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Pr H. EL IDRISSI. 1 Département Génie Electrique Filière d’ingénieurs GET Cours

Pr H. EL IDRISSI. 1 Département Génie Electrique Filière d’ingénieurs GET Cours Capteurs en Instrumentation Industrielle Pr H. EL IDRISSI. 2 SOMMAIRE Chapitre I : Généralités sur les capteurs Chapitre II : Les conditionneurs des capteurs passifs Chapitre III : Les conditionneurs des signaux Chapitre IV : Les Capteurs de température Chapitre V : Les Capteurs de déformation Chapitre VI : Les Capteurs TOR Tout ou Rien Pr H. EL IDRISSI. 3 Chapitre I Généralités sur les capteurs I- Définitions: 1- Capteur Un capteur est un dispositif qui fournit un signal s en fonction du mesurande m. