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INSTRUMENTATION CAPTEURS ET TRANSMETTEURS MANUEL DE FORMATION Cours EXP-MN-SI05

INSTRUMENTATION CAPTEURS ET TRANSMETTEURS MANUEL DE FORMATION Cours EXP-MN-SI050 Révision 0 Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 2 de 214 INSTRUMENTATION CAPTEURS ET TRANSMETTEURS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS.......................................................................................................................7 2. LE SIGNAL DE MESURE..................................................................................................8 2.1. DÉFINITION................................................................................................................8 2.1.1. Le signal analogique...........................................................................................8 2.1.2. Le signal numérique............................................................................................9 2.1.3. Signaux standard................................................................................................9 2.2. RÔLE DU CAPTEUR / TRANSMETTEUR...............................................................10 2.3. TECHNOLOGIE GÉNÉRALE D’UN CAPTEUR / TRANSMETTEUR......................10 3. LE TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE..........................................................................14 3.1. GÉNÉRALITÉS.........................................................................................................14 3.2. FONCTIONNEMENT................................................................................................14 3.2.1. Représentation..................................................................................................14 3.2.2. Le Circuit d’alimentation pneumatique..............................................................15 3.2.2.1. Le filtre.........................................................................................................15 3.2.2.2. Le détendeur................................................................................................15 3.2.2.3. Pannes.........................................................................................................16 3.2.3. Transformation d’une force en un signal pneumatique.....................................16 3.2.3.1. Le système buse palette..............................................................................16 3.2.4. Amplification du signal pneumatique................................................................17 3.2.4.1. Le relais pneumatique..................................................................................17 3.2.4.2. Fonctionnement...........................................................................................18 3.2.5. Assemblage.......................................................................................................18 4. LE TRANSMETTEUR ELECTRIQUE..............................................................................20 4.1. TRANSDUCTION A VARIATION DE RESISTANCE...............................................20 4.1.1. Potentiomètre....................................................................................................20 4.1.1.1. Inconvénients...............................................................................................20 4.1.1.2. Utilisation......................................................................................................21 4.1.2. Jauge de contrainte métallique.........................................................................21 4.1.2.1. Avantages et Inconvénients.........................................................................22 4.1.3. Jauge de contrainte à semi conducteurs..........................................................23 4.1.3.1. Avantages et inconvénients.........................................................................24 4.2. TRANSDUCTION A VARIATION D’INDUCTANCE.................................................25 4.2.1. Transformateur différentiel................................................................................25 4.3. TRANSDUCTION A VARIATION DE CAPACITANCE.............................................27 4.3.1. Condensateur variable......................................................................................27 4.3.2. Piézoélectricité..................................................................................................28 5. LE TRANSMETTEUR NUMERIQUE...............................................................................29 5.1. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT......................................................................30 5.2. RACCORDEMENT....................................................................................................31 5.2.1. Sans Réseau.....................................................................................................31 5.2.2. Avec réseau......................................................................................................32 Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 3 de 214 5.2.3. Comparaison entre le transmetteur électrique et numérique...........................33 6. APPAREILS DE MESURE DE PRESSION.....................................................................34 6.1. INDICATEURS LOCAUX..........................................................................................34 6.1.1. Manomètres Hydrostatique...............................................................................34 6.1.1.1. Manomètre à Tube en U..............................................................................34 6.1.1.2. Manomètre à Tube en U Incliné..................................................................35 6.1.1.3. Réglages......................................................................................................36 6.1.1.4. Avantages et Inconvénients.........................................................................36 6.1.1.5. Erreur de lecture des liquides de tubes en U..............................................36 6.1.2. Manomètres à déformation de solides..............................................................38 6.1.2.1. Manomètre à tube de Bourdon....................................................................38 6.1.3. Manomètres avec séparateur...........................................................................44 6.1.3.1. Manomètre à membrane..............................................................................46 6.1.3.2. Manomètre à soufflet (Cellule de Barton)....................................................47 6.1.3.3. Manomètre à capsule..................................................................................48 6.1.3.4. Manomètre à pression différentielle.............................................................49 6.1.3.5. Montage.......................................................................................................50 6.1.3.6. Réglage........................................................................................................50 6.1.3.7. Mise en Service...........................................................................................53 6.1.4. Pressostat..........................................................................................................54 