MITHIEUX Benoit Polytech Nice-Sophia c/o ESINSA 1645 route des lucioles Parc de Sophia Antipolis 06410 BIOT RAPPORT DE STAGE TECHNICIEN été 2007 Validation d un pressostat analogique Mr. ROUGEAU Philippe INVENSYS CONTROLS Avenue des Sorbiers - Thyez 74311 CLUSES CEDEX Tél. : 04 50 89 37 00
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Remerciements Je souhaite remercier les personnes de l entreprise qui m ont aidé dans mon travail, et tout particulièrement les personnes suivantes : Monsieur ROUGEAU Philippe, pour m avoir guidé tout au long de mon stage ce qui m en a donné une meilleure approche. Monsieur GAGNAIRE Thierry, pour toutes les informations concernant le pressostat qu il m a fournit. Monsieur FATTORINI Andrea, pour m avoir aidé dans l étude du capteur concurrent ainsi que pour ses conseils concernant les rapports de tests. Monsieur BENTAHAR Adil, pour m avoir transmis ses connaissances concernant les tests en chambre climatique et m avoir conseillé sur la mise en place des tests. Monsieur XARDEL François, pour avoir superviser le déroulement du projet. Monsieur MITHIEUX Christophe, pour m avoir fait découvrir le travail d un chef de projet ainsi que pour les nombreuses informations sur les métiers de l électronique qu il m a fournit. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 3
Table des matières INTRODUCTION... 7 1 PRESENTATION DE INVENSYS CONTROLS... 8 1.1 HISTORIQUE DE L ENTREPRISE... 8 1.2 INVENSYS DANS LE MONDE... 8 1.3 LE SITE DE THYEZ... 10 1.3.1 Situation générale... 10 1.3.2 Les principaux clients d Invensys Controls pour le Wash&Dry... 11 1.3.3 Le bureau d étude... 11 1.3.4 Organisation hiérarchique du BE... 12 2 LE PRESSOSTAT LINEAIRE... 13 2.1 PRESENTATION GENERALE... 13 2.2 LE PRESSOSTAT 470830AD... 14 2.2.1 Partie mécanique... 14 2.2.2 Partie électronique... 15 2.3 SPECIFICATIONS CLIENT... 17 2.4 OBJECTIFS DU STAGE... 18 3 MESURES PARAMETRIQUES... 19 3.1 LA BOBINE... 19 3.2 LES CONDENSATEURS... 20 3.3 L INVERSEUR DU 4060... 22 3.4 CONCLUSION... 24 4 SIMULATIONS... 24 4.1 MULTISIM 10... 24 4.2 PRISE EN MAIN DU LOGICIEL... 24 4.2.1 Dysfonctionnent du model spice du 4060... 25 4.2.2 Problème d échantillonnage... 25 4.2.3 Réalisation du PCB complet sous MultiSim 10... 26 4.3 SIMULATION CLIMATIQUES... 26 4.3.1 Température... 26 4.3.2 Humidité... 27 4.4 CONCLUSION DES SIMULATIONS... 27 5 VALIDATION DU PROTOTYPE INVENSYS CONTROLS... 28 5.1 ETUDE DE LA LINEARITE... 28 5.2 VARIATION DE LA TENSION D ALIMENTATION... 29 5.3 VARIATION DE LA TEMPERATURE... 30 5.3.1 Test de température sur la carte... 30 5.3.2 Test de température sur le capteur complet... 30 5.4 VARIATION DE L HUMIDITE... 31 5.5 BILAN DU CAPTEUR INVENSYS... 32 5.6 CONCLUSION... 32 6 ETUDE DU PRESSOSTAT CONCURRENT : MARQUARDT... 33 6.1 ETUDE DU CIRCUIT ELECTRONIQUE... 33 6.2 VALIDATIONDU PRESSOSTAT MARQUARDT... 33 6.2.1 Etude de la linéarité... 34 6.2.2 Variation de la tension d alimentation... 34 6.2.3 Variation de la température... 35 6.2.4 Variation d humidité... 35 6.3 BILAN DU CAPTEUR MARQUARDT... 36 6.4 CONCLUSION... 36 7 CONCLUSION... 37 MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 4
8 ANNEXES... 38 ANNEXE 1 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB 470830AD INVENSYS... 39 ANNEXE 2 : DOCUMENTATION TECHNIQUE DU 4060... 40 ANNEXE 3 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB DE MARQUARDT... 41 MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 5
Table des illustrations Figure 1 - Domaines d'activités d'invensys...8 Figure 2 - Invensys dans le monde...9 Figure 3 - Invensys en Europe...9 Figure 4 - Wash and Dry... 10 Figure 5 - Principaux clients du Wash&Dry... 11 Figure 6 - Organisation hiérarchique... 12 Figure 7 - Electronic board... 13 Figure 8 - Caractéristiques des pressostats mécaniques et analogiques... 13 Figure 9 - Vue éclatée du pressostat 470830AD... 14 Figure 10 Mécanique du pressostat Invensys... 14 Figure 11 - principe mécanique du pressostat... 15 Figure 12 - Oscillateur de Colpits... 15 Figure 14 PCB + bobine Invensys... 16 Figure 13 Schéma bloc du pressostat... 16 Figure 15 Spécifications clients... 17 Figure 16 - Variation de L en fonction de la température... 19 Figure 17 - Variation de C1 et C2 en fonction de la température... 20 Figure 18 - Variation de C1 et C2 en fonction de l'humidité... 20 Figure 19 - Variation de C1 lorsque la température et l'humidité changent... 21 Figure 20 - Variation de C2 lorsque la température et l'humidité changent... 21 Figure 21 - Test du 4060... 22 Figure 22 - Signal en sortie de l'inverseur... 23 Figure 23 - Variation de la période d'oscillation... 23 Figure 24 MultiSim 10... 24 Figure 25 - Simulation Oscillateur de Colpits... 25 Figure 26 Simulation de température... 26 Figure 27 Simulation de l humidité... 27 Figure 28 Effet de la pression sur la fréquence... 28 Figure 29 Effet de l alimentation sur la fréquence à 0 Pa... 29 Figure 30 Effet de l alimentation en fonction de la pression... 29 Figure 31 Effet de la température sur le PCB... 30 Figure 32 Effet de la température sur le capteur INVENSYS... 31 Figure 33 Effet de l humidité sur le capteur INVENSYS... 31 Figure 34 PCB Marquardt... 33 Figure 35 Etude de la linéarité du capteur Marquardt... 34 Figure 36 Effet de l alimentation sur le capteur Marquardt... 34 Figure 37 Effet de la température sur le capteur Marquardt... 35 Figure 38 Effet de l humidité sur le capteur Marquardt... 35 MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 6
