Les mesures de grandeurs physiques à l aide de capteurs. ni.com/fr

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1 Les mesures de grandeurs physiques à l aide de capteurs

2 Objectifs Comprendre le fonctionnement interne Mieux choisir les capteurs les plus adaptés Analyser le conditionnement nécessaire Savoir comment connecter les futurs systèmes de mesure

3 Un échantillon des grandeurs Température Pression Tension Débit Position/déplacement Force Inertie/accélération Vibration Niveau Angle/inclinaison Magnétisme Luminosité Humidité Contrainte Couple Courant électrique Flux thermique Quantité de matière Contact/présence Vitesse Comptage d événements États

4 % d'utilisation sur l'ensemble des systèmes Les dix grandeurs physiques les plus mesurées dans chaque application Source : sondage NI 2007 Data Acq Study, Helmers Publishing Petite enquête sur votre questionnaire

5 Catégorie de capteurs Analogique (nécessite une conversion A/N) Ex. : une tension, un courant Numérique (valeur discrète) Ex. : un codeur de position absolue, sonde température I 2 C Logique (deux états) Ex. : un interrupteur de fin de course

6 Comment choisir un capteur Le type d événement : choc, état d une grandeur, comptage La grandeur : accélération, pression, débit, température L environnement : cuve haute température Performances : étendue de la mesure, sensibilité, rapidité, précision Encombrement : doit être embarqué ou non Fiabilité dans le temps : durée de vie sur les cycles d utilisation Nature du signal délivré : tension, courant, capacité Prix

7 Choix du conditionnement de signaux nécessaire en fonction des capteurs Filtrage Amplification Excitation Étalonnage par shunt Complément de pont Isolation Compensation de soudure froide Atténuation Jauge de contrainte Force, pression, capteur de couple Thermocouple Haute tension

8 Choix du matériel NI en fonction des capteurs ± 10 V (pas de conditionnement) SCC < 16 voies CompactDAQ < 256 voies SCXI < 2000 voies SC Express < voies Instruments Modules SCC Modules Série C Modules de conditionnement Cartes à conversion A/N et conditionnement intégré sur PXIe

9 Procédure pour relier les capteurs au matériel NI A) Lire la fiche technique du capteur et extraire les paramètres utiles C) Associer le brochage du matériel Fil rouge c est le TC Fil jaune c est le TC + B) Analyse du fonctionnement du matériel NI (PDF) D) Utiliser les logiciels de configuration et de mesure : MAX, LabVIEW

10 La mesure de température Dilatation d un solide, liquide, gaz (ex.: fibre optique FBG) Longueur d onde rayonnement thermique infrarouge Effet thermoélectrique Seebeck (thermocouple) Variation résistance ohmique d un matériau (RTD et thermistances) Une température est la mesure de l énergie cinétique moyenne des particules d un échantillon de matière, exprimée en degrés sur une échelle standard.

11 Les thermocouples V = S T S varie aussi avec la température S dépend de la nature des métaux V S : coefficient de Seebeck Tableaux normalisés de jonctions Ex. : Type J = Fer + Cuivre/Nickel T = a 0 + a 1 v + a 2 v a n v n Mesure

12 Connexion au matériel NI Démo Le système amplifie et filtre la tension entre les deux fils Il peut détecter une ouverture du thermocouple Le point du milieu est à relier au blindage s il existe Votre capteur thermocouple Schéma interne du module

13 Les capteur RTD Variation de résistance électrique dans un métal pur en fonction de la température Métaux les plus utilisés : nickel, cuivre, platine (ce dernier plus précis et stable) RTD bobinés ou RTD à film métallique (plus économique) Classés par leur résistance nominale à 0 C (Ex. : sonde platine de 100 Ω ou 1000 Ω pour 0 C, on dit alors couramment une «PT100») Relation Température/Résistance presque linéaire Pour T < 0 C, R T = R 0 [1 + at + bt 2 + ct 3 (T - 100)] Pour T > 0 C, R T = R 0 [1 + at + bt 2 ] Avec : R T = résistance à la température T R 0 = résistance nominale a, b et c = constantes utilisées pour mettre la RTD à l échelle

14 Thermistances Très proches d une RTD, résistances thermosensibles Matériau semi-conducteur d oxyde métallique encapsulé dans une petite bille d époxy ou de verre Beaucoup plus sensibles par ex. : 100 Ω/ C par rapport à une RTD 0,4 Ω/ C Résistance nominale élevée par ex. : 2252 Ω à 25 C Coefficient de température négatif ou positif (CTN ou CTP)

