Cours Chapitre VII
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Chap. VII LES DETECTEURS & CAPTEURS D’INFORMATIONS I. Rôle. Les capteurs créent, à partir d’informations diverses prises sur l’unité de production, des informations utilisables par Partie Commande (P.C.) afin que celle ci puisse les traiter et élaborer les ordres adéquats aux actionneurs de la Partie Opérative (P.O.). II. Quelques définitions. Source d’information CAPTEUR Destinataire des informations (la P.C.) 2.1 Source d’information : C’est une grandeur physique (déplacement, température, pression, etc.…) qui fournit par son état (c’est une situation de mesure) ou par ses variations (c’est une situation de comptage) une information utile à la P.C.. 2.2 Destinataire des informations : Le destinataire est la P.C. qui peut admettre les informations suivant deux grandes familles : ANALOGIQUE (c’est une variation continue de l’information) Binaire ou TOR (deux états possibles 0–1) LOGIQUE Numérique (plus de deux états possibles) Le destinataire se caractérise également par les conditions relatives à la nature de l’information et à ses paramètres (Tension, courant Chapitre XII 1 III. Classement des capteurs. (a) En fonction de la nature de la grandeur physique à détecter. Exemple : Présence d’objets, de pièces, d’un déplacement… Niveau d’un liquide, d’une poudre, de grains… Pression d’un gaz, d’un liquide, d’un objet contre un autre… (b) En fonction de la nature des signaux transmis. Signal logique binaire : Seuil haut Seuil bas ou Seuil haut Signal logique numérique : Chaque information se présente sous la forme d’un ensemble d’états logiques rangés dans un «mot d’état» Chapitre XII 2 Signal analogique : L’information se présente sous la forme d’un signal qui peut prendre toutes les valeurs possibles entre deux valeurs limites. Grandeur physique Signal analogique (c) En fonction de la nature technologique des signaux transmis. Exemple : Chapitre XII De type pneumatique De type hydraulique De type électrique De type électronique 3 IV. Structure générale d’un capteur. Source d’information (grandeur physique à détectée) Etage de détection Etage de sortie informations transmise à la P.C. Etage de sortie dans le cas de capteurs électroniques … Le signal de sortie d’un tel capteur est obtenu par commutation d’un transistor, d’un thyristor ou d’un triac. En fonctionnement commutation, et vu de l’extérieur, le composant électronique peut être assimilé à un contact électrique qui se ferme ou s’ouvre, mais de façon imparfaite. Rappel du principe de fonctionnement d’un transistor en commutation : Etage bloqué ⇔ à un contact ouvert présentant une résistance non infinie. Etage saturé ⇔ à un contact fermé présentant une résistance non nulle. Les caractéristiques principales sont : - Tension nominale de fonctionnement - Courant maximal admissible - Valeurs min. et max. de la résistance apparente de sortie ou plus souvent, le courant résiduel à l’état bloqué et la chute de tension à l’état saturé du circuit de sortie. Chapitre XII 4 Caractéristiques de montage. Types « 2 fils » - Généralement non polarisés ils ne nécessitent donc pas de repérage spécifique des bornes de montage. - Ils se raccordent indifféremment sur les entrées automate à logique positive ou négative. - Il existe un courant résiduel et une tension de déchet, dont il faut vérifier leur compatibilité avec les seuils de basculement des entrées automate utilisé. - Association : Série Entrée automate Parallèle Entrée automate Types « 3 fils » Chapitre XII - Ils sont alimentés exclusivement en courant continu : 2 fils pour l’alimentation (notés + et – coef. schéma ci-dessous). 1 fil pour la transmission du signal(noté S coef. schéma ci-dessous). - Ils sont généralement protégés contre l’inversion des fils d’alimentation. 5 - Ils sont de type « p »(pour PNP) ou de type « n » (pour NPN) ; Schémas : + + S S - - TYPE « P » - TYPE « N » Ils ne se raccordent pas indifféremment sur les entrées automate à logique POSITIVE ou NEGATIVE ; Schémas : carte d’entrées automate carte d’entrées automate + + - + + PNP NPN - - Entrées à logique positive Entrées à logique négative Exemples de câblage 3 fils - ou 4 fils (indépendance des entrées API) Association : Série Parallèle + + + S - + S + S - + S Entrée automate Entrée automate - Chapitre XII - 6 V. Capteurs d’informations d’automatisme à sorties binaires. Nous allons nous intéresser ici au détecteurs les plus répandus : Détection d’une présence Détection d’un déplacement Détection d’un niveau (développée en VII ‘analogique & numérique’) Détection d’une pression (développée en VII ‘analogique & numérique’) Détection d’une température (développée en VII ‘analogique & numérique’) Capteurs et détecteurs de déplacement, de position, de proximité. Ce sont les plus répandus sur les machines. De plus les capteurs des autres grandeurs physiques (vitesse, niveau, pression, température), utilisent souvent le déplacement d’un corps d’épreuve soumis à la grandeur physique à détecter pour élaborer le signal de sortie. Démarche de choix en détection. La détermination d’un type de détection est une étape importante mais pas toujours aisée. Ce choix est souvent effectué quand la mécanique et l’environnement ont déjà été définis, ce qui exigera de la fonction détection qu’elle s’adapte. Alors, entre les technologies photoélectrique, capacitive, inductive, ultrasonique… , laquelle