National Instruments Notre mission

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2 National Instruments Notre mission Depuis 1976, National Instruments fournit aux ingénieurs et scientifiques des outils qui accélèrent la productivité, l'innovation et les découvertes

3 La conception graphique de systèmes Une approche basée plate-forme pour la mesure et le contrôle/commande Test Surveillance Embarqué Contrôle/commande Cyber Physique DAQ basée PC et portables Instruments PXI modulaires RIO et conceptions personnalisées Connectivité ouverte avec les E/S tierces

4 Les principes des capteurs, conditionnement et acquisition de données

5 Qu est-ce que l acquisition de données (DAQ)? Simplement l action de prendre des mesures

6 Pourquoi mesurer? Les ingénieurs ont besoin de déterminer le comportement d un système pour optimiser ses performances Les signaux issus des capteurs indiquent comment le système réagit Les ingénieurs peuvent utiliser ces informations pour modifier les performances

7 Pourquoi mesurer? L acquisition de données embarquée en véhicule est une tâche complexe mais qui, cependant, fournit des informations précieuses sur les performances d un véhicule sur la route Diverses données ont besoin d être collectées à partir de sources variées, comme des centaines de capteurs ou des bus comme le CAN peuvent être impliqués Des signaux mixtes : vibration, T/min, contraintes, température, couple, charge, pression, vitesse, CAN

8 Qu est-ce que l acquisition de données (DAQ)? Des centaines de voies, de la synchronisation, des déclenchements différents types de données Tout ceci a nécessité la création de systèmes d acquisition adaptés

9 Qu est-ce que l acquisition de données (DAQ)? Un oscilloscope peut afficher, analyser, enregistrer ainsi que déclencher une mesure. L utilisateur peut ainsi mieux contrôler les acquisitions.

10 Qu est-ce que l acquisition de données (DAQ)? Une carte DAQ offre les mêmes fonctionnalités qu un oscilloscope mais permet la réalisation de nombreuses fonctionnalités supplémentaires de manière personnalisable par logiciel. De plus, elle est compacte, économique et utilise la puissance du processeur des PC.

11 Les composants d un système DAQ

13 Les bases d un capteur Convertit un phénomène physique en un signal électrique mesurable Transducteur ou capteur Phénomène physique (lumière, température ) Signal électrique

14 Exemples de capteurs Phénomène Transducteurs/capteurs Caractéristiques électriques Température Thermocouples, RTD, thermistances Sortie faible tension, non linéaire Lumière Tube à vide, photo-détecteurs Sortie boucle de courant (typique en 4-20 ma) Son Microphone Sortie de charge, amplificateur de charge intégré IEPE Force et pression Position et déplacements Jauges de contrainte, transducteurs piézoélectriques Potentionmètres, Linear Voltage Differential Transformer (LVDT), encodeur optique Faible résistance, faible sensibilité, non linéaire LVDT : inductif, nécessite une démodulation Vibration Accéléromètre Sortie de charge, amplificateur de charge intégré IEPE ph Électrodes ph

15 Les capteurs analogiques abordés aujourd hui Thermocouple RTD Thermistance Tension/courant (et forts courants) Jauge de contrainte/déformation Pression Accéléromètre

16 Les capteurs de température Thermocouples RTD 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

17 Les thermocouples V V = S T S varie aussi avec la température S dépend de la nature des métaux 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

18 Démonstration des thermocouples Ce que nous allons utiliser pour les démonstrations NI Measurement & Automation Explorer (MAX) Les assistants de configuration d acquisition Les modules d acquisition de la Série C Le nouveau châssis CompactDAQ autonome

19 Les sondes RTD/PT100 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

20 Les sondes RTD/PT100 Envoi d un faible courant constant dans la résistance du capteur Utilisation d un montage en pont Exemple module de la Série C NI 9219 Exemple modules SCXI 1520 et 1314

21 Démonstration des sondes RTD/PT100 Ex. : RTD/PT100 3 fils = 2 fils rouges et 1 fil blanc Utilisation du module générique de la Série C : NI 9219

22 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 sensible par ex. : 100 Ω / C par rapport à une RTD 0,4 Ω / C Résistance nominale élevée : de 2 à 10 kω à 25 C Coefficient de température négatif ou positif (CTN ou CTP) Valeur «B Value» nécessaire pour la mise à l échelle R TH T C

23 Méthodes de mesure des capteurs thermorésistifs Source d excitation constante et mesure de la tension (U = Ri) Montage pont diviseur avec une source d excitation en tension Source de courant constant et mesure de tension Effet d auto-échauffement par le courant d excitation (Iex minimal) U i 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

