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H. EL FADIL 1 CHAPITRE 1 : Introduction à l’étude des capteurs 1.1 Définition d

H. EL FADIL 1 CHAPITRE 1 : Introduction à l’étude des capteurs 1.1 Définition de l’instrumentation : L’instrumentation est une technique de mise en œuvre d’instruments de mesure, d’actionneurs, de capteurs, de régulateurs, en vue de créer un système d'acquisition de données ou de commande. L'instrumentation est utilisée dans divers domaines et secteurs d'activités (industrie, recherche et développement, universités, etc.). Elle va par exemple permettre :  d'automatiser ;  de faire des tests sur des produits (exemple : crash test) ;  d'observer des phénomènes (travaux pratiques dans l'éducation) ;  de simuler des vieillissements (tests répétitifs) ;  de faire des contrôles qualité (sur des chaînes de production) ;  d'alerter ou de surveiller. 1.2 Le rôle du capteur dans la régulation: Le schéma s’un système en boucle fermée (BF) peut se présenter comme suit (figure 1.1): Figure 1.1 : Schéma d’une régulation Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 2 On y voit bien l’importance de la mesure (notamment du capteur) dans la régulation industrielle. Exemple 1 : Régulation de niveau Figure 1.2 : Exemple d’une régulation de niveau Exemple 2 : Régulation de température : Exemple 3 : Variation de vitesse d’un moteur électrique: La commande vectorielle, aussi appelée commande à flux orienté (field-oriented control en anglais), est une méthode de commande des variateurs de vitesse d'un moteur électrique à courants alternatifs (figure 1.4). Dans cette figure on y voit clairement la nécessité de mesurer les courants statoriques et l'angle de Park (la position du rotor). Figure 1.3 : Régulation de température d’un échangeur thermique Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 3 Figure 1.4 : Exemple de commande vectorielle d'un moteur triphasé 1.3 Définition d’un capteur: Un capteur: est un organe de prélèvement d’information qui élabore à partir d’une grandeur physique une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique) (figure 1.5). Cette grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande. Figure 1.5 : Rôle d’un capteur 1.4 Nature des signaux mesurés: Selon le type de capteur, le signal électrique de mesure peut être de différentes natures:  Signal de mesure analogique: il est lié au mesurande par une loi continue, parfois linéaire:  Courant: 0-20mA, 4-20mA  Tension 0-10V, 0-5V  Signal de mesure numérique: 2 modes: mode parallèle ou mode série. Régulateurs pro Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 4  Signal de mesure logique: il ne comporte que deux valeurs possibles, c’est un tout ou rien. 1.5 Le capteur actif Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d’énergie propre à la grandeur à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Les plus classiques sont: 1.5.1 Effet thermoélectrique: Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d’une force électromotrice V proportionnelle à 1 2 T T T    (voir figure 1.6). 1.5.2 Effet piézo-électrique: L’application d’une contrainte piézo- électrique (le quartz par exemple) entraîne l’apparition d’une déformation et d’une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées (figure 1.7). 1.5.3 Effet d’induction électromagnétique: la variation du flux d’induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique (figure 1.8). Fig 1.6 : Effet thermoélectrique L’application d’une contrainte déforme le cristal Fig 1.7 : Effet piézo-électrique Fig 1.8 : Effet d’induction électromagnétique Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 5 1.5.4 Effet photo-électrique: La libération de charge électriques dans la matière sous l’influence d’un rayonnement lumineux ou plus généralement d’une onde électromagnétique dont la longueur d’onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau (figure 1.9). 1.5.5 Effet Hall: L'effet Hall dit « classique » a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension perpendiculaire à celui-ci (figure 1.10). Figure 1.10 : Effet Hall La tension de Hall est proportionnelle au courant I et au cham magnétique B : Z B I V H H    (1.1) avec H  le coefficient de Hall et Z étant l’épaisseur du conducteur. 1.5.6 Effet photovoltaïque: Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d’une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes (figure 1.11). La figure 1.12, montre le transfert d’énergie des photons Fig 1.9 : Effet photo-électrique Z Fig 1.11 : Effet photovoltaïque Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 6 Figure 1.12 : Transfert d’énergie des photons Le tableau 1.1 indique pour certaines grandeurs à mesurer, l’effet utilisé. Tableau 1.1 : Mesure et effet utilisé dans un capteur actif Grandeur physique à mesurer Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Pyroélectricité Charge Flux de rayonnement optique Photo-émission Courant Effet photovoltaïque Tension Force Piézo-électricité Charge Pression accélération Induction électromagnétique Tension Vitesse Position (Aimant) Effet Hall Tension 1.6 Le capteur passif Il s’agit d’impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La variation d’impédance résulte :  Soit d’une variation de dimension de capteur, c’est le principe de fonctionnement d’un grand nombre de capteur de position (potentiomètre, inductance à noyau mobile, condensateur à armature mobile). Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 7  Soit d’une déformation résultant de force ou de grandeur s’y ramenant, pression accélération (armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d’extensométrie liée à une structure déformable). Le tableau 1.2 indique pour certaines grandeurs à mesurer, la caractéristique électrique sensible. Tableau 1.2 : Mesure caractéristique utilisée dans un capteur passif Grandeur mesurée Caractéristique électrique sensible Type de matériau utilisé Température Résistivité Métaux: platine, nickel, cuivre, … Très basse température Constante diélectrique Verre Flux de rayonnement optique Résistivité Semi-conducteur Déformation Résistivité Alliage de Nickel, Silicium dopé Perméabilité magnétique Alliage ferromagnétique Position (Aimant) Résistivité Matériaux magnéto résistants: bismuth, antimoine d’indium Humidité Résistivité Chlore de lithium 1.7 Le conditionneur: L’impédance d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit électrique alimenté (conditionneur). Le conditionneur sert à mettre en forme le signal mesuré pour le traduire en une grandeur permettant le traitement (par exemple : tension, courant, fréquence). Pour une variation de la résistivité du capteur, nous utiliserons un circuit de résistances en pont (voir exemple figure 1.13); pour les variations de type magnétique ou capacitif, nous utiliserons un pont d’impédances ou un oscillateur. (Capteur) Fig. 1.13 : Exemple conditionneur en pont de résistances Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 8 1.8 Chaîne de mesure: 1.8.1 Principe d’une chaîne de mesure: On appelle chaîne de mesure l’ensemble des éléments, à partir de l’élément primaire de mesure jusqu’au dispositif final d’indication, d’enregistrement, de stockage ou de traitement 1.8.2 Chaîne de mesure analogique La chaîne de mesure analogique 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 (figure 1.14). Figure 1.14 : Chaîne de mesure analogique 1) Procédé et variable mesurée: Environnement dans lequel évolue la variable mesurée (la mesurande). 2) Capteur: Elément primaire de mesure qui subit une modification de ses caractéristiques intrinsèques. 3) Conditionneur de signal: ensemble de circuits qui délivre un signal électrique proportionnel à la variation du capteur soumis à la contrainte physique. Il comporte dans certains cas: - Des circuits d’amplification bas niveau, - Des circuits de linéarisation ou de compensation thermique - Ou des circuits de traitement du bruit. Pour certains cas on trouve simplement un circuit en pont ou un oscillateur. 4) Amplificateur d’instrumentation: Circuit d’amplification aussi appelé amplificateur différentiel de signal. Il possède un grand taux de rejet de bruit (Figure 1.15). Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 9 Figure 1. 15 : Amplificateur d’instrumentation Figure 1. 16 : Transmetteur 4-20mA 5) Transmetteur 4-20mA: Ensemble d’éléments électroniques qui conditionne, amplifie et transmet un signal électrique normalisé (4-20mA) en fonction de la variation que subit le capteur (figure 1.16). 6) Equipements usuels: beaucoup d’instruments de mesure et de contrôle de procédé, commercialisés par les fabricants, possèdent une entrée analogique 1-5V. A l’aide d’une résistance de 250 de précision, un signal venant d’un transmetteur 4-20mA peut facilement être exploité. Les instruments usuels sont: - L’enregistreur; - L’afficheur; - Le régulateur de procédé; - Le système d’acquisition de données; - Le système de gestion des alarmes, … 1.8.3 Chaîne de mesure numérique: Les progrès de l’électronique numérique ont influencé le domaine de la mesure en milieu industriel. L’utilisation des convertisseurs analogique numérique (CAN) et des microcontrôleurs spécialisés ont facilité le traitement et la transmission numérique de signaux de mesure (figure 1.18). Fig. 1.17 : Enregistreur afficheur Capteurs Ch-1 : Généralités H. EL FADIL 10 Figure 1. 18 : Chaîne de mesure numérique  Le conditionneur de signal comporte beaucoup moins de circuits électroniques. En effet l’opération de linéarisation et de compensation peuvent être effectuées par le microcontrôleur.  Le CAN est un circuit intégré qui permet le transfert du signal électrique analogique en code binaire.  Équipements usuels sont des uploads/Industriel/ capteurs-et-instrumentation-industrielle-cours.pdf