6.1.4.1. Réglage........................................................................................................55 6.2. ENREGISTREUR PNEUMATIQUE..........................................................................57 6.3. TRANSMETTEUR DE PRESSION...........................................................................58 6.3.1. Transmetteur Pneumatique de pression relative, absolue, différentielle..........58 6.3.2. Schémas de câblage simplifié...........................................................................60 6.3.2.1. Schéma transmetteur de pression relative ou absolue...............................60 6.3.2.2. Schéma transmetteur de pression différentielle..........................................60 6.3.3. Étalonnage........................................................................................................61 6.3.3.1. Réglage du zéro...........................................................................................61 6.3.3.2. Réglage de l’échelle de mesure..................................................................64 6.3.4. Transmetteur de pression électrique................................................................67 6.3.4.1. Représentation.............................................................................................67 6.3.4.2. Schémas de raccordement..........................................................................68 6.3.4.3. Étalonnage...................................................................................................69 6.3.5. Transmetteur de pression numérique...............................................................71 6.3.5.1. Étalonnage...................................................................................................72 6.3.6. Critères de choix des transmetteurs de pression.............................................75 6.3.7. Montage des transmetteurs de pression...........................................................75 7. DEBIT...............................................................................................................................76 7.1. RAPPELS..................................................................................................................76 7.2. INDICATEURS LOCAUX..........................................................................................79 7.2.1. Débitmètres à Ludion (Rotamètre)....................................................................79 7.2.1.1. Fonctionnement...........................................................................................79 7.2.1.2. Utilisation......................................................................................................80 7.2.2. Débitmètres à Turbine.......................................................................................80 7.2.2.1. Principe........................................................................................................80 7.2.2.2. Utilisation......................................................................................................81 7.2.2.3. Pannes.........................................................................................................82 Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 4 de 214 7.2.2.4. Montage.......................................................................................................82 7.3. TRANSMETTEUR DE DÉBIT VOLUMIQUE............................................................82 7.3.1. Débitmètre utilisant la pression dynamique......................................................82 7.3.1.1. Tube de Pitot................................................................................................82 7.3.1.2. Sonde Annubar (ou de Burton)....................................................................84 7.3.2. Débitmètres à organes déprimogènes..............................................................87 7.3.2.1. Généralités...................................................................................................87 7.3.2.2. Venturi..........................................................................................................89 7.3.2.3. Diaphragme..................................................................................................90 7.3.2.4. Tuyère..........................................................................................................96 7.3.2.5. Comparaison des oranges déprimogènes...................................................96 7.3.3. Débitmètres à Ultra Son....................................................................................97 7.3.4. Débitmètres à Effet Vortex................................................................................99 7.3.5. Débitmètres Electromagnétique......................................................................101 7.4. TRANSMETTEUR DE DÉBIT MASSIQUE.............................................................104 7.4.1. Débitmètres massique thermique...................................................................104 7.4.2. Débitmètres à Effet Coriolis............................................................................106 7.5. COMPARATIF DES DIFFÉRENTS TYPES DE DÉBITMÈTRES...........................110 8. NIVEAU..........................................................................................................................111 8.1. GÉNÉRALITÉS.......................................................................................................111 8.1.1. Qu’est-ce qu’un niveau ?................................................................................111 8.1.2. Pourquoi mesurer un niveau ?........................................................................112 8.1.3. Comment mesurer un niveau ?.......................................................................114 8.1.4. Quelle méthode de mesure devons nous utiliser ?.........................................116 8.1.4.1. Suivre un niveau........................................................................................116 8.1.4.2. Déterminer un niveau V.............................................................................117 8.1.4.3. Déterminer une masse M..........................................................................117 8.2. MESURE DIRECTE................................................................................................118 8.2.1. Jaugeage.........................................................................................................118 8.2.1.1. Avantages et Inconvénients.......................................................................119 8.2.2. Niveau à glace.................................................................................................119 8.2.2.1. Niveau à glace à réflexion..........................................................................119 8.2.2.2. Niveau à glace à transparence..................................................................119 8.2.2.3. Comparaison..............................................................................................120 8.2.2.4. Maintenance...............................................................................................121 8.2.3. Niveau par Flotteur..........................................................................................121 8.2.3.1. Principe et Fonctionnement.......................................................................121 