie: 200-1000mbars Quelle est la pression de sortie pour une pression d'entrée de 12 bars. Faire une représentation graphique. exo2. On dispose d'un transmetteur de température de type proportionnel échelle d'entrée: 10-100°C échelle de sortie: 4-20mA Déterminer la valeur de la sortie pour une température de 20°C Faire une représentation graphique. exo3. On dispose d'un transmetteur de pression de type proportionnel échelle d'entrée: -200...+50mbars échelle de sortie: 3...15psi Déterminer la valeur de la pression d'entrée pour un signal de sortie de 12.6psi. Faire une représentation graphique. exo4 Soit un transmetteur de pression de type proportionnel - échelle d'entrée réglée 0...4bars -échelle de sortie: 4...20mA. Valeur du signal de sortie en mA pour 2 bars et 3 bars appliqués en entrée. Valeur du signal de sortie en % pour 2 bars et 3 bars appliqués en entrée. Valeur de la pression appliquée pour un signal de sortie de 8mA et 16mA Valeur de la pression appliquée en entrée pour un signal de sortie de 10% et 80% Faire une représentation graphique. Exo5. On dispose d'un transmetteur de pression avec extracteur de racine incorporé échelle d'entrée: 0-2500mmCE échelle de sortie: 4-20mA Quelle est l'intensité du courant de sortie pour une pression de 625mmCE. exo6 Soit un transmetteur de pression linéaire étendue d'échelle réglée 80mbars décalage positif de zéro: 20mbars signal de sortie 4-20mA. Déterminer l'équation du transmetteur S = f (E) exo7. Extracteur de racine... MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 8 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE INSTRUM LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 2004/2005 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre : 1 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. CIRA1 6. Alimentation et branchement d'un transmetteur. Le transmetteur est un élément actif nécessitant une source d'énergie extérieure Transmetteur pneumatique: 1 ligne de pression modulée: vinyle (2.7/4; 4/6; 6/8), cuivre... (200...1000mbars) 1 ligne de pression d'alimentation: idem (souvent 1.4bars) 1 ligne d'impulsion: 1/2" inox, acier... (prise de mesure) 1 vanne d'isolement. (Isolation du process, ajustage, maintenance...) Transmetteur électronique. Il en existe 2 grands types : - transmetteurs 2 fils. Ce montage est dit "2 fils" car les 2 fils d'alimentation servent aussi à véhiculer le signal de sortie. E Le transmetteur se comporte comme une résistance variable. Il est nécessaire d'avoir une alimentation continue dans la boucle. La plupart des transmetteurs de pression sont de ce type. + TRS - + mA + transmetteur 2 fils - - + - transmetteurs 4 fils. Ce montage est dit "4 fils" car on distingue 2fils signal + 2 fils alimentation. Le transmetteur se comporte comme un générateur de courant(continu). Aucune alimentation supplémentaire n'est nécessaire. mA TRS - MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE + + par D.BROUSSE transmetteur 4 fils - Pression et Transmetteurs 9 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 7. Câblage de la boucle... + transmetteur + 2 fils (4-20mA) - transmetteur 4 fils (4-20mA) + - + Régulateur 4-20mA + enregistreur 4-20 mA + Régulateur 4-20mA + enregistreur 4-20 mA + + - - vanne 4-20mA + + + + - vanne 4-20mA Régulateur entrée tension 1-5V transmetteur 2 fils (4-20mA) vanne entrée 4-20mA + 24V + - + 0V/ M- + - M+ enregistreur entrées tension 1-5V - + + Régulateur entrée tension 1-5V transmetteur 4 fils (4-20mA) + vanne entrée 4-20mA + 24V 0 V/ M- + - + - M+ enregistreur entrées tension 1-5V - + MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE + par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 10 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 INSTRUM 2004/2005 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre : 1 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. CIRA1 8. Charge de la boucle. (Influence de la tension d'alimentation) Les constructeurs proposent une gamme de tension d'alimentation( VT ) pour les transmetteurs: Vmin < VT < Vmax. Il est impératif de respecter cette contrainte. Une tension supérieure à Vmax provoquerait des dégâts au