1 Chaîne de mesure et acquisition de données
Sommaire 2 A La chaîne d acquisition de données p 3 I Description de la chaîne d acquisition de données p 4 II Emplacement de la chaîne d'acquisition p 11 III Caractéristiques d une chaîne d'acquisition p 12 IV Acquisition de données sur PC p 14 V Carte d'acquisition p 16 VI Le software p 17 VII Systèmes de conditionnement p 19 B Notions de traitement du signal p 21 I Notion de spectre d un signal p 22 II Outils mathématiques p 24 III p
3 A - La chaîne d acquisition de données
I - Description de la chaîne d acquisition de données 4 1) Rôle d une chaîne d acquisition (ou de mesure) recueillir les informations nécessaires à la connaissance de l état d un système variables du système Ex. : température, pression variables environnementales Ex. : température, champ magnétique assigner une valeur à un mesurande mesurande = grandeur physique ou chimique caractérisant l'état d'un système mesure Ex : température frein F1= 285 C délivrer ces informations sous une forme appropriée à leur exploitation transduction Ex : température signal électrique numérisation Ex : 285 100011101
I - Description de la chaîne d acquisition de données 5 2) Constitution Une chaîne d acquisition est généralement constituée des éléments suivants : Capteur Amplification du signal Filtrage (fc) Echantillonneur CNA UC Grandeur physique Souvent associée à une chaîne de restitution : UC CAN Filtrage (fc) Amplificateur de puissance Actionneur
I - Description de la chaîne d acquisition de données 6 Une chaîne d'acquisition doit pouvoir assurer les fonctions suivantes : extraction de l'information capteur traitement analogique du signal amplification, filtrage sélection d'un signal parmi plusieurs multiplexage conversion du signal sous forme numérique échantillonnage, numérisation analyse et exploitations des données PC coordination des différents opérations PC, automate
I - Description de la chaîne d acquisition de données 7 Capteur interface entre le monde physique et le monde électrique conversion de l énergie de la grandeur physique en énergie électrique transduction toujours associé à un circuit électrique de mise en forme conditionneur Amplificateur d entrée adapte le niveau du signal fourni par le capteur au reste de la chaîne Filtrage d entrée limiter le spectre du signal supprimer les parasites
I - Description de la chaîne d acquisition de données 8 Echantillonneur permet de prélever une suite de valeurs du signal CAN convertisseur analogique numérique transforme la tension de l échantillon analogique en code binaire numérique PC
I - Description de la chaîne d acquisition de données 9 CNA convertisseur numérique analogique transforme le code binaire en tension Filtrage de sortie permet de «lisser» la tension fournie par le convertisseur Amplificateur de puissance adapte le niveau du signal de sortie du CNA à la charge Actionneur charge passive ou active agissant sur le système à monitorer
I - Description de la chaîne d acquisition de données 10 Structure générale d'une chaîne d'acquisition à plusieurs entrées Acquisition Mise en forme du signal Transformation Traitement
II - Emplacement de la chaîne d'acquisition 11 la chaîne d'acquisition est le cœur du système de mesure-contrôle d'un procédé
III - Caractéristiques d'une chaîne d'acquisition 12 1) Caractéristiques métrologiques principales = imposées par l'application envisagée cahier des charges. l'étendue de mesure (E.M.) valeurs min et max du mesurande la résolution plus petite variation mesurable la rapidité temps de réponse, bande passante l'immunité aux parasites température, électromagnétisme la précision justesse, fidélité, incertitudes
III - Caractéristiques d'une chaîne d'acquisition 13 2) Caractéristiques globales d'une chaîne d'acquisition = dépendent des caractéristiques de chaque maillon de la chaîne données constructeur, étalonnage 3) Principales sources d'erreurs ou d'incertitudes adaptation d'impédance erreur de gain, erreur de linéarité dérives thermiques parasites vieillissement
