PFE 22 : Etalonnage dynamique de capteur de pression et Qualité

étrologie ENSAM Ecole Nationale Supérieure d'arts et Métiers aboratoire YNAMIQUE 999-2000 Accès libre PFE 22 : Etalonnage dynamique de capteur de pression et Qualité Auteurs : Directeurs de projet : Benoît Durand M. DAMION Jean-Pierre Romain Fornelli M. TARTARY Jean-Pierre <

ANNEE : 2000 GROUPE : ENG NUMERO DU PFE : 22 CENTRE DE RATTACHEMENT PFE : AUTEURS : DURAND Benoît, FORNELLI Romain TITRE : Etalonnage dynamique de capteur de pression et Qualité ENCADREMENT DU PFE : M. DAMION, M. TARTARY PARTENAIRE DU PFE : aucun NOMBRES DE PAGES : 3 NOMBRE DE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES : 2 RESUME : cette étude a consisté à adopter une démarche qualité portant, d une part sur les procédures des moyens d étalonnage, et d autre part, sur les moyens eux même (TC et DOR) afin d améliorer leur performance. MOTS CLES : Tube à choc, Dispositif à ouverture rapide, ligne pneumatique, qualité, procédure, membrane, onde de choc PARTIE A REMPLIR PAR LE RESPONSABLE DU PROJET ACCESSIBILITE DE CE RAPPORT (entourer la mention correcte) : LIBRE CONFIDENTIEL pendant an(s) DATE : Nom du signataire : Signature :

REMERCIEMENTS Nous tenons à remercier Monsieur DAMION, professeur au Laboratoire de Métrologie Dynamique de l ENSAM, de nous avoir orientés et encadrés dans nos travaux tout au long de l année. Nous remercions également Monsieur TARTARY pour son aide précieuse et son soutien technique. 2

Sommaire I. Présentation du laboratoire..4. Mission du laboratoire 4 2. L étalonnage de capteur.4 3. Les moyens d étalonnage...7 a) Les générateurs d échelon.7 b) Les systèmes d acquisition 9 4. La démarche Qualité du laboratoire..9 II. Nos travaux au sein du LMD 9. Aspect opérationnel et organisationnel des moyens de mesure 0 2. Travaux sur le TCR..0 3. Comparaison Nicolet 206 / Nicolet Pro 44..2 a) Simulation d un essai TCR avec un générateur d échelon.2 b) Influence du nombre de points échantillonnés sur le N. Pro...3 c) Comparaison de temporelles entre Nicolet Pro 44 et 206...4 4. Travaux sur le TC20.5 a) er type de montage : avec robinets.5 b) 2 ème type de montage : avec bouchons 8 c) Superposition des 4 courbes....20 5. Travaux sur le TC0.2 6. Travaux sur le DOR20.23 7. Comparaison des capteurs 603 42369 et 603 68022 24 a) Essais sur le TC20...24 b) Essais sur le TC0...29 c) Essais sur le DOR20.....30 Bibliographie.32 3

I. Présentation du laboratoire. Mission du laboratoire : Depuis sa création en 973 par Jean-Pierre DAMION, le Laboratoire de Métrologie Dynamique du CER de Paris n'a cessé de développer des méthodes et des moyens d'acquisition, de traitement et d'analyse en étalonnage pression dynamique. Sollicité par les entreprises pour étalonner leurs capteurs, le laboratoire se donne pour mission d'améliorer les moyens et les méthodes d'essais en étalonnage pression dynamique. La compétence dans ce domaine a pu s acquérir par : la conception et la réalisation des moyens de mesure et d étalonnage, l intervention dans des stages de formation continue s adressant aux industriels et aux chercheurs depuis 980, la participation à des conférences internationales et la participation à l'expertise pour des organismes nationaux, la mise en place d un réseau d échange avec des laboratoires français et étrangers, des publications scientifiques et pédagogiques. 2. L'étalonnage de capteur L étalonnage dynamique d un capteur est l opération qui consiste à déterminer sa fonction de transfert, c'est à dire la relation qui relie son entrée et sa sortie, aussi bien en régime statique que dynamique. Pour accéder à cette fonction, l entrée du capteur est soumise à un signal type connu et la sortie est enregistrée et exploitée pour en extraire le gain et la phase en fonction de la fréquence. Entrée e(t) CAPTEUR Sortie s(t) H(v) = Fonction de transfert = S(v)/E(v) La fonction de transfert d un capteur H(υ) est définie comme le rapport de la transformée de Fourier de la sortie S(υ) sur la transformée de Fourier de l entrée E(υ) : H(υ) = S(υ) / E(υ) (υ : fréquence) 4