Introduction Dans le cadre de ma formation d ingénieur, j ai effectué un stage technicien d une durée de huit semaines à Invensys Controls Thyez en Haute-Savoie. Cette entreprise, présente dans l industrie de l électroménager, s occupe principalement de la conception de la partie contrôle des machines à laver et des lave vaisselles. Le besoin d un stagiaire a été sollicité par une demande de validation d un pressostat linéaire avant sa mise en production. Ma mission a été d effectuer une validation du capteur conçu par Invensys pour permettre de lancer sa production. La présentation de l entreprise va permettre, dans un premier temps, de situer dans quel environnement j ai travaillé pendant 8 semaines. Dans un second temps, nous décrirons le pressostat linéaire et ses spécifications clients. Enfin, les objectifs du stage présenteront le déroulement du travail que j ai effectué afin de valider le capteur. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 7
1 Présentation de Invensys Controls 1.1 Historique de l entreprise 1868 : Louis CARPANO acquière une société à Cluses spécialisée dans la fabrication et la vente de pièces d horlogerie. 1902-1926 : l entreprise connaît un développement rapide grâce aux efforts de Constant CARPANO. 1927 : l entreprise est rachetée par Charles PONS qui créa «CARPANO & PONS». Il poursuivit dans l horlogerie avec une spécialisation dans la technologie de précision miniature. C&P commença à étendre son marché, l entreprise concevait et fabriquait à présent : des composants et des systèmes de commandes pour les appareils domestiques ainsi que des équipements de connexion pour l industrie de télécommunication. CARPANO & PONS vendait ses produit dans plus de 30 pays sous les noms de «SIBEL» et «SO.FY.COM». 1988 : CARPANO & PONS fut rachetée par EATON CONTROLS. C est un groupe international fabriquant principalement des produits hydrauliques, des connecteurs liquides, des équipements de distribution électrique, des éléments moteurs ainsi qu une grande variété de commandes. 1997 : SIEBE reprend EATON et lance de nouvelles applications de contrôle tel que : contrôle de climatisation, contrôle de bouilloire, la réfrigération 1999 : c est la naissance d INVENSYS (Invention System) suite à la fusion de BTR et de SIEBE. 1.2 Invensys dans le monde Invensys est une entreprise internationale présente dans l industrie les équipements pour l électroménager et l habitat, mais aussi dans les équipements pour la pétrochimie, l alimentaire, les logiciels dédiés à la fabrication et le ferroviaire. Figure 1 - Domaines d'activités d'invensys La division «Invensys Controls» comporte 41 sites dans différents pays du monde : Europe, Amérique du Nord, Amérique du Sud et en Asie Pacifique. Invensys Controls représente 16000 employés dans le monde. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 8
Figure 2 - Invensys dans le monde Voici la répartition des différents sites d Invensys Controls en Europe. Le siège européen se trouve à Archamps. Figure 3 - Invensys en Europe MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 9
1.3 Le site de Thyez 1.3.1 Situation générale Le site comptait 331 employés jusqu au mois d août car elle regroupait une unité de production en plus du bureau d étude et de contrôle qualité. Mais l unité de production du site a été stoppée et transférée sur l usine de Trnava (en Slovaquie) pour cause de résultats financiers insuffisants. Seul le bureau d étude a été conservé sur le site de Thyez. Le site ne compte donc plus que 55 employés dont la plupart sont techniciens ou ingénieurs, tout en conservant une petite cellule marketing. Son activité est la conception, réalisation et la mise en production de composants électromécaniques et électroniques pour l industrie de l électroménager (Lave-linge et Sèchelinge). Invensys est une compagnie qui propose du full design, du co-design et de l ECM à ses clients. Elle s occupe de concevoir : le software implanté dans les cartes électroniques le HW regroupant l IHM (interface Homme Machine : touches, sélecteurs, voyants lumineux ) et l électronique de puissance les éléments électromécaniques : minuteurs, capteurs de pression les pièces plastiques telles que les boîtiers de fixation, les guide lumière Elle fabrique les cartes électroniques de faibles et fortes puissances, elle monte les pièces électromécaniques (minuteurs, capteur de pression ). Le site de Thyez s occupe principalement des lave-linges et des sèche-linges. Le bureau d étude qui était initialement composé en majorité de mécanicien (pour les «timers» électromécaniques) puis actuellement composé en majorité d électronicien, s est forgé une solide expérience dans le full design destiné aux produits blancs. Cependant son activité tend à s intégrer de plus en plus dans le groupe international, avec des axes de recherche orientés vers le marché du chaud et du froid (réfrigérateur, plaque de cuisson...). Les produits Invensys développés sur le site de Thyez : Figure 4 - Wash and Dry MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 10
1.3.2 Les principaux clients d Invensys Controls pour le Wash&Dry Figure 5 - Principaux clients du Wash&Dry Electrolux, Bosch, Whirlpool, Arcelik, et Indesit représentent 60% du chiffre d affaire, mais Invensys s ouvre de plus en plus sur les petits constructeurs émergeants (comme Gorenje, Vestel) car ces clients recherchent des fournisseurs ayant une certaine expérience dans le secteur du Wash&Dry. 1.3.3 Le bureau d étude Le bureau d étude regroupe 55 personnes dans différents domaines qui travaillent dans un local de 800 m 2 regroupant bureaux et laboratoire. Le B.E atteste de 25 années d expériences en full design Hardware/Software/Mécanique. L activité de l entreprise se situant dans un domaine nécessitant différentes compétences, le bureau d étude se compose de plusieurs équipes : L équipe logicielle Une section Software (Firmware = Informatique Industrielle) crée les logiciels de contrôle, les membres de cette équipe rédigent les programmes en différents langages (C, C++ et Assembleur). Ces codes sont implémentés dans des microcontrôleurs pour gérer l intelligence du système utilisé. L équipe qualité La section qualité a deux activités principales : -La partie fiabilité teste les produits dans différents environnements (Environnement climatique, vibrations) pour déterminer leur robustesse, leur endurance... -Le laboratoire CEM (Compatibilité Electromagnétique) mesure les capacités des systèmes à fonctionner dans leurs environnements opérationnels avec un respect des différentes normes. L équipe mécanique Conception des éléments plastiques et électromécanique MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 11