choisir ? Quels détecteur pour quelles applications ? Détecter est une fonction essentielle dans les automatismes. Dans tous les process, il faut en effet être informé à un moment donné de la présence ou non d’un objet, d’un personne, d’un élément de machine. Dans leur rôle d’acquisition dédiée au traitement de l’information, les détecteurs contrôlent justement la présence, l’absence, le positionnement, le passage, le défilement, le bourrage, le comptage d’objets divers. Il existe différentes familles de détecteurs de présence : 1. les interrupteurs de position ; pour détecter 2. les détecteurs de proximité inductifs ; pour détecter 3. les détecteurs de proximité magnétiques ; pour détecter 4. les détecteurs de proximité capacitifs ; pour détecter 5. les détecteurs photoélectriques ; pour détecter 6. les détecteurs à ultrasons ; pour détecter Chapitre XII 7 Guide de choix Le choix proposé se déroule en deux temps. Le logigramme ci-dessous illustre cette démarche qui conduit à sélectionner une famille de détecteurs sur la base de critères simples. Phase n°1 : elle consiste à déterminer la famille de détecteurs la mieux adaptée à l’application en répondant de façon chronologique aux questions suivantes. nature de l’objet à détecter : solide, liquide, gazeux, métallique ou non contact possible avec l’objet distance objet/détecteur masse de l’objet vitesse de défilement cadences de manœuvres espace d’intégration du détecteur dans la machine Phase n°2 : elle vise à déterminer le type et la référence du détecteur recherché. Cette deuxième phase tient compte : de l’environnement : température, humidité, poussières, projections diverses, etc. de la source d’alimentation : alternative ou continue du signal de sortie : électromécanique, statique, compatibilité API. du type de raccordement : câble, bornier, connecteur. Chapitre XII 8 V.1 Interrupteurs de position Les interrupteurs de position électromécaniques sont utilisés dans des applications très variées en raison de leurs nombreuses qualités: sécurité de fonctionnement (fiabilité des contacts, manœuvre positive d'ouverture), grande précision (fidélité sur les points d'enclenchement de 0,1 à 0,01 mm selon les modèles), courant nominal thermique (6 A pour deux contacts), immunité naturelle aux perturbations électromagnétiques, convivialité (mise en œuvre simple, fonctionnement "visible")…. Constitution des interrupteurs de position Les interrupteurs de position sont souvent constitués à partir des trois éléments de base suivants: Un contact électrique, Un corps, Une tête de commande avec son dispositif d'attaque. La plupart des appareils sont composables à partir de différents modèles de corps équipés d'un contact électrique, de tête de commande et de dispositif d'attaque. Cette modularité facilite grandement la maintenabilité par un échange aisé de l'un des éléments. Contact électrique Il existe en versions contact bipolaire O + F à action brusque, O + F décalés à action dépendante, O + O à action brusque, O + O décalés à action dépendante, contact tripolaire O + O + F à action brusque, O + O + F décalés à action brusque dépendante. Contact à action brusque (rupture brusque) Il est caractérisé par des points d'action et de relâchement non confondus. La vitesse de déplacement des contacts mobiles est indépendante de la vitesse de l'organe de commande. Remarque :Cette particularité permet d'obtenir des performances électriques satisfaisantes même en cas de faibles vitesses de déplacement de l'organe de commande Contact à action dépendante (rupture lente) Il est caractérisé par des points d'action et de relâchement confondus. La vitesse de déplacement des contacts mobiles est égale ou proportionnelle à la vitesse de l'organe de commande. Chapitre XII 9 Têtes de commande et dispositifs d'attaque De nombreux modèles peuvent être associés au corps renfermant l'élément de contact: Tête à mouvement rectiligne - Poussoir à bille ou à galet en bout, de côté à galet vertical ou horizontal, - Levier à galet à action horizontale ou verticale. Tête à mouvement angulaire - Levier à galet, position angulaire réglable sur 360°, action dans un ou deux sens Exemple de schémas fonctionnels des contacts à action brusque: “O + F” A - Course maximale de l'organe de commande en millimètres ou en degrés. B - Course d'action de l'élément de contact. C - Course de relâchement de l'élément de contact. D - Course différentielle = B - C. P - Point à partir duquel l'ouverture positive est assurée. Mouvement rectiligne 1 - Point de relâchement de l’élément de contact. 2 - Point d'actionnement de l’élément de contact. A - Course maximale de l'organe de commande en millimètres. B - Course d'action de l’élément de contact. C - Course de relâchement de l’élément de contact. D - Course différentielle = B - C. P - Point à partir duquel l’ouverture positive est assurée. Mouvement angulaire : 1 - Point de relâchement de l’élément de contact. 2 - Point d'actionnement de l’élément de contact. A - Course maximale de l'organe de commande en degrés. B - Course d'action de l’élément de contact. C - Course de relâchement de l’élément de contact. D - Course différentielle = B - C. P - Point à partir duquel l’ouverture positive est Assuré. Chapitre XII 10 V.2 Détecteurs de proximité inductifs Les détecteurs de proximité inductifs sont principalement utilisés dans les applications industrielles: machines d'usinage ou d'assemblage, machines de conditionnement, installations de convoyage etc. Ils détectent sans contact tout objet métallique: contrôle de présence ou d'absence, détection de passage, défilement, de bourrage, positionnement, codage, comptage. Ils peuvent être, noyable ou non noyable, d’alimentation 2 ou 3 fils en courant continu ou alternatif. Constitution et fonctionnement d'un détecteur de proximité inductif Un détecteur de proximité inductif détecte sans contact physique la présence de tout objet en matériau conducteur. 1 Oscillateur, 2 Etage de mise en forme, 3 Etage de sortie. Il comporte un oscillateur dont les bobinages constituent sa face sensible, et un étage de sortie. L'oscillateur crée en avant de la face sensible un champ électromagnétique alternatif ayant une fréquence de 100 à 600 kHz selon le modèle. Lorsqu'un objet conducteur pénètre dans ce champ, il est le siège de courants induits circulaires qui se développent à sa périphérie. Ces courants constituent une surcharge pour le système oscillateur et entraînent de ce fait une réduction d'amplitude des oscillations au fur et à mesure de l'approche de l'objet, jusqu'à leur blocage complet. La détection de l'objet est effective lorsque la réduction de l'amplitude des oscillations est suffisante pour provoquer un changement d'état de la sortie du détecteur. Chapitre XII 11 Champ électromagnétique et zone d'influence d'un détecteur inductif Le dessin ci-contre représente le champ électromagnétique généré par un détecteur inductif. L'intensité de ce champ diminue rapidement quand on s'éloigne de la face sensible. La zone d'influence, c'est à dire la zone dans laquelle l'intensité du champ est suffisante pour qu'il y ait détection, est par conséquent plus petite. Elle conditionne les distances à respecter entre appareils ou entre appareils et masses métalliques. Les détecteurs noyables dans le métal (dessin de gauche ci-dessous) ont un blindage qui évite l'extension latérale du champ. Leur portée nominale est inférieure à celle des détecteurs sans blindage, non noyables dans le métal. Portée de travail d’un détecteur Dans la pratique, les pièces à détecter sont généralement en acier et de dimensions égales ou supérieures à la face sensible du détecteur. Pour le calcul de la portée de travail dans des conditions différentes d’utilisation, il faut tenir compte des facteurs de correction qui influent sur cette portée. Les courbes ci-dessous sont des courbes typiques. Ces courbes ne donnent qu’un ordre de grandeur de portée accessible pour un cas d’application donné. Paramètres influant sur la portée de travail Les valeurs indiquées dans les caractéristiques des produits sont données pour des pièces à contrôler en acier et de dimensions équivalentes à la face sensible du détecteur. Tout autre cas de figure (pièces de petites dimensions, matériaux différents, ...) nécessite un calcul de correction . Variations de la tension d’alimentation Appliquer dans tous les cas un coefficient de correction Kt = 0,9. Chapitre XII 12 Influence de la température ambiante Appliquer un coefficient de correction Kθ θ selon la courbe ci-dessous. Matière de l’objet à détecter Appliquer un coefficient de correction Km à déterminer selon le tableau ci-dessous. Les modèles à portée fixe pour matériaux ferreux/ non ferreux (Fe/NFe) permettent de détecter les différents objets à distance fixe, quelle que soit la nature du matériau. Cas particulier d’écran en matériau non ferreux, d’épaisseur très faible Dimensions de l’objet à détecter Appliquer un coefficient de correction Kd à déterminer selon la courbe ci-dessous. 1 0.5 Sn 2Sn 3Sn 4Sn Portée de travail assurée (Sa) Sa = Exemples d’applications A partir des documentations techniques XS1-M/XS2-M & XS1-L/XS2-L/XS1-N/XS2-N qui vous sont données, et pour chacune des références ci-dessous : XS2 M18 MA 230 – XS1 M30 PA 370 - XS2 N18 PA 340 1. surligner les caractéristiques essentielles liée à la mise en œuvre de chaque détecteurs. 2. Calculer la portée de travail assurée (Sa) pour détecter des cylindres de φ 30mm de tube Acier 316 et ALU Acier 316 ALU Sa= Sa= XS2 M18 MA 230 XS1 M30 PA 370 Sa= Sa= XS2 N18 PA 340 Sa= Sa= Chapitre XII 13 V.3 Détecteurs de proximité magnétiques Détecteur de proximité magnéto-résistif Principe de fonctionnement : Ils sont équipés d’un circuit spécial à semi-conducteur réagissant au champ magnétique d’un aimant d’induction donnée. Les aimants sont généralement fixés sur le piston du vérin, et influencent le détecteur à travers la paroi non-ferreux du corps du vérin. - Détecteurs magnéto-résistif doc. Schneider ci-contre Détecteur de proximité type Interrupteur à Lames Souples Principe: Il existe deux principes: a) soit l'indicateur vient modifier la réluctance de l'entrefer d'un circuit magnétique en s'interposant entre un émetteur de champ magnétique et un contact électrique; b) soit l'indicateur porte lui même un aimant qui vient agir sur un contact électrique. Il s'agit généralement d'interrupteurs à lames souples appelés I.L.S. montés dans une ampoule scellée sous atmosphère contrôlée. L'interrupteur I.L.S. est constitué d'une paire de lames ferromagnétiques dont les extrémités se recouvrent avec un léger entrefer. Soumises à l'influence d'un champ magnétique, les lames de polarité opposée plient l'une vers l'autre jusqu'au contact. Ils sont largement employés dans des domaines tel que: - le contrôle d'accès (ouverture de portes par exemple ); - le comptage; - la position du piston d'un vérin (Cf. ci-dessous) - ….etc Détecteur de proximité à effet Hall Principe de fonctionnement : Ils utilisent les propriétés des composants semi conducteur sensibles aux champs magnétiques Ils permettent donc la détection de tout indicateur porteur d'un aimant. Dans la configuration à fourche, il est possible de détecter la présence d'une pièce métallique entre les 2 bras de la fourche; dans ce cas il n'est pas nécessaire que la pièce à détecter soit aimantée. Chapitre XII 14 V.4 Détecteurs de proximité capacitifs Principe de la détection capacitive : La tête détectrice renferme des condensateurs dont les armatures constituent la face sensible. L’air ambiant autour de la tête constitue le diélectrique isolant de ces condensateurs, eux même placés comme précédemment dans un circuit oscillant. Lorsqu’un corps de permittivité > à 1 arrive à proximité de la face sensible la capacité augmente et entraîne l’amortissement puis l’arrêt des oscillations. Les détecteurs capacitifs sont adaptés à la détection sans contact d'objets de toutes natures (conducteurs ou non conducteurs) tels que : métaux , minerais ,bois , plastique, verre , carton , cuir , céramique , fluides.... Caractéristiques: - Fréquence de commutation faible : - La portée de travail assurée(St) dépend de la nature des matériaux(Fc) : St = Précautions d’emploi: Inconvénient majeur : Remède : Exemples d’applications A partir de la documentation technique XT1-M / XT4-P / XT1-L / XT4-L qui vous est donnée, surligner les caractéristiques essentielles liées à la mise en œuvre du détecteur de référence : XT1 M30 FA 262. 1. Calculer la portée de travail assurée (St) pour la détection d’eau ou de polystyrène. EAU εr POLYSTYRENE Fc St XT1 M30 FA 262 Chapitre XII 15 εr Fc St V.5 Détecteurs photoélectriques La gamme de détecteurs photoélectriques permet la détection d'objet de toutes natures (opaques, transparents, réfléchissants….) dans des applications industrielles et tertiaires les plus diverses. Les cinq systèmes de base existants, barrage, reflex, reflex polarisé, proximité, proximité avec effacement de l'arrière plan, et la diversité des appareils, compacts, miniatures, à fibre optique, permet un choix pour une adaptation optimale à la nature de l'objet à détecter, à la place disponible, aux conditions d'environnement. Principe de la détection optique Constitution d'un détecteur photoélectrique Un détecteur photoélectrique réalise la détection d'une cible, qui peut être un objet ou une personne, au moyen d'un faisceau lumineux. Ses deux constituants de base sont donc un émetteur et un récepteur de lumière. La détection est effective quand la cible pénètre dans le faisceau lumineux et modifie suffisamment la quantité de lumière reçue par le récepteur pour provoquer un changement d'état de la sortie. Elle est réalisée selon deux procédés: Blocage du faisceau par la cible, Renvoi du faisceau sur le récepteur par la cible. 1 2 3 4 Tous les détecteurs photoélectriques ont un émetteur à diode électroluminescente et un récepteur à phototransistor 1 Emetteur de lumière 2 Récepteur de lumière 3 Etage de traitement du signal 4 Etage de sortie Selon les modèles de détecteurs et les impératifs applicatifs, l'émission se fait en lumière non visible infrarouge (cas le plus courant) ou ultraviolet (détection de matériaux luminescents) mais aussi en lumière visible rouge ou verte (lecteurs de repères...) et laser rouge (grande portée et petite focale). Pour insensibiliser les systèmes à la lumière ambiante, le courant qui traverse la DEL émettrice est modulé de façon à obtenir une émission de lumière pulsée Seul le signal pulsé sera utilisé par le photo transistor et traité pour commander la charge. Spectre lumineux Chapitre XII 16 Le faisceau lumineux émis comporte deux zones: - Une zone de fonctionnement recommandée dans laquelle l'intensité du faisceau est suffisamment élevé pour assurer une détection normale. Selon le système utilisé, barrage, reflex ou proximité, le récepteur, le réflecteur ou la cible doivent être situés dans cette zone. - Une zone dans laquelle l'intensité du faisceau n'est plus suffisante pour garantir une détection fiable Zone de fonctionnement d'un lobe Les deux procédés de détection Les détecteurs photoélectrique détectent la cible selon deux procédés: Par blocage du faisceau par la cible, Par renvoi du faisceau sur le récepteur par la cible. Blocage du faisceau En l'absence de cible, le faisceau lumineux arrive sur le récepteur. Quand une cible pénètre dans le faisceau, elle bloque ce dernier: Pas de lumière sur le récepteur = détection Trois systèmes de base fonctionnent selon ce procédé basé sur les propriétés absorbantes des objets à détecter: o o o Renvoi du faisceau En l'absence de cible, le faisceau lumineux n'arrive pas sur le récepteur. Quand une cible pénètre dans le faisceau, elle renvoie ce dernier sur le récepteur: Lumière sur le récepteur = détection Deux systèmes de base fonctionnent selon ce procédé basé sur les propriétés réfléchissantes des objets : o o . Faisceau bloqué par la cible Chapitre XII Faisceau renvoyé par la cible 17 Les cinq systèmes de base Système barrage Emetteur et récepteur sont situés dans deux boîtiers séparés. C'est le système qui autorise les plus longues portées, jusqu'à 100 m en technologie laser; A