Pour étalonner dynamiquement un capteur, il est donc nécessaire d avoir un générateur de pression harmonique ou transitoire, un système d acquisition de la réponse du capteur en essai et un logiciel ou un appareil de détermination de la fonction de transfert. Le laboratoire LMD n'utilise que des générateurs d'échelons : -le tube à choc pour le domaine haute fréquence (TCR,TC0, TC20). -le dispositif à ouverture rapide pour le domaine basse fréquence (DOR0, DOR 20). Le graphe ci-dessous définit les cas où les générateurs d'échelon peuvent être utilisés. Pression (bar) 00 0 DOR 0, 20 TC 0, 20 0. TCR 0 Fréquence (khz) Domaine pression-fréquence des moyens d étalonnage dynamique Un banc d étalonnage dynamique de capteurs de pression est donc constitué des éléments suivants : - un générateur d échelon (tube à choc ou dispositif à ouverture rapide) - les commandes des générateurs d échelon - un capteur de référence (éventuellement) - un système d acquisition de la réponse transitoire du capteur en essai et du capteur de référence éventuellement - un logiciel de calcul de fonction de transfert La figure suivante montre l ensemble d un banc d étalonnage dynamique de capteurs de pression. 5

Schéma de principe du banc d étalonnage de capteurs haute pression : TUBE A CHOC Electroniques associées Capteurs de référence FILTRE Gaz sous pression Capteurs en essai ENREGISTREUR DE TRANSITOIRES BOUTEILLES SOUS PRESSION ARMOIRE DE SERVITUDES ET CONTROLES PNEUMATIQUES DISPOSITIF A OUVERTURE RAPIDE DOR MICRO ORDINATEUR 6

3. Les moyens d'étalonnage a) Les générateurs d'échelon Les TC et DOR génèrent des échelons de caractéristiques différentes, ce qui rend ces moyens très complémentaires. Les dispositifs à ouverture rapide Les dispositifs à ouverture rapide (DOR) possèdent une chambre haute pression et une chambre basse pression; la plus petite des deux est de volume très faible par rapport à l'autre. Les chambres sont mises en communication grâce à une électrovanne. Alimentation grande chambre Alimentation petite chambre Schéma de fonctionnement du DOR 7

Les tubes à choc Perce-membrane TCR-TC20 Capteurs Perce-membrane TC0 Membrane Chambre Haute Pression Chambre Basse Pression Schéma fonctionnel des tubes à choc Les tubes à chocs (TC) sont constitués de 2 chambres (basse pression et haute pression) séparées par une membrane. Le capteur à étalonner est monté en paroi ou en bout de la chambre basse pression. La rupture de la membrane est provoquée par un perce-membrane dont l'actionneur est placé au niveau de la membrane pour TCR et TC20, et en bout de chambre haute pression pour le TC0. L onde de choc résultant de la différence de pression entre les deux chambres se propage et génère un échelon au niveau du capteur. Le diagramme ci-dessous montre l'évolution de la pression en fonction du temps et de l'espace. membrane capteur H B t 5 t 3 2 t 4 P x x P P5 P2 P P4 Pression en fonction du temps pour une abscisse x fixée P3=P2 P Pression en fonction de x à un instant t x Evolution de la pression en fonction du temps et de l'espace 8

