Commande pompe Capteur de
pression
Electrovanne proportionnelle Interfaces
TP CAPTEURS
IUT BELFORT MONTBELIARD Dpt Mesures Physiques
TP Capteurs
TP C1 : ASSERVISSEMENT DE NIVEAU I – PRESENTATION
Caractéristiques des composants :
PC win 98, carte daq NI PC1200, Laview 6.1
Capteur de pression : Kelatron série 46 W EM50 avec option 0,1 % Pompe d’aquarium submersible
Electrovanne proportionnelle
II – CHAINE DE MESURE (CHAINE DE REACTION)
1°/ A partir de la documentation technique du capteur de pression donnée en annexe, déterminer :
a) L’étendue de mesure b) La linéarité
c) La précision absolue découlant de l’erreur de linéarité
2°/ Rappeler la relation reliant la pression à la base d’une colonne d’eau à la hauteur h. En déduire la précision absolue sur la mesure de la hauteur.
Commande pompe Capteur de
pression
Electrovanne proportionnelle Interfaces
3°/ Courbe d’étalonnage
Protocole de mesure :
L’extrémité du tuyau d’alimentation en eau est positionné en haut de la colonne afin d’éviter le siphonnage.
Le remplissage s’effectue par action sur la tension d’alimentation de la pompe Le vidage s’effectue par action sur la tension d’alimentation de l’électrovanne La réserve d’eau est placée sur l’étagère du bas de la table roulante.
Remplir complètement la colonne pour avoir une hauteur d’eau de 30 cm Mesurer la hauteur d’eau sur la graduation à la base du ménisque
Réaliser les mesures en vidant progressivement la colonne par action sur la tension de commande de l’électrovanne.
Tracer la courbe d’étalonnage du capteur : U(h).
Donner la relation mathématique correspondante.
En déduire la fonction de transfert du capteur : δU/δh
III – CHAINE D’ACTION
1°/ CARACTERISATION DE LA POMPE
On veut caractériser le système pompe + colonne en régime permanent (caractéristique statique).
Protocole de mesure :
L’extrémité du tuyau d’alimentation en eau est positionné en haut de la colonne afin d’éviter le siphonnage.
La réserve d’eau est maintenant placée sur l’étagère du haut.
Le niveau d’eau initial correspond à une hauteur h0 = 8 cm : Rectifier ce niveau initial par un apport d’eau adapté.
La fuite est réglée au maximum : électrovanne alimentée (30 V).
La pompe est reliée à l’alimentation ELC.
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Pour différentes valeurs de la tension d’alimentation Up de la pompe, relever la hauteur h d’eau obtenue en régime permanent. Tracer la courbe h(Up)
Commenter les différentes zones apparaissant sur la courbe.
La caractéristique h(Up) est-elle linéarisable dans un certain domaine de fonctionnement ? Si oui, préciser la relation obtenue.
2°/ REPONSE TEMPORELLE EN BOUCLE OUVERTE
Il s’agit maintenant d’étudier le régime transitoire de l’ensemble des éléments de la chaîne :
Principe :
On se place dans une condition de fonctionnement telle que le système puisse être considéré comme quasiment linéaire.
Pour cela on place le système dans un état de fonctionnement initial en appliquant une tension Ui à la pompe entraînant une hauteur hi d’eau dans la colonne. Il faut laisser le temps au système d’atteindre cette condition initiale. Quand le régime permanent initial est atteint, on applique un échelon de tension sur la pompe, d’amplitude adaptée et garantissant un fonctionnement linéaire et on enregistre la variation de la hauteur d’eau qui en résulte.
On analyse ensuite la réponse temporelle pour déterminer les paramètres de la fonction de transfert : gain et constante de temps.
Manipulation :
Pour enregistrer la réponse temporelle, on connecte la mesure du capteur sur l’entrée de la carte d’acquisition. On connecte la sortie DAC out 0 sur l’entrée de l’ampli de puissance permettant d’alimenter la pompe. (Voir photo).
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Lancer le VI rep-temp.vi situé dans la librairie regul-niv-06.llb située dans g:/mp- vi/capteurs.
Ce programme fonctionne en trois temps :
Il applique la tension Ui sur la pompe et visualise la variation de hauteur d’eau qui en résulte. Quand on constate que le régime permanent initial est atteint, (hauteur initiale atteinte) on clique sur le bouton « Echelon » pour appliquer l’échelon.
Cela a pour effet d’appliquer la tension Uf sur la pompe. L’évolution de h apparaît alors sur un second graphe déroulant.
Quand le régime permanent est atteint, on clique sur « STOP ». Cela permet d’accéder à un graphe XY représentant h(t) avec des curseurs permettant de réaliser les mesures demandées.
Ui et Uf sont entrés grâce à deux potentiomètres sur la face avant.
La période d’échantillonnage est fixée à 100 ms.
Relever la réponse temporelle obtenue avec des valeurs permettant à la pompe de fonctionner dans son domaine de linéarité par un choix correct de Ui et Uf (Cf courbe h(Up) du § III-1°/.