L équipe électronique Conception des cartes électroniques (PCB, alimentation SMPS, commandes moteur et vanne...), choix et dimensionnement des composants, validation des produits, test des cycles de lavage... L équipe CAO Placement/routage des cartes électroniques selon les contraintes industrielles, règles de fabrication de circuit imprimé et les règles CEM. 1.3.4 Organisation hiérarchique du BE Le bureau d étude est organisé de façon matricielle. C'est-à-dire qu il y a des responsables de fonctions (verticales) chargées du développement des technologies, et des responsables de projets (fonctions horizontales) chargées du développement des projets de la pré étude jusqu au démarrage de la production. Figure 6 - Organisation hiérarchique MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 12
2 Le pressostat linéaire 2.1 Présentation générale Toute la partie contrôle d une machine à laver le linge est gérée par une carte principale : Figure 7 - Electronic board Sur cette carte principale on reçoit une information sur le niveau d eau dans la machine à laver. Pour cela on peut utiliser deux types de capteur de pression : pressostat mécanique Ce type de pressostat ne donne que trois valeurs en sortie : niveau vide (/N1), niveau plein (N1) et Overflow. Le niveau d eau n est pas ajusté en fonction de la quantité de linge présent dans la machine.. pressostat analogique On utilise maintenant des pressostats linéaires qui donnent une meilleure précision du niveau d eau dans la machine à laver. Cela permet de rendre le lavage plus efficace en ajustant le niveau d eau en fonction de la quantité de linge présent dans la machine et du textile lavé. Ceci pour objectif d optimiser la quantité d eau utilisée et la consommation électrique dans le but de mettre sur le marché des machines en classe A, A+ Figure 8 - Caractéristiques des pressostats mécaniques et analogiques MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 13
2.2 Le pressostat 470830AD Le pressostat a été conçus par Invensys Controls de Thyez en collaboration avec le site Invensys de Belluno situé en Italie. Il a été basé sur les spécifications du client BOSCH. Le site de Belluno a développé la partie mécanique et le site de Thyez à conçus l électronique de controle du pressostat. C est un capteur de pression linéaire de type analogique, dont on peut voir le schéma ci-dessous : Figure 9 - Vue éclatée du pressostat 470830AD L information que donne le pressostat en sortie du connecteur est une fréquence dont la valeur varie en fonction de la pression en entrée qui correspond au niveau d eau dans la machine à laver. 2.2.1 Partie mécanique On peut voir ci-dessous la partie mécanique du pressostat en éclaté ainsi qu une vue de dessus du capteur sans la membrane, le support du noyau et le capuchon. Figure 10 Mécanique du pressostat Invensys MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 14
On peut voir ci-dessous une représentation simplifiée du principe mécanique du capteur : Figure 11 - principe mécanique du pressostat L eau qui rentre dans la cuve va exercer une pression d air sur la membrane et va déplacer le noyau vers l intérieur de la bobine. Le noyau en ferrite va modifier le champ émis par la bobine et l inductance de sortie de la bobine va varier. Le ressort va plus ou moins se tendre en fonction de la pression exercée par l eau. On a donc en sortie une inductance qui varie en fonction de la pression. La vis d ajustement sert à positionner le noyau en position initial de manière à avoir la valeur d inductance correspondant à un niveau vide dans la machine à laver. 2.2.2 Partie électronique L électronique de controle doit être capable de traduire une variation de l inductance due au déplacement mécanique de la membrane en un changement de fréquence. La bobine fera partie du circuit résonant de l oscillateur. Invensys Thyez doit concevoir un circuit oscillant basé sur les variations de la bobine. Un circuit oscillant a été conçu sur la base d un oscillateur de Colpits comme ci-dessous : Figure 12 - Oscillateur de Colpits La sortie de cet oscillateur est un signal carré dont la fréquence est égale à : MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 15
La bobine est l élément qui va varier de manière mécanique, ce qui va faire varier la fréquence en sortie de l oscillateur. La fréquence de sortie de l oscillateur de Colpits va alors varier en fonction de la pression d air en entrée. Avant de renvoyer cette fréquence en sortie du capteur on va la diviser à l aide d un diviseur de fréquence : Pression d air Système mécanique L (H) Oscillateur Fc (Hz) Diviseur de Fout (Hz) de Coolpits fréquence Pour réaliser la division de fréquence on utilise le circuit intégré CD4060BM de Texas Instruments (voir documentation technique en annexe 2). Ce composant est utilisé pour deux fonctions : Amplificateur de l oscillateur de Colpits : on utilise l inverseur situé entre les pins 10 et 11 pour notre oscillateur. Division de fréquence : on divise notre fréquence de sortie par une valeur multiple de 2^n, allant de 16 à 16384 selon la sortie que l on utilise. Schéma électrique complet en annexe 1. Figure 13 Schéma bloc du pressostat Figure 14 PCB + bobine Invensys MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 16