niveau de l'électronique. Une tension inférieure à Vmin ne permet plus d'assurer les performances du transmetteur. l'information mesure (4...20mA) est émise vers d'autres appareils de la boucle (entrée mesure du régulateur, enregistreur, convertisseurs...) TRS RC E VT VC Rc représente la résistance équivalente de tous les instruments connectés sur le circuit du transmetteur. (Charge) Pour une tension d'alimentation donnée (E) et un courant donné (I), si la charge (Rc) augmente Vc augmente et donc VT diminue : Vc = Rc.I et E = VT + Vc Pour fonctionner correctement la tension aux bornes du transmetteur ( V T) ne doit pas descendre au dessous de Vmin. Le cas le plus défavorable (VT mini) est obtenu pour Vc maxi soit Rc.I=maxi Imax=20mA (4-20mA) soit Rcmax= (E-VTmin) / Imax. Pour admettre une charge plus importante il faut augmenter la tension du générateur d'alimentation. Voir application sur doc constructeurs... MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 11 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 INSTRUM 2004/2005 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre : 1 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. CIRA1 9. Mise au juste d'un transmetteur. (ajustage ou étalonnage) La mise au juste d'un transmetteur est une opération effectuée pas mal de fois dans la vie d'un transmetteur : - à la réception d'un matériel neuf. - au changement d'affectation. - aux vérifications périodiques qu'imposent les normes qualité ISO 9000. Cette opération est effectuée par le service instrumentation de l'entreprise (s'il existe), le service maintenance ou par une entreprise sous-traitante spécialisée. Le matériel utilisé pour la mise au juste doit être de précision supérieure à la précision attendue de l'instrument. L'étalonnage peut être effectué soit en laboratoire (possibilité d'utiliser du matériel fragile et non portable mais précis ) soit directement sur site (avec du matériel portatif et bien protégé). Toute intervention doit être précédée d'une " demande d'intervention" l'exploitant doit savoir qu'une mesure est erronée en raison d'interventions sur tel ou tel matériel pour ne pas agir d'une façon inconsidérée et provoquer des incidents pouvant être gràve. L'instrumentation doit être repérée clairement pour faciliter les interventions de maintenance et d'étalonnage. (Il peut arriver de prendre un capteur pour un autre...) Toute intervention sera indiquée sur la fiche de suivi de l'instrument. Des outils informatiques permettent de gérer la maintenance de l'instrumentation. L'intervention consiste à : - isoler le transmetteur du procédé (utilisation des vannes d'isolement du manifold) - purger le transmetteur. (Attention penser au fluide utilisé et aux risques de projection) - simuler la grandeur physique.(poire, pompes, air comprimé) - mesurer la grandeur physique simulée et le signal. - ajuster les réglages du transmetteur. (Zéro et Étendue d'échelle) - remettre le transmetteur en liaison avec le process.(attention aux bulles d'air) MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 12 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 10. La procédure d'étalonnage proposée ci-dessous est très générale, Chaque instrument (particulier) doit faire l'objet d'une procédure personnalisée et plus détaillée au niveau de l'accès aux réglages notamment... DEBUT SIMULER la grandeur physique correspond au 0% AJUSTER le Zéro du transmetteur MESURER le signal NON 0% OUI SIMULER la grandeur physique correspondant au 100% AJUSTER l'Etendue d'échelle du transmetteur MESURER le signal NON 100% % OUI NON VERIF OUI FIN MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 13 CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE LYCEE TECHNIQUE DE LA SALLE - 30100 ALES Tél 04 66 56 24 38 Fax 04 66 56 24 30 Chapitre1 – Capteur / transmetteur. INSTRUM 2004/2005 Chapitre : 1 CIRA1 11. les principaux constructeurs: ABB Bourdon Danfoss Elsag Bailey (Otic Fischer, Sereg) Endress + Hauser Foxboro Georgin. Hartman et Braun Jumo Kent Kobold Moore Rosemount Samson Siemens Spirax sarco Vega MESURE INDUSTRIELLE et TECHNOLOGIE D’APPAREILLAGE par D.BROUSSE Pression et Transmetteurs 14
