V. Boitier janvier 2009 M1 IDIM option ICM. Module UM8TC3M 1 2

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Principes pour l’INSTRUMENTATION Objectifs : Apporter les connaissances de base sur les techniques d’instrumentation, soit : Savoir choisir les éléments d'une chaîne de mesure en fonction d'un cahier des charges. Savoir étalonner un système de mesure. Savoir évaluer la qualité des mesures réalisées. Savoir utiliser le logiciel Labview pour réaliser des mesures .

V. Boitier janvier 2009 M1 IDIM option ICM. Module UM8TC3M

Evaluation : Examen de 2h, question de cours + mise en oeuvre/analyse d’une chaîne de mesures.

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1/ Introduction : intérêt d’une bonne mesure! Exemple 1 : usine à y aourt.

Capacité: 120000 yaourt/heure. 12 buses, 360 ms/ yaourt. Lavage des cuves : vapeur d’eau à140°C. Le poids des yaourts est fonction de la pression et de la température. marge bénef. : 2%, lait : 50% du prix du yaourt. 1% de yaourt en + => 25% de bénef en -

Ref : sit e web Michel Hubin

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Exemple 2 : robot laveur de vitre. Exemple 3 : fatigue de la structure d’un avion.

Orion P3 -tanker 50 kHz -800 kHz frequency coverage Transducers Inputs12/24/36/48 acoustic channels each: –4.5 decade-amplitude log compression –10 bit A/D conversion –90dB dynamic range 16 non-acoustic channels each: –Bipolar analogue inputs –s10Volts :16 bit A/D Ref : www.ult

ra-electronics.com

1/ Introduction : intérêt d’une bonne mesure!

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Exemple : mesures de températures et de la masse dune ruche.

2/ Structure d’une chaîne d’instrumentation.

Process Le mesurande (température, masse)

CapteurpCapteurCapteur ConditionneurConditionneurConditionneurTransmetteurTransmetteurTransmetteur TraitementTraitementTraitementExploitation Commande, visualisation

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Erreur combiné: 0,02% charge nominal : 100 kg rate output: 2mV/Vr10% www.intertechnology.com

2 fils d’alimentation (Input) 2 fils pour la tension de sortie (Output) 2 fils de compensation (Sense)

Jauge de contrainte avec son corps d’épreuve.

Ex: mesures de températures et de la masse d’une ruche.

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Ampli d’instrumentation : INA 114

5 2 247

Ex: mesures de températures et de la masse d’une ruche.

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Traitement, affichage et communication avec le PC via un μP PIC (programmable in situ) + liaison RS232 Utilisation de Labview pour récupérer et afficher les mesures

Ex: mesures de températures et de la masse d’une ruche.

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3/ Système d’acquisition de données: cahier des charges 1. Commanditaire (contraintes réglementaires) 2. Destinataire/utilisateur 3. Cahier des charges • quelles grandeurs doivent être mesurées? • quelle sensibilité et quel degré de précision? • quelle cadence de mesure? • quelles normes ? • quelles conditions d'environnement? • quelle fiabilité? • quels types de capteurs? • quels sont les bruits, quel TRMC? • quelle architecture matérielle? • quelle répartition envisager entre matériel et logiciel?

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5/ Capteurs. a/définitions mesurande m mesure M étendue de mesure [Mmin;Mmax] FS= Mmax - M min incertitude Ʃ M M- Ʃ M <m< M+ Ʃ M avec proba associée erreur İ =m-M erreur relative İ

r

=(m-M)/M erreur en % de la PE İ

r

=(m-M)/FS courbe d’étalonnage étalon de mesure sensibilité V sortie du capteur S= Ʃ V/ Ʃ M linéarité

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Rappels (succincts) de probabilités 68,3% 95% 98% pour un intervalle de 3 V

site web de Pierre Langloiswikipedia.org

Intervalle de confiance pour une distribution gaussienne V = p(x)=

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Xe H

j

H

f

Erreur de justesse Erreur de fidélité

5/ Capteurs. a/définitions (suite) justesse fidélité précis rapidité résolution « e mballage »

erreurs systématiques erreur aléatoires

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5/ Capteurs. b/exemple

Doc SCAIME

Capteur de pression

SCAIME 59 série 5

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5/ Capteurs. b/exemple

Doc National Semi-conductor

Capteur de température

LM35 14

5/ Capteurs. b/exemple Influence de la constante de temps du capteur : serre régulée en température. 4/ Capteurs. c/classifications Sorties analogiques, numériques (série, parallèles). Sorties en courant, tension, charge, fréquence, …

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5/ Capteurs. c/classifications / capteur passif