Remarque : les zones 2 et 3 se distinguent par des températures et masses volumiques différentes. Par contre, les pressions dans les 2 zones sont identiques. b) Les systèmes d'acquisition Les signaux mesurés par les capteurs sont numérisés, via un filtre, par le Nicolet Pro 44 (antérieurement par le Nicolet 206). Les courbes sont ensuite traitées à l aide d un logiciel (Edycap) développé au sein du qui permet de calculer les fonctions de transfert. Matlab est aussi très utile pour analyser les courbes. 4. La démarche Qualité du laboratoire Depuis 998 le LMD met en œuvre sa politique qualité à travers : La compétence du personnel et l existence d'un responsable technique, garant de la validité des documents d'étalonnage et responsable de l'ensemble du laboratoire. La compatibilité des équipements et des étalons de référence avec le domaine de mesure et les incertitudes proposées par le laboratoire. La maîtrise de l environnement du laboratoire (température, vibrations, alimentation électrique ). Des méthodes d'étalonnage et un bilan exhaustif des causes d'incertitude pour chaque domaine. Des procédures internes d'étalonnage. Le laboratoire s engage sur 2 axes essentiels: la satisfaction des clients et la qualité de la prestation technique. Il se dote ainsi principalement de 2 outils : L armoire qualité, contenant! Des procédures! Un classeur de mesure! Un inventaire de matériel! Des notices d utilisation de matériel! Les fiches de vie du matériel!. Le panneau d affichage qualité I. Nos travaux au sein du laboratoire LMD Notre projet a consisté à adopter une démarche qualité portant, d une part, sur l aspect opérationnel et organisationnel des moyens de mesure, et d autre part sur les possibilités d étalonnage. 9

. Aspect opérationnel et organisationnel des moyens de mesure Les procédures d utilisation du DOR 20 (LMD008) et du TCR(LM00) ont été mises à jour. En les mettant en pratique, nous avons corrigé imprécisions et inexactitudes. De plus, la procédure du TCR a été mise sous forme HTML. L objectif, à terme, est de mettre toutes les procédures sous format HTML, et de les archiver sur CD-Rom. Enfin, un classeur contenant les fiches de mesures remplies après chaque essai a été mis en place. 2. Travaux sur le TCR Problématique : L année dernière, le TCR a subi des modifications, entre autres, au niveau des lignes pneumatiques (elles ont été rallongées). Depuis ce changement, la qualité des mesures faites sur le TCR s est altérée. Pour vérifier si c est effectivement la longueur des lignes pneumatiques qui pose problème, nous avons placé 4 robinets en bout (côté TCR) des lignes pneumatiques alimentant et permettant la mesure des chambres haute et basse pression. Les robinets sont fermés juste avant que le tir soit déclenché. Le protocole expérimental est le suivant : " Capteur : 603 42369 " Gaz : air, BP : bar HP : 2 bar " Filtre : Butterworth 4kHz " Nicolet : 0.0 ms 0000 points Les graphes ci-après représentent le rapport entre un échelon parfait et le signal enregistré par le capteur. Analyse de la temporelle :.4.2 0.8 Temporelle 0.6 0.4 0.2 0 0 0.005 0.0 0.05 0.02 0.025 0.03 Secondes 0

.2.9.8.7.6.5.4.3.2...09.08.07.06.05.04.03.02.0 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0 0.00 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.0 0.0 0.02 0.03 0.04 0.05 secondes Zoom de la temporelle On constate que la courbe met environ 6 ms pour que la valeur moyenne converge vers (zone encadrée). Ce problème engendre un écart de 2% qui va se retrouver sur la fonction de transfert. Analyse de la fonction de transfert : On constate que jusqu à 70 Hertz, l écart est inférieur à 2% ; puis il oscille autour de 2% entre 70 Hertz et 0 Hertz. Cet écart est peu acceptable dans la mesure où on souhaite que l incertitude de mesure soit inférieure à 2%..07.06.05.04.03 Fonction de transfert.02.0 0.99 0 0 2 0 3 Hertz

Conclusion : raccourcir les lignes pneumatiques (durant le tir) n a rien amélioré. Mais un autre paramètre a aussi changé : le système d acquisition. Quand le TCR donnait encore des résultats corrects, les mesures étaient enregistrées par le Nicolet 206 alors que maintenant, elles sont enregistrées par le Nicolet Pro 44. Nous allons ainsi voir les différences entre l acquisition du Nicolet 206 et l acquisition du Nicolet Pro 44. 3. Comparaison Nicolet 206 / Nicolet Pro 44 a) Simulation d un essai au TCR avec un générateur d échelon Protocole : Le signal est fourni par un générateur d échelon, et non par le TCR. On utilise ainsi un signal parfait. A part cela, on applique le protocole pour les essais au TCR : " Filtre : 4000 khz " Période d échantillonnage : 0.0 ms. " Nombre de points échantillonnés : # 206 : 4000 points (c'est sa capacité maximale) # Nicolet Pro 44 : d abord 4000 points et ensuite 0000 points..005.0025 0.9975 0.995 0.9925 0.99 0.9875 Ecart maximal (0,75%) Echantillonnage de. 0000 points (Pro 44) 0.985 0.9825 0.98 0 2 0 3 Hertz 206 pro 2

.005.0025 Ecart maximal (0.25%) 0.9975 0.995 0.9925 0.99 0.9875 0.985 0.9825 206 pro Echantillonnage de 4000 points (Pro 44) 0.98 Tout d'abord, entre 0 et 000 Hertz, dans les 2 cas de figure, on constate que le Nicolet Pro 44 présente un écart de 0.25% par rapport à l échelon parfait, ce qui est négligeable en considérant l incertitude de mesure lors d'un essai (incertitude tolérée : 2%), mais toutefois important vis à vis de l'écart quasi nul du Nicolet 206. Ensuite, les écarts entre les 2 courbes sont différents suivant la période d'échantillonnage: l'écart maximal est de 0.75% pour l échantillonnage de 0000 points et de 0.25% pour l échantillonnage de 4000 points. b) Influence du nombre de points d'échantillonnage sur le Nicolet Pro On suppose que la pondération sous Edycap interagit avec le nombre de points échantillonnés Avec pondération (sous Edycap) : 0 2 0 3 Hertz.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0.945 0.94 0.935 0.93 0 2 0 3 Hertz 4000 0000 3

Sans pondération (sous Edycap) :.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0.945 0.94 0.935 0.93 0 2 0 3 Hertz 4000 0000 Conclusions : la pondération engendre un écart entre les 2 courbes (lors du changement de pente). Sans pondération, on constate que le nombre de points échantillonnés n influe pas sur le calcul de la fonction de transfert. Nombre de points échantillonnés et pondération ont donc une action conjuguée sur le calcul de la fonction de transfert. c) Comparaison de temporelles entre Nicolet Pro 44 et Nicolet 206 Protocole : Le signal est fourni par un générateur d échelon. On n utilise pas de filtre. La période d échantillonnage est de 0.0 ms et le nombre de points échantillonnés est de 0000 pour le Nicolet Pro et 4000 pour le 206..005.004 206 Pro.003.002.00 0.999 Comparaison de temporelles entre Nicolet 206 et Pro 44 0.998 0.997 0.996 0.995 0 2 4 6 8 0 2 4 6 Secondes x 0-3 4

.005.004 206 Pro.003.002.00 Zoom des temporelles 0.999 0.998 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Secondes.2.4.6.8 2 x 0-3 On constate que le Pro met plus longtemps que le 206 pour converger vers. Le Pro 44 atteint au bout de 8ms, et dérive ensuite sous. L écart maximal est de 3.0-4. Conclusion : Ils existent bien des différences entre Nicolet Pro 44 et Nicolet 206. Cependant, elles sont trop peu importantes pour expliquer la baisse de performance du TCR. 4. Travaux sur le TC20 Dans le but de voir l'influence des lignes pneumatiques (de la chambre basse pression ) sur la qualité des résultats de mesure, nous avons effectué plusieurs modifications du TC20. Protocole expérimentale : " Pression : 0 bar " Nicolet : Fréquence d'échantillonnage : 2 µs Nombre de points échantillonnés : 500 " Filtre : Butterworth (fréquence de coupure : 20 KHz) " Capteur : 603 42369 (les courbes affichées résultent de la moyenne de 3 essais). a) er type de montage : avec robinets On branche un robinet sur chacune des lignes pneumatiques reliées à la chambre basse pression. alimentation BP : 0 bar HP : bar mesure Robinets ouverts : mesure 5