2.3 Spécifications client Le graphique ci-dessous représente la variation de la fréquence de sortie du capteur en fonction du niveau d eau dans la machine à laver. 630,00 610,00 Fréquence idéal Tolérance négative Tolérance positive 590,00 Fréquence / Hz 570,00 550,00 530,00 510,00 490,00 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Pression / Pa Figure 15 Spécifications clients La fréquence de sortie du capteur est demandée linéaire entre 625 Hz et 500 Hz. Plus il y a d eau et plus la fréquence diminue. Les tolérances à respecter : De 0 à 750 Pa : +/- 1.875 Hz De 750 à 3000 Pa : +/- 5 Hz La pression de 3000 Pa correspond à un niveau d eau maximum dans la machine à laver de 300 mm (1Hz = 2.4 mm). Le capteur doit aussi répondre à des critères de fiabilité en température et humidité. Température : le signal de sortie doit respecter les caractéristiques précédentes de 20 C à 70 C. Humidité : elle ne doit pas influencer la fréquence de sortie de 50% à 95% d humidité. Le site de Belluno a constaté des variations des performances du produit dues à la température alors que celui-ci était prêt pour démarrer la production. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 17
2.4 Objectifs du stage Mon objectif est de vérifier si le pressostat correspond bien aux spécifications clients afin de remplacer le produit concurrent de Marquardt. Le plan de validation du pressostat est le suivant : Il faut réaliser en parallèle la validation du schéma électrique du pressostat ainsi que la validation d un prototype. La validation du schéma va se faire à l aide d une simulation du circuit pour différent environnement climatique. Cette étude va se dérouler en deux étapes : Etude paramètrique des composants qui constituent l oscillateur lors de changement climatiques. Simulation du comportement du pressostat linéaire aux perturbations climatiques. La simulation du pressostat linéaire va permmettre de voir les variations que la température et l humidité ont sur le fonctionnement du capteur. Il est nécessaire, dans un premier temps, de réaliser une étude paramètrique des composants avant de lancer les simulations La validation du prototype sera effectuée dans des étuves pour les changements climatiques, et en laboratoire pour les tests annexes. On va effectuer quatre tests différents : Vérification de la linéarité Vérification des effets de la variation d alimentation Vérification des effets de la température Vérification des effets de l humidité Le but d effectuer ces deux validations en parallèle est ensuite de comparer les résultats de la simulation et ceux obtenus en pratique et ainsi d avoir : «simulation = pratique». MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 18
3 Mesures paramétriques Afin de connaître le comportement du capteur lorsqu il est soumis à différentes températures, ou à un pourcentage d humidité changeant, il faut connaître le comportement des composants de ce produit dans les tolérances demandées. Les composants qui ont le plus d incidence sur la variation de la fréquence de sortie sont ceux qui composent l oscillateur de Colpits. L étude va donc porté sur : L inductance de la bobine Les capacités L inverseur du 4060 Conformément aux spécifications demandées par le client, voici les valeurs des composants qui forment l oscillateur de Colpits : C1 = 270 pf et C2 = 150 pf L1 = 5 mh sans le noyau 3.1 La bobine Test de température : le test a été réalisé en étuve dans laquelle la température varie et avec une humidité ambiante de 47%. Voici les résultats obtenus : 0,10% % variation de L 0,00% -0,10% -0,20% -0,30% -0,40% -0,50% 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 L1 L2 Moyenne Température Figure 16 - Variation de L en fonction de la température On peut voir ci-dessus les tolérances de variation de la bobine en fonction de la température. Deux bobines ont été testées en température avec lesquelles nous avons établis une moyenne (en vert). On peut remarquer que cette variation est quasiment linéaire. Par contre la valeur de la bobine ne varie pas plus de 0.4% ce qui peut amener à conclure que la température sur L est négligeable. Test d humidité : l humidité n a pas d effet sur la valeur de l inductance de la bobine après vérification pratique. En conclusion, seule la température fait diminuer l inductance de la bobine. La résistance série de la bobine augmente elle aussi avec la température, mais sa valeur n intervient pas dans la valeur de la fréquence de sortie. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 19
3.2 Les condensateurs Test de température : le test a été réalisé en étuve dans laquelle la température varie et avec une humidité ambiante de 47%. 0,00% -0,50% 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 % variation de C -1,00% -1,50% -2,00% -2,50% -3,00% -3,50% -4,00% C1 C2-4,50% Température Figure 17 - Variation de C1 et C2 en fonction de la température La variation des condensateurs est linéaire, en revanche ces courbes montrent que la température a une influence, car à 80 C la valeur des capacités est plus faible de 4% que celle à 20 C. Cela fait une variation de 11 pf, ce qui n est pas négligeable. Par conséquent, la température sur C fait varier la fréquence de sortie. Test d humidité : le test a été réalisé en étuve dans laquelle l humidité varie entre 40% et 90% avec une température ambiante de 20 C. Figure 18 - Variation de C1 et C2 en fonction de l'humidité La valeur des capacités varie moins en humidité qu en température. De plus on peut voir que cette variation ne va pas dans le même sens qu en température et qu elle n est pas linéaire. L humidité n a d effet que sur les capacités mais de façon moins importante que la température. Ces résultats nous montre que lors d une forte température, l augmentation de l humidité aura pour effet de diminuer la variation des capacités. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 20
