GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 38 2.4 CAPTEURS ET TRASMETTEURS
2.4.1 Définitions sur les capteurs
Le capteur
Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique (information entrante), une autre grandeur physique de nature
différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
Capteur actif
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de
rayonnement.
Les plus classiques sont :
• Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(T1,T2).
• Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.
• Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique.
• Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde
électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau.
• Effet Hall : Un champs B crée dans le matériau un champs électrique E dans une direction perpendiculaire.
CAPTEUR Grandeur physique à
mesurer
Grandeur physique de sortie
Milieu physique Interface Système de controle
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 39
• Effet photovoltaïque :Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.
Grandeur physique à
mesurer Effet utilisé Grandeur de
sortie
Température Thermoélectricité Tension
Flux de rayonnement
optique Photo-émission Courant
Effet photovoltaïque Tension Effet photo-électrique Tension Force
Pression Piézo-électricité Charge
Accélération
Vitesse Induction
électromagnétique Tension
Position (Aimant) Effet Hall Tension
courant
Capteur passif
Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La variation d'impédance résulte :
• Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'un grand nombre de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile.
• Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression accélération (armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensiométrie liée à une structure déformable).
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 40 Grandeur mesurée Caractéristique
électrique sensible Type de matériaux utilisé Température Résistivité Métaux : platine, nickel, cuivre ...
Très basse
température Constante diélectrique Verre Flux de
rayonnement optique
Résistivité Semi-conducteur
Déformation Résistivité Alliage de Nickel, silicium dopé Perméabilité
magnétique Alliage ferromagnétique Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto résistants :
bismuth, antimoine d'indium Humidité Résistivité Chlorure de lithium
L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu'en intégrant le capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur.
Corps d'épreuve et Capteurs composites
Pour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation on peut être amené à utiliser un capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l'un de ses effets. Le corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer produit une grandeur directement mesurable par le capteur.
Capteur composite Capteur intégré
C'est un composant réalisé par les techniques de la microélectronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d'épreuve et l'électronique de conditionnement.
Capteur intégré Grandeur
à mesurer
Signal électrique Grandeur
intérmédiaire
Corps d’épreuve Capteur actif ou passif
Grandeur à mesurer
Signal électrique Corps d’épreuve Capteur actif
ou passif
Électronique associée
Substrat Si
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 41 2.4.2 Le Transmetteur
Transmetteur de pression intélligent Platinum Standard de Elsag Bailey
Le rôle du transmetteur
C'est un dispositif répondant à une variable mesurée afin de générer et de transmettre un signal de sortie standard en relation continue avec la valeur de la variable mesurée.
Le transmetteur "intelligent"
C'est un appareil de mesure sur site muni d'un microcontrôleur et utilisant les communications numériques pour la transmission des informations.
Ses nouvelles fonctionnalités :
Le module de communication permet :
• de régler le transmetteur à distance,
• de brancher plusieurs transmetteurs sur la même ligne.
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 42 Le microcontrôleur permet :
• de convertir la mesure en une autre grandeur. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau (voir chapitre sur les mesures de niveau).
• de corriger l'influence des grandeurs d'influences sur la mesure.
Avantages métrologique du transmetteur "intelligent"
• Précision
Le transmetteur possède moins de composants analogiques. Les grandeurs d'influences sont compensées. La non linéarité du transducteur peut être corrigé.
• Rangeabilité
• Répétabilité
• Autosurveillance
• Traitement du signal
Avantages à la configuration et maintenance
• Convivialité
• Standardisation
• Diagnostic
• Archivage des configurations Structure d'un transmetteur "intelligent"
2.4.3 Évolution des capteurs
Comme dans le reste de l'industrie, les capteurs analogiques laissent la place de plus en plus aux capteurs numériques. Dans un premier temps ceci c'est matérialisé par
l'apparition des transmetteurs intelligents. Aujourd'hui, on se rapproche de plus en plus d'une architecture en réseaux des capteurs ; le bus de terrain.
Module de communication
Microcontrôleur CAN
Capteur
Grandeur d’influence
HF
BF Mesure
Communication et Mesure +
+
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 43 Il existe plusieurs standards industriels de bus de terrain, on citera : Profibus, Fieldbus, WoldFip. Leur objectif est le même, simplifier la mise en place des boucles de
régulation. Pour cela, ils utilisent une liaison unique entre les différents intervenants de la boucle de régulation (capteurs, régulateurs, actionneurs), liaison qui sert à la fois au dialogue entre ces intervenants et à leur alimentation en énergie. Ainsi, l'ajout d'un intervenant dans une boucle complexe se résume en deux interventions :
• Le montage de l'intervenant sur le bus ;
• L'adaptation, par l'intermédiaire d'un logiciel, du fonctionnement de la régulation.
Malgré l'existence de passerelles, il faut une standardisation de ces différents bus, dans le but de simplifier la mise en oeuvre de ces nouvelles technologies et d'en diminuer le coût.
Exemple: Documentation technique du capteur
On exprime très souvent la précision en pourcentage de l'étendue de mesure (ou de la pleine échelle % P.E. soit en anglais % fso, pour full scale output). Il en est de même de beaucoup de caractéristiques fournies dans les documents techniques. A titre d'exemple la figure ci-dessous extraite du catalogue de la société SCAIME montre un exemple de présentation des caractéristiques métrologiques essentielles d'une gamme de
transmetteurs de pression.
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 44 Caractéristiques métrologiques de capteurs de pression
(Documentation SCAIME, http://www.scaime.com)
Sites intéressants :
http://www.directindustry.fr/cat/mesure-capteurs-debit-pression-temperature-niveau- AB.html
http://www.telemecanique.com
http://www.rockwellautomation.com/products/
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 45 2.4.4 Les actionneurs
Les systèmes physiques peuvent être utilisés en les sollicitant électriquement pour faire varier une grandeur physique.
L'actionneur le plus utilisé est celui appelé "moteur électrique". Le mouvement de rotation obtenu permet de commander de nombreux actionneurs mécaniques (vanne, vérin, etc..)
Exemples de moteurs:
Classement des différents actionneurs, selon les grandeurs physiques les plus courantes :
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 46 2.4.5 L'importance du câblage
Dans toute chaîne d'acquisition de données, il est très important de bien définir les spécifications du câblage entre les sources des signaux (les capteurs) et les entrées du système ou entre les sorties du système et les actionneurs.
2.5 – COMMUICATIO AVEC LE MODE DE LA PUISSACE
2.5.1 Introduction
Monde des microprocesseurs = monde faible puissance (souvent TTL)
Monde des applications industrielles = monde de la puissance et des perturbations.
Pour interagir avec le monde de la puissance, le microprocesseur ou microcontrôleur utilisera des transformateurs faible puissance/forte puissance et inversement. et non pas interagir directement.
Le raccordement à ces transformateurs se fait lui-même à travers des circuits spécialisés Exemple de difficultés :
Une ampoule alimentée par le réseau électrique (courant alternatif 110V à 60 Hz), 120 fois par seconde le courant qui traverse cette lampe sera égale à zéro.
Si la commande des relais est directement validée par le microprocesseur, la mise en route ou l'arrêt des lampes, des moteurs, etc...va générer des parasites importants. Ces parasites ont au moins deux effets :
Créer des étincelles sur les contacts des relais (réduit leur durée de vie) Engendrer des inductions qui se propagent dans les différents circuits électroniques.
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 47 Des phénomènes aussi simples peuvent perturber le bon fonctionnement du
microprocesseur (micro-coupures du réseau 110V, Actionnement d'une sonnette d'entrée, démarrage de l'ascenseur, mise en route d'un moteur,....)
Le degré de perturbations dépend de la capacité du montage électronique à protéger et à isoler le microprocesseur.
Si la commande des relais, par exemple, ne peut pas protéger le microprocesseur contre les perturbations externes, au moins elle ne doit pas créer ces propres perturbations.
Les perturbations sont présentes dans tous les systèmes électroniques, mais elles sont bien évidentes dans les systèmes de puissance.
2.5.2 Description d'un exemple de chaîne industrielle commandée par calculateur (Extrait du livre "traitement des signaux et acquisition de données", Francis Cottet, DU3OD)
Afin de donner un exemple sur la diversité des problèmes rencontrés dans la mise en place des systèmes de mesure et de commande, étudions un système qui doit commander une enceinte thermostatée.
Opérations à réaliser :
régulation en température de l'enceinte (chauffage par résistance électrique)
mesure de la température intérieure (thermocouple)
vérification de la fermeture de la porte de l'enceinte (simple contact
électrique)
allumage d'une lampe témoin (lorsque la température de consigne est
atteinte)
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 48 4 interfaces nécessitant toutes des adaptations
Interface 1 (liaison thermocouple – calculateur)
C'est une entrée analogique, d'un signal faible (quelques dizaines de mV) nécessite un montage du type ampli+CAN
Remarque: T=f(V) caractéristique non-linéaire, fournie par le fabricant, donc à prendre en compte au niveau des calculs.