l'exception des objets transparents qui ne bloque pas le faisceau lumineux, il peut détecter des objets de toutes natures (opaques, réfléchissants…), ceci avec une excellente précision grâce à la forme cylindrique de la zone utile du faisceau. Les détecteurs barrages disposent d'une marge de gain très importante. Ils sont de ce fait particulièrement bien adaptés aux environnements polués (fumées, poussières, emplacements soumis aux intempéries,…) Système reflex Emetteur et récepteur sont regroupés dans un même boîtier. En absence de cible, le faisceau émis en infrarouge par l'émetteur est renvoyé sur le récepteur par un déflecteur. Celui-ci est constitué d'une multitude de trièdres trirectangles à réflexion totale et dont la propriété est de renvoyer tout rayon lumineux incident dans la même direction. La détection est réalisée lorsque la cible bloque le faisceau entre l'émetteur et le réflecteur. C'est donc un système qui n'est pas adapté pour la détection d'objets réfléchissants qui pourraient renvoyer une quantité plus ou moins importante de la lumière sur le récepteur. La portée nominale d'un détecteur photoélectrique reflex Un détecteur photoélectrique reflex peut être utilisé dans un environnement pollué mais en raison d'une marge de gain plus faible que celle d'un système barrage, il est indispensable de se référer à la courbe de gain pour définir la portée de travail qui garantit une détection fiable. Choix du réflecteur Le réflecteur fait partie intégrante d'un système de détection reflex. Son choix, son installation et sa maintenance conditionnent le bon fonctionnement du détecteur qui lui est associé. Un réflecteur. Chapitre XII 18 Système reflex polarisé Les objets brillants, qui ne bloquent pas le faisceau mais réfléchissent une partie de la lumière vers le récepteur, ne peuvent pas être détectés par un système reflex standard. Il faut utiliser dans ce cas un système reflex polarisé. Ce type de détecteur, qui émet en lumière rouge visible, est équipé de deux filtre polarisants opposés: Un filtre sur l'émetteur qui ne laisse passer que les rayons émis dans un plan vertical, Un filtre sur le récepteur qui ne laisse passer que les rayons reçus dans un plan horizontal. o En l'absence de cible Le faisceau émis, polarisé verticalement, est renvoyé par le réflecteur après avoir été dépolarisé par ce dernier. Le filtre récepteur laisse passer la lumière réfléchie dans le plan horizontal. o En présence de cible Le faisceau émis est renvoyé par la cible sans subir de modification. Le faisceau réfléchi, polarisé verticalement est donc bloqué par le filtre horizontal du récepteur. Système proximité Comme pour le système reflex, émetteur et récepteur sont regroupés dans un même boîtier. Le faisceau lumineux, émis en infrarouge, est renvoyé vers le récepteur par tout objet suffisamment réfléchissant qui pénètre dans la zone de détection (représenté en jaune sur le dessin ci-dessous). La portée d'un système proximité est généralement inférieur à celle d'un système reflex. Pour cette raison, son utilisation en environnement pollué est déconseillé. Cette portée dépend: - De la couleur de la cible et de son pouvoir réfléchissant (un objet de couleur claire peut être détecté à une distance plus grande qu'un objet de couleur sombre), - Des dimensions de la cible (la portée diminue avec les dimensions). Système proximité avec effacement de l'arrière-plan Les détecteurs proximité avec effacement de l'arrière-plan sont équipé d'un potentiomètre de réglage de portée qui permet de se "focaliser" sur une zone de détection en évitant toute réflexion parasite sur l'arrière-plan. Chapitre XII 19 Contraintes de la détection photoélectrique Comportement d'un objet recevant la lumière En fonction de la nature de l'objet et de la longueur d'onde de la lumière émise : − seule une partie de la lumière reçue de l'objet sera renvoyée : elle dépend du coefficient de réflexion du matériau. − ce qui ne sera pas renvoyé : sera absorbé par le matériau (cela dépend de son coefficient d'absorption) sera transmis à travers le matériau (cela dépend de son coefficient de transmission) Pouvoir de réflexion de l'objet Les objets renvoient plus ou moins la lumière qu'ils reçoivent et ceci en fonction de leur nature et de la longueur d'onde de la lumière reçue. En général les détecteurs photoélectriques fonctionnent par rapport à une quantité d'énergie lumineuse reçue. Dans le cas des détecteurs de proximité, la portée utile (ou réelle) du détecteur dépendra directement du facteur de réflexion de l'objet à détecter Coefficient de réflexion C'est le rapport quantité de lumière (flux lumineux) réfléchie par l'objet à détecter par la quantité de lumière (flux lumineux) reçue par cet objet. Pouvoir de transmission de l'objet Les objets transmettent plus ou moins la lumière au travers de leur corps et ceci en fonction de leur nature et de la longueur d'onde de la lumière. Dans le cas d'un barrage, la capacité à détecter un objet dépendra directement du facteur de transmission de l'objet à détecter. (ex. : la détection d'une bouteille transparente (coefficient de transmission élevé) sera très délicate). Pouvoir d'absorption de l'objet Ce phénomène se traduit par des pertes. Le coefficient est lié à la nature des matériaux et à la longueur d'onde de la lumière. Les corps − Corps blancs − Corps noirs Coefficient de réflexion Corps noir % de blanc 0 0% 