Séminaire d instrumentation

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1 Séminaire d instrumentation Alex Bertholet Laboratoire de Génie Civil Place du Levant n Louvain-la-Neuve Mesurer c est savoir? Mais encore faut-il savoir mesurer alex.bertholet@uclouvain.be Le 19 novembre2007

2 Présentation Introduction Chaîne de mesures Capteurs Conditionneur Instruments Logiciels Définitions

3 Mesurer 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 Mesurande :Grandeur physique (P, T,...). 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). Définition : La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation

4 La chaîne de mesures Phénomène physique Capteur Conditionneur Instrument (carte d acquisition) Logiciel

5 Les différents éléments Il est important de faire les bons choix. Le capteur : choix de la gamme de mesure Le conditionneur : Hardware / Software L instrument : veiller à l interchangeabilité Le coût $$$ Le logiciel : nécessité de flexibilité / maîtrise Traçabilité d une chaîne de mesures. La précision de la mesure dépend de chaque élément : Analogie à une chaîne audio

6 Capteurs Introduction Chaîne de mesures Capteurs Types de capteurs Capteur de niveau d eau Les courantomètres / Vélocimètre Les débitmètres Conditionneur Instruments Logiciels Définitions

7 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

8 Mesure de niveau d eau Bed profiler Mesure de conductivité Radar Capteur à bulles Capteur à flotteur Wavo Capteur de pression Capteur ultrasonique Capteur laser

9 Capteur de pression Vide La 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 poussé dans 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.

10 Types de capteur de pression Capteur à jauges de contraintes Capteur piézo-résistif/électrique Capteur inductif Capteur capacitif

11 Jauge de contrainte Sous sa forme la plus simple, une jauge est constituée d un très fin fil (2 microns) conducteur collé sur 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. La résistance d un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet : R = ρl s où R est la résistance électrique ρ la résistivité du matériau L la longueur du fil s la section du fil

12 Capteur à jauges de contraintes Le capteur à jauges comprend donc un dispositif mécanique (corps d épreuve), destiné à provoquer, 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 à celles 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.

13 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 / Pression Accéléromètre Capteur de déplacement ultrasonique Débitmètre ultrasonique Courantomètre ADV Radar

14 Capteur ultrasonique L'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.

15 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 utilisant le principe d interférométrie.

16 Tableau Récapitulatif Type Capteur de pression Capteur ultrasonique Capteur laser Bed profiler Wavo Limnimètre Avantages Précis Compact / Robuste Rapidité / ponctuelle Surface / Fond Précis Référence Inconvénients Tuyauterie Sensible aux objets Flottants / Mousse Zone morte Trainée Lent Plan D eau

17 Les débitmètres Le débit est habituellement mesuré par déduction, en mesurant la vitesse moyenne à travers 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 débitmètre V est la vitesse moyenne du fluide en m/s le long de la conduite : coude/vanne Autres types de mesures : -Déversoir -Venturi / Diaphragme -Empotement

18 Débitmètre électromagnétique Le 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

19 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.

20 Débitmètre Type Avantages Inconvénients Electromagnétique Précis / immergeable Coûteux / Intrusif Ultrasonique Amovible Moins précis Vortex/diaphragme Coriolis Simple Linéaire Gaz / Produit alimentaire Grande rangebilité Pas pour faible débit Limité à de petits diamètres

21 Les courantomètres / Vélocimètre -Tube de Pitot / -Preston -ADV -Fil à bulles Moulinet / micro moulinet Courantomètre à fil chaud PTV Capteur Conditionneur Instrument Conclusion

22 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 p s égale à la pression ambiante. L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale p t, 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 (p s est la pression statique, p t est la pression totale) ρ = masse volumique du fluide

23 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 recueillie par le récepteur fixe.

24 Conditionneur Introduction Chaîne de mesures Capteurs Conditionneur Son rôle Types de sorties Les réglages Instruments Logiciels Définitions

25 Rôles du Conditionneur v Son rôle principal est l amplification du signal délivré par le capteur pour b lui donner un niveau compatible avec l'unité de visualisation ou d'utilisation. Cet étage intègre généralement l alimentation du capteur et un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal.

26 Sortie analogique Sortie 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

27 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)

28 Les instruments Introduction Chaîne de mesures Capteurs Conditionneur Instruments Circuit Les entrées analogiques La conversion analogique/digitale La vitesse d échantillonnage Logiciels Définitions

29 Les instruments Spécifications : Format Nombre d entrée/sortie (A/D) Vitesse de mesure Résolution Oscilloscope Agilent Carte PCI National Instruments DaQPad USB National Instruments Multimètre scanner Agilent

30 Circuit Circuit d entrée analogique d une carte série M de National Instruments

31 Entrées analogiques Source 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.

32 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 / = 0, V - Convertisseur par intégration - Convertisseur à approximation successive - Convertisseur delta/sigma

33 Rapidité, temps de réponse C'est l'aptitude d'un instrument à suivre les variations de la grandeur à mesurer

34 Echantillonnage Le théorème de Nyquist-Shannon énonce que la fréquence d'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

35 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.

36 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

37 Les erreurs L'erreur de justesse est l'erreur globale résultant de toutes les causes pour chacun des résultats de mesure pris isolément Erreur de linéarité La fidélit lité est l'aptitude d'un appareil de mesure à donner des mesures exemptes d'erreurs accidentelles. Erreur d hystérésis Incertitude de mesure : Somme des erreurs systématique et aléatoire d une chaîne de mesures

38 Partie logiciel Acquimem Acquisition rapide ( > 10 hz) Drivers National uniquement Contact Pro Acquisition/pilotage lent Drivers multi instrument

39 Définitions Sensibilité: 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. I: Indication donnée par l'essai G: Quantité de grandeur à mesurer La précision: La précision est l aptitude d un instrument à mesurer 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). 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).

40 Fin Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré" (Galilée)