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 49 Interface 2 (liaison contact électrique – calculateur)
Interrupteur à deux positions : +15V (porte ouverte) 0V (porte fermée) Adaptation (+15V, 0V TTL)
e' = e[R2/(R1+R2)] avec R2=10KΩ et R1=20KΩ
Interface 3 (liaison lampe – calculateur)
Lampe alimentée en 110V alternatif, utilisation d'un relais permettant de commuter le secteur sur la lampe tout en réalisant l'isolement électrique (voir 8.4 et 8.5 livre référence).
Interface 4 (liaison calculateur – résistance électrique)
La résistance électrique nécessite une puissance de commande importante, solution=CNA+ ampli puissance.
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 50 Conclusion :
Pour un exemple simple comme celui ci-dessous, on observe la diversité des types d'interfaces à mettre en oeuvre.
2.5.3 Chaîne d'E/S numérique
2.5.3.1 Cas simples : signaux compatibles TTL Exemple: liaison sortie numérique-LED,
échange de données par deux microprocesseurs, etc...
2.5.3.2 Cas général
L'interface doit être étudiée au niveau des différentes fonctions : adaptation, isolement, filtrage, étage tampon.
2.5.3.3 Composants d'une chaîne d'E/S numériques a) Adaptation
Adaptation en puissance
Par relais électromagnétiques ou statiques
• Relais électromagnétiques : isolement électrique de l'ordre de 1000V, un gain en puissance important (une gamme très large de relais EM)
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 51 Avantages : temps de réponse mécanique de l'ordre de 10 ms, donc limités en fréquence (joue le rôle d'un filtre passe-bas)
• Relais statiques : des étages de puissance réalisés avec des transistors pour les tensions continues et des triacs pour les tensions alternatives, plus grande durée de vie, bande passante plus étendue.
Adaptation de niveau
• Pont diviseur
• Amplificateur
Changement du type de signal
L'information que l'on veut récupérer, peut être contenue seulement dans une partie du signal reçu: amplitude maximale, valeur moyenne, une fenêtre,...ou par exemple, changer un signal alternatif en signal continu en utilisant un pont de diode.
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 52 b) Isolement et filtrage
Isolement électrique
Coupleurs optoélectroniques : protection contre les surtensions, isolement du système jusqu'à plusieurs milliers de volts, élimination du couplage par la masse dans le cas d'alimentations séparées,...
Ils sont caractérisés par le rapport CTR (Current Transmission Ratio) CRT =Isortie/Ientrée exprimé en %
Avantages: - grande vitesse de transmission > Mbit/s - compatibilité TTL
- faible courant d'entrée - gain élevé.
Ce système optique de transmission de l'information permet aussi d'éloigner le calculateur du processus industriel en faisant une liaison diode
électroluminescente/phototransistor par fibre optique, cette liaison est insensible aux parasites.
Protection
Diode de protection contre les courants inverses
Diode de protection pour écrêtage du signal
Diodes Zener pour limiter la tension (faibles tensions seulement < dizaine de volts)
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 53
Filtrage
Une forme d'isolement est la suppression de certaines fréquences (exemple les 60 Hz et ses harmoniques 120 et 240 Hz, par un filtre passe-haut ou un filtre réjecteur
( Pour l'Amérique du nord, il faut prendre des filtres en fonction du réseau 110V-60Hz)
c) Étage tampon
- Mémorisation des données - adaptation à un bus de données
- synchronisation par la logique de commande
2.5.4 Les automates programmables industriels API
(Consulter une documentation plus détaillée, par exemple "Électrotechnique" Théodore Wildi, Les presses de l'université de Laval)
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 54 2.5.4.1 Les éléments d'un système de commande
2.5.4.2 Structure d'un API
GEN1533 – Hiver 2009 - Chap. II 55 Modules d'entrée et modules de sortie:
module d'entrée
Module de sortie
Exemple: Un bouton poussoir doit alimenter trois lampes L1, L2 et L3 de sorte que L1 et L2 s'allument et que L3 s'éteigne lorsqu'on appuie sur le bouton.
Sites intéressants:
Allen Bradley : http://www.ab.com/programmablecontrol/plc/
Télémécanique : http://www.download.schneider-
electric.com/WEBKITS/Automation/Unity/fr/discovery/automates.htm