15 Méthodes de mesure des capteurs thermorésistifs Source d excitation constante et mesure de la tension (U = Ri) Effet d auto-échauffement par le courant d excitation (Iex minimal) U i Démo RTD : peu précis (si RL 2 x 0,5 Ω /RT 100 Ω = 1 %) CTN : adapté (RL 2 x 0,5 Ω/ RT 2252 Ω = 0,044 %) RTD : élimination des effets de la résistance des fils CTN : inutile

16 Capteur sur fibre optique à réseau de Bragg (FBG) Fibre optique Capteur Faisceau lumineux Intensité Phase Longueur d onde Polarisation Périphérique DAQ optique

17 Capteur sur fibre optique à réseau de Bragg (FBG) Démo Mesure de température et de contrainte ± 2 nm λ λ

18 Comparaison de capteurs de température Thermocouple RTD/PT100 Thermistance FBG Environnement Meilleur Meilleur Bon Excellent Performances Bon Excellent Bon Excellent Robustesse Excellent Meilleur Bon Excellent Facilité d utilisation Excellent Meilleur Excellent Excellent Avantages Peu cher Précis sensible Distant Précis Immunisé

19 Définition de la mesure de pression La pression est une force par unité de surface exercée par un fluide sur son environnement : P = F/S Unités : Pascals (Pa ou N/m 2 ) unité du Système International (SI) Psi (Pound per Square Inch) où 1 psi = Pa Atm Atmosphère normale Bar où 1 bar = Pa mmhg ou cmhg Centimètres ou millimètres de mercure Pression statique ou dynamique (fluide en mouvement) Pression Hydrostatique (P = h.m.g)

20 Trois types de mesures de pression Pression absolue Vide comme point de départ de l échelle, Pa au niveau de la mer Pression manométrique Par rapport à la pression atmosphérique Pression différentielle Par rapport à une pression de référence Unités Pad ou psid

21 Type de capteurs de pression Jauges de contrainte + robustes et tous types de pression - conditionnement Capacitance variable + stable - sensibles à la température Piézoélectrique + robustes - sensibles aux vibrations et chocs - amplificateur de charge Capteurs à amortisseur problème de l impact dynamique

22 Méthodes de mesure de pression Démo Mesure en pont (mv/v) linéaire pour la plupart Pré-conditionné pour l échelle min. max. Tension : de 0 à 5 V Courant : de 0 à 20 ma ou 4 à 20 ma Utilisation d une mise à l échelle de la grandeur par logiciel

23 La mesure de débit Électromagnétique À ultrasons À effet Doppler À turbine À effet vortex À diaphragme À tuyère Tube de Pitot Tube de Venturi Massique à effet Coriolis Massique thermique

24 Mesure de débit Théorie et unités de mesure de débit Influence de la pression et de la température Quelques technologies Débit massique thermique Débit massique Coriolis Avec la collaboration de

25 Théorie et unités des mesures de débit Débit = vitesse moyenne d une quantité dans une section connue a) Débit volumique Qv = S. V Qv est en m 3 /s S est la surface de section de la conduite en m² V est la vitesse moyenne du fluide en m/s b) Débit massique Qm = r. Qv Qm est en kg/s r = masse volumique d un fluide en kg/m 3 (ex. : eau douce r = 1000 kg/m 3 ) Fonctionne sur les liquides car il sont quasiment incompressibles mais pas les gaz

26 Influence de la pression et de la température sur les gaz Le débit volumique est différent du débit massique Le volume dépend de la pression et température Unités utilisées : l n /min, m 3 n/h, ou ml s /min, m 3 s/h Avec n = conditions normales à 0 C et 1,013 bar absolu Ou avec s = conditions standard à 20 C et 1,013 bar absolu Différence de 7 % La mesure du débit massique par turbine ou hélice nécessite des capteurs supplémentaires pour la compensation de la pression et de la température Le débitmètre massique thermique est par exemple insensible aux changements de température et pression

27 Principe de mesure du débit massique thermique Basé sur la mesure des transferts caloriques par le fluide lui-même (gaz ou liquide) La différence de température ΔT est proportionnelle au débit massique

28 Principe de mesure du débit massique thermique Technique du By-pass par dérivation du flux et pont de Wheatstone En ligne, élément chauffant et sonde de température (anémométrie a température constante)

29 Débit massique Coriolis Tube en U mis en vibration à une fréquence donnée d où on fait circuler un fluide Déformation du tube par une torsion en fonction du débit et de la force de Coriolis Le déphasage entre les deux capteurs de mesures aux extrémités est strictement proportionnel au débit massique du fluide circulant dans le tube Pas d influence par les propriétés physiques du fluide Grande précision Force de Coriolis F = 2.m.ω.v