8.2.3.2. Avantages..................................................................................................124 8.2.3.3. Inconvénients.............................................................................................125 8.2.4. Niveau à Palette Magnétique..........................................................................125 8.2.4.1. Principe et fonctionnement........................................................................125 8.2.4.2. Caractéristiques.........................................................................................126 8.2.4.3. Avantages et Inconvénients.......................................................................126 8.2.4.4. Maintenance...............................................................................................127 8.3. MESURE INDIRECTE.............................................................................................127 8.3.1. Par la mesure de pression hydrostatique.......................................................127 8.3.1.1. Principe......................................................................................................127 8.3.1.2. Mesure de niveau sur un bac à ciel ouvert................................................127 Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 5 de 214 8.3.1.3. Mesure de niveau sur un bac à ciel fermé.................................................129 8.3.1.4. Maintenance...............................................................................................129 8.3.2. Mesure de niveau par plongeur......................................................................131 8.3.2.1. Principe......................................................................................................131 8.3.2.2. Mesure dynamométrique...........................................................................133 8.3.2.3. Tube de torsion..........................................................................................134 8.3.2.4. Mesure d’un niveau interface.....................................................................135 8.3.2.5. Avantages et Inconvénients.......................................................................136 8.3.2.6. Maintenance...............................................................................................137 8.3.3. Niveau par palpeur électromécanique............................................................137 8.3.3.1. Avantages..................................................................................................138 8.3.3.2. Inconvénients.............................................................................................139 8.3.4. Niveau Bulles à Bulles....................................................................................139 8.3.4.1. Généralités.................................................................................................139 8.3.4.2. Principe......................................................................................................139 8.3.4.3. Avantages et Inconvénients.......................................................................140 8.3.4.4. Maintenance...............................................................................................140 8.3.5. Niveau Capacitif..............................................................................................141 8.3.5.1. Rappel........................................................................................................141 8.3.5.2. Principe......................................................................................................143 8.3.5.3. Liquide non conducteur..............................................................................143 8.3.5.4. Avec Liquide Conducteur...........................................................................146 8.3.5.5. Maintenance...............................................................................................147 8.3.5.6. Avantages et Inconvénients.......................................................................147 8.4. MESURE SANS CONTACT....................................................................................149 8.4.1. Niveau à Ultra-Son..........................................................................................149 8.4.1.1. Rappel........................................................................................................149 8.4.1.2. Principe......................................................................................................150 8.4.1.3. Descriptif....................................................................................................152 8.4.1.4. Avantages et Inconvénients.......................................................................154 8.4.2. Niveau Radar..................................................................................................155 8.4.2.1. Généralités.................................................................................................155 8.4.2.2. Principe......................................................................................................156 8.4.2.3. Niveau Radar classique.............................................................................158 8.4.2.4. Niveau Radar Tuboguidé (pour les liquides).............................................160 8.4.2.5. Radar Filoguidé (pour les liquides et les solides)......................................161 8.4.2.6. Avantages..................................................................................................162 8.4.2.7. Inconvénients.............................................................................................162 8.5. DÉTECTION DE NIVEAU.......................................................................................163 8.5.1. Détection par flotteur.......................................................................................163 8.5.2. Détection par Lames Vibrantes.......................................................................164 8.5.2.1. Avantages..................................................................................................165 8.5.2.2. Inconvénients.............................................................................................165 8.5.3. Détection à Palette Rotative............................................................................166 8.5.3.1. Avantages..................................................................................................167 8.5.3.2. Inconvénients.............................................................................................167 9. TEMPERATURE............................................................................................................168 9.1. RAPPEL..................................................................................................................168 Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 6 de 214 9.1.1. Les unités et échelles de température............................................................168 9.1.2. Relation entre les unités..................................................................................169 9.2. THERMOMÈTRE À DILATATION..........................................................................171 9.2.1. Thermomètre à Dilatation de Liquide..............................................................171 