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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DEPARTEMENT GENIE ELEC

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET MECANIQUE PRODUCTIQUE FILIERE GENIE INDUSTRIEL MEMOIRE DE FIN D’ETUDE EN VUE D’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR EN GENIE INDUSTRIEL PRESENTE PAR : ANDRIATIANARIVONY MAMY JACQUELIN DIRECTEUR DE MEMOIRE : RAVALOMANANA OLIVIER Date de soutenance : 05 Mars 2005 N°15/2004 UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET MECANIQUE PRODUCTIQUE FILIERE GENIE INDUSTRIEL MEMOIRE DE FIN D’ETUDE EN VUE D’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR EN GENIE INDUSTRIEL PRESENTE PAR : ANDRIATIANARIVONY MAMY JACQUELIN DIRECTEUR DE MEMOIRE : RAVALOMANANA OLIVIER PRESIDENT DU JURY : RAKOTONIAINA Solofo Hery MEMBRES DU JURY : RABENARIVO MICHEL RAJAONARIVELO JEAN ANDRE Rakoto RATSIMANDRESY Lanto (JIRAMA) Date de soutenance : 05 Mars 2005 GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 REMERCIEMENTS Le présent mémoire n’a pas pu être mis au point sans l’aide et les aimables contributions de plusieurs personnes qui ont facilité mon travail. C’est donc avec la plus grande joie que j’adresse ma sincère reconnaissance, ainsi que mes plus vifs remerciements : - A Dieu le Créateur, grâce à sa conduite et ses aides, nous avons eu l’opportunité de contempler les merveilleuses créatures, et la possibilité de mener à bien ce présent mémoire. - A Monsieur Yvon ANDRIANAHARISON, Chef de Département Génie Electrique et Monsieur Joeliaritahaka RABEATOANDRO, Chef de Département Génie Mécanique Productique à l’ E.S.P.A. Vous n’avez pas ménagé vos efforts pour mettre à disposition un environnement intellectuel adéquat durant mes études. - A Monsieur Olivier RAVALOMANANA, mon encadreur, qui n’a pas épargné ses efforts et ses conseils ainsi que sa disponibilité, pour la bonne marche de ce travail. - A tous les membres du Jury : • Monsieur Solofo Hery RAKOTONIAINA, Président du Jury et Enseignant à l’ESPA ; • Monsieur Rakoto RATSIMANDRESY Lanto, Représentant de la société JIRAMA ; • Monsieur Jean André RAJAONARIVELO, Enseignant à l’ESPA ; • Monsieur Michel RABENARIVO, Enseignant à l’ESPA qui ont bien voulu juger ce présent mémoire - A tous les Enseignants qui m’ont formés durant mes années d’études à l ’ E.S.P.A., je ne saurais pas oublier l’efficacité et la qualité de vos enseignements. GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 - A mes chers parents, ma famille, mes amis et connaissances, grâce à vos prières ainsi que votre soutien moral, financier et matériel, j’ai toujours eu le courage d’aller de l’avant - A tous les étudiants de mon promotion, je ne saurais jamais oublier l’ambiance d’amitié et de solidarité que nous avons vécu ensemble. - A tous ceux qui, de près ou de loin, ont participé à l’élaboration de ce mémoire. Qu’ils trouvent ici ma reconnaissance et ma gratitude. GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 1 TABLES DES MATIERES INTRODUCTION…………………………………………………………………………… 9 Chapitre 1 : ETUDE GLOBALE D’UN DETECTEUR DE METAUX……...……12 I-1-Objectif …………………………………………………………………………..12 I-2-Principe général de la conception…………………………………………….....12 I-2-a-Schéma généralisé………………………………………………………………12 I-2-b-Détecteur à déséquilibre de pont ……………………………………………….13 Principe………………………………………………………………………….13 Schéma…………………………………………………………………………...13 I-2-c- Détecteur à déséquilibre de champ ……………………………………………14 Principe …………………………………………………………………………14 Schéma…………………………………………………………………………..14 I-2-d- Détecteur à variation de fréquence ……………………………………………15 Principe………………………………………………………………………….15 Schéma…………………………………………………………………………...15 Chapitre 2 : LES DIFFERENTS CAPTEURS……………………………………….16 II-1-Généralités sur les capteurs…………………………………………………….16 II-1-1-Définitons……………………………………………………………………...16 a- Mesurande………………………………………………………………………….16 b- Capteur……………………………………………………………………………..16 c- Types de grandeur physique………………………………………………………..17 II-1-2-Classification des capteurs………………………………………………….…18 a- Capteurs passifs……………………………………………………………………18 b- Capteurs actifs……………………………………………………………………..19 II-2-Principales caractéristiques des capteurs………………………………………19 L’étendue de mesure…………………………………………………………….……19 La sensibilité………………………………………………………………….………20 La rapidité…………………………………………………………………….………20 La précision…………………………………………………………………………..20 GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 2 II-3-Définitions métrologiques……………………………………………………..21 2-3-a-Les erreurs de mesures…………………………………………………………21 2-3-b-Limite d’utilisation……………………………………………………………..21 II-4-Capteur de métaux………………………………………………………………22 a- Montage oscillant……...