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Royaume du Maroc OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU T

Royaume du Maroc OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL Deuxième Année Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en Électronique DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION Septembre 1996 COURS 12M Instrumentation Résumé de Théorie Résumé de Théorie Instrumentation Module 1 : La mesure et les capteurs industriels Page ii OFPPT/TECCART TECCART INTERNATIONAL 2000 inc. 3155, rue Hochelaga, Montréal, Québec (Canada) H1W 1G4 RÉDACTION Michel Rouleau DESSINS ET CONCEPTION GRAPHIQUE Michel Rouleau RÉVISION TECHNIQUE Claude Théorêt et Michel Rouleau RÉVISION LINGUISTIQUE François Gaudreau Les droits de reproduction et de diffusion de ce document sont cédés par Teccart International 2000 inc. à l’Office de la Formation Professionnelle et de la Promotion du Travail du Royaume du Maroc, pour sa propre utilisation au Maroc. Mis à part l’OFPPT, toute reproduction, en tout ou en partie, par quelque procédé que ce soit, est interdite. Imprimé à Montréal, le 11 décembre 2012 MOD1.DOC/ 21 pages Résumé de Théorie Instrumentation Module 1 : La mesure et les capteurs industriels Page iii OFPPT/TECCART TABLE DES MATIÈRES 1. LA MESURE ET LES CAPTEURS INDUSTRIELS 1-1 1.1 La chaîne de mesure 1-1 1.1.1 Quelques définitions ............................................................................................... 1-2 1.1.2 La chaîne de mesure analogique ............................................................................. 1-3 1.1.3 La chaîne de mesure numérique ............................................................................. 1-4 1.2 Les mesures usuelles 1-5 1.2.1 La mesure de la température ................................................................................... 1-5 1.2.2 La mesure de la pression ........................................................................................ 1-6 1.2.3 La mesure du débit ................................................................................................. 1-9 1.2.4 La mesure du niveau ............................................................................................. 1-10 1.3 Les caractéristiques générales des capteurs 1-11 1.3.1 Les limites d’utilisation ........................................................................................ 1-12 1.3.2 L'étendue de mesure ............................................................................................. 1-12 1.3.3 L'erreur absolue et l'erreur relative et l'erreur systématique ................................. 1-12 1.3.4 La sensibilité ......................................................................................................... 1-12 1.3.5 La résolution ......................................................................................................... 1-13 1.3.6 La linéarité ............................................................................................................ 1-13 1.3.7 La précision .......................................................................................................... 1-13 1.3.8 La répétabilité ....................................................................................................... 1-14 1.3.9 L’hystérésis ........................................................................................................... 1-14 1.3.10 La finesse ............................................................................................................ 1-14 1.3.11 Le temps de réponse ........................................................................................... 1-14 1.4 Méthode de choix des capteurs industriels 1-15 1.4.1 Définition du cahier des charges .......................................................................... 1-15 1.4.2 Les considérations techniques externes affectant le choix du capteur ................. 1-16 1.4.3 Les caractéristiques intrinsèques du capteur ........................................................ 1-17 Résumé de Théorie Instrumentation Module 1 : La mesure et les capteurs industriels Page iv OFPPT/TECCART BIBLIOGRAPHIE BSATA A., Instrumentation et automatistion des procédés imdustriels, Éditio Le Griffon D’Argile, 1994 CHAMPINOIS A., Alimentation, thyristor et optoélectronique, éd. du Renouveau Pédagogique, Montréal RIOUT J., Capteurs industriels, technologie et méthode de choix, Service Micro-électronique (CETIM, Établissement de Senlis) RUEL M., Introduction à l’instrimentation industrielle et à la réguation de procédé, 1ère édition, publié par l’auteur, Québec 1994 RUEL M., Instruments d’analyse d’usage industriels, Édition Odile Germain. Guides GESO-EPFL, Capteurs de mesure et de détection, Presses Polytechniques Romandes. LABCOR, Catalogue général 1996, éd. LABCOR, ventes techniues, Canada NATIONAL INSTRUMENTS, Catalogue 1995. OMEGA, Distributeur Technologies Compagny inc. BRIAN CONTROLS, Distributeur de matériel d’instrumentation, Montréal. OMRON Canada inc. Institut Teccart inc., Recherches et développement, Montréal Résumé de Théorie Instrumentation Module 1 : La mesure et les capteurs industriels Page 1-1 OFPPT/TECCART 1. La mesure et les capteurs industriels Le progrès des technologies utilisées pour la fabrication des capteurs industriels aura permis d’améliorer l’efficacité de la chaîne de mesure. En effet, la multitude de capteurs disponibles permet d'exploiter le système de mesure adéquatement pour toutes les grandeurs physiques que l’on mesure dans une entreprise (température, pression etc.); elles sont mesurées avec la précision qu’exige l’application industrielle visée. Qu’il s’agisse d’une mesure par un système analogique ou numérique, par la reconnaissance et par l’utilisation de standard de transmission reconnu font que les éléments sont de plus en plus fiables et d’utilisation facile. Le substantif mesure représente le résultat de l’action de mesurer, à savoir la valeur de la grandeur physique mesurée. Pour