Le TC20 fonctionne dans sa configuration habituelle ( comme s'il n'y avait pas de robinets). Les 2 courbes suivantes servent de référence..3.25.2.5. Robinets ouverts.05 0.95 0.9 0.85 0 2 0 3 0 4.03.025.02.05.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0 2 0 3 0 4 Zoom (Robinets ouverts) 6

Robinets fermés : On ferme les robinets..35.3.25.2.5. Robinets fermés.05 0.95 0.9 0.85 0 2 0 3 0 4.03.025.02.05.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0 2 0 3 0 4 Zoom (robinets fermés) 7

b) 2 ème type de montage On enlève les lignes pneumatiques de la chambre basse pression. On bouche les prises de pression de 2 manières différentes. Avec un simple bouchon vissé:.3.25.2.5..05 Obturation avec un bouchon vissé. 0.95 0.9 0.85 0.8 0 2 0 3 0 4.03.025.02.05.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0 2 0 3 0 4 Zoom (obturation avec un bouchon vissé) 8

Avec bouchon vissé + polystyrène On garde le bouchon précédent et on rajoute du polystyrène pour combler le volume mort du bouchon..3.25.2.5..05 Polystyrène + bouchon vissé 0.95 0.9 0.85 0 2 0 3 0 4.03.025.02.05.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0 2 0 3 0 4 Zoom (polystyrène + bouchon vissé) 9

c) Superposition des 4 courbes Superposition des 4 courbes relatives aux différents moyens de fermeture de l'alimentation Zoom 20

Conclusion : c'est la courbe 423ouv qui converge le plus vers. La meilleure des solutions est donc de laisser le TC20 tel qu'il était à l'origine, avec les lignes pneumatiques simplement branchées sur la chambre BP. 5. Travaux sur le TC0 Nous avons effectué les opérations suivantes : Démontage de la pompe à vide Changement de la prise d alimentation électrique (remplacement d'une prise triphasée par une prise monophasée ) Dérivation des prises de pression pour brancher des manomètres numériques Démontage du TC0 afin :! D enlever les morceaux de membranes restants! Vérifier les étanchéités entre les différents tubes! Graisser l actionneur du perce-membrane et ainsi le remettre en service! Repositionner la tige du perce-membrane dans son guide. Les courbes ci-dessous permettent de comparer la réponse du capteur avant et après maintenance. Protocole des essais : " Pression : 0 bar " Nicolet : Fréquence d'échantillonnage : 2 µs Nombre de points échantillonnés : 500 " Filtre : Butterworth (fréquence de coupure : 20 KHz) " Capteur : 603 42369 (les courbes affichées résultent de la moyenne de 3 essais). 2

.35.3.25 après repositionnement du p.m avant repositionnement du p.m.2.5..05 0.95 Superposition des courbes avant et après démontage 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0 2 0 3 0 4 Hertz.02.0 après repositionnement du p.m avant repositionnement du p.m Zoom 0.99 0.98 0.97 0 3 Hertz Conclusion : il semblerait que le TC0 donnait de meilleurs résultats quand le percemembrane n était plus dans son guide. 22