…………………………………………………………...22 b- Les capteurs inductifs ……………………………………………………………..23 c- Les capteurs capacitifs …………………………………………………………….24 REMARQUE…………………………………………………………………………24 II-5-Choix d’un capteur……………………………………………………………...25 Chapitre 3 : DETECTEUR DE METAUX……………………………………………26 RAPPELS……………………………………………………………………………..26 III-1-Détecteur de métaux……………………………………………………………27 a- Principe de fonctionnement………………………………………………………...27 b- Définition technique………………………………………………………………..27 III-2- Capteur de métaux : bobine de détection…………………………………......28 a- Caractéristique de la bobine………………………………………………………..28 LOI DE LENZ………………………………………………………………………...29 b- La tension et le courant dans la bobine…………………………………………….30 III-3- Décalage de phase de la bobine……………………………………………….31 1- La bobine émettrice………………………………………………………………...32 2- La bobine réceptrice………………………………………………………………..33 III-4- Famille des détecteurs de métaux……………………………………………..34 a- BFO (Battement de fréquence) ……………………………………………………34 b- IB- TR (Balance induction- émetteur récepteur)…………………………………..35 3- VLF (très basse- fréquence) (ou aussi TR ou IB)………………………………….36 4- Induction pulsé……………………………………………………………………..36 III-5- Modes de recherche…………………………………………………………...37 Chapitre-4-ETUDE D’UNE BOUCLE À VERROUILLAGE DE PHASE…………39 GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 3 IV-1-Introduction …………………………………………………………………...39 a- But ………………………………………………………………………………...39 b- Notions de phase et de fréquence instantanées…………………………………….39 IV-2- Principe et constitution générale d’une PLL…………………………………40 1- Principe de base……………………………………………………………………40 2- Eléments constitutifs……………………………………………………………….40 3- Schéma fonctionnel simplifié initial……………………………………………….42 4- Schéma fonctionnel simplifié complet……………………………………………..43 IV-3- Principe de fonctionnement : plage de capture et plage de verrouillage…….43 a- Plage de capture ………………………………………………………………...43 b- Plage de verrouillage……………………………………………………………..43 c- Caractéristique statique générale ….……………………………………………..44 IV-4- Analyse quantitative- Fonctions de transfert…………………………………45 1- Schéma de principe d’une boucle à verrouillage de phase………………………..45 a- Schéma fonctionnel dans le domaine temporel…………………………………….45 b- Schéma fonctionnel dans le domaine de fréquence………………………………..45 2- Fonction de transfert des différents éléments……………………………………...45 3- Fonction de transfert d’une PLL…………………………………………………..46 a) Rappels sur les systèmes asservis………………………………………………….46 b) Schéma fonctionnel définitif……………………………………………………….47 c) Fonction de transfert de la chaîne directe………………………………………….48 d) Fonction de transfert de la boucle fermée…………………………………………48 e) Etude de la stabilité de la boucle dans le cas d’un filtre RC……………………….50 Expressions littérales de ω0 et m……………………………………………………..51 Choix de m……………………………………………………………………………51 Choix de la structure du filtre………………………………………………………...52 Application numérique……………………………………………………….……….52 Chapitre 5 : LES ELEMENTS CONSTITUTIFS D’UN DETECTEUR DE METAUX A PLL……………………………………………………………………………53 I-1- Les différents oscillateurs ……………………………………………………….53 Oscillateurs sinusoïdaux………………………………………………………….53 GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 4 Conditions d’oscillations…………………………………………………………53 • Oscillateur à Pont de Wien……………………………………………………54 • Oscillateur à réseau déphaseur………………………………………………..54 • Oscillateur en « double T »…………………………………………………...55 • Oscillateur Colpitts……………………………………………………………56 Calcul de la valeur de l’inductance L…………………………………...57 I-2- Stabilité d’un oscillateur ………………………………………………………...57 II- PLL………………………………………………………………………………..58 a- Eléments constitutifs……………………………………………………………….58 • Comparateur de phase…………………………………………………….58 • Filtre………………………………………………………………………59 • Oscillateur à relaxation……………………………………………………60 b- Caractéristique linéarisée du VCO avec saturation………………………………..62 III- Amplificateur : Amplificateur différentiel………………………………………63 a- But………………………………………………………………………………….63 b- Schéma de principe………………………………………………………………...63 Chapitre 6 : LE LOGICIEL WORKBENCH…………………………………………65 Matériel …………………………………………………………………………...….65 Logiciel ……………………………………………………...………………………..65 Définition …………………………………………………………………………....65 Méthode ………………………………………………………………………….