Séminaire d’instrumentation · Capteur Conditionneur Instrument Conclusion Il est important de...
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Séminaire d’instrumentation
Le 19 novembre2007
Alex Bertholet
Laboratoire de Génie CivilPlace du Levant n°1
1348 Louvain-la-Neuve
Mesurer c’est savoir ? Mais encore faut-il savoir mesurer
� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs� Conditionneur� Instruments� Logiciels� Définitions
Présentation
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Mesurer
Définition : La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation
ATTENTION :Mesurer c’est perturber
La mesure est l’une des bases importantes sur lesquelles repose la recherche expérimentale. Une recherche de qualité ne peut se réaliser sans un programme expérimental reposant sur un dispositif de mesure adapté. Il est important d’y apporter l’attention et le soin nécessaires, en utilisant la chaîne d’acquisition adéquate
MesurandeMesurandeMesurandeMesurande ::::Grandeur physique (P, T, ...).
Mesurage :Mesurage :Mesurage :Mesurage :Toutes les opérations permettant l'obtention de la représentation de la valeur d’une grandeur physique.
Mesure : Valeur représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20°C, 2 m/s,…)Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat de l'action).
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
La chaîne de mesures
Phénomènephysique
Capteur ConditionneurInstrument
(carte d’acquisition)Logiciel
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Les différents éléments
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Il est important de faire les bons choix.
La précision de la mesure dépend de chaque élément : Analogie à une chaîne audio
Le capteur : choix de la gamme de mesure
Le conditionneur : Hardware / Software
L’instrument : veiller à l’interchangeabilité
Le logiciel : nécessité de flexibilité / maîtrise
Traçabilité d’une chaîne de mesures.
Le coût $$$
� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs
� Types de capteurs� Capteur de niveau d’eau� Les courantomètres / Vélocimètre� Les débitmètres
� Conditionneur� Instruments� Logiciels� Définitions
Capteurs
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Types de capteurs
Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable
Capteur actif
Effet thermoélectrique
Effet piézo-électrique
Effet d'induction électromagnétique
Effet photo-électrique
Effet Hall
Effet photovoltaïque
Capteur passif
Résistif (Déplacement, température,luminosité)
Capacitif
Magnétique
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Mesure de niveau d’eau
Capteur de pressionCapteur ultrasoniqueCapteur laser
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Bed profiler Radar
Mesure de conductivité
Capteur à bulles Capteuràflotteur
Wavo
Capteur de pressionLa pression absolue : C’est la différence de pression par rapport au vide. C'est la pression réelle, dont on tient compte dans les calculs sur les gaz. Pour mesurer une pression absolue, il faut faire un vide poussédans une chambre dite de référence.Le vide : Il correspond théoriquement à une pression absolue nulle. Il ne peut être atteint, ni dépassé. La pression relative : C'est la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique. Elle est le plus souvent utilisée, car la plupart des capteurs sont soumis à la pression atmosphérique. La pression atmosphérique ou pression barométrique : La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer, à 15 °C, est d'environ 1013 mbar. Elle peut varier, avec la pluie ou le beau temps. Elle est fonction de l'altitude (hydrostatique).Pression différentielle : C'est une différence entre deux pressions, dont l'une peut servir de référence. Une pression différentielle peut prendre une valeur négative.
Vide
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Types de capteur de pression
Capteur à jauges de contraintes Capteur piézo-résistif/électriqueCapteur inductifCapteur capacitif
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Jauge de contrainte
La résistance d’un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet :
où R est la résistance électriqueρ la résistivité du matériauL la longueur du fils la section du fil
s
LR
ρ=
Sous sa forme la plus simple, une jauge est constituée d’un très fin fil (2 microns) conducteur collésur un support. Cette feuille très mince est arrangée suivant la forme de la Figure 1. Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée.
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Capteur à jauges de contraintes
Le capteur à jauges comprend donc un dispositif mécanique (corps d’épreuve), destiné àprovoquer, sous l’action de la grandeur physique, la déformation de ladite pièce.Des jauges collées sur ce corps d’épreuve transforment ces déformations en variation de résistance. Les précisions obtenues dans ce cas (0,01 %) sont considérablement supérieures àcelles que donnent les mesures de déformation.En réalisant un étalonnage du capteur (comparaison entre la valeur vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques de justesse, fidélité, réversibilité, retour à zéro….
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Capteur piézoélectrique
La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps (quartz) de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables.
Capteur utilisant l’effet piézoélectrique :Capteur de force / PressionAccéléromètreCapteur de déplacement ultrasoniqueDébitmètre ultrasoniqueCourantomètre ADVRadar
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Capteur ultrasoniqueL'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source.L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attend le retour du signal.