Test de température et d humidité : les deux paramètres varient en même temps. L humidité varie entre 40% et 95% pour différentes températures. 2,00% % variation de C1 1,00% 0,00% -1,00% -2,00% 40 C 60 C 80 C 40% 60% 80% 95% -3,00% -4,00% % d'humidité Figure 19 - Variation de C1 lorsque la température et l'humidité changent % variation de C2 0,50% 0,00% -0,50% -1,00% -1,50% -2,00% -2,50% -3,00% -3,50% 40% 60% 80% 95% % d'humidité 40 C 60 C 80 C Figure 20 - Variation de C2 lorsque la température et l'humidité changent Lorsque la température et l humidité augmentent, la variation des capacités diminue, car l humidité compense les variations dues à la température. En conclusion de ces tests, la température a beaucoup d influence sur la variation des capacités. L humidité compense les variation dues à la température. La situation la plus critique pour le circuit est lorsque la température est élevée et que l humidité ambiante est faible. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 21
3.3 L inverseur du 4060 L inverseur de l oscillateur, situé entre les pins 10 et 11, peut entraîner une variation de la fréquence. En effet son temps de basculement ne doit pas varier avec la température car cela va modifier la fréquence d oscillation de l oscillateur. Le 4060 est placé à l intérieur d une étuve dans laquelle la température varie entre 25 C et 80 C. Figure 21 - Test du 4060 Pour étudier l inverseur il est nécessaire, dans un premier temps, d étudier le PCB complet pour connaître la fréquence à la sortie de l oscillateur de Colpits. A l aide d un fréquencemètre on obtient : Fc = 155.15 khz Un GBF, qui délivrera un signal carré de 155.15 khz, est connecté en entrée de l inverseur (pin 11). En sortie (pin 10), le signal est observé sur un oscilloscope pour mesurer le temps de basculement de l inverseur. Dans un deuxième temps, le 4060 est placé dans une étuve dont la température va varier entre 25 C et 80 C. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 22
Le signal en sortie de l inverseur est le suivant : Figure 22 - Signal en sortie de l'inverseur On mesure les temps de monté et de descente à 63% de leur valeur final. La somme du temps de monté et du temps de descente pour une température de 25 C sera prise comme référence. Pour chaque température, ces temps de basculement vont varier. Voici la variation du temps de propagation du signal : 120 variation de la période (ns) 100 80 60 40 20 0 temps de propagation 25 30 40 50 60 70 80 Température Figure 23 - Variation de la période d'oscillation Sur la courbe ci-dessus le temps de propagation augmente avec la température ce qui va faire varier la période d oscillation. A 25 C, la période d oscillation est de : 1/(155.15 khz) = 6.4454 µs. Plus la température augmente et plus cette période augmente. Pour 80 C, la période augmente de 114 ns ce qui entraîne automatiquement une variation importante de la fréquence de l oscillateur d environ 2.7 khz. Le 4060 ne varie pas lorsque l humidité change. Il n y a que la température qui intervient sur le changement de son temps de basculement. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 23
3.4 Conclusion La température est le facteur le plus important de la variation des composants. La situation la plus critique pour la variation des capacités est lorsque la température est élevée et que l humidité ambiante est faible. L environnement climatique fait varier de façon négligeable la valeur de l inductance de la bobine. La température modifie le temps de basculement de l inverseur du 4060, ce qui fait varier la fréquence de l oscillateur. En revanche l humidité n a aucun effet sur cet inverseur. Les variations de ces composant vont nous permettre de simuler les variations du capteur. 4 Simulations 4.1 MultiSim 10 Pour réaliser des simulations du pressostat linéaire, on utilise un logiciel de simulation développé pas National Instruments : «MultiSim 10». Figure 24 MultiSim 10 Le bureau d étude n avait pas logiciel de simulation, mais il en était en phase de recherche pour vérifier leur conceptions. L entreprise a fait venir un vendeur du logiciel qui nous en a fait une présentation complète et nous en a fourni une version de démonstration. J ai utilisé cette version démonstration pour faire mes tests mais aussi pour fournir une évaluation du logiciel sur ses fonctionnalités au bureau d étude. L étude avec logiciel va se dérouler de la manière suivante : Réalisation de l oscillateur Simulation du comportement de la carte électronique dans différents environnements climatiques 4.2 Prise en main du logiciel Pendant les premières semaines d utilisation, il était nécessaire de comprendre comment fonctionnait ce nouveau logiciel au travers de tutoriaux et de schémas préconçus. De nombreux problèmes ont été rencontrés avant de pouvoir faire une simulation du pressostat. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 24