Déterminer, en utilisant les curseurs, la constante de temps τ du processus supposé du 1er ordre : h(τ) = hi + 0,63 ∆h.
Déterminer également l’amplification statique : K = ∆h/∆Up en régime permanent.
IV – ETUDE EN BOUCLE FERMEE : ASSERVISSEMENT DE NIVEAU
Le système en boucle fermée est modélisé à l’aide du schéma bloc ci-dessous.
Lancer le VI rep-ind-bf.vi situé dans la librairie regul-niv-06.llb située dans g:/mp- vi/capteurs
Relever la réponse temporelle à un échelon de commande en boucle fermée lorsque l’amplification est réglée à A = 10.
Configurer correctement la carte d’acquisition avec Max :
entrée analogique 0-10 V, asymétrique référencée et sortie unipolaire.
*
- ,
-
Exploiter la mesure de la même façon qu’au III - 2°/
Comparer les résultats obtenus en boucle ouverte et en boucle fermée.
Relever la réponse temporelle à un échelon de commande en boucle fermée pour d’autres valeurs de A. Exploiter les résultats et conclure sur l’influence de A.
V - REPONSE FREQUENTIELLE EN BOUCLE OUVERTE
Lancer le VI rep-sin.vi situé dans la librairie regul-niv-06.llb située dans g:/mp- vi/capteurs
La tension d’alimentation de la pompe générée est du type : Ui + ∆U sin 2πf t.
Pour ∆U donné, relever pour différentes fréquences, l’amplitude ∆h des oscillations obtenues.
Tracer la courbe de réponse en fréquence 20 log ∆h/∆U en fonction de f sur papier ½ log.
Quel type de filtrage est provoqué par le processus ? Déterminer la fréquence de coupure à –3 dB. Comparer fc à 1 / (2πτ).
ANNEXE
IUT BELFORT MONTBELIARD Dpt Mesures Physiques
TP Capteurs
TP C2 : ACCELEROMETRE I – PREPARATION … à faire avant la séance de TP
Une masse m est suspendue à un ressort. A l’équilibre, la position de la masse est repérée par son ordonnée y0
On allonge le ressort en tirant sur la masse. On a alors y = y0 + ∆y . Soit g l’accélération de la pesanteur.
Soit k le coefficient de raideur du ressort.
Soit f le coefficient de frottement visqueux (la force de frottement est proportionnelle à la vitesse).
1°/ Le système est en équilibre
Quelles sont les forces agissant sur la masse Ecrire la condition d’équilibre de la masse
2°/ Le système est en mouvement
Montrer que l’équation différentielle régissant la position y(t) de la masse s’écrit :
d2y/dt2 + 2 ξ ω0 dy/dt + ω02 y = ω02 y0
Exprimer le coefficient d’amortissement ξ et la pulsation propre ω0 . y = 0
y
Position de l’origine
y = 0
y
Position initiale
y0 + ∆y y0
y
Position d’équilibre
y = 0
II - ETUDE DE LA DOCUMENTATION TECHNIQUE DU CAPTEUR
Répondre aux questions posées ci-dessous, après lecture de la documentation donnée en annexe p 14.
a) Quelle est l’unité de mesure de d’accélération utilisée dans la documentation ? Donner sa correspondance en unité SI.
b) Quelle est l’accélération maximum mesurable à pleine échelle ? c) Quelle est la résolution du capteur ?
d) Quelle est l’accélération détruisant le capteur ?
e) Quelle est la plage de tension d’alimentation du capteur et sa valeur typique ? f) Quelle est la sensibilité du capteur ?
g) Quel est le rapport cyclique engendré par une accélération nulle ?
III – SIGNAL DE MESURE
Un accéléromètre ADXL213 est fixé sur la masse.
Ce capteur délivre deux signaux numériques de sortie dont les rapports cycliques sont proportionnels aux accélérations mesurées dans deux directions perpendiculaires x et y.
Dans cette application seule l’accélération verticale (axe y) est mesurée.
Le branchement du capteur est précisé sur la documentation technique d’Analog- Devices : http://www.analog.com/en/prod/0,,ADXL213,00.html
.
$/
Conditionneur
du capteur Conditionneur du signal
0
1 2 3 4
1°/ SIGNAL DE MESURE AU REPOS
Le signal Yout modulé en largeur d’impulsion par l’accélération mesurée est disponible sur le fil vert, patte 4 de l’accéléromètre.
L’accélération A mesurée est donnée par la relation : A(g) = [ (T1/T2) - 0,5) ] / 0,3 Elle est exprimée en fraction de g, g étant l’accélération de la pesanteur (9.81 m s-2).
La masse étant en position d’équilibre, mesurer T1 et T2 à l’aide de l’oscilloscope sur le signal Yout. En déduire l’accélération mesurée dans cette position, à quoi correspond t-elle ?
Relever le chronogramme de Yout et déterminer sa période.
2°/ SIGNAL DE MESURE MASSE EN MOUVEMENT
Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution du signal Yout à l’aide de l’oscilloscope. Commenter la variation de l’accélération a(t) ainsi visualisée.