Variation du mesurande Ÿvariation de résistivité(U), permittivitéélectrique (H) ou perméabilitémagnétique (P). Mesure indirecte du mesurande. Ex1 : ƩTŸsur métal ou semi-conducteur ƩUor R= UL/SŸƩRŸƩV Sonde PT100 dans montage potentiométrique. Ex2 : %RH Ÿsur diélectrique ƩHŸƩCŸƩf Capteur humiditérelative dans montage astable.

wikipedia

Capteur humirel HS1 101LF

Conrad

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5/ Capteurs. c/classifications / capteur passif

Ex1 : ƩTŸsur métal ou semi-conducteur ƩUor R= UL/SŸƩRŸƩV Sonde PT100 dans montage potentiométrique.

Station Nivose : mesure hauteur de neige et température.

Reselec agreg intern e 2002 géni

e électriqu e

R(TEMPERATURE)

(:

)

(°C)

Rmodèle-Rmodèle simplifié (°C)

(:

)

17 18

R(TEMPERATURE)

(:)

(°C)

19

Rmodèle-Rmodèle simplifié (°C)

(:)

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5/ Capteurs. c/classifications / capteur passif

+VCC

wikipedia

R1

R2

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La sortie du capteur est équivalente àun générateur. C’est un dipôle actif qui peut être du type courant, tension ou charge. Ex1 : ZŸf.e.m. E induite (loi de Faraday) : dynamo tachymétrique Ex2 : ƩTŸf.e.m. induite par effet Thermoélectrique (effet Seebeck) : thermocouple. Ex3 : mesurande B Ÿtension induite par effet Hall: sonde de courant àeffet Hall.

5/ Capteurs. c/classifications / capteur actif

ESIEE O.Françai s,

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Ex3 : mesurande B Ÿtension induite par effet Hall: sonde de courant àeffet Hall.

5/ Capteurs. c/classifications / capteur actif

Lem.com

Capteur LEM

U H= K H. I . B . sin ˥

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Ex4 : F (traction, compression, cisaillement)Ÿvariation de charge par effet piezoélectrique: dynamomètre, accéléromètre. Ex5 : lumière Ÿtension et courant par effet photovoltaïque : luxmètre.

5/ Capteurs. c/classifications / capteur actif

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5/ Capteurs. c/classifications / capteur intelligent

Michel Hubin

Ex: capteur de température DS1621

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1/ INTRODUCTION. Intérêt d’une bonne mesure. 2/ STRUCTURE d’une chaîne de mesure. 3/ CAHIER DES CHARGES 5/ CAPTEUR

definitions

4/ BRUIT 5/CAPTEURsuite : classification (passif, actif, intelligent) 6/CONDITIONNEMENT du signal au plus près du capteur amplification (ampli de base, amplid’instrumentation, ampli d’isolation

11/ Incertitudes de mesures (TD sur chaine de mesure pyranomètre)

6/ NUMERISATION du signal FAR multiplexeur ech-bloqueur CAN 7/ TRANSMISSION du signal 8/ Cartes d’acquisition et de commande.

PLAN :

S1-2h S2-2h S3-2h S4-2h S5-2h S6-2h 26

6/ Conditionnement du signal Objectif de cette partie :

Le conditionneur est en interaction directe avec le capteur (et souvent aussi avec son environnement). Il convertit la sortie du capteur en une tension (le plus souvent) ou une fréquence. Il peut (et doit …) assurer les fonctions suivantes : -protection de l’ensemble de la mesure par rapport aux grandeurs influentes (compensation des grandeurs influentes). -linéarisation éventuelle de la sortie du capteur.

Au plus près du capteur : le conditionneur.

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6/ Conditionnement du signal (capteur passif) Montage potentiométrique .

Si on néglige les effets de R et Rd i.e. R |0Ÿet Rd |’Ÿ, on reconnait un diviseur de tension Ÿ Vm = Rc / (R1+Rc) x e

Effet de la polarisation :

R e Rc ƩVm = Rc / (R1+Rc) x Ʃe Maximisée pour R1=Rc et on a alors : ƩVm = e /(4xRc) x ƩRc

Sensibilité : Effet des grandeurs d’influence:

Pour un montage potentiométrique, avec : on annule l’effet de g (grandeur influente) lorsqueR1=Rc

g g

gR g

R1C ww ww 28

6/ Conditionnement du signal (capteur passif) Montage en pont .

e

De façon générale : Vm = (R3RC-R1R4) / [(R1+RC)( R3+R4)] x e si R1=RCO=R3=R4= R et si RC=RCO+ƩR :

Effet de la polarisation :

àcomparer (cf diapo précédente)avec : ƩVm = Rc / (R1+Rc) x Ʃe = Ʃe /2

Si R1=R3=R4=RCO= R ƩVm|ƩR/ (4.R) . Ʃe

Sensibilité aux grandeurs d’influence:

On démontre qu’elle est minimisée quand les 4 résistances ont la même valeur Vm = ƩR / (2.(2R+ ƩR)) xe soit : Vm|ƩR/ (4.R) . e

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6/ Conditionnement du signal (capteur actif) Montage en source de tension .

eC

Il faut Zi>> Zc pour retrouver v m= e C Exemples de montages avec une forte impédance d’entrée.