4.2.1 Dysfonctionnent du model spice du 4060 Dans un premier temps, le montage de l oscillateur de colpits a été simulé avec le logiciel. Malheureusement, Le model spice du diviseur de fréquence, le 4060, ne fonctionnait pas. On a contacté le vendeur pour savoir si une nouvelle version du 4060 était disponible pour réaliser nos tests. Il n y avait pas de mise à jour pour composant pour le moment, donc nous avons utilisé d autres composants pour le remplacer. L inverseur situé entre les pins 10 et 11 du 4060 permet de réaliser l oscillateur. Un inverseur quelconque, de technologie CMOS 5V, a été utiliser pour remplacer celui du 4060. Cet inverseur ne présentait pas les mêmes caractéristiques que celui utilisé dans le diviseur de fréquence. L étude du temps de basculement de l inverseur du 4060 nous a permis de modifier le model spice de l inverseur utilisé pour la simulation. 4.2.2 Problème d échantillonnage Lors des simulations de l oscillateur de Colpits, la théorie ne correspondait pas aux résultats des tests effectués sur le capteur en laboratoire. Le schéma simulé est le suivant : Figure 25 - Simulation Oscillateur de Colpits Ci-dessus le schéma complet de l oscillateur de Colpits présent sur le PCB. Les mêmes valeurs des composants que ceux présent sur la carte ont été utilisés, mais la fréquence obtenue en sortie n est pas la même qu en pratique. L échantillonnage est deux fois plus élevé que la fréquence de l oscillateur. Si on échantillonne plus rapidement, la fréquence de sortie augmente. Le vendeur du logiciel n a pas pu nous donner plus d explication sur ce phénomène, qui n a pas été résolus par la suite. La fréquence d échantillonnage a été fixée pour toutes les mesures, et les variations de fréquence obtenues ont été converties en pourcentage de variation. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 25
4.2.3 Réalisation du PCB complet sous MultiSim 10 Invensys Controls 2007 Après avoir réussit à faire fonctionner l oscillateur de Colpits, le schéma complet du PCB a été réalisé. Le problème était que le model spice du 4060 ne fonctionnait pas. On a alors utiliseé le 4040 dont la fonction était similaire mais ne comportait pas l inverseur servant pour l oscillateur de Colpits. Le montage complet de la carte électronique a été réalisé et testé. La simulation des variations de la fréquence en température et en humidité vont être réalisés à partir de ce circuit 4.3 Simulation climatiques Grâce aux études de température qui ont été effectuées sur les composants précédemment, il est possible de simuler le comportement de la carte lorsqu il est soumis à de fortes températures et à une certaine humidité. Les valeurs des composants testés ont été utilisées pour déterminer la variation de la fréquence due au changement climatique. 4.3.1 Température % variation Fréquence 1,00% 0,80% 0,60% 0,40% 0,20% 0,00% -0,20% -0,40% -0,60% -0,80% -1,00% Effet de la température sur la fréquence Simulation 20 30 40 50 60 70 80 Température ( C) Figure 26 Simulation de température D après la simulation, on peut dire que la température a un effet négligeable sur la fréquence de sortie. La variation de fréquence maximum est de 0.45%. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 26
4.3.2 Humidité % variation fréquence 0,00% -0,05% -0,10% -0,15% -0,20% -0,25% -0,30% Effet de l'humidité sur la fréquence 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% Simulation -0,35% -0,40% Température Figure 27 Simulation de l humidité De même pour l humidité, la fréquence diminue mais de manière négligeable car il n y a que 0.35% de variation. 4.4 Conclusion des simulations En conclusion, les simulations ont montré que les variations d humidités et de température avaient un effet négligeable sur la variation de la fréquence. Lorsque la température et l humidité sont élevées, la variation de fréquence est faible aussi. D après ces simulations, la fréquence en sortie du pressostat ne devrait pas être affectée par des changements climatiques. On peut déduire de ces simulations que le capteur conçus par Invensys Thyez correspond aux spécifications clients. Il faut à présent vérifier que les résultats sont similaire à la validation du prototype. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 27
5 Validation du prototype Invensys Controls Invensys Controls 2007 Pour continuer le plan de validation exposé au départ, des essais climatiques doivent être réalisés sur le pressostat pour valider son fonctionnement. L étude suivante a été réalisée : Etude de la linéarité du pressostat Effet de la variation de l alimentation Essais de température Essais d humidité 5.1 Etude de la linéarité. La linéarité du pressostat est la première chose à regarder pour vérifier si le capteur correspond aux spécifications client. Pour simuler la pression à l intérieur du pressostat, on utilise un calibreur de pression qui permet d injecter la pression souhaiter. Fréquence (Hz) 630 610 590 570 550 530 Effet de la pression sur la fréquence PCB1 PCB2 PCB3 PCB4 Neg.tolerance Pos.tolerance 510 490 0 8 2 4 6 10 12 14 16 18 Pression (mbar) 20 22 24 26 Figure 28 Effet de la pression sur la fréquence 28 30 Les résultats ci-dessus montrent que la sortie du pressostat n est pas complètement linéaire. A partir de 1700 Pa, la courbe ne suit plus les spécifications. Ce problème est dû au ressort qui, lorsqu il est compressé, devient de plus en plus résistant. Ce problème est peut-être dû aux échantillons envoyés par Invensys Belluno, qui ne comportaient pas les bonnes pièces. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 28
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Invensys Controls 2007 5.2 Variation de la tension d alimentation La tension d alimentation des produits Invensys peut varier. C est pourquoi ce test doit être fait pour vérifier que la fréquence de sortie du pressostat n est pas affectée par cette variation. Un tests avec une tension variant de 4.5V à 5.5V a été exécuté. Le fonctionnement nominal de ce produit est 5V. 635 Effet de la variation de la te nsion d'alimentation 633 631 fréquence (Hz) 629 627 625 623 621 619 617 615 0 Pa Linéaire (0 Pa) 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 Tension d'alimentation (V) Figure 29 Effet de l alimentation sur la fréquence à 0 Pa Ce test a été effectué avec une pression nulle et on peut voir que la variation est linéaire. Par contre, cette variation de tension entraîne une grande dispersion sur la fréquence. Ci-dessous, la variation de la fréquence en fonction de la pression pour différentes tensions d alimentation. Effet de l'alimentation en fonction de la pression 640 620 Fréquence (Hz) 600 580 560 540 520 Vcc = 4,5V Vcc = 4,75V Vcc = 5V Vcc = 5,25V Vcc = 5,5V Tolerence Pos. Tolerance Neg. 500 0 2 4 6 8 Pression (mbar) Figure 30 Effet de l alimentation en fonction de la pression La variation de fréquence dépasse le gabarit et ne correspond pas aux spécifications clients dans les limites des tolérances. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 29