24 Les capteurs qui renvoient des tensions ou courants Le conditionnement du signal est intégré Le constructeur fournit une échelle ou une table de correspondance Exemple de capteur de distance infrarouge 5 V Masse Sortie

25 Mesure de forts courants alternatifs Transformateurs de courant et transducteurs Transformateurs de courant à noyau fendu ouvrable ou à noyau plein Transformateur de mesure de forte tension ou courant Passage du courant NI 9239 Module d entrée courant Connexion à un module isolé de Série C

26 Les capteurs de contrainte/déformation Une contrainte est la quantité de déformation d un corps à partir de l application d une force 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) exprimée en micro déformation (με) (e.10-6 ) Les jauges de contrainte utilisent la zone de déformation élastique réversible Rapport de longueur

27 Les méthodes et propriétés physiques Les capteurs basés sur la piézoélectricité (Quartz) Les capteurs de contraintes optiques (ex. : FBG = fibres à réseau de Bragg) basés sur la variation de propriétés de la lumière en fonction d une déformation Les capteurs de contraintes basés sur la variation de résistance électrique (conductibilité) du matériau Sensibilité à la contrainte = Facteur de jauge (GF) : Une jauge a environ un GF = 2 Force Force Les tensions augmentent la résistance Les compressions diminuent la résistance Axial Par courbure

28 La mesure d une déformation Les variations de résistances sont très petites Exemple : 500 με avec un facteur de jauge de 2 (métal) la variation de résistance sera de 2 x (500x10-6 ) = 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

29 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 3 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? Sensible aux variations de température

30 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 uniquement par la température Placé dans la même branche verticale du pont, l effet de température se soustrait

31 Montage en demi-pont et pont complet Deux ou quatre résistances sont remplacées par des jauges dans le pont La sensibilité est doublée ou quadruplée Peut annuler l action de la température La tension de sortie est linéaire et exprimée en mv/v d excitation

32 Considérations de mise en œuvre L équilibrage du pont (mise à zéro de la tension) o Compensation logicielle o Circuit d annulation d offset Capteurs de forces, pesages, extensomètres o Échelles de correspondances à prendre en compte entre mv/v, contrainte (ε), force (N), poids (Kg) Étalonnage du système avec les valeurs min et max de la gamme

33 Démonstration des contraintes Module NI 9235 pour montage en quart de pont 120 Ω

34 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)

35 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

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

37 Méthodes de mesure Pré-conditionné pour l échelle min. max. avec une alimentation externe Sortie en tension 0 à 5 V Sortie en courant 0 à 20 ma ou 4 à 20 ma Réalisé par une mesure interne en pont (mv/v) donc linéaire pour la plupart

38 Les accéléromètres Mesure L accélération La vitesse et les déplacements (via intégration par rapport au temps) Les résultats sont exprimés en unités g ou m/s 2 1 g = l accélération à la surface de la terre 1 g = 9,81 m/s 2

39 Principe de fonctionnement d un capteur basé sur la piézoélectricité Les vibrations déforment un cristal piézoélectrique et des charges électriques apparaissent à sa surface Ces charges sont ensuite converties en tensions analogiques par un amplificateur de charge interne ou externe au capteur Signal de sortie en tension ou charge Amplificateurs externes Utilisation en hautes températures Boîtier et alimentation externe Amplificateurs intégrés Câblage simple du capteur Alimentation par le câble (IEPE) de 2 à 10 ma Supportent moins les hautes températures Vibrations

40 Démonstration accéléromètres Amplificateur intégré au capteur Connexion directe

42 Conditionnement de signaux Améliore et adapte un signal qui est difficile à mesurer directement par un périphérique DAQ (entrée tension) Pas toujours nécessaire Conditionnement de signaux Bruité, faible niveau Filtré, amplifié

43 Exemple de conditionnement de signaux Transducteur/signaux Thermocouple RTD (Resistance Temperature Detector) Jauge de contrainte Mode commun et hautes tensions Charges qui nécessitent de la commutation AC ou forts courants Bruit haute fréquence Conditionnement du signal Amplification, linéarisation, compensation de soudure froide Excitation en courant, linéarisation Excitation en tension, configuration en pont, linéarisation Amplificateur isolé Relais électromécaniques Filtre passe-bas

44 Classification des signaux Analogique Numérique État Forme Vitesse Niveau Fréquence

45 Les trois règles de l acquisition de données Résolution Gamme Vitesse Signal original Résolution de 6 bits Résolution de 3 bits