30 Applications possibles des capteurs de débit et pression Énergie (gaz pile à combustible, gaz naturel) Analyse (chromatographie) et environnement Agroalimentaire (dosages additifs, régulation précise de mélanges gaz/liquide) Science et vie (médical, débit liquide par minute) Métallurgie (dosage oxygène métal) Semi-conducteurs (injection de liquide) Industrie des procédés (détection de fuite)

31 Fonctionnement avec les produits NI Interfaçage par port série (par chaînes de caractères ASCII) DDE server, DLL Interfaçage par bus industriel (Modbus, Profibus, DeviceNet, EtherCAT, Flowbus..) Exemple d ordre de grandeur de mesure Débit mini : 0,2 10 g/h Débit maxi : kg/h Driver LabVIEW sur ni.com «FlowDDE» Régulation embarquée dans le capteur, pilotable par driver

32 Les capteurs de contrainte/déformation Une contrainte est la quantité de déformation d un corps à partir de l application d une force Plus précisément, une déformation (ε) est définie comme une fraction de la variation de longueur (ε = L/L) L amplitude est très faible (déplacement en mm/mm) donc souvent exprimée en microdéformation (με)(e x 10-6 ) Les jauges de contrainte utilisent une déformation élastique réversible

33 Les méthodes et propriétés physiques Les capteurs basés sur la piézoélectricité (Quartz) Les capteurs de contrainte optiques (ex. : FBG) basés sur la variation de propriétés de la lumière en fonction d une déformation Les capteurs de contrainte basés sur la variation de résistance électrique (conductibilité) du matériau Sensibilité à la contrainte = Facteur de jauge (GF) : Une jauge en métal est d environ GF = 2

34 La mesure d une déformation Les variations de résistance sont très petites Exemple : 500 με avec un facteur de jauge de 2 (métal) la variation de résistance sera de 2 x ( ) = 0,1 % si jauge = 120 Ω alors variation de 0,12 Ω Utilisation d un pont de Wheatstone Une petite variation de résistance déséquilibre le pont de manière importante Si R 1 /R 2 = R 4 /R 3, la tension de sortie V O =0

35 Montage en quart de pont Une seule des résistances est remplacée par une jauge de contrainte Peu recommandé car présente beaucoup d inconvénients à gérer Montage trois fils pour diminuer l effet des résistance des câbles Sensibilité du capteur minimale et dépend fortement de la tension d excitation Impose un shunt de calibration et d ajustement du pont Fortement non linéaire à gérer par le système de mesure, sortie en mv/v d excitation RG + R?

36 L effet de la température sur une jauge RG + R? La température fait également varier la résistance du matériau de la jauge et du support par dilatation Une solution est d utiliser une jauge inactive, indépendante de la contrainte (transversale) et liée par la température Placée dans la même branche verticale du pont, l effet de température se soustrait

37 Montage en demi-pont Deux résistances sont remplacées par des jauges dans le pont La sensibilité est doublée Peut annuler l action de la température Tension de sortie linéaire exprimée en mv/v d excitation

38 Montage en pont complet Quatre résistances sont remplacées par des jauges dans le pont La sensibilité encore une fois doublée Peut également annuler l action de la température Tension de sortie linéaire exprimée en mv/v d excitation

39 Considérations importantes de mise en œuvre L équilibrage du pont (dérive) Compensation logicielle Circuit d annulation d offset Les relations entre mv/v, contrainte (ε), force (N), poids (Kg) Plusieurs appellations : capteurs de force, pesages, extensomètres Étalonnage du système avec les valeurs min et max de la gamme

40 Connexion d un capteur pont complet au matériel NI Fil vert Fil rouge Fil blanc Fil noir Exemple carte SC Express NI 4331

41 Démonstration d un capteur de contrainte Démo Ex. de besoin : mesure de charge (force) pour le serrage d une main Sensibilité : -2 mv/v d excitation qui est de 10 V nominale Gamme : 0 à 100 lb Justesse : 0,05 % de la valeur de la sensibilité Précision : (certificat d étalonnage -2,0463 mv/v) Résolution : Erreur d offset : 1 % de la valeur de la sensibilité Linéarité statique : 0,1 % de la valeur de la sensibilité Linéarité dynamique : Hystérésis : 0,1 % de la valeur de la sensibilité Temps de réponse : Type de connectique : 350 Ohm pont complet, 5 fils de couleurs dénudés Longueur de câble, isolation : Capteur de force utilisé ici