5.3 Variation de la température Précédemment nous avons réalisé des simulations de la variation de la fréquence en fonction de la température. Ces essais doivent permettre de confirmer les résultats obtenus. Deux tests ont été effectués: la carte seul puis le capteur complet. 5.3.1 Test de température sur la carte Comme pour les simulations, la température varie entre 20 C et 80 C, et la carte est à l intérieur d une «étuve climatique». Le résultat est le suivant : 732 Effet de la température sur le PCB 730 Fréquence (Hz) 728 726 724 Sans le noyau 722 720 20 30 40 50 60 70 80 Température ( C) Figure 31 Effet de la température sur le PCB On peut remarquer que la variation ci-dessus ne correspond pas aux simulations effectuées. En effet, lors des simulations la fréquence ne variait pas avec la température. La simulation effectuée n est pas assez complète. Il y a des facteurs que nous avons jugé négligeables au départ qui ne l étaient pas, comme par exemple l échauffement du PCB qui doit avoir une influence sur le fonctionnement. Toutes les simulations de variation de la fréquence en fonction de l environnement climatique ne prennent pas tous les facteurs en compte. Les résultats obtenus ne prennent en considération que la variation des composants de l oscillateur de colpits. Au vu des résultats négatifs en tension, nous n avons pas jugé utile de creuser la raison de l erreur simulation/pratique, mais de poursuivre par une étude de la concurrence. 5.3.2 Test de température sur le capteur complet Les mêmes tests que précédemment dans les mêmes conditions ont été fait avec le pressostat complet dans l étuve. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 30
630 Effet de la température sur la fréquence du capteur 625 capteur Fréquence (Hz) 620 615 610 605 20 30 40 50 60 70 80 Température ( C) Figure 32 Effet de la température sur le capteur INVENSYS La courbe ci-dessus montre que la variation de la fréquence diminue aussi mais de manière plus importante. L effet de la température sur les éléments mécanique entraîne une variation supplémentaire sur la fréquence. Cela est un phénomène mécanique sur lequel je n ai pas travaillé car je n avais pas les compétences pour l étudier. 5.4 Variation de l humidité Dans la même étuve, on effectue les tests d humidité pour une température de 40 C et une humidité variant entre 50% et 90%. 624 Effet de l'humidité sur la fréquence 623 capteur Fréquence (Hz) 622 621 620 619 618 50% 60% 70% 80% 90% Humidité (%) Figure 33 Effet de l humidité sur le capteur INVENSYS Pour une humidité sur 95% et une température de 80 C, on est dans le cas le plus critique car il y a une variation de la fréquence d environ 20Hz par rapport à un fonctionnement à température et humidité ambiante. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 31
A température ambiante, l humidité n a pas beaucoup d effet sur la fréquence de sortie. En revanche lorsque la température est élevée, c est le cas le plus critique car on observe une forte variation de fréquence. 5.5 Bilan du capteur Invensys Voici les résultats des mesures effectuées : TEST1 Etude de la linéarité TEST2 Variation de la tension d'alimentation Pression (mbar) 0 to 30 mbar Volt 4,5 to 5,5 V Delta f = 92.13 Hz Delta f 14.31 Hz Max % variation f = -73.7 % Max % variation f 11.45 % Niveau d'eau 221,11 mm Niveau d'eau 34,34 mm TEST3.2 TEST3.1 Test de température sur le PCB Test de température sur le capteur Humidité 47 % Humidité 47 % t amb. C 20 to 80 C t amb. C 20 to 80 C Delta f 9.81 Hz Delta f 16.33 Hz Max % variation f -7.85 % Max % variation f -13.06 % Niveau d'eau 23,54 mm Niveau d'eau 39,19 mm TEST4.1 Variation de l'humidité TEST4.2 Variation de l'humidité RH 50 to 95 % RH 95 % t amb. C 40 C t amb. C 40 to 80 C Delta f 5.93 Hz Delta f 19.92 Hz Max % variation f -4.74 % Max % variation f 15.94 % Niveau d'eau 14,23 mm Niveau d'eau 47,8 mm 5.6 Conclusion Le capteur de Invensys ne correspond pas aux spécifications de leur client. En effet, rien que la variation de la tension fait varier de 34 mm la hauteur d eau dans la machine à laver alors que la tolérance maximum imposé est de 24 mm de variation. En ajoutant toutes les variations de fréquence on voit que le capteur n est pas conforme aux spécifications. Les résultats de la validation du prototype étant négatifs, il a été jugé nécessaire de concevoir un nouveau prototype en s appuiant sur l étude d un capteur concurrent. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 32
