Cours 3: Chaîne d'acquisition de données, capteurs et caractéristiques métrologiques des instruments Flashcards
Chaîne d’acquisition de données: Généralités
La chaîne d’acquisition de données a pour fonction de recueillir et de transformer la grandeur à
mesurer sous une forme adaptée à son exploitation.
Fonctions :
1. Extraction de l’information concernant
chacune des gradeurs physiques à
connaître et traduction du signal
électrique (capteurs et conditionneurs);
2. Traitement analogique du signal
(amplification et filtrage);
- Sélection parmi l’ensemble des signaux disponibles du seul
signal requis (multiplexeur);
4.Conversion du signal sous forme numérique adaptée au
calculateur chargé de l’exploiter (échantillonneur-bloqueur,
convertisseur analogique numérique).
La coordination de ces opérations est assurée par un calculateur
. Le capteur peut, à la fois, réaliser la mesure
et faire partie du conditionnement.
* Le capteur peut aussi être dissocié.
Ensemble de dispositifs qui constitue un seul chemin du signal depuis le capteur jusqu’à l’élément de sortie
Des systèmes simples peuvent être
conçus seulement avec un capteur et un
appareil de lecture tel qu’un voltmètre … et permet de déterminer avec précision le mesurande.
Exemple de structure d’une chaîne d’acquisition
Composantes
Capteurs:
- Ils sont les premiers éléments d’une chaîne
d’acquisition. - Un capteur est associé à chaque mesurande.
- Le rôle du capteur est de traduire le
mesurande de valeur m en une grandeur
électrique s(m). - Cette grandeur électrique est une fonction
connue du mesurande.
Conditionneur:
- La plupart des dispositifs ne sont pas aptes à traiter le signal
électrique que sous la forme de tension. - Le rôle du conditionneur est de convertir, lorsqu’elle n’est pas
une tension, la grandeur électrique de sortie du capteur, ou
ses variations par rapport à un état d’origine, en une tension.
Compensation des grandeurs d’influence, linéarisation
Amplificateur:
* En amplifiant son niveau, il assure une protection du signal vis-
à-vis des parasites, du bruit de fond et des dérives des
éléments suivants de la chaîne.
* Par son impédance d’entrée élevée et sa faible impédance interne, il permet d’assurer un transfert optimal du
signal entre les dispositifs qu’il relie.
* Il améliore la précision de mesure en portant le signal au niveau requis par l’élément final de la chaîne
(convertisseur analogique-numérique).
Filtre (Différents types de filtres): * La fonction du filtre est d’éliminer autant que possible du signal à traiter l’ensemble des fréquences extérieures au
spectre utile et en particulier signaux non désirés, parasites industriels et bruit de fond.
* Le filtre est en général de type passe-bas, sa bande passante étant limitée au strict minimum imposé par le spectre
utile du signal de mesure.
Multiplexeur:
- Lorsque l’acquisition des données porte sur des multiples mesurandes, chacun ayant
son canal propre, le multiplexeur permet la sélection d’un canal déterminé afin
d’aiguiller son signal spécifique vers les dispositifs de traitement situés en aval. - La sélection d’un canal s’effectue par son adresse, mot binaire délivré par le
contrôleur de la chaîne et représentatif de son numéro d’ordre, son décodage
commande la fermeture d’interrupteurs reliant le canal choisi à la sortie du
multiplexeur.
Échantilloneur- bloqueur:
Il assure :
* Le prélèvement avec précision d’un échantillon d’une tension variable appliquée à
son entrée et ce, à un instant connu;
* La mémorisation de cet échantillon;
* La livraison d’une tension égale à celle de l’échantillon mémorisé.
Convertisseur analogique-numérique (CAN):
Un CAN est un dispositif qui reçoit un signal analogique (𝑉 𝑖) et le transforme
en un mot (N) de n bits.
* Signal analogique est un signal à amplitude et temps continus;
* Signal numérique correspond à une suite de nombres codés en binaire.
