Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Cours d’Instrumentation PARTIE 1 : Diversité de la mesure, conseils pour faire

Cours d’Instrumentation PARTIE 1 : Diversité de la mesure, conseils pour faire une bonne mesure, mode opératoire de mise au point d'une manip, anecdotes... I. DIVERSITÉ DE LA MESURE. A. TYPES DE MESURES. Les mesures à effectuer en milieu industriel ou dans des laboratoires de recherche universitaire sont extrêmement variées. On peut en distinguer plusieurs catégories : mesures simples , exécutées à la main avec un appareil transportable : elles se font sur le site de l'élément ou du paramètre à mesurer. Exemple : mesure de tension à l'aide d'un multimètre. mesures complexes , nécessitant un appareillage lourd : on les fait (quand on le peut !) dans un local aménagé pour recevoir ce matériel spécifique. Exemple : mesure de consommation spécifique d'un moteur à combustion interne sur un banc moteur. Plus généralement, c'est le cas de nombre de mesures faites dans des labos de recherche fondamentale. mesures multiples , nécessitant l'acquisition simultanée de plusieurs paramètres : on fait appel à une centrale d'acquisition portable pour des mesures sur site, ou à des appareils indépendants fédérés par un micro- ordinateur (pilotage des appareils et traitement des mesures) en labo. Exemple : mesure de plusieurs paramètres de fonctionnement d'un véhicule (vitesse, régime moteur, consommation instantanée...) à l'aide d'une centrale de mesure embarquée. B. DOMAINES D'APPLICATION. La finalité de ces mesures peut être très variée. On retiendra notamment : mesures en laboratoire : indispensable à tout organisme de recherche (fondamentale ou appliquée), à tout service d'étude..., ceci afin de pouvoir élaborer des théories et les vérifier, de concevoir et tester des nouveaux matériaux, composants, produits... mesures de qualification de produits de grande consommation : avant de lancer un produit en production et sur le marché (automobile, électroménager, Hi-Fi, vidéo...), on doit s'assurer qu'il va bien fonctionner sans problèmes pendant une durée de vie minimum, dans divers environnement (chaud, froid, humidité...), et qu'il respecte les normes en vigueur. On fait alors fonctionner un échantillon de ces produits (quelques dizaines d'unités dans les cas courants) dans des laboratoires avec du matériel susceptible de les piloter (marche/arrêt, plus vite/moins vite...), de générer des ambiances climatiques extrêmes (froid, chaud, humidité...), et de mesurer divers paramètres. Les mesures sont parfois faites dans un autre laboratoire après un nombre déterminé d'heures de fonctionnement. Les bancs de mesure sont alors complexes à mettre au point, du fait des ambiances extrêmes, et des parasitages induits par les appareils environnants (enceintes climatiques chaud/ froid, compresseurs, ventilateurs, alimentations électriques de forte puissance...). mesures de tests en production : à toutes les étapes de la fabrication d'un produit, les divers éléments le constituant sont testés, c'est à dire mesurés et comparés à des valeurs mini et maxi (les tolérances). Le problème est le même que précédemment : les mesures sont faites dans une ambiance très perturbée. Il faut aussi faire face au stockage d'un très grand nombre de données et à leur exploitation, en direct ou en différé. contrôle de processus industriels : beaucoup de processus de fabrication industriels sont asservis, c'est à dire contrôlés par une ou plusieurs variables, et ce, en temps réel. Il est alors nécessaire de mesurer et de traiter au fur et à mesure de leur acquisition plusieurs paramètres répartis tout au long du processus pour pouvoir agir en conséquence et garantir la qualité et la conformité du produit final. C. GRANDEURS À MESURER. Toutes ces mesures sont de plus applicables à un très grand nombre de paramètres physiques, qui peuvent être : mécaniques : longueur, vitesse, débit, pression, viscosité, état de surface, puissance, couple... électriques : tension, intensité, puissances... thermiques : température, résistance thermique... chimiques : Ph, concentration, salinité... La liste est très longue ! Mais, toutefois, beaucoup de ces mesures présentent des points communs : d'une part, l'élément servant à mesurer les grandeurs désirées (capteur, palpeur, sonde...) délivre très souvent (de plus en plus) un signal électrique qu'il faudra récupérer, amplifier et adapter sans déformation (ou alors avec une déformation maîtrisée : linéarisation par exemple). On se ramène donc quasiment tout le temps à des mesures de tension. d'autre part, il faudra transmettre ce signal à un dispositif de mesure électrique ou à une centrale d'acquisition. C'est une des raison pour laquelle on utilise de plus en plus des capteurs délivrant des signaux électriques : il est facile ensuite de stocker les signaux, de les traiter et de les restituer à l'aide d'un ordinateur. D. MESURES MANUELLES ET AUTOMATIQUES. Nous allons