ESIEE O.Françai s,

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6/ Conditionnement du signal (capteur actif) Montage en source de courant .

Il faut Zi << Zc pour que im|iC Exemple de montage avec une très faible impédance d’entrée. V+ -V- = 0 Ÿi ZC= 0

iC ESIEE O.Français,

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6/ Conditionnement du signal (capteur actif) Montage en source de charge .

Montage type. En pratique la résistance en // sur Cr fait que l’on obtient un passe haut. Il faut choisir un AOP avec une forte impédance d’entrée et des courants de polarisation les plus petits possibles.

On utilise un convertisseur charge-tensionqui réalise la mise en court-circuit des électrodes du capteur. Ÿtoute la charge se retrouve aux bornes de Cr. Utilisation : pour les capteurs piezo électrique par exemple. 32

Objectifs de cette partie :

Avant de numériser le signal, un étage d’amplification/filtrage est très souvent présent pour : -Adapter les niveaux (utilisation de toute la dynamique du CAN) -Augmenter les niveaux avant transmission (minimisation du bruit) -Ne garder que la partie «utile»du signal (ex : filtre passe-bande). -Réaliser une adaptation d’impédance entre les étages. -Réaliser un filtre anti-repliement avant le convertisseur A/N. -Isoler la partie mesure de la partie puissance.

6/ Conditionnement du signal Amplification / Filtrage du signal analogique

ᆅ

Amplification/Filtrage

ᆅ

Adaptation d’impédance

ᆅ

Isolation galvanique pour cela … utilisation d’AOP

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6/ Conditionnement du signal

Amplificateur opérationnel idéal Défauts statiques Courants de polarisation (Ip) Tension d’offset de l’étage d’entrée de l’A.Op.(Vo) Impédances d’entrée (Zd, Zmc) Impédances de sortie de l’A.Op (Zs) Taux de réjection de mode commun (CMMR) Comportement fréquentiel (produit gain bande)

VV 21 VVVVd CM ) AmcAd log(20CMRRdB

Amplificateur opérationnel, quels paramètres?

Défauts dynamiques 34

6/ Conditionnement du signal Exemple : A.Op. : TLC271

Alimentation Consommation Gain Produit gain/bande passante, Impédance d’entrée Bruit Slew-rate … Différents modes de fonctionnement.

Recommended operating conditions.

Paramètres.

Modèle : TLC 271 C, bias-select : high alim : 5V

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6/ Conditionnement du signal

Exemple : AOP TLC271 … Tension d’offset Courants de polarisation Impédance de sortie CMMRParamètres. 36

6/ Conditionnement du signal

Fem de masse dûe àimpédance du fil de masse + courant dans le fil de masse : tension de masse, elle sera amplifiée comme le signal capteur => solution : ampli diff!.

Un ampli différentiel, pourquoi?

L’amplificateur devra amplifier la tension différentielle et rejeter la tension de mode commun.

Parasites lors de la transmission Si les deux câbles sont très voisins, les tensions de bruit seront proches et vont apparaître comme une tension de mode commun => réjection. Une solution intégrée ,

l’ampli d’instrumentation :

très bon CMMR, grande impédance d’entrée, faible impédance de sortie gain différentiel Ad réglable facilement …

Influence du courant de masse

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6/ Conditionnement du signal Ampli d’instrumentation, Exemple de l’ INA 114

Principe : Application:Paramètres: 38

6/ Conditionnement du signal Ampli d’isolement

Dans le cas de très fortes tensions de mode commun (>2kV) ou de tensions de mesure très faibles (<NjV), on est amenéàutiliser des amplicateurs d’isolement qui présentent des TRMC supérieurs à160dB. ) AAd log(20IMRR ISOdB

DISOCM SA. IMRR

V CMRR

V VdV

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§ rr

D. Berquet

Isolation galvanique obtenue : modulation/démodulation + couplage capacitif, magnétique ou optique. VISOde 1000 à3000 V