6 Etude du pressostat concurrent : Marquardt 6.1 Etude du circuit électronique Nous avons voulus regarder ce que la concurrence faisait sur le marché pour voir si leur capteur présentait les mêmes variations lorsqu ils sont soumis à des perturbations. Avec l aide de Mr. FATTORINI Andrea, un ingénieur HW du bureau d étude, nous avons étudié le schéma électronique du PCB concurrent. Figure 34 PCB Marquardt Avec la documentation technique de chaque composant et en regardant les connexions des pistes sur le PCB nous avons pu reconstituer le circuit électronique. (Voir en annexe 3). Ce capteur s appuit sur le même principe de fonctionnement que le capteur conçus par Invensys Controls : c est la variation d une bobine qui va créé une variation de fréquence. En revanche, l oscillateur n a pas la même structure que celui d Invensys. Dans un premier temps, il n a pas été jugé utile d étudier le fonctionnement du circuit mais de réaliser des tests de validation. Les résultats permettront de situer le capteur d Invensys par rapport au concurrent. 6.2 Validationdu pressostat Marquardt Le même plan de validation du capteur Marquardt à été réalisé à par la validation du schéma par simulation. Les tests réalisés en étuve ont été similaire à ceux effectués sur le prototype d Invensys. Détail de l étude : Etude de la linéarité du pressostat Effet de la variation de l alimentation Essais de température Essais d humidité MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 33
6.2.1 Etude de la linéarité La sortie du capteur est linéaire : Effet de la pression sur la fréquence Fréquence (Hz) 630 610 590 570 550 530 510 490 Marquardt Linéaire (Marquardt) 0 26 28 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Pression (mbar) 30 Figure 35 Etude de la linéarité du capteur Marquardt 6.2.2 Variation de la tension d alimentation Pour le capteur d Invensys l alimentation faisait varier la fréquence de manière critique. Pour celui-ci la fréquence ne bouge pratiquement pas. 619,5 Effet de l'alimentation sur la fréquence 619,45 Fréquence (Hz) 619,4 619,35 619,3 619,25 619,2 619,15 Marquardt Linéaire (Marquardt) 619,1 619,05 619 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 Alimentation (V) Figure 36 Effet de l alimentation sur le capteur Marquardt MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 34
6.2.3 Variation de la température Test de température pour une humidité de 47% : 622 Effet de la température sur la fréquence 621,5 Fréquence (Hz) 621 620,5 620 619,5 619 Marquardt 618,5 20 30 40 50 60 70 80 Température ( C) Figure 37 Effet de la température sur le capteur Marquardt Cette courbe montre bien que la variation de fréquence est plus faible que celle du capteur d Invensys. 6.2.4 Variation d humidité Test d humidité pour une température de 40 C : 620,15 Effet de l'humidité sur la fréquence 620,1 Marquardt Fréquence (Hz) 620,05 620 619,95 619,9 619,85 50% 60% 70% 80% 90% Humidité (%) Figure 38 Effet de l humidité sur le capteur Marquardt L humidité a un effet négligeable sur le capteur de Marquardt. Pour une condition critique de 80 C et 95% d humidité, la variation est de 1.82 Hz ce qui faible en comparaison avec l autre capteur. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 35
6.3 Bilan du capteur Marquardt Voici les résultats des mesures effectuées : TEST1 TEST2 Etude de la linéarité Variation de la tension d'alimentation Pression (mbar) 0 to 30 mbar Volt 4,5 to 5,5 V Delta f = 120,71 Hz Delta f 0,39 Hz Max % variation f = -96,57 % Max % variation f 0,31 % Niveau d'eau 289,7 mm Niveau d'eau 0,94 mm TEST3 Test de température sur le capteur Humidité 47 % t amb. C 20 to 80 C Delta f 2,92 Hz Max % variation f 2,34 % Niveau d'eau 7,01 mm TEST4.1 TEST4.2 Variation de l'humidité Variation de l'humidité RH 50 to 95 % RH 95 % t amb. C 40 C t amb. C 40 to 80 C Delta f 0,13 Hz Delta f 1,82 Hz Max % variation f -0,1 % Max % variation f 1,45 % Niveau d'eau 0,31 mm Niveau d'eau 4,37 mm 6.4 Conclusion La perturbation qui a le plus gros effet sur la fréquence est la température à humidité ambiante. Ces résultats permmettent de voir que ce capteur est plus robuste que celui d Invensys. On a fait une comparaison des deux capteurs en cumulant les variations et on arrive au résultat ci-dessous. Capteur Invensys Capteur Marquardt Variation de l'alimentation 11,45 0,31 % Température et humidité critique 15,94 2,34 % Max % variation f 27,39 2,65 % Variation niveau d'eau 82,17 7,95 mm Le capteur de Marquardt correspond aux spécifications du client et il a moins de variations que celui d Invensys. Le capteur proposé actuellement par Invensys ne correspond donc pas aux spécifications clients. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 36
7 Conclusion Le but du stage était de valider le fonctionnement d un pressostat linéaire avant sa mise en production. Il avait été observé que le capteur avait des variations de son signal de sortie dues à l environnement climatique. Les résultats des essais ont montré que la sortie du capteur varie de manière non négligeable lorsque la température augmente. De plus, la variation de la tension d alimentation a un impacte important sur la fréquence de sortie. Les résultats ont montré que le pressostat ne correspond pas aux spécifications du client. Après discussion des résultats avec l équipe R&D, afin de livrer des prototypes selon les planifications client, nous avons convenu de réaliser un nouveau prototype. Pour accélérer son développement, une étude du produit concurrent a été réalisée afin de partir sur de bonnes bases et d avoir un prototype opérationnel le plus rapidement possible. J ai pu observer durant mon stage l importance d une bonne communication. Les échanges entre le site de Thyez et celui de Belluno n ont pas toujours été clairs, ce qui a ralenti le développement du projet. MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 37
8 Annexes ANNEXE 1 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB 470830AD INVENSYS... 39 ANNEXE 2 : DOCUMENTATION TECHNIQUE DU 4060... 40 ANNEXE 3 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB DE MARQUARDT... 41 MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 38
Annexe 1 : schéma électronique du PCB 470830AD Invensys MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 39
Annexe 2 : Documentation technique du 4060 Invensys Controls 2007 MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 40
Annexe 3 : Schéma électronique du PCB de Marquardt MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien 41