La numérisation d’un signal consiste à
faire passer un signal de la
représentation dans le domaine des
temps et des amplitudes continus au
domaine des temps et des
amplitudes discrets.
n CAN est caractérisé par :
* La plage de tension analogique convertible :
aulaba
a) Unipolaire : la plage s’étend de 0 V à Vpe
(tension pleine échelle)
b) Bipolaire : la plage est symétrique autour de 0
V de –Vpe/2 à +Vpe/2
- Le nombre n de bits du mot de sortie (n=8, 10, 12,
16, etc.). - Le temps tc nécessaire pour effectuer un
échantillonnage.
Le temps de conversion est le temps qu’il faut au CAN pour transformer une valeur analogique en numérique.
* La fréquence d’échantillonnage (Fe) correspond au nombre d’échantillons qu’on peut capturer par seconde.
* Le convertisseur peut délivrer 2n mots distincts pour numériser la plage de tension analogique (Vpe). À chaque mot
est donc associée une plage élémentaire q appelé quantum :
q=Vpe/ 2^n = … mV
- q/2 représente l’erreur maximale de quantification liée au processus de conversion. Cette erreur est d’autant plus
faible que n, nombre de bits du convertisseur est plus élevé. - Le N bits sont déterminés comme suit :
N= Vi/q=…pas d’unité
Exemple de calculs
Environnement de mesure
Il regroupe l’ensemble des grandeurs d’influence sur les divers éléments de la chaîne d’acquisition pouvant modifier
les performances et altérer le signal de mesure.
Résultat de mesure erroné
Température – perturbations électromagnétiques – vibrations – humidité … rayonnement nucléaire
Les variations de température sont
susceptibles de modifier la sensibilité d’un
capteur, le gain d’un amplificateur et
provoquer des décalages de leur zéro
Parasites (courants superposés au courant utile) :
* Circuits de puissance (lignes de transport
d’énergie, et appareillages électriques)
* Circuits de communication
Autres perturbations : champs magnétiques ou
électromagnétiques, couplage galvanique, etc.
Foudre, Décharge
électrostatique
- Stratégie à suivre lorsque la chaîne de mesure pourrait être soumise à des grandeurs d’influence :
a) Minimisation de l’influence par des protections adéquates
b) Prise en compte de l’influence pour corriger le résultat de mesure
3.2 Capteurs Généralités
Le capteur est le premier élément d’une chaîne d’acquisition
La mesure de s doit permettre la connaissance
aussi exacte que possible du mesurande m
s= f(m)
La relation s=f(m) résulte dans sa forme théorique des lois physiques qui
régissent le fonctionnement du capteur, mais aussi …
… de sa construction, des matériaux qui le constituent et éventuellement de
l’environnement où il est installé et de son mode d’emploi.
Capteur actif:
Variation de tension
électrique (mV ou <)
Un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion de
l’énergie propre au mesurande en énergie électrique.
principes physiques
Capteur passif:
Variation d’impédance
Besoin d’y ajouter une alimentation et un
conditionneur (circuit électrique) qui
transforme ces variations en une
différence de tension ou en un courant
Dans ce cas-ci, le mesurande peut créer des variations de l’impédance du capteur en agissant de deux façons :
* sur sa géométrie et ses dimensions ou
* sur les propriétés électriques des matériaux.
Capteur avec élément mobile:
À chaque position de l’élément mobile correspond une valeur de
l’impédance et la mesure de celle-ci permet de connaître la
position.
Potentiomètre rotatif ou linéaire
Capteur avec élément déformable:
La modification d’impédance est due à la déformation directe ou
indirecte (corps d’épreuve) du capteur. Cette déformation est due
à l’action d’une force, pression ou accélération appliquée au
capteur.
Jauge de déformation
Action sur les propriétaires électriques des matériaux
Transmetteur
Un transmetteur est un appareil de mesure dont l’entrée est issue d’un
capteur et dont la sortie est un signal conforme à un standard
analogique (0,1 à 1 bar ou 4 à 20 mA) ou numérique. Ce signal est
directement utilisable dans une boucle de mesure ou de régulation.
Corps d’épreuve
* Le corps d’épreuve est le dispositif qui soumis au mesurande étudié en assure une première
traduction en une autre grandeur physique non-électrique
* Cette première grandeur est traduite en signal électrique grâce à un circuit de conditionnement.