42 Connexion d un capteur quart de pont au matériel NI Fil blanc Fil rouge Fil noir Exemple carte SC Express NI 4331

43 Démonstration d une jauge de déformation Démo Ex. de besoin : mesure de déformation sur une plaque métallique Sensibilité : facteur de jauge de 2 (collé à du métal), excitation de 10 V Gamme : Justesse : Précision : Résolution : Erreur d offset : Linéarité statique : Linéarité dynamique : Hystérésis : Temps de réponse : Type de connectique : 120 Ohm quart de pont avec jauge passive «dummy», 3 fils de couleurs (rouge : EX+, blanc : AI+, noir : EX-) Longueur de câble, isolation : Jauge de contrainte utilisée dans cette présentation

44 Les capteurs d accélération : principe Loi fondamentale de la dynamique : F = m.a Système masse-ressort Sans accélération Avec accélération k = constante du ressort en N/m x = extension du ressort en m m = masse en kg a = accélération en m/s 2 Rebonds et oscillations à la fréquence naturelle

45 Les oscillations d un accéléromètre Limites du déplacement de la masse Limites physiques X 0 = Position initiale ω = 2 f Il faut éviter d utiliser la zone proche de la fréquence de résonance à cause de la forte non-linéarité que cela entraîne sur la sortie (f< 1/2,5 Fn ou f > 2,5 Fn)

46 Les types d accéléromètres Une masse sismique et : Potentiomètre (résistif) Jauge de contrainte LVDT (induction) Réluctance variable (aimant permanent) Quartz piézoélectrique

47 Connexion d un accéléromètre piézoélectrique au matériel NI Schéma interne du module de la Série C NI 9234 Commutation IEPE pour alimenter un ampli. de charge Ampli. de charge Capteur IEPE

48 Démonstration d un accéléromètre Démo Ex. d utilisation d un capteur Kistler modèle 8702B50 Sensibilité : 100 mv/g Gamme : ±50 g Justesse : Précision : Résolution : Erreur d offset : Linéarité statique : fréquence de résonnance 54 KHz Linéarité dynamique : Hystérésis : Temps de réponse : utilisation de 0,5 à Hz Type de connectique : BNC, nécessite alimentation IEPE Longueur de câble, isolation : 2 m

49 Mesures sur machines et moteurs Mesures de pression(s), vibration(s) de bancs moteurs (combustion et injection), véhicules, moteurs industriels gaz et diesel Mesures de températures, d efforts, de l endurance, indication de pression absolue

50 Mesures sur véhicules et sur la chaussée Mesure de la dégradation des chaussées par les poids lourds en surcharge. Poids brut des véhicules mais également sur la charge par essieu ou par roue Systèmes de pesage dynamiques qui détectent les véhicules dangereux sur rail. Garantir la sécurité du trafic, identifier les véhicules en surcharge, les déséquilibres dans la répartition du chargement et les roues endommagées

51 Analyse biomécanique Mesure de la force de saut dans le mouvement naturel Diagnostic des performances et en biomécanique Analyse de l équilibre chez l homme Saisie des déviations du centre de gravité du corps Étude de l impact et de la progression de maladies ou de l action de médicaments

52 Processus d usinage Recherche et développement de machines Mesure des efforts de coupe Nouveaux processus d usinage haute vitesse Optimisation des méthodes de fabrication

53 Démonstration d un capteur de force Démo piézoélectrique Ex. d utilisation d un capteur Kistler modèle 9031A Sensibilité : -4,3 pc/n Gamme : kn Justesse : Précision : Résolution : Erreur d offset : Linéarité statique : fréquence propre 65 KHz Linéarité dynamique : Hystérésis : Temps de réponse : utilisation quasi statique Type de connectique : BNC, nécessite un amplificateur de charge Longueur de câble, isolation : 2 m

54 Démonstration de mesure d efforts dans un processus d usinage Capteur de force avec interfaçage RS-232 et tension à partir d un amplificateur de charge Kistler ICAM Type 5073 Ampli. de charge Kistler Signaux tension 10 N/Volt Matériel NI CompactDAQ USB -4,3 pc/n Câble BNC RS-232 Démo

55 En résumé nous venons de voir : Les matériels NI qui mesurent tout type de grandeurs physiques et se connectent à quasiment tous les capteurs Le fonctionnement des capteurs les plus utilisés (sondage) La facilité d interfacer les systèmes et d utiliser les logiciels

56 Rappel des objectifs Comprendre le fonctionnement interne Mieux choisir les capteurs les plus adaptés Analyser le conditionnement nécessaire Savoir comment connecter les futurs systèmes de mesure