0,06 6% Corps diffusants Zone de non fonctionnement 18% Zone de fonctionnement des détecteurs photoélectriques 0,9 Corps blanc 1 90 % Corps réfléchissants 100 % Sn Distance de détection (cm) 100 30 Chapitre XII 20 V.6 Détecteurs à ultrasons Principe de la détection à ultrasons : Les détecteurs à ultrasons détectent sans contact tout objet quel que soit le matériau (métal, plastique, bois, carton...), la nature (solide, liquide, poudre...), la couleur ou le degré de transparence. Le principe de détection réside dans la mesure du temps écoulé entre l’émission d’une onde ultrasonique (onde de pression) et la réception de son écho (retour de l’onde émise). Exemples : position des pièces de machine, présence de pare-brise lors de l’assemblage, le passage d’objets sur des convoyeurs : bouteilles en verre, emballages cartonnés... VI. Détecteurs de sécurité Règle générale de sécurité Il ne doit pas être possible de pénétrer dans la zone protégée sans déclencher le système de protection les tapis de sécurité ou les barrières immatérielles doivent donc être implantés de telle façon qu’il soit impossible de les éviter. La remise en marche de la machine ne doit pouvoir se faire qu’en l’absence de danger et en l’absence de toute personne dans la zone dangereuse. VI.1 Tapis de sensibles Les tapis de sécurité sont des équipements qui s’installent devant ou autour des machines dangereuses et robots pour offrir une protection de zone éloignant les opérateurs machines des mouvements dangereux. Règles d’installation Elles sont définies dans les normes EN 999 et EN 1760-1. et dépendent entre autre : − − Calcul de la distance minimale entre la zone dangereuse et le bord de détection du dispositif le plus éloigné de la zone dangereuse : S= S = distance minimum, en mm K= vitesse d’approche(m/s ou mm/s) t1= temps de réponse du dispositif de protection, en s t2 = temps d’arrêt de la machine (mouvement dangereux). en s C = coéf. de sécurité en mm Chapitre XII 21 VI.1 Barrières immatérielles Règles d’installation Comme pour les tapis sensibles elles dépendent : − De la distance minimale entre la zone dangereuse et le bord de détection du dispositif le plus éloigné de la zone dangereuse − De la vitesse d’approche du corps. Calcul de la distance minimale entre la zone dangereuse et le bord de détection du dispositif le plus éloigné de la zone dangereuse : S = K * (t1 + t2)) + C S = distance minimum, en mm K= vitesse d’approche(m/s ou mm/s) t1= temps de réponse du dispositif de protection, en s t2 = temps d’arrêt de la machine (mouvement dangereux). en s C = coéf. de sécurité en mm Chapitre XII 22 VII. Capteurs d’informations d’automatisme à sorties numériques ou Analogiques. VII.1 Capteurs d'informations numériques. Les codeurs de déplacement. Constitution de codeurs de position à sortie numérique. o Codeurs optiques absolus. La sortie numérique d'un codeur absolu indique la position réelle de l'objet dont on veut mesurer le déplacement. Chaque position est directement codée sous forme numérique comportant un certain nombre de bits. Les "n" bits du code correspondent à "n" pistes distinctes, parallèles ou concentriques. Le nombre de sorties est donc égal au nombre de pistes, généralement comprises entre 4 et 20. Ils se composent: • d'un émetteur de lumière (infra-rouge) à l'aide de diodes électroluminescentes. • d'un élément codé, règle (pour les linéaires ) ou disque (voir ci contre ) et présentant: - soit des zones transparentes (ou opaques ); - soit des zones réfléchissantes (ou non réfléchissantes ); • d'un récepteur de lumière (photo diode, ou photo transistor ). Inconvénient majeur : sensible aux chocs et à la T°, en effet, ce dernier point est dû à la présence de composants électroniques qui ne peuvent être ventilés, ce qui entraîne une augmentation de la T° et donc, une possible déformation des disques optiques ce qui altère la précision. Remède: l'utilisation de disque en verre limite le phénomène de déformation lorsque la T° augmente mais par contre rend le système beaucoup plus fragile. Chapitre XII 23 ♦ Les codages les plus utilisés dans les codeurs absolus. - Les codes binaires existant: * Le binaire naturel; * Le "BCD"; * Le code "GRAY" (binaire réfléchi ); * Le Binaire Décimal Réfléchi appelé: BDR; Comparaison: * Le binaire naturel; Avantages: - Utilisable directement par tous les systèmes à micro-processeur. - Facilité de traitement pour les opérations arithmétiques (+,-,...). - Nombre minimum de bit pour représenter un nombre. Inconvénient: * Le "BCD"; Avantages: - Peut être exploité directement par un système d'afficheur électronique. Inconvénient: Le même que pour le binaire naturel. L'inconvénient cité dans les deux types de codage précédent peut être évité, en utilisant les codes réfléchis ou les variantes présentées ci après. Ce sont ces codes qui ont été retenu pour la réalisation des codeurs absolus industriels. * Le code "GRAY" (binaire réfléchi ); * Le Binaire Décimal Réfléchi appelé: BDR; * Le code "GRAY" à excédent 3 appelé: GRAY + 3; * Le code "BDR" à excédent 3 appelé: BDR + 3. Chapitre XII 24 Code "GRAY" à excédent 3 appelé: GRAY + 3 Exemple de codeur absolu ref. CO 90 B de MCB A l’aide des caractéristiques ci contre, déterminer le nombre de voies de ce codeur absolu : Remarque: Les informations des codeurs étant envoyées en parallèle à l'unité de traitement, celle ci doit donc comporter autant d'entrées