…..65 Avantages …………………………………………………………………………....65 Difficultés …………………………………………………………………………..66 Présentation du page écran…………………………………………………………..66 Conclusion …………………………………………………………………………..67 GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 5 Chapitre 7 : SIMULATION……………………………………………………………68 1-Définition……………………………………………………………………….......68 2- Synthèse I : oscillateur de mesure ……………………………………………......68 Calcul de la fréquence de fonctionnement de l’oscillateur de mesure……......70 3-Synthèse II : PLL………………………………………………………………......72 Comparateur de phase à OU EXCLUSIF……………………………………......72 4-Synthèse III : Tension de sortie de la boucle à verrouillage de phase PLL……74 Chapitre 8 : AMELIORATION……………………………………………………….76 I- Alimentation……………………………………………………………………….76 II- Détecteur de métaux……………………………………………………………...77 1- La recherche des métaux par discrimination……………………………...77 2- Sensibilité…………………………………………………………………77 3- La correction des effets de sol…………………………………………….77 4- Réglages…………………………………………………………………..77 III- Schéma de notre montage……………………………………………………….78 Chapitre 9 : LES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX……………………………..80 INTRODUCTION……………..………………………………………………………80 • Environnement………………………………………………………………..80 Généralités……………...……………………………….....................80 Définition………………………………………….…………….…….80 Situation environnementale mondiale………………………………………………...81 Exemples d’utilisations d’un détecteur de métaux à PLL ……………………………82 Détecteur de lignes électriques….………………………………………...82 Détecteur de trésors……………………………………………….……….82 Détecteur PI……………………………………………………………….82 Impacts positifs sur le développement social et économique ………………………...83 Impacts négatif d’un détecteur de métaux sur l’environnement …………….……….83 Solutions proposées ou mesures d’atténuation ………………………84 CONCLUSION……………………………………………………….………………..84 GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 6 CONCLUSION……………………………………………………………………………85 BIBLIOGRAPHIE……………………………………………………………………......86 ANNEXE 1……………………………………………………………………………….i Brochage du NE565…………………………………………………………………..i ANNEXE 2………………………………………………………………………………ii Caractéristique du Transistor T1……………………………………………………...ii Caractéristique du Transistor T2……………………………………………………...ii Caractéristique du Transistor T3……………………………………………………...ii Caractéristique du Transistor T4……………………………………………………...ii Caractéristique du Transistor T5……………………………………………………...ii ANNEXE 3………………………………………………………………………………iii Les propriétés magnétiques des métaux : ferromagnétisme…………………………..iii NOMENCLATURE……… ……………………..………………………………........iv ABSTRACT.……………………………………..…………………………………........v RESUME…………..………………………………..……………………………….......... GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 7 LISTE DES FIGURES Pages Chapitre 1 Figure 1 : Schéma généralisé 12 Figure 2 : Détecteur à déséquilibre de pont 13 Figure 3 : Schéma de principe d’un détecteur à déséquilibre de champ 14 Figure 4 : Schéma de principe d’un détecteur à variation de fréquence 15 Chapitre 2 Figure 5 : Principe d’un capteur 16 Figure 6 : Schéma électrique d’un montage astable à circuit RC 22 Figure 7 : Capteur inductif 23 Figure 8 : Capteur capacitif 24 Chapitre 3 Figure 9 : Caractéristique de la bobine 28 Figure 10 : Tension en fonction du temps 30 Figure 11 : Courant I(t) 31 Figure 12 : Courbe du courant traversant la bobine émettrice 32 Figure 13 : Décalage de phase entre signal émis et signal reçu 33 Figure 14 : Principe de fonctionnement d’un BFO (battements de fréquences) 34 Figure 15 : Exemples de construction de deux bobines d’un IB- TR (balance induction) 35 Figure 16 : Champ magnétique et tension aux bornes de la bobine 36 Chapitre 4 Figure 17 : Schéma bloc d’une PLL 40 Figure 18 : Comparateurs de phase les plus utilisés 40 Figure 19 : Filtres passe- bas utilisés dans les circuits analogiques 41 Figure 20 : Diagramme simplifié d’un VCO 41 Figure 21 : Schéma fonctionnel simplifié initial 42 Figure 22 : Schéma fonctionnel simplifié complet 43 Figure 23 : Caractéristique statique générale 44 Figure 24 : Schéma fonctionnel dans le domaine temporel 45 Figure 25 : Schéma fonctionnel dans le domaine fréquentiel 45 Figure 26 : Schéma bloc d’un système bouclé 46 Figure 27 : Schéma fonctionnel définitif 47 Figure 28 : Schéma définitif d’une PLL 48 GENIE INDUSTRIEL ESPA 2003-2004 8 Figure 29 : Filtre passe- bas RC 49 Chapitre 5 Figure 30 : Schéma bloc d’un système bouclé fonctionnant en régime d’instabilité 53 Figure 31 : Oscillateur « Pont de Wien » 54 Figure 32 : Oscillateur à déphasage 54 Figure 33 : Oscillateur en « double T » 55 Figure 34 : Oscillateur Colpitts 56 Figure 35 : Illustration de la stabilité d’un oscillateur 57 Figure 36 : Diagramme de Bode du filtre de type A 59 Figure 37 : uploads/Industriel/ andriantinarivonymamyj-espa-ing-05.pdf