9.2.1.1. Les principaux liquides thermométriques..................................................171 9.2.1.2. Nature de l’enveloppe................................................................................172 9.2.1.3. Loi de Variation..........................................................................................172 9.2.2. Thermomètre à dilatation de gaz....................................................................173 9.2.2.1. Principe......................................................................................................173 9.2.2.2. Gaz employés dans le thermomètre..........................................................174 9.2.2.3. Avantages et Inconvénients.......................................................................174 9.2.3. Thermomètre à tension de vapeur..................................................................174 9.2.3.1. Principe......................................................................................................174 9.2.3.2. Liquide de remplissage..............................................................................176 9.2.3.3. Avantages et inconvénients.......................................................................176 9.2.4. Thermomètre à Dilatation de Solide...............................................................177 9.2.4.1. Généralités.................................................................................................177 9.2.4.2. La bilame....................................................................................................177 9.3. THERMOMÈTRE ÉLECTRIQUE............................................................................179 9.3.1. Thermomètre à Résistance (Sonde pT100)...................................................179 9.3.1.1. Définition....................................................................................................179 9.3.1.2. L’élément sensible.....................................................................................183 9.3.1.3. Classe de tolérance...................................................................................184 9.3.1.4. Câblage......................................................................................................185 9.3.1.5. Constitution d’une sonde de Température................................................186 9.3.1.6. Le Transmetteur.........................................................................................189 9.3.2. Thermistance...................................................................................................190 9.3.3. Thermocouple (Type K, J)...............................................................................191 9.3.3.1. Principe......................................................................................................191 9.3.3.2. Les couples de matériaux..........................................................................192 9.3.3.3. Constitution d’un thermocouple.................................................................193 9.3.3.4. Montage et branchement...........................................................................193 9.3.3.5. Types de jonctions de mesure...................................................................194 9.3.3.6. Tableau de correspondance de la tension / température..........................195 9.3.4. Avantages et Inconvénients des Thermomètres électriques..........................199 9.3.5. Maintenance des thermomètres électriques...................................................199 9.3.5.1. Sonde platine (pT100)...............................................................................199 9.3.5.2. Thermocouple............................................................................................201 9.3.5.3. Etalonnage.................................................................................................202 9.3.6. Thermomètres Bimétalliques..........................................................................203 9.3.7. Pyromètre Optique..........................................................................................204 9.3.8. Pyromètres à radiation....................................................................................205 10. MONTAGE TRANSMETTEUR....................................................................................207 11. RACCORDEMENT ELECTRIQUE DES TRANSMETTEURS....................................208 12. SOMMAIRE DES FIGURES........................................................................................209 13. SOMMAIRE DES TABLEAUX.....................................................................................214 Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 7 de 214 1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre à un futur instrumentiste de comprendre les bases de l’instrumentation sur un site industriel à dominance pétrolière. En fin de cours, dans le domaine des capteurs et transmetteurs, le participant devra être capable de : Connaître toutes les technologies de capteur transmetteur qui existent Savoir les régler Savoir les monter Savoir à quoi sert un transmetteur Connaître les différentes pannes d’un capteur transmetteur Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 8 de 214 2. LE SIGNAL DE MESURE 2.1. DÉFINITION Figure 1: Représentation graphique des signaux 2.1.1. Le signal analogique Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit, niveau, température. Forme : C'est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie, impact. Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse vocale, sonar, spectrographie. Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 9 de 214 2.1.2. Le signal numérique Un signal est numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un l'état bivalent d'un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée. Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état. Exemple : un codeur incrémental donne un nombre fini et connu d'impulsion par tour. Echantillonnage : C'est l'image numérique d'un signal analogique. Exemple : température, débit, niveau. 2.1.3. Signaux standard Signal pneumatique standard 200 – 1000 hPa 3 – 15 psi Signal électrique standard 4 – 20 mA 1 – 5 V Pneumatique Électrique Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008 Page 10 de 214 2.2. RÔLE DU CAPTEUR / TRANSMETTEUR Le rôle du capteur est de capter une information, c'est-à-dire qu’il va donc prélever une grandeur physique par l’intermédiaire d’une prise d’impulsion de process et la traduire en une grandeur électrique ou pneumatique. Le rôle du transmetteur est de transmettre une information, il va donc récupérer une grandeur électrique ou pneumatique provenant de la sortie du capteur et la convertir en un signal standardisé exploitable par les appareils d’acquisition tels que les enregistreurs, les régulateurs ou les cartes d’entrées analogiques des systèmes de contrôle commande. Le capteur et le transmetteur associés forment un instrument de mesure capable de mesurer diverses grandeurs physiques (température, pression, etc…) qui sont indispensable au bon fonctionnement et au rendement d’un site industriel. 2.3. TECHNOLOGIE GÉNÉRALE D’UN CAPTEUR / TRANSMETTEUR Le capteur transmetteur est constitué de trois éléments principaux: Le corps uploads/Management/ exp-mn-si050-fr-r0-capteur-transmetteur.pdf