qu'il y a de bits transmis, et ceci, pour chaque codeur raccordé. Pour limiter ce nombre d'entrées, les codeurs absolus possèdent une entrée MX permettant de bloquer leurs sorties quand l'unité de traitement émet un signal d'inhibition; ce multiplexage permet donc de raccorder plusieurs codeurs sur les mêmes entrées. Chapitre XII 25 o Codeurs optiques incrémentaux. Ils comportent une piste linéaire ou circulaire présentant de façon régulière des divisions noires et claires ou transparentes. Le signal de sortie d'un tel codeur à la forme d'une série d'impulsions (d'ou le nom de GIO: Générateur d'Impulsions Optique. Pour déterminer le sens du déplacement, on utilise une seconde voie, correspondant à une piste identique à la précédente, mais décalée d'un quart de période. Une troisième piste munie d'un seul point clair ou transparent, permet le repérage d'une position particulière appelée: le zéro codeur, à partir de laquelle on pourra mesurer les déplacements en incrémentant un compteur à chacune des impulsions. La résolution des codeurs incrémentaux est fonction du nombre de divisions; les valeurs courantes varient entre 40 et 5000 pts / tour (pour exemple la table XY à un codeur sur chaque axe de 1000 pts / tour. Des codeurs de grand diamètre atteignent jusqu'à 36000 pts / tour. Exemple d'exploitation des signaux émis par un codeur angulaire En fonction des caractéristiques, déterminer la vitesse maximale de rotation du codeur ; Ncodeur Chapitre XII 26 Les autres technologies utilisées pour les codeurs. o Codeurs à contacts. Les codeurs de déplacement, absolus ou incrémentaux, à contacts, utilisent le même principe que les codeurs optiques, mis à part le fait que le codage du disque est assuré par une alternance de zones conductrices et isolantes. La détection proprement dite est assurée par un nombre de contacts électriques égal à celui des pistes. L'inconvénient majeur de cette technologie provient de l'usure progressive des pièces en contact et par l'impossibilité de fonctionnement à vitesse élevée. o Codeurs synchro-machine de déplacement angulaire ; le Résolver. Une synchro-machine est une petite machine tournante ayant l'aspect extérieur d'un petit moteur électrique. Elle comporte deux circuits magnétiques, l’un sur le stator, l'autre sur le rotor, équipés d'un certain nombre d'enroulements ; si on alimente le rotor (inducteur) en courant alternatif et que ce dernier est entraîné en rotation, on obtient sur le stator (induit) une tension alternative dont l'amplitude est fonction de la position angulaire du rotor par rapport au stator. On dispose donc d'un signal analogique qui peut être transformé en signal numérique par l'intermédiaire d'un CAN. Capteur de position analogique Grandeur physique à détecter signal analogique C.A.N. de sortie signal numérique de sortie Remarque: Par rapport aux codeurs optiques, les codeurs synchro-machines offrent une très bonne tenue en T°; Choix d'un codeur de déplacement Chapitre XII 27 VII.2 Capteurs d'informations analogiques. De tels capteurs délivrent un signal analogique qui varie de manière continue par rapport la grandeur physique à mesurer. On les utilise dans les domaines tel que les mesures physico-chimiques, la mécanique etc... Exemples de mesures possibles : * mesure de position ; * mesure de niveau ; * mesure de déplacement ; * mesure de température ; * mesure de pression ; * mesure de PH ; * mesure d'Hygrométrie ; * mesure d'extensomètrie ; : mesure de niveau Mesure hydrostatique de niveau Principe La pression hydrostatique P de liquide est mesurée au moyen d’un capteur de pression et indiquée en tant que niveau cf. fig. ci-contre. On est alors ramené à choisir un capteur de pression adapté. Mesure capacitive de niveau Principe La mesure capacitive de niveau est basée sur la détermination électrique de la variation de capacité AC résultant des variations du niveau de produit entre une électrode et la paroi du réservoir cf. fig. ci-contre. Ce type de capteur convient pour la détection de produits solides ou liquides. Mesure ultrasonique de niveau Principe La mesure ultrasonique est basée sur la réflexion d’impulsions sonores par la surface du produit. La durée de propagation «t> entre impulsion émise et écho recueilli est convertie en un signal proportionnel à la hauteur mesurée Exemple de mise en œuvre de capteur de niveau par variation de capacité Chapitre XII 28 mesure de position o Capteur de position inductif à courants de foucault : Même principe que pour les détecteurs de proximité inductifs, mais l'étage de sortie du capteur est plus élaboré et permet de transformer l'approche d'un écran métallique de la face sensible en une variation de courant proportionnelle à la distance face sensible / écran grâce à une conception spéciale du circuit oscillant. Gammes de mesure varient de 25µm à 60mm. o Capteur de position inductif type " NAMUR " : Ce capteur " 2 fils " est tel que le courant qu'il absorbe est modifié par l'approche d'un objet métallique. o Capteur de position à effet Hall : Constitué comme le détecteur de même nom, il délivre une tension électrique proportionnelle à l'induction magnétique. Généralement le capteur est fixe alors que le circuit magnétique ( aimants permanents ) est lié à l'objet à détecter. o Capteur de position magnéto-résistif : Il est constitué d'une résistance dont la valeur dépend de l'induction magnétique dans laquelle