2.4 CAPTEURS ET TRANSMETTEURS 2.4.1 Définitions sur les capteurs Le capteur Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique (information entrante), une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande. Grandeur physique à mesurer CAPTEUR Grandeur physique de sortie Milieu physique Interface Système de controle Capteur actif Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Les plus classiques sont : Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(t1,t2). Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées. Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique. Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau.
Effet Hall : Un champs B crée dans le matériau un champs électrique E dans une direction perpendiculaire. Effet photovoltaïque :Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes. Grandeur physique à mesurer Effet utilisé Température Thermoélectricité Tension Flux de rayonnement optique Photo-émission Courant Force Effet photovoltaïque Effet photo-électrique Grandeur de sortie Tension Tension Pression Piézo-électricité Charge Accélération Vitesse Induction électromagnétique Tension Position (Aimant) Effet Hall Tension courant Capteur passif Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La variation d'impédance résulte : Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'un grand nombre de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile. Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression accélération (armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensiométrie liée à une structure déformable).
Grandeur mesurée Caractéristique électrique sensible Type de matériaux utilisé Température Résistivité Métaux : platine, nickel, cuivre... Très basse température Flux de rayonnement optique Constante diélectrique Verre Résistivité Semi-conducteur Déformation Résistivité Alliage de Nickel, silicium dopé Perméabilité magnétique Alliage ferromagnétique Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto résistants : bismuth, antimoine d'indium Humidité Résistivité Chlorure de lithium L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu'en intégrant le capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur. Corps d'épreuve et Capteurs composites Pour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation on peut être amené à utiliser un capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l'un de ses effets. Le corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer produit une grandeur directement mesurable par le capteur. Grandeur à mesurer Corps d épreuve Grandeur intérmédiaire Capteur actif ou passif Capteur composite Capteur intégré C'est un composant réalisé par les techniques de la microélectronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d'épreuve et l'électronique de conditionnement. Signal électrique Grandeur à mesurer Corps d épreuve Capteur actif ou passif Électronique associée Signal électrique Substrat Si Capteur intégré
2.4.2 Le Transmetteur Transmetteur de pression intélligent Platinum Standard de Elsag Bailey Le rôle du transmetteur C'est un dispositif répondant à une variable mesurée afin de générer et de transmettre un signal de sortie standard en relation continue avec la valeur de la variable mesurée. Le transmetteur "intelligent" C'est un appareil de mesure sur site muni d'un microcontrôleur et utilisant les communications numériques pour la transmission des informations. Ses nouvelles fonctionnalités : Le module de communication permet : de régler le transmetteur à distance, de brancher plusieurs transmetteurs sur la même ligne.
Le microcontrôleur permet : de convertir la mesure en une autre grandeur. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau (voir chapitre sur les mesures de niveau). de corriger l'influence des grandeurs d'influences sur la mesure. Avantages métrologique du transmetteur "intelligent" Précision Le transmetteur possède moins de composants analogiques. Les grandeurs d'influences sont compensées. La non linéarité du transducteur peut être corrigé. Rangeabilité Répétabilité Autosurveillance Traitement du signal Avantages à la configuration et maintenance Convivialité Standardisation Diagnostic Archivage des configuration Structure d'un transmetteur "intelligent" 2.4.3 Évolution des capteurs Comme dans le reste de l'industrie, les capteurs analogiques laissent la place de plus en plus aux capteurs numériques. Dans un premier temps ceci c'est matérialisé par l'apparition des transmetteurs intelligents. Aujourd'hui, on se rapproche de plus en plus d'une architecture en réseaux des capteurs ; le bus de terrain. Il existe plusieurs standards industriels de bus de terrain, on citera : Profibus, Fieldbus, WoldFip. Leur objectif est le même, simplifier la mise en place des boucles de régulation. Pour cela, ils utilisent une liaison unique entre les différents intervenants de la boucle de régulation (capteurs, régulateurs, actionneurs), liaison qui sert à la fois au dialogue entre ces intervenants et à leur alimentation en énergie. Ainsi, l'ajout d'un intervenant dans une boucle complexe se résume en deux interventions :
Le montage de l'intervenant sur le bus ; L'adaptation, par l'intermédiaire d'un logiciel, du fonctionnement de la régulation. Malgré l'existence de passerelles, il faut une standardisation de ces différents bus, dans le but de simplifier la mise en oeuvre de ces nouvelles technologies et d'en diminuer le coût. Exemple 1 : Régulation en cascade Considérons la régulation en cascade des niveaux de deux réservoirs figurés ci-dessous. Régulateur de niveau en cascade