3°/ PERIODE DES OSCILLATIONS
Déterminer avec un chronomètre un ordre de grandeur de la période T des oscillations obtenues. Pour plus de précision, réaliser la mesure sur une dizaine d’oscillations.
IV - CONDITIONNEMENT DU SIGNAL
1°/ MOYENNEUR
Le signal Yout modulé en largeur d’impulsion par l’accélération mesurée est filtré à l’aide d’un filtre passe-bas (circuit Rf Cf) afin d’en obtenir la valeur moyenne image de l’accélération mesurée. Ainsi u(t) reproduit a(t)
Câbler le filtre Rf Cf. Vérifier que sa fréquence de coupure (1/(2π Rf Cf)) permet bien d’extraire la valeur moyenne du signal MLI de fréquence environ 1 kHz.
Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution du signal Yout et de u(t) à l’aide de l’oscilloscope.
Utiliser la mémoire de l’oscilloscope pour observer les variations lentes de u(t).
Relever quelques pseudo-périodes de u(t).
5
2°/ PASSE HAUT
On souhaite à partir de la mesure de l’accélération, déterminer l’évolution temporelle de la vitesse et de la position de la masse.
a) Quelle opération mathématique permet de déterminer la vitesse v(t) puis la position verticale y(t) à partir de l’accélération a(t) ?
b) On sait que le signal u(t) de mesure de l’accélération possède une composante continue. Quel problème cela pose t-il ?
c) En quoi un filtre passe haut permet-il de résoudre cette difficulté ?
3°/ MONTAGE COMPLET
Le signal MLI délivré par le capteur est conditionné avant acquisition à l’aide du circuit ci-dessous.
Le filtre passe haut CR sert à couper la composante continue avant l’acquisition.
Le suiveur sert à isoler les deux filtres de façon à régler les deux constantes de temps indépendamment l’une de l’autre.
Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution des signaux u(t) et s(t) à l’aide de l’oscilloscope.
Utiliser la mémoire de l’oscilloscope pour observer les variations lentes de s(t).
Relever quelques pseudo-périodes de s(t).
V – ETALONNAGE
1°/ On simule le signal délivré par l’accéléromètre à l’aide du générateur d’impulsions. Pour cela on fabrique à l’aide du générateur d’impulsions, un signal identique à Yout (même période et même niveaux de tension).
Appliquer ce signal à l’entrée du circuit à la place de Yout.
5 6 78Ω 6 9:
6 9:
5 6 8Ω
5
5
!"
5
5
Mesurer la tension u(t) obtenue pour un rapport cyclique de 0,1 puis de 0,6. Ces deux valeurs seront appelées respectivement U1 et U2 .
A quelles accélérations, ces deux tensions sont-elles censées correspondre ?
2°/ Pour simuler les variations d’accélération, on fabrique maintenant à l’aide du GBF, un signal sinusoïdal de 1 Hz, variable entre ces deux valeurs U1 et U2 et on l’applique à l’entrée du filtre passe-haut.
Mesurer l’amplitude de la tension s(t).
Quelles sont les accélérations correspondant au min et au max de s(t).
En déduire la relation entre s et A en admettant la proportionnalité entre les deux.
VI – ACQUISITION
1°/ FILTRE ANTIREPLIEMENT
Lors de l’acquisition, on échantillonne le signal à une fréquence Fe.
Compte tenu de la période des oscillations, déterminer la fréquence d’échantillonnage permettant d’avoir 100 points par période.
On a la possibilité de limiter la bande passante de l’accéléromètre ADXL213 en mettant en place un filtre passe bas constitué d’une résistance de 32 kΩ et d’un condensateur externe Cy.
La fréquence de coupure de ce filtre est alors fc = 1 / (2 π.32000.Cy)
Déterminer la valeur minimum de Cy permettant d’éviter tout repliement de spectre.
(Cf Schannon, filtre anti-repliement (anti-aliasing)).
Pour la suite, Cy est réglée à 2 µF
5 ; <
=>:
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+ @!
* #
* #
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On utilise ce circuit R Cy pour limiter le bruit et comme filtre anti-repliement.
2°/ CARACTERISATION DU SYSTEME
Démarrer l’ordinateur sous Windows 98.
Ouvrir rep-ind-buff2.vi situé dans g://applis/mp-vi/capteurs/accel.llb
Sur la face avant du vi, régler le potentiomètre d’étalonnage de la mesure d’accélération à une valeur correcte (Cf § V 2).
Ecarter vers le bas la masse de sa position d’équilibre (quelques cm), et lancer le vi.
Relever la pseudo-période Tps des oscillations et le décrément logarithmique δ. En déduire la pulsation propre ω0 et le coefficient d’amortissement ξ
Sachant que la masse est m = 2 ,184 kg
Déterminer le coefficient de raideur k du ressort et le coefficient ρ de frottements visqueux.
Tps = = 2π/ [ ω0 √ ( 1 - ξ2) ]
δ = ln (D1/D2) = 2πξ / √ ( 1 - ξ2) ≈ 2πξ si ξ <<1 ω 6√ 8A ρ6 √ 8