6. Travaux sur le Dor20 Les lignes pneumatiques, qui alimentent la petite chambre et mesurent sa pression, posent un problème : elles représentent un volume trop important par rapport au volume de la petite chambre. Auparavant, le problème a été partiellement résolu en plaçant des restrictions en bout de lignes. L'inconvénient de cette solution était la lenteur de la stabilisation de la pression dans la petite chambre. Ceci rendait le réglage de pression fastidieux. On se propose maintenant de résoudre ce problème complètement en remplaçant les restrictions par des robinets (sur les 2 lignes d alimentation et de mesure de la petite chambre). Nous avons réalisé des essais pour constater l'efficacité de l'ajout de robinets. Les conditions expérimentales sont les suivantes : Capteur : 603 42369 Gaz : air bar 2 bar Filtre : Butterworth khz Nicolet : 0.2 ms 200 points Les graphes ci-dessous représentent les réponses du capteur lorsque les robinets sont fermés et ouverts..03 Rob. fermés Rob. ouverts.02.0 0.99 0.98 0.97 0 0 0 0 2 0 3 Hertz On constate que les courbes suivent les mêmes évolutions ; elles sont décalées de 3%, l'une par rapport à l'autre. Entre 2 et 200 Hertz, on obtient un écart inférieure à % quand les robinets sont fermés et un écart compris entre 2% et 3% quand les robinets sont ouverts. L'intérêt du rajout de robinets est ainsi mis en évidence. 23

7. Comparaison des capteurs 603 42369 et 603 68022 Le capteur 68 montre quelques signes de défaillance. Les mesures réalisées sur TC20, Dor20 et TC0 ont été faites à la fois avec 68 et 423. Grâce à ces essais, nous allons comparer 68 et 423, le 423 étant considéré comme capteur de référence (écart toléré : ±,5 % ) a) Essais sur le TC20 Les conditions expérimentales sont celles du II.4 Avec robinets fermés : robinets fermés Zoom (robinets fermés) Conclusion : le capteur 68 est utilisable jusqu'à environ 500 Hertz. 24

Avec robinets ouverts robinets ouverts Zoom (robinets ouverts) Conclusion : le capteur 68 est utilisable jusqu'à environ 2000 Hertz. 25

Avec bouchons vissés bouchons vissés Zoom (bouchons vissés) Conclusion : le capteur 68 est utilisable jusqu'à environ 2000 Hertz. 26

Avec bouchons + polystyrène bouchons + polyst. Zoom (bouchons + polyst.) Conclusion : le capteur 68 est utilisable jusqu'à environ 2000 Hertz. 27

Signal du 68 avec le 423 en référence (robinets ouverts) : Ces courbes proviennent des essais précédents (avec robinets ouverts). Elles représentent la réponse du 68 en prenant le 423 comme référence..2.5. robinets ouverts (423 en référence).05 0.95 0 2 0 3 0 4.05.045.04.035.03.025.02.05.0 Zoom robinets ouverts (423 en référence).005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0 3 28

b) Essai sur le TC0: Cet essai a lieu après le repositionnement du perce-membrane. Avec un échelon parfait en référence.025 0.975 68 423 0.95 0.925 0.9 0.875 0.85 après repositionnement du perce-membrane 0.825 0.8 0.775 0.75 0.725 0.7 0 2 0 3 0 4 Hertz Signal du 68 avec le 423 en référence.5.25..075.05.025 0.975 après repositionnement du perce-membrane (423 en référence) 0.95 0.925 0.9 0 2 0 3 0 4 Hertz 29

.03.025.02.05.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0 3 Hertz Zoom Conclusion : le 68 est utilisable jusqu'à environ 2000 Hertz. c) Essais sur le DOR20 Les conditions expérimentales sont celles du II.6..05.045 423 68.04.035.03.025.02.05 Robinets ouverts.0.005 0.995 0.99 0.985 0.98 0 0 0 0 2 Hertz 30

.0.0075.005 423 68.0025 0.9975 0.995 0.9925 0.99 Robinets fermés 0.9875 0.985 0.9825 0.98 0.9775 0.975 0.9725 0.97 0 0 0 0 2 hertz Conclusion : on peut utiliser le 68 jusqu'à 80 Hertz. 3

Bibliographie : PFE 999 du LMD : n 22 et n 24 32