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Capteur laser
La mesure est basée sur le principe de la triangulation. La position de la lumière sur le capteur CCD (caméra) varie en fonction du déplacement de la cible.
Problème : zone morte importante
Il existe également des lasers utilisantle principe d’interférométrie.
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Tableau Récapitulatif
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
LentPrécisWavo
Plan D’eauRéférenceLimnimètre
TrainéeSurface / FondBed profiler
Zone morteRapidité / ponctuelleCapteur laser
Sensible aux objets
Flottants / Mousse
Compact / RobusteCapteur ultrasonique
TuyauteriePrécis Capteur de pression
InconvénientsAvantagesType
Les débitmètres
Le débit est habituellement mesuré par déduction, en mesurant la vitesse moyenne àtravers une section connue. Le débit mesuré par cette méthode indirecte est le débit volumique Qv : Qv = S . V
S est la surface de section de la conduite en m² Attention à la position du débitmètreV est la vitesse moyenne du fluide en m/s le long de la conduite : coude/vanne
Autres types de mesures :-Déversoir-Venturi / Diaphragme-Empotement
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Débitmètre électromagnétiqueLe principe de mesure d’un débitmètre électromagnétique repose sur la loi d’induction de Faraday : Tout conducteur coupant les lignes d’inductions d’un champ magnétique à une certaine vitesse est soumis à une force électromotrice. Et c’est le liquide électriquement conducteur qui représente le conducteur en déplacement. La tension est induite par le champ magnétique et l’amplitude obtenue est proportionnelle à la vitesse d’écoulement du liquide conducteur. E = B * L * V
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Débitmètre ultrasonique
Les sondes A et B sont à la fois émettrices et réceptrices. Elles émettent alternativement l'une vers l'autre. Le signal acoustique qui se propage dans le fluide est capté par la sonde opposée.Les temps de propagation Amont/Aval et Aval/Amont sont mesurés avec grande précision (typiquement 0.2 ns). A partir de ces temps et de la position géométrique des sondes, la vitesse moyenne sur le trajet acoustique peut être calculée.
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Débitmètre
Limité à de petits
diamètres
Gaz / Produit alimentaire
Coriolis
Grande rangebilité
Pas pour faible débit
Simple
Linéaire
Vortex/diaphragme
Moins précisAmovibleUltrasonique
Coûteux / IntrusifPrécis / immergeableElectromagnétique
InconvénientsAvantagesType
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Les courantomètres / Vélocimètre
-Tube de Pitot / -Preston-ADV-Fil à bulles
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
PTV
Moulinet / micro moulinet
Courantomètre à fil chaud
Tube de Pitot
Il est constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière.•L'un, placé orthogonalement, à une vitesse relative v égale à la vitesse du fluide et une pression statique ps égale à la pression ambiante.•L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale pt, somme de la pression dynamique et de la pression statique.
La différence entre ces pressions donne la vitesse
v = vitesse
p = pression dans la conduite (ps est la pression statique, pt est la pression totale)ρ = masse volumique du fluide
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
ADV (Acoustic Doppler Velocimeter)
La vélocimétrie à effet Doppler est l'une des techniques les plus modernes destinées aux mesures de la vitesse moyenne et ses fluctuations dans un écoulement de suspension de particules liquide. Cette technique se révèle bien adaptée à l'étude d'une zone de recirculation dans la mesure où elle permet, sans perturber l'écoulement, d'obtenir le sens, le taux de fluctuation et le module d'une composante de la vitesse. Le principe de mesure repose sur l'effet Doppler, qui traduit la différence qui existe entre la fréquence d'un signal émis par une particule de fluide en mouvement et celle recueilliepar le récepteur fixe.
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs� Conditionneur
� Son rôle� Types de sorties� Les réglages
� Instruments� Logiciels� Définitions
Conditionneur
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Rôles du Conditionneur
Son rôle principal est l’amplification du signal délivré par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unité de visualisation ou d'utilisation. Cet étage intègregénéralement l’alimentation du capteur et un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal.
vb
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Sortie analogiqueSortie tension: +/- 10 V
Utilisée en laboratoire
Sortie courant : 4-20 mA
Pour de grandes distances (industrie)
Rapport S/N :
Le transmetteur intelligent : est un transmetteur muni d'un module de communication et d'un microcontrôleur.
Protocol de liaison Field bus, Profibus, Hart, TEDS
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Les réglages
Le conditionneur (transmetteur) possède en général au moins deux paramètres de réglage ; le décalage de zéro et le gain déterminant l'étendue de mesure (FS)
Réglage de zéro Réglage de gain (amplification)
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
� Introduction� Chaîne de mesures� Capteurs� Conditionneur� Instruments
� Circuit� Les entrées analogiques� La conversion analogique/digitale� La vitesse d’échantillonnage
� Logiciels� Définitions
Les instruments
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Les instruments
Spécifications :FormatNombre d’entrée/sortie (A/D)Vitesse de mesureRésolution
Oscilloscope Agilent
Multimètre scanner AgilentDaQPad USB National Instruments
Carte PCI National Instruments
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Circuit
Circuit d’entrée analogique d’une carte série M de National Instruments
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Entrées analogiquesSource flottante Source référenciée
à la masse Source flottante : -Thermocouples.-Utilisation de conditionneur avec sortie isolée.-Dispositifs sur batterie.