Capteur intelligent:
Le terme de capteur intelligent (smart) désigne un instrument qui a la capacité interne de mesure et de calcul, et compte avec une interface de communication.
- Il est composé :
- d’une cellule de mesure permettant d’acquérir le mesurande.
- d’un ou de plusieurs capteurs permettant de mesurer les grandeurs d’influence.
- d’une chaîne de mesure, d’une mémoire pour stocker de l’information, d’une alimentation, d’un organe
intelligent interne. - d’une interface de communication avec le monde extérieur.
- L’information délivrée par un capteur intelligent peut être de type :
o Analogique 4-20 mA + protocole HART
o Numérique à utiliser dans le contexte bus de terrain
Protocole HART (High Way Addressable Remote
Transducer) est une fonctionnalité qui permet
d’intervenir sur les capteurs numériques pour les
configurer et aider au diagnostic.
Raccordements des capteurs industriels
Le raccordement des capteurs industriels s’effectue selon deux schémas :
o Liaison point à point
- Dans ce cas, le signal livré par l’instrument est analogique de type :
o 4-20 mA (standard industriel)
Asch et Poussery, 2017
o éventuellement 0-20 mA, 0-10 V, 0-5 V - Le signal 4-20 mA est une solution très utilisée dans les applications industrielles de
mesure et de régulation. - Très bonne immunité aux parasites, transport sur des distances importantes (sans perte ou modification du signal).
- Simplification des raccordements (un seul câble biconducteur pour acheminer la tension d’alimentation et le signal
de mesure). - Détection des dysfonctionnements (signal en dehors de la plage indique une anomalie).
- La portion entre 0 et 4 mA sert au passage de l’énergie d’alimentation.
o Liaison en bus de terrain - Les capteurs en bus de terrain permettent le raccordement de capteurs entièrement numériques.
- Il est constitué d’un câble généralement à deux conducteurs sur lesquels vont circuler les données échangées par les
différents capteurs. - En zone sure (no explosive), la longueur du bus peut atteindre 1 900 m et supporter jusqu’à 32 capteurs.
- Standards :
o Modbus
o Profibus DP/PA
o Fieldbus Foundation
Limites d’utilisation:
Domaine de non-destruction
Valeurs dépassant les limites du domaine de non-détérioration
( Modification caractéristiques métrologiques
Irréversible
Besoin de ré-étalonnage)
Domaine de non-détérioration
Valeurs dépassant les limites du domaine nominal d’emploi (Risque modification caractéristiques métrologiques
Réversible)
Domaine d’emploi nominal
Conditions normales d’utilisation du capteur
Étendue de mesure
mesurante
Étalonnage (Étalon)
- Pour tout capteur la relation s=f(m) sous forme numérique exploitable est explicité par étalonnage.
- Pour un ensemble de valeurs de m connues avec précision, on mesure les valeurs correspondantes de s ce qui
permet de tracer la courbe d’étalonnage.
Ensemble d’opérations nécessaires pour expliciter graphiquement ou algébriquement la relation :
𝑠 = 𝑓(𝑚, 𝑔1, 𝑔2… ) 𝑔1, 𝑔2 sont les grandeurs d’influence
Étalonner:
Établissement de la courbe d’étalonnage à partir de aleurs connues du mesurande
Calibrer:
Exploitation à partir de valeurs mesurées de la réponse du capteur
Un capteur présente un comportement linéaire, dans l’étendue de mesure, si s(m) est fonction linéaire de m. Sa
sensibilité est alors constante dans cette plage de fonctionnement.
* Il y a aussi des capteurs qui ont un comportement non-linéaire. Dans ce cas, il est important de bien cibler la
région d’intérêt.
1 ) Linéaire, polynomiale, par interpolation
2) Régime statique (nos labos) ou régime dynamique
3) Simple ou multiple
Validité d’un étalonnage:
* Répétabilité (fidélité) : qualité qui assure à l’utilisateur que le capteur produira la même grandeur de
sortie, dans les limitées spécifiées, chaque fois que ce capteur sera utilisé dans des conditions identiques.