46 Les trois règles de l acquisition de données Résolution Gamme Vitesse Gamme de 102 V à V Signal original Résolution de 3 bits

47 Les trois règles de l acquisition de données Résolution Gamme Vitesse Vitesse Signal d éch. original = = ( Hz)

48 Démonstration de l action de la gamme (gains), résolution et échantillonnage sur la conversion A/N

49 Les autres fonctionnalités des matériels DAQ Entrées/sorties compteurs Comptage d événements Mesures périodes/fréquences Génération d impulsions Codeurs en quadrature (position, vitesses) Entrées/sorties numériques Mise au point de protocoles par signaux cadencés E/S statiques de type TOR (ex. relais)

50 Matériel d acquisition NI PXI Optimisé pour le grand nombre de voies et la synchronisation Systèmes NI CompactDAQ Personnalisable avec une variété de modules et de châssis DAQ pour PC de bureau Installation dans un PC de bureau pour optimiser le débit Périphérique simple DAQ portables Facilité de connexion à tout PC de manière simple

51 La plate-forme NI CompactDAQ Un système personnalisable pour vos applications Mélange d une famille de matériel autodétectés, insérables à chaud, basés sur des modules de Série C. Le même code, tous les bus Peu importe si vous choisissez le bus USB, Ethernet, ou Wi-Fi, le code est identique pour une réutilisation simple Un module pour chaque mesure Plus de 50 modules spécifiques à chaque grandeur et signaux mesurables Le choix de la bonne taille Disponible en 1, 4 et 8 emplacements Jusqu à 256 voies par châssis

52 Comparaison des bus d acquisition Distance Débit Installation Fiabilité Prix Autonome USB Ethernet Wi-Fi Autonome : permet une connexion directe au capteur, une intelligence embarquée sous Windows et un enregistrement local interne USB : disponible sur tout PC, offre simplicité et bande passante proche de l ordinateur Ethernet : permet d étendre vos mesures jusqu à 100 m par câble et de réaliser une infrastructure avec de nombreux systèmes indépendants Wi-Fi : ajoute le sans fil aux avantages de l Ethernet pour éviter les coûts de câblage

54 Pourquoi le logiciel est-il important? Coût total de l application de mesure = Prix du matériel + Prix du logiciel + coûts de développement Prix visible Coût cachés

55 Pourquoi le logiciel est-il important? 36 %, Prix du matériel et du logiciel 64 %, Côuts du développement Source : enquête de National Instruments sur des clients en acquisition de données, 2005

56 Pourquoi le driver est-il si important? NI-DAQmx est un driver matériel puissant qui permet de piloter tous les matériels d acquisition LabVIEW, C,.NET Application logicielle NI-DAQmx Driver matériel USB, PXI Express, PCI Express Bus Centaines de périphériques DAQ Matériel DAQ

57 Configuration par rapport à Programmation Configuration Programmation

58 API NI-DAQmx de LabVIEW Configurer les voies Configurer les cadencements Configurer les déclenchements Démarrer l acquisition Lire les données Effacer la tâche

59 API NI-DAQmx de LabVIEW

63 Démonstration de l utilisation de logiciels DAQ VI Express LabVIEW pour la configuration et les mesures rapides API NI-DAQmx pour exploiter la puissance des matériels

64 API NI-DAQmx en langage C DAQmxCreateAIVoltageChan( taskhandle, Dev1/ai0,, DAQmx_Val_Cfg_Default, -10.0, 10.0, DAQmx_Val_Volts, NULL ); Configure les voies DAQmxCfgSampClkTiming( taskhandle,, , DAQmx_Val_Rising, DAQmx_Val_FiniteSamps, 1000 ); Configure le cadencement DAQmxCfgDigEdgeStartTrig( taskhandle, /Dev1/PFI0, DAQmx_Val_Rising ); DAQmxStartTask( taskhandle ); Configure les déclenchements Démarrer l acquisition DAQmxReadAnalogF64( taskhandle, -1, 10.0, 0, data, 1000, &read, NULL ); printf( Acquired %d samples. %d, read ); Lire les données DAQmxClearTask( taskhandle ); Effacer la tâche

65 Conclusion : Critères pour choisir le meilleur système d acquisition pour son application Votre système d acquisition nécessite éventuellement : Un conditionnement du signal Une résolution appropriée La bonne vitesse d échantillonnage Le bon type de cadencement et de déclenchement Le bon bus de communication vers l ordinateur La bonne technique d étalonnage interne Les bons outils logiciels pour l analyse et le rapport