La grandeur d'état primaire, celle dont on souhaite contrôler la valeur, est le niveau L1; celle d'état secondaire est le niveau L2. L'objectif est d'obtenir en régime permanent L1 égal à sa consigne W1. Si les deux régulations possèdent une action intégrale, en régime permanent on a très précisément : W1=M1, W2=M2. Si par contre le régulateur R2 n'est pas doté de ce perfectionnement le régime permanent correspond à W1=M1 et M2=W2-e, avec e écart résiduel entre signal de mesure et consigne. Ce qui revient à dire que le capteur d'état secondaire doit être fidèle mais pas nécessairement juste à la différence du capteur de grandeur primaire. Exemple 2: Échangeur de chaleur Prenons l'exemple d'un échangeur de chaleur : on souhaite Ts=consigne. On peut considérer le débit Qf comme une grandeur perturbatrice principale puisque toute augmentation de Qf provoquera, après un certain temps, une augmentation de Ts (on suppose le fluide Qc à une température inférieure à Ts). il y aura donc lieu de prévoir une régulation de tendance qui agira directement sur le débit Qc dès la variation de Qf et non après variation de Ts d'où le schéma. Échangeur de température Il est à noter que si le signal de réglage de la vanne sortant du sommateur peut être modifié indifféremment par les régulateurs R1 et R2, les capteurs à l'origine de ces modifications n'ont pas lieu de présenter les mêmes caractéristiques. Le capteur de
température C1(grandeur primaire) doit être précis, tandis que le capteur C2 de débit Qf doit seulement être fidèle (c'est à dire donner la même variation dk2 pour une même variation dqf ). Exemple 3: Documentation technique du capteur On exprime très souvent la précision en pourcentage de l'étendue de mesure (ou de la pleine échelle % P.E. soit en anglais % fso, pour full scale output). Il en est de même de beaucoup de caractéristiques fournies dans les documents techniques. A titre d'exemple la figure ci-dessous extraite du catalogue de la société SCAIME montre un exemple de présentation des caractéristiques métrologiques essentielles d'une gamme de transmetteurs de pression. Caractéristiques métrologiques de capteurs de pression (documentation SCAIME)
2.4.4 Les actionneurs Les systèmes physiques peuvent être utilisés en les sollicitant électriquement pour faire varier une grandeur physique. L'actionneur le plus utilisé est celui appelé "moteur électrique". Le mouvement de rotation obtenu permet de commander de nombreux actionneurs mécaniques (vanne, vérin, etc..) Exemples de moteurs: Classement des différents actionneurs, selon les grandeurs physiques les plus courantes :
2.4.5 L'importance du câblage Dans toute chaîne d'acquisition de données, il est très important de bien définir les spécifications du câblage entre les sources des signaux (les capteurs) et les entrées du système ou entre les sorties du système et les actionneurs. 2.5 COMMUNICATION AVEC LE MONDE DE LA PUISSANCE 2.5.1 Introduction Monde des microprocesseurs = monde faible puissance (souvent TTL) Monde des applications industrielles = monde de la puissance et des perturbations. Pour interagir avec le monde de la puissance, le microprocesseur ou microcontrôleur utilisera des transformateurs faible puissance/forte puissance et inversement. et non pas interagir directement. Le raccordement à ces transformateurs se fait lui-même à travers des circuits spécialisés Exemple de difficultés : Une ampoule alimentée par le réseau électrique (courant alternatif 110V à 60 Hz), 120 fois par seconde le courant qui traverse cette lampe sera égale à zéro. Si la commande des relais est directement validée par le microprocesseur, la mise en route ou l'arrêt des lampes, des moteurs, etc...va générer des parasites importants. Ces parasites ont au moins deux effets : créer des étincelles sur les contacts des relais (réduit leur durée de vie) engendrer des inductions qui se propagent dans les différents circuits électroniques.
Des phénomènes aussi simples peuvent perturber le bon fonctionnement du microprocesseur (micro-coupures du réseau 110V, Actionnement d'une sonnette d'entrée, démarrage de l'ascenseur, mise en route d'un moteur,...) Le degré de perturbations dépend de la capacité du montage électronique à protéger et à isoler le microprocesseur. Si la commande des relais, par exemple, ne peut pas protéger le microprocesseur contre les perturbations externes, au moins elle ne doit pas créer ces propres perturbations. Les perturbations sont présentes dans tous les systèmes électroniques, mais elles sont bien évidentes dans les systèmes de puissance. 2.5.2 Description d'un exemple de chaîne industrielle commandée par calculateur (Extrait du livre "traitement des signaux et acquisition de données", Francis Cottet, DUNOD) Afin de donner un exemple sur la diversité des problèmes rencontrés dans la mise en place des systèmes de mesure et de commande, étudions un système qui doit commander une enceinte thermostatée. Opérations à réaliser : régulation en température de l'enceinte (chauffage par résistance électrique) mesure de la température intérieure (thermocouple) vérification de la fermeture de la porte de l'enceinte (simple contact électrique) allumage d'une lampe témoin (lorsque la température de consigne est atteinte)
4 interfaces nécessitant toutes des adaptations Interface 1 (liaison thermocouple calculateur) C'est une entrée analogique, d'un signal faible (quelques dizaines de mv) nécessite un montage du type ampli+can Remarque: T=f(V) caractéristique non-linéaire, fournie par le fabricant, donc à prendre en compte au niveau des calculs.