* Interchangeabilité : garantit l’utilisateur d’obtenir des résultats identiques, aux tolérances près, quand il
utilise différents capteurs d’une même série dans des conditions identiques.
Capteurs Caractéristiques métrologiques
Échelle de mesure: Groupe de manière ordonnée avec repères, qui inclut chiffres associés, formant partie d’un dispositif indicateur. Elle est reconnue par ses limites inférieure et supérieure
Étendue de mesure: elle définit la plage de valeurs du mesurante oû le capteurs répond aux spécifications du constructeur. C’est la différence entre les limites supérieur et inférieur de l’échelle
exemple
Sensibilité: Pour une valeur donnée m du mesurante, elle équivaut au quotient de la variation de la sortie électrique par la variation du mesurante: Sm= (delta s/ delta m)
Finesse (discrétion):
Qualité qui va éviter avec la présence d’un capteur, la valeur du mesurante soit affectée. L’influence du capteur sur le mesurante va dépendre pas seulement des caractéristiques du capteur, mais aussi de celle du milieu ou de la structure support du mesurante. La finesse d’un capteur ne d’évalue pas en fonction des conditions effectives d’utilisation.
Masse pour un accéléromètre
Capacité calorifique pour une sonde thermométrique
Rapidité -> tempos de réponse (mesure de température)
Instrument de mesure: dispositif pour les mesurages, seul ou associé à un ou plusieurs dispositifs annexes
Obtenir la valeur la plus probable de la grandeur mesurée et fixer les limites de l’incertitude.
Caractéristiques métrologiques des instruments Généralités
Étendue de mesure:
1) Précision : Aptitude à donner des résultats qui individuellement sont
proches de la valeur vraie du mesurande.
𝑀 − 𝛿𝑀 ≤ 𝑚 ≤ 𝑀 + 𝛿𝑀
𝑚 = 𝑀 + ou - 𝛿𝑀
m : valeur «vraie» d’une grandeur
M : résultat de mesure
M : incertitude absolue
L’erreur de précision de la chaîne de mesure est l’erreur relative 𝜀𝑝𝑟é𝑐𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 rapportée au résultat de mesure :
𝜀𝑝𝑟é𝑐𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 =
𝛿𝑀
𝑀 𝑥 100
Estimation de 𝛿𝑀
En conception : estimation faite à partir des caractéristiques
métrologiques des divers dispositifs constitutifs de la chaîne
de mesure (fournies par les manufacturiers).
À posteriori : par étalonnage de la chaîne au complet en
déterminant sa réponse à des ensembles de valeurs
connues des divers mesurandes.
exemple
Résolution
Elle est la plus faible variation du signal de sortie que la chaîne de mesure est capable de mettre en évidence et qui
est, par conséquent, détectable par l’utilisateur ou le système de traitement de données.
Grandeur
Chaîne de mesure
Mesurande (m) (Variation minimale du mesurande)
Résultat de mesure (valeur mesurable)
erreur de mobilité
Pour certains dispositifs, une faible variation de la grandeur d’entrée peut
n’entraîner aucune variation mesurable de leur grandeur de sortie.
* La présence du bruit de fond rend la détection d’un signal d’autant plus difficile
que le signal est plus faible.
Seuil de sensibilité
Elle est la plus faible variation du signal de sortie que la chaîne
de mesure est capable de mettre en évidence à partir de zéro
Caractéristiques statiques
Ces caractéristiques permettent de déterminer la réponse d’un dispositif et les incertitudes associées lorsque la
grandeur d’entrée est constante ou que ses variations sont suffisamment lentes pour qu’à chaque instant la réponse
soit celle qui correspond à la valeur d’entrée supposée constante.
Erreur de gain nominal
La valeur réelle du gain (G), dans les conditions nominales, est susceptible de présenter un écart maximum ( G) par
rapport à la valeur nominale (𝐺𝑛) spécifiée.
Erreur de linéarité
𝑦 = 𝐺𝑥 + 𝑦𝑜 établit une correspondance linéaire entre la sortie y
et l’entrée x. Lorsque les points expérimentaux utilisés pour établir
cette relation présentent des écarts par rapport à la droite, l’écart
maximal représente l’erreur de linéarité.