elle est placée. Une relation quasiment linéaire peut-être obtenue entre la variation de résistance et le déplacement de l'objet magnétique à détecter. o Capteur de position capacitif : Ils sont réalisés soit à partir de condensateurs plans soit de condensateurs cylindriques. Le déplacement d’une des armatures entraîne une variation de la capacité. • Dans le cas d’un condensateur plan l’armature peut se déplacer : * dans son propre plan (variation surface) * perpendiculairement à son plan (variation de la distance entre les plaques) • Dans le cas d’un condensateur cylindrique uniquement parallèlement à l’axe. mesure de déplacement ; Le signal analogique de sortie traduit le déplacement de l'objet mobile étudié. L'objet est lié mécaniquement à l'une des parties du capteur. Il existe des capteurs de déplacement rectilignes et angulaires o Capteur de déplacement résistif. Cette catégorie est essentiellement représentée par le potentiomètre résistif. La simplicité du principe utilisé conduit à des capteurs de coût modéré. Un potentiomètre est constitué d'une résistance fixe sur laquelle peut se déplacer un contact électrique (le curseur ) ; celui-ci est solidaire de la pièce dont on veut traduire le déplacement. Il en existe deux sortes : - Les potentiomètres linéaires, la longueur de la piste définit directement l’étendue de mesure du capteur. - Les potentiomètres circulaires, l’étendue de mesure est légèrement < à 360° pour les monotours. Il existe des potentiomètres multitours (piste en forme d’hélice). Chapitre XII 29 o Capteur de déplacement angulaire ; Le Résolveur. C’est une petite machine tournante ayant l'aspect extérieur d'un petit moteur électrique. Elle comporte deux circuits magnétiques, l’un sur le stator, l'autre sur le rotor, équipés d'un certain nombre d'enroulements ; si on alimente le rotor (inducteur) en courant alternatif et que ce dernier est entraîné en rotation, on obtient sur le stator (induit) une tension alternative dont l'amplitude est fonction de la position angulaire du rotor par rapport au stator. o capteur de déplacement linéaire ou angulaire ; L’Inductosyn. Il se présente sous deux formes : • L’inductosyn linéaire, pour la mesure des déplacements rectilignes, voir exemple ci-dessous : • L’inductosyn circulaire, pour la mesure des déplacements angulaires, voir exemple ci-dessous : Rotor Stator Principe de fonctionnement : L’inductosyn comprend donc deux parties planes qui se font face et dont l’une est mobile par rapport à l’autre. L’échelle et le rotor sont formés par 2N conducteurs, reliés en série et qui sont parallèles dans le premier cas, radiaux dans le second. Chaque conducteur correspond à un pôle et l’ensemble de deux conducteurs consécutifs, qui sont parcourus par un courant inverse, fixe le pas p, linéaire ou angulaire. Le curseur et le stator sont aussi constitués de conducteurs en série, de même forme et même pas p que ceux de l’échelle ou du rotor, mais ces conducteurs formes deux ensembles indépendants dont l’un est décalé par rapport à l’autre d’un quart de période. Le déplacement relatif des deux parties de l’inductosyn modifie le couplage électromagnétique entre les circuits qu’ils portent. Chapitre XII 30 Capteurs de Température : Mesure par variation de résistance : R= Principe Une sonde contenant une thermistance est mise en contact avec la pièce dont la température est a contrôler. Cette thermistance a, par définition, une résistance variable on fonction de la température : R(T) = f(T-T0) Si la résistance diminue quand la température augmente, son coefficient de température (A) est négatif, elle est appelée thermistance CTN (Coefficient de Température Négatif). Si la résistance augmente avec la température, son coefficient de température (A) est positif elle est appelée thermistance CTP (Coefficient de Température Positif). Mesure par thermocouple : Principe Un thermocouple est constitué de deux pièces métalliques de natures différentes (cuivre et alliage de constantan par exemple) et montées « en parallèle ». Un des points de contact est porté à la température à mesurer (soudure chaude) au niveau de l‘autre point de contact resté à la température ambiante (soudure froide) apparaît une force électromotrice qui est fonction de l’écart de température. La partie soudure chaude du thermocouple se présente sous la forme d’une sonde parfois appelée canne pyrométrique ou sous forme d’un film à coller sur la pièce. Mesure par effet Peltier : Principe Le capteur de température par effet Peltier fonctionne selon un principe semblable à celui du thermocouple mais il utilise l’effet Peltier d’un semi-conducteur pour obtenir la force électromotrice. Une face du capteur est maintenue à température constante (soudure froide) alors que l’autre face est portée à la température à mesurer (soudure chaude). → cf. exemple de capteurs de température page suivante Chapitre XII 31 Exemples de capteurs de Température Chapitre XII 32 Capteurs de Pression : Type capacitif: . Principe : La pression agit sur la membrane et vient faire varier la capacité d’un condensateur Nous terminerons ce cours sur un tableau de normalisation des capteurs. La liste des capteurs présentés et des techniques de détection n'est pas exhaustive, mais présente les principes physiques utilisés en général par les constructeurs. Représentation symbolique des capteurs d'après norme NF.C 03-103 Chapitre XII 33