Interface 2 (liaison contact électrique calculateur) Interrupteur à deux positions : +15V (porte ouverte) 0V (porte fermée) Adaptation (+15V, 0V TTL) e' = e[r 2 /(R 1 +R 2 )] avec R 2 =10KΩ et R 1 =20KΩ Interface 3 (liaison lampe calculateur) Lampe alimentée en 110V alternatif, utilisation d'un relais permettant de commuter le secteur sur la lampe tout en réalisant l'isolement électrique (voir 8.4 et 8.5 livre référence). Interface 4 (liaison calculateur résistance électrique) La résistance électrique nécessite une puissance de commande importante, solution=cna+ampli.puissance.
Conclusion : Pour un exemple simple comme celui ci-dessous, on observe la diversité des types d'interfaces à mettre en oeuvre. 2.5.3 Chaîne d'e/s numérique 2.5.3.1 Cas simples : signaux compatibles TTL Exemple: liaison sortie numérique-led, échange de données par deux microprocesseurs, etc... 2.5.3.2 Cas général L'interface doit être étudiée au niveau des différentes fonctions : adaptation, isolement, filtrage, étage tampon. 2.5.3.3 Composants d'une chaîne d'e/s numériques a) Adaptation Adaptation en puissance Par relais électromagnétiques ou statiques
Relais électromagnétiques : isolement électrique de l'ordre de 1000V, un gain en puissance important (une gamme très large de relais EM) Avantages : temps de réponse mécanique de l'ordre de 10 ms, donc limités en fréquence (joue le rôle d'un filtre passe-bas) Relais statiques : des étages de puissance réalisés avec des transistors pour les tensions continues et des triacs pour les tensions alternatives, plus grande durée de vie, bande passante plus étendue. Adaptation de niveau Pont diviseur Amplificateur Changement du type de signal L'information que l'on veut récupérer, peut être contenue seulement dans une partie du signal reçu: amplitude maximale, valeur moyenne, une fenêtre,...ou par exemple, changer un signal alternatif en signal continu en utilisant un pont de diode. b) Isolement et filtrage
Isolement électrique Coupleurs optoélectroniques : protection contre les surtensions, isolement du système jusqu'à plusieurs milliers de volts, élimination du couplage par la masse dans le cas d'alimentations séparées,... Ils sont caractérisés par le rapport CTR (Current Transmission Ratio) CRT =I sortie /I entrée exprimé en % Avantages: - grande vitesse de transmission > Mbit/s - compatibilité TTL - faible courant d'entrée - gain élevé. Ce système optique de transmission de l'information permet aussi d'éloigner le calculateur du processus industriel en faisant une liaison diode électroluminescente/phototransistor par fibre optique, cette liaison est insensible aux parasites. Protection Diode de protection contre les courants inverses Diode de protection pour écrêtage du signal Diodes Zener pour limiter la tension (faibles tensions seulement < dizaine de volts)
Filtrage Une forme d'isolement est la suppression de certaines fréquences (exemple les 60 Hz et ses harmoniques 120 et 240 Hz, par un filtre passe-haut ou un filtre réjecteur ( Pour l'amérique du nord, il faut prendre des filtres en fonction du réseau 110V-60Hz) c) Étage tampon - Mémorisation des données - adaptation à un bus de données - synchronisation par la logique de commande 2.5.4 Les automates programmables industriels API (Consulter une documentation plus détaillée, par exemple "Électrotechnique" Théodore Wildi, Les presses de l'université de Laval) 2.5.4.1 Les éléments d'un système de commande
2.5.4.2 Structure d'un API Modules d'entrée et modules de sortie: module d'entrée Module de sortie
Exemple: Un bouton poussoir doit alimenter trois lampes L1, L2 et L3 de sorte que L1 et L2 s'allument et que L3 s'éteigne lorsqu'on appuie sur le bouton.