Dérives thermiques
Elles représentent l’effet de la température sur le gain et le décalage de zéro
Caractéristiques dynamiques
* Lorsque le signal d’entrée est une fonction du temps x(t), il s’agit de caractériser l’évolution associée du signal de
sortie y(t)
Estimation de l’incertitude de mesure due à un dispositif
Les caractéristiques métrologiques à considérer lors de cette estimation sont :
* Erreur de gain nominal
* Erreur de linéarité
* Incertitudes dues aux dérives thermiques (du gain et du zéro)
* Incertitudes en régime dynamique
* Autres incertitudes spécifiques associées à un dispositif (capteurs, convertisseur analogique-numérique).
L’incertitude maximale due au dispositif k correspond à l’addition des valeurs absolues de ses incertitudes
élémentaires telles qu’elles résultent de ses caractéristiques métrologiques :
𝜀𝑘)𝑚𝑎𝑥 = σ𝑖 𝜀𝑖)𝑘 (diapo33)
L’incertitude probable est déterminée à partir de la somme quadratique des incertitudes élémentaires :
𝜀𝑘)𝑝𝑟𝑜𝑏 = … (diapo 33)
Caractéristiques métrologiques des instruments erreurs de mesure
Erreurs systématiques
* Introduisent un décalage sur toutes les mesures :
o Décalage constant entre la valeur vraie et la valeur mesurée
o Variation lente par rapport à la durée de la mesure
* Pour les détecter, on peut faire des calculs théoriques (ordre de grandeur) ou effectuer des mesures avec des
méthodes et des instruments différents.
possible de les éviter, diminuer ou corriger après mesurage
- Erreurs sur la valeur d’une grandeur de référence
* Décalage du zéro
* Valeur d’une grandeur de référence erronée
* Valeur inexacte de la tension d’alimentation d’un pont
- Mesures à prendre : Vérification soignée des appareils
- Erreurs dans l’exploitation des données brutes de mesure
* Résultat d’une appréciation erronée des corrections pouvant être
nécessaires pour obtenir une valeur plus juste.
Derive de zéro
erreur constante
- Erreurs sur les caractéristiques du capteur
* Erreurs sur la sensibilité
* Coefficients d’étalonnage erronés
* Vieillissement du capteur, fatigue mécanique de ses composantes ou altération
chimique
* Mesures à prendre :
o Réétalonnage fréquent - Erreurs dues au mode ou aux conditions d’emploi
* Erreur de rapidité (vitesse de réponse du capteur)
* Erreur de finesse ou discrétion
* Exemple du capteur de température :
o Vitesse de réponse différente selon la vitesse du fluide où la mesure est
mi
faite
Erreurs aléatoires
1. Erreurs intrinsèques au capteur
* Erreur de mobilité (𝜀𝑚)
o Variation maximale du mesurande qui n’entraîne pas de
variation détectable de la sortie du capteur
* Erreur de lecture (𝜀𝑙)
o Habilité à faire la mesure
o Appareil analogique : la moitié de la plus petite déviation
o Appareil numérique (valeur fixe ou variable)
Potentiomètre
Somme quadratique de l’erreur de mobilité et
de l’erreur de lecture 𝜀𝑟
- Erreurs dues aux grandeurs d’influence
* Systématiques si l’ensemble des mesures est fait en quelques minutes
* Aléatoires si les mesures sont réparties sur plusieurs journées
* Par exemple, l’effet de la pression ou température peut donner un décalage de zéro ou
un changement de sensibilité. - Erreur d’hystérésis
* On a les relations :
o 𝑠′
= 𝑓′ 𝑚
o 𝑠′′
= 𝑓′′ 𝑚
* Correspond à la moitié de l’écart maximal des valeurs de la
grandeur de sortie correspondant à une valeur de mesurande :
o É𝑐𝑎𝑟𝑡 =
1
𝑠′ 𝑚𝑖 − 𝑠′′(𝑚𝑖) - Erreurs dues au dépassement de la
plage de linéarité - Erreur de quantification du CAN
* 1
2
𝐿𝑆𝐵
Exemple capteur de pression électronique