Source référenciée à la masse : -Appareil avec sorties non isolées.
Entrées Single-Ended :N entrées disponibles.
Entrées Différentielles : N/2 entrées disponibles.
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Le Convertisseur A/D
Un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN, ADC pour Analog to Digital Converter ) est un montage électronique dont la fonction est de générer, à partir d'une valeur analogique, une valeur numérique (codée sur plusieurs bits), proportionnelle à la valeur analogique entrée. Le plus souvent, il s'agira de tensions électriques
Plage de conversion 0-5V, 0-10V, ou encore ±5V ou ±10V Résolution:FS / 2 ^ 16 (bit) 10 V / 65536 = 0,0001525 V
- Convertisseur par intégration - Convertisseur à approximation successive- Convertisseur delta/sigma
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Rapidité, temps de réponse
C'est l'aptitude d'un instrument à suivre les variations de la grandeur à mesurer
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Echantillonnage
Le théorème de Nyquist-Shannon énonce que la fréquenced'échantillonnage d'un signal doit être égale ou supérieure au double de la fréquence maximale contenue dans ce signal, afin de convertir ce signal d'une forme analogique à une forme numérique
Bon échantillonnage Mauvais échantillonnage
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
FFT (Fast Fourier Transform )Cet algorithme est couramment utilisé en traitement numérique du signal pour transformer des données du domaine temporel dans le domaine fréquentiel, en particulier dans les analyseurs de spectre. Son efficacité permet de réaliser des filtrages en passant dans le domaine transformé.
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Connectique
RS232 : aussi appelé EIA RS-232C ou V24, est une norme standardisant un port de communication de type série.
USB : L'Universal Serial Bus est une connexion à haute vitesse qui permet de connecter des périphériques externes à un ordinateur (hôte dans la littérature USB). Il supporte le branchement simultané de 127 périphériques, en série. USB 2.0 Full Speed pour un dispositif transmettant au maximum à 12 Mbit/s.
GPIB : General Purpose Interface Bus de 8 bit en parallèle permettant la communication avec plus de 15 instruments.
Fire Wire IEE1394 : est le nom d'une norme d'interface série multiplexée. Il s'agit d'un bus rapide véhiculant à la fois des données et des signaux de commandes des différents appareils qu'il relie.
Ethernet (RJ 45): est un protocole de réseau informatique à commutation de paquets implémentant la couche physique.
RS232
Fire Wire IEE1394
GPIB
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Les erreursL'erreur de justesse est l'erreur globale résultant de toutes les causes pour chacun des résultats de mesure pris isolément
La fidfidfidfidéééélitlitlitlitéééé est l'aptitude d'un appareil de mesure à donner des mesures exemptes d'erreurs accidentelles.
Erreur de linéarité
Erreur d’ hystérésisIncertitude de mesure : Somme des erreurs systématique et aléatoire d’une chaîne de mesures
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Partie logiciel
Acquimem Contact Pro
Acquisition rapide ( > 10 hz)Drivers National uniquement
Acquisition/pilotage lentDrivers multi instrument
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
DéfinitionsSensibilitSensibilitSensibilitSensibilitéééé: : : : La sensibilité exprime la variation du signal de sortie d'un appareil de mesure en fonction de la variation du signal d'entrée.
Résolution: La résolution est le plus petit écart entre deux valeurs, tel que l'appareil en donne une mesure différente.
La précision: La précision est l’aptitude d’un instrument àmesurer une valeur vraie.
L'étendue de mesurage: C'est le domaine de variation possible de la grandeur à mesurer. Elle est définie par une valeur minimale et une valeur maximale (FS: full scale).
I: Indication donnée par l'essaiG: Quantité de grandeur à mesurer
Étalonnage: Ensemble des opérations établissant, dans les conditions spécifiées, la relation entre les valeurs de la grandeur indiquée par un appareil de mesure ou un système de mesure, ou les valeurs représentées par une mesure matérialisée ou par un matériau de référence, et les valeurs correspondantes de la grandeur réalisée par les étalons.
Calibration: est l’action qui consiste à régler l’instrument de façon à ce que le résultat corresponde à celle du calibre (calibration par résistance shunt d’un pont de jauge).
Capteur Conditionneur Instrument Conclusion
Fin
� Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré" (Galilée)