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Chapitre II : CARACTÉRISATION DES CAPTEURS Master 1 : Génie Pétrochimique 2 1.

Chapitre II : CARACTÉRISATION DES CAPTEURS Master 1 : Génie Pétrochimique 2 1. DÉFINITION Instrumentation - Le domaine industriel a besoin de contrôler de très nombreux paramètres physiques (longueur, force, poids, pression, déplacement, position, vitesse, température, luminosité, …). - A chacune de ces grandeurs à mesurer peuvent correspondre un ou plusieurs types de capteurs fonctionnant selon un phénomène physique: variation de résistance, variation d’induction magnétique, variation capacitive, de fréquence, de flux lumineux… 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). 1.1. Capteur : Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 3 Le schéma suivant synthétise bien ce qu'est un capteur : CAPTEUR Grandeur physique à mesurer (excitation ou mesurande) Grandeur électrique Exploitable (mesure) Schéma de principe d'un capteur Grandeur d’influence Position, Vitesse, Tempéra ture,Force, … - Signal logique - Signal analogique - Signal numérique Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 4 Le mesurande : c'est la grandeur physique en général non électrique que l’on veut mesurer (déplacement, température, pression, etc .....). C’est la grandeur d’entée du capteur ou l’excitation. Le mesurage : c'est l'ensemble des opérations pour déterminer la valeur du mesurande. La mesure : c'est le résultat du mesurage. Autrement dit c'est la valeur du mesurande. Ces définitions permettent de donner une définition claire d'un capteur. En effet un capteur est dispositif dont les caractéristiques physiques sont sensibles à un mesurande. Lorsque celui-ci est soumis à ce mesurande il fournit une réponse sous la forme d'une grandeur physique exploitable qui est en général de nature électrique. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 5 Selon le type de capteur, le signal électrique de mesure peut être de différentes natures : analogique, numérique ou logique. • Signal de mesure analogique : il est lié au mesurande par une loi continue, parfois linéaire, qui caractérise l’évolution des phénomènes physiques mesurés. Il peut être de toute nature : − Courant 0 – 20 mA, 4 – 20 mA. − Tension 0 – 10 V, 0 – 5 V. • Signal de mesure numérique : il se présente sous la forme d’impulsions électriques générées simultanément (mode parallèle, sur plusieurs fils) ou successivement (mode série, sur un seul fil). Cette transmission est compatible avec les systèmes informatiques de traitement. 1.2. Transmission du signal de mesure • Signal de mesure logique : il ne compte que deux valeurs possibles, c’est un signal tout ou rien. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 6 1.3. Corps d’épreuve Pour des raisons de cout ou de facilité d’exploitation on peut être amené à utiliser un capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l’un de ses effets. Le corps d’épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer produit une grandeur directement mesurable par le capteur. CAPTEUR Corps d’épreuve Transducteur Grandeur physique Mesurande primaire Grandeur électrique mesure Mesurande secondaire C’est l’élément lié au corps d’épreuve traduisant la réaction reçue en un signal électrique, une variation de résistance, de capacité, d’inductance. 1.4. Transducteur Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 7 Remarque : On intègre de plus en plus le conditionneur dans le même boîtier que le capteur : l’ensemble forme alors un capteur intégré. Les fonctions assurées par ce conditionneur vont de la simple mise en forme et adaptation du signal, jusqu’aux traitements élaborés de correction de grandeurs d’influence, formant ce qu’on appelle aujourd’hui les capteurs intelligents à microprocesseurs. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 8 La mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement. Dans ce cas le corps d'épreuve est un ressort qui traduit la force (mesurande primaire) en élongation (mesurande secondaire) ensuite un capteur de déplacement traduira cette élongation en signal électrique. On utilise comme corps d'épreuve un élément élastique, respectant la loi linéaire un ressort (raideur constante) . Exemple 1 : Mesure d'une force mécanique Le mesurande force est transformé en mesurande déplacement Le capteur de force utilise ainsi les technologies du capteur de déplacement Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 9 On utilise comme corps d'épreuve un élément élastique en flexion. Le mesurande force est transformé en mesurande élongation. Le capteur de force utilise ainsi les technologies des capteurs de d'élongation (jauges de contraintes). Exemple 2 : Mesure d'une force mécanique Exemple 3: Mesure d'un débit Le débit crée une différence de pression. Le mesurande débit est transformé en mesurande pression différentielle. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 10 Une relation mathématique tirée des lois physiques entre la grandeur d'entrée et la grandeur de sortie doit exister. 2.1. Etalonnage : Cette relation entre le mesurande m et la sortie ou la mesure s ( s = f(m) ) s'appelle courbe d'étalonnage du capteur. 2. ETALONNAGES ET GRANDEURS D’INFLUENCE Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 11 •La caractéristique statique est la courbe qui représente la réponse statique en fonction du mesurande. •La courbe d’étalonnage permet aussi de connaitre la relation inverse entre le mesurande et la mesure. •Le capteur est dit linéaire si la courbe d'étalonnage est une droite ou sinon le capteur est dit non linéaire. *Courbe d’étalonnage : • La courbe d’étalonnage peut être définie par un tableau représentatif de points discrets de mesure. •La courbe d'étalonnage peut être définie une relation fonctionnelle s = f(m). •L'étendue de mesure est définie sur la courbe d'étalonnage du capteur. A l'extérieur de cette zone se trouvent deux valeurs particulières : le seuil et la saturation. Etendue de mesure : •L'étendue de mesure est définie lors de l'étalonnage du capteur. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 12 2.2. Grandeurs d’influence : Les grandeurs d'influence sont des grandeurs étrangères qui, selon leur nature et leur importance, peuvent provoquer des perturbations sur le capteur. Les principales grandeurs d'influence sont : La température qui modifie les caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles des composants du capteur ; La pression, l’accélération et les vibrations susceptibles de créer dans certains éléments constitutifs du capteur des déformations et des contraintes qui altèrent la réponse ; L’humidité à laquelle certaines propriétés électriques comme la constante diélectrique ou la résistivité peuvent être sensibles et qui risque de dégrader l’isolation électrique entre composants du capteur ou entre le capteur et son environnement ; Les champs magnétiques variables ou statiques. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 13 3.1. Sensibilité 3. SENSIBILITÉ ET BANDE PASSANTE La sensibilité σ en un point de mesure m0 s'exprime par le quotient de la variation de la réponse par la variation du mesurande : La sensibilité peut se déterminer graphiquement à partir de la courbe d'étalonnage. La sensibilité est la pente de la courbe au point m0 . Lorsque la loi physique S=f(m) reliant la réponse au mesurande est connue, la sensibilité σ se déduit par dérivation : Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 14 Evaluation graphique de la sensibilité: Remarque : Un capteur est dit "linéaire" lorsque sa sensibilité est constante sur l'étendue de mesure. Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 15 Exemple 1 : pour un capteur à loi quadratique : s = a.e2 + b.e + c → σ = 2a.e + b Exemple 2: Pour une thermistance ayant pour résistance R0 à la température absolue T0, l’équation d’état est : Sensibilité calculée à partir du modèle physique: Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 16 *Rapidité/temps de réponse Un capteur est caractérisé par son temps de réponse (tr) à 90% ou 95% : c’est le temps au bout duquel la sortie atteint 90% ou 95% de sa valeur finale quand la grandeur d’entrée est un échelon. tr 90% 100% entrée sortie Exemple : quelques secondes pour la sonde Pt100. 3.2. Bande passante Instrumentation industrielle - Chapitre II Master 1 : Génie Pétrochimique *Bande passante : C’est la plage de fréquence pour laquelle le fonctionnement du capteur est correct. On lui applique une variation périodique de la grandeur physique d’entrée, on mesure la sortie associée et on trace la sensibilité du capteur en fonction de la fréquence (sensibilité dynamique). Ceci permet de mesurer sa bande passante à -3dB. CHAPITRE II : CARACTERISATION DES CAPTEURS 17 4. CLASSES DE CAPTEURS  Un capteur passif uploads/Industriel/ chap-02-caracterisation-des-capteurs 1 .pdf