maintenant donner une autre classification des mesures, qui va nous permettre de distinguer deux méthodologies de travail différentes : les mesures faites au coup par coup, avec du matériel piloté manuellement. les mesures à grande échelle, fortement répétitives, obligatoirement faites à l'aide de bancs de mesure informatisés permettant l'acquisition, le traitement et le stockage d'un grand nombre de données. En fait, nous allons voir que ces deux catégories ont une bonne partie de leur mode opératoire en commun, et que la mise au point d'un banc de mesure automatique passe par un déverminage en mode manuel. II. QU'ES-CE QU'UNE CHAÎNE DE MESURE ? La chaîne de mesure est l'ensemble des éléments nécessaires pour connaître la valeur ou l'évolution de paramètres d'un système physique. En pratique, et dans le cas des capteurs délivrant un signal électrique, une chaîne de mesure sera constituée des éléments suivants : le capteur. un câble de liaison. une interface servant d'adaptateur d'impédance entre le capteur et l'étage amplificateur. un étage amplificateur (faible bruit) destiné à amplifier les signaux généralement très faibles issus du capteur. Cet étage amplificateur aura aussi une fonction de conversion de mode (mode différentiel à mode commun) dans le cas d'une mesure en mode différentiel. on peut trouver un étage conditionneur (ex : linéarisateur) si le capteur ne délivre pas une tension proportionnelle à la grandeur à mesurer. Il y aura aussi très souvent un système de compensation des dérives thermiques du capteur. ensuite, on trouve quelquefois des filtres destinés à supprimer les signaux parasites issus du couple capteur/câble. dans certaines chaînes, une interface réalise l'isolation galvanique entre le capteur et l'élément de mesure. dans tous la plupart des cas, on mesure une tension : on trouve donc un voltmètre derrière l'amplificateur ou les conditionneurs. enfin, il faut un système d'affichage pour donner la valeur de la mesure. dans le cas d'un banc de mesures automatique, on trouvera en plus un micro- ordinateur servant à piloter les instruments, à faire l'acquisition des paramètres et leur traitement. Il va de soi que tous ces éléments troubleront le moins possible la mesure : ils devront être précis, fidèles, le plus linéaire possible (faible distorsion), ne pas apporter de signal parasite (faible bruit), et avoir une dérive minimum en température, en hygrométrie... Un instrument de mesure est un appareil qui va réunir tout ou partie de la chaîne de mesure. Souvent, il comprend toute la chaîne à l'exception du capteur et des câbles. Il existe tous les degrés de modularité entre l'instrument monobloc (toute la chaîne y compris le capteur) et le système complètement éclaté. Par exemple, le système d'affichage ne sera peut-être pas inclus : on aura juste une sortie en tension haut niveau (quelques volts ou centaines de mV) qu'il faudra brancher sur un voltmètre ou bien un oscilloscope. On trouve maintenant sur le marché de plus en plus de capteurs "intelligents" : ce sont généralement des capteurs dont l'élément sensible est en silicium (exemple : capteur de pression piezo-résistif, constitué d'un pont de résistances diffusées dans du silicium micro-usiné), ce qui permet d'intégrer sur ce cristal de silicium, et juste à côté de l'élément sensible, les fonctions d'adaptation d'impédance, amplification, compensation thermique, linéarisation... Le capteur délivre alors directement un signal de tension haut niveau proportionnel au paramètre à mesurer. L'intégration permet en plus de diminuer les coûts et augmenter la miniaturisation, ce qui est intéressant pour les systèmes de mesure embarqués (aviation, spatial, automobile...) Pour une même mesure, on va trouver sur le marché divers appareils qui seront soit monoblocs, soit modulaires : il faudra choisir celui qui convient le mieux, et le critère principal ne sera pas forcément la qualité de mesure, mais aussi la modularité, l'ouverture (veut-on accéder à des paramètres intermédiaires, sous quelle forme...), la compacité, le coût... La modularité peut être un avantage si la chaîne n'est pas utilisée en permanence par une expérimentation particulière : on peut alors réutiliser des éléments pour plusieurs types de mesures. Bien choisir un appareil de mesure n'est pas une tâche aisée, et nécessite une bonne réflexion préliminaire ! III. MESURES MANUELLES. Nous allons traiter la chaîne de mesure suivante : Ce cas est relativement répandu, et ce qui va être dit ci-après est facilement transposable aux autres cas de figure. Lors de mesures électriques directes (tensions), il n'y a pas de capteur. Tous ces éléments (y compris les câbles, souvent négligés !) devront être choisis avec soin pour répondre convenablement au besoin : gamme de mesure, précision, rapidité... Par exemple, si on propose de mesurer la température ambiante dans une pièce avec un thermocouple de type K uploads/Industriel/ cours-dinstrumentation.pdf