un système de régulation de procédé, cette grandeur physique mesurée exprime, de façon électrique, l’état de la variable que nous voulons réguler. Cette variable qui évolue dans le temps en fonction de perturbation extérieure ou de variation au sein du procédé est communément appelée la grandeur mesurée (« process value » ou PV). Les méthodes de mesure aussi ont progressé considérablement. Les méthodes de mesure plus traditionnelles par substitution ou par comparaison, ou par une grandeur étalon effectuées en comparaison à partir d’un échantillonnage, sont encore utilisées en contrôle de qualité. Cette méthode, appliquée dans des conditions particulières, est fiable et précise mais elle est plus longue et requiert beaucoup de manipulations de la part du technologue. La méthode qui est maintenant la plus répandue est la mesure à l’aide de circuit électronique. Que ce soit avec une chaîne de mesure analogique ou numérique, la valeur de la grandeur physique est traitée, enregistrée ou affichée par un système intégré de plus en plus complet. Pensons notamment aux systèmes de mesure qui, grâce à un algorithme de contrôle, peuvent effectuer une correction (signal de sortie) sur l’environnement de la variable en fonction d’une consigne donnée. Ces systèmes permettent l’affichage, le contrôle et l’enregistrement de la grandeur mesurée par une communication avec un ordinateur si nécessaire. Évidemment, cette méthode de mesure électronique est moins précise que la méthode par substitution, mais la manipulation de la valeur est la plus simple et, de loin, la plus rapide. L’objectif de ce module est de familiariser le lecteur avec les différents concepts entourant la chaîne de mesure que nous retrouvons en milieu industriel lorsque la lecture d’une grandeur physique devient essentielle. 1.1 La chaîne de mesure La chaîne de mesure électronique se compose d’un ensemble de dispositifs comprenant, entre autres, le capteur et les circuits permettant le conditionnement du signal mesuré pour une gamme de mesure définie. Nous pouvons considérer deux méthodes de traitement du signal pour une exploitation satisfaisante de la mesure: la chaîne de mesure analogique et la chaîne de mesure numérique. Dans les pages qui suivent, nous établirons le schéma de principe pour chacune des méthodes. Cette illustration permet l’explication des étapes requises pour le traitement de signal approprié. Résumé de Théorie Instrumentation Module 1 : La mesure et les capteurs industriels Page 1-2 OFPPT/TECCART 1.1.1 Quelques définitions Les fabricants et les revendeurs utilisent une terminologie relativement précise concernant certains éléments de la chaîne de mesure. C’est le cas pour le capteur, le transducteur, le transmetteur et le convertisseur courant/pression (« I/P converter »). En électromécanique par exemple, un effort de normalisation a été fait en ce qui concerne les relations physiques pour un système hybride utilisant des composants électriques et pneumatiques. Voici ces quelques définitions. Le capteur: Élément sensible, souvent nommé élément primaire de la mesure, délivre une variation électrique obtenue directement (capteur actif) ou indirectement (capteur passif) et est modifié par la grandeur physique à mesurer. La variation des caractéristiques électriques peut être de différents types: 1. résistivité ; 2. électrostatique (constante diélectrique, effet capacitif) ; 3. magnétique (perméabilité magnétique, effet inductif) ; 4. voltaïque (tension) ; 5. ampèremétrique (charge ou courant). Les effets utilisés par un capteur actif, c’est-à-dire un dispositif dont le signal électrique est obtenu directement lorsque la variation de la grandeur engendre une grandeur électrique, sont: 1. la thermoélectricité, pour la mesure de température, engendre une tension ; 2. la pyroélectricité, pour la mesure de rayonnement optique, engendre un courant ; 3. la photoémission, pour la mesure de rayonnement optique, engendre un courant ; 4. l’effet photovoltaïque, pour la mesure de rayonnement optique, engendre une tension ; 5. l’effet photoélectromagnétique, pour la mesure de rayonnement optique, engendre une tension ; 6. l’effet piézo-électrique, pour la mesure de force, de pression et d’accélération, engendre un courant ; 7. l’effet d’induction électromagnétique, pour la mesure de vitesse, engendre une tension ; 8. et l’effet Hall, pour la mesure de la position par induction magnétique, engendre une tension ; Le transducteur: Ensemble d’éléments incluant un capteur passif qui permet d’obtenir un signal électrique modifié par la grandeur physique à mesurer. Dans certains cas, ce signal doit être rendu linéaire et/ou compensé en température. Généralement, pour une variation de la résistivité du capteur, nous utiliserons un circuit de résistances en pont; pour les variations du type magnétique ou capacitif, nous utiliserons un pont d’impédances ou un oscillateur. Le transmetteur: Un ensemble d’éléments électroniques qui conditionne, amplifie et transmet un signal électrique normalisé en fonction de la variation que subit le capteur. En principe, le signal de sortie est transmis sur une boucle de courant normalisée 4-20mA correspondant linéairement à la gamme de mesure reproduite. Résumé de Théorie Instrumentation Module 1 : La mesure et les capteurs industriels Page 1-3 OFPPT/TECCART Le convertisseur courant/pression: Ensemble hybride (électrique et mécanique) qui permet de relier (interface) un signal électrique 4-20mA à un système pneumatique 3-15psi (20-100kPa ou 0.2 à 1 bar). 1.1.2 La chaîne de mesure analogique La chaîne de mesure analogique illustrée à la Figure 1-1 est constituée de l’ensemble des dispositifs, y compris le capteur, rendant possibles le traitement du signal mesuré et la transmission d’un signal normalisé 4-20mA. Procédé et variable mesurée Capteur Conditionneur de signal Transmetteur 4-20mA Équipements usuels Équipements usuels Équipements usuels Amplificateur d'instrumentation FIGURE 1-1 SCHÉMA DE PRINCIPE D’UNE uploads/Industriel/ capteurs-conditionneurs-th.pdf