IV - Acquisition de données sur PC 14 1) Introduction forte croissance dans tous les secteurs d'activité mesures et analyses de systèmes complexes régulation de systèmes fournit des données formatées pour les systèmes d'informations 2) Intérêt de l'acquisition sur PC rapidité et puissance processeurs et mémoire RAM stockage des données à moindre coût disques durs "énormes" facilité et confort d'utilisation PC portable, technologies sans fil outils logiciels LabView, C, assembleur, Delphi
IV - Acquisition de données sur PC 15 3) Éléments constitutifs capteurs transmission des données vers le PC conditionneurs de signaux le PC système de conversion logiciel d'acquisition et de traitement
V - Carte d'acquisition 16 Carte d'extension d'un PC permettant la conversion analogique numérique d'un ou plusieurs signaux et le transfert des données dans la mémoire du PC. Caractéristiques importantes nombre d'entrées/sorties analogiques nombre d'entrées/sorties numériques fréquence d'échantillonnage résolution en nombre de bits multiplexage des voies compteurs et timers
VI - Le software 17 carte d'acquisition 1) Le "driver" (ou "logiciel Pilote") = logiciel fourni par le constructeur de la carte permet de contrôler la carte fréquence, voie d'acquisition librairies de fonctions spécifiques écriture de ses propres programmes 2) Le langage de haut niveau permet à l'utilisateur de gérer l'acquisition et le traitement des données acquises logiciel "clé en mains" avantage = tout fait, fonctionne inconvénient = figé, prix programme "maison" avantage = prix, évolutivité inconvénient = à faire, fonctionne?
VI - Le software 18 3) Exemple de programmes programme écrit en C programme Labview (code source) (interface utilisateur)
VII - Systèmes de conditionnement 19 Module SCXI : Standard industriel de conditionnement de signaux et d'architecture pour l'instrumentation et la mesure. Spécificités carte de conditionnement modulaire châssis robuste (compatible avec les environnements industriels) bus de fond de panier (conditionnement, filtrage, multiplexage, CAN) sortie compatible avec une carte d'acquisition ou sortie RS232 / RS485
VII - Systèmes de conditionnement 20 Module USB : Nouveau mode de conditionnement et d'acquisition de signaux pour l'instrumentation et la mesure. Spécificités encombrement réduit connectique simplifiée parfois logiciel embarqué sortie compatible avec PC portable NI USB-9211A DAQ USB portatif pour thermocouples
21 B - Notions de traitement du signal
I - Notion de spectre 22 Comment représenter la fonction x(t) = Xm.cos(2πf 0 t)? 2 façons Représentation temporelle Représentation fréquentielle x(t) T 0 Spectre[x(t)] Xm Xm -Xm t f 0 f Rq : Rappel f 0= 1 T 0
I - Notion de spectre 23 Fonction à plusieurs composantes fréquentielles : y(t) = Y1.cos(2πf 0 t) + Y2 cos (2πf 1 t) Représentation temporelle Représentation fréquentielle Y1+Y2 y(t) T 0 Y1 Spectre[y(t)] -Y1-Y2 t T 1 Y1 = 1 f 0 =50 Hz Y2 = 0,2 f 1 =500 Hz Y2 f 0 f 1 f Spectre d amplitude du signal y(t) Rq : il existe aussi le spectre de phase du signal y(t)
II - Outils mathématiques 24 1) Série de Fourier outil mathématique opérateur mathématique s applique uniquement aux signaux périodiques permet de déterminer le spectre d un signal périodique composition fréquentielle un signal x(t) périodique, de période T 0, peut s écrire sous la forme suivante : n= x( t)= A 0 + A n cos n ω 0 t n=1 ( ) + B n sin( n ω 0 t) décomposition en série de Fourier de la fonction x(t) Rappel : ω 0 = 2πf 0 = 2π T 0
II - Outils mathématiques 25 Avec : A 0 = 1 T 0 α +T 0 α x( t) dt A n = 2 T 0 α +T 0 α x( t) cos( n ω 0 t) dt B n = 2 T 0 α +T 0 α x( t) sin( n ω 0 t) dt Écriture complexe de la série de Fourier : n= x( t)= C n e j n ω 0 t n= Avec : C n = 1 T 0 α +T 0 α x( t) e j n ω 0 t dt et la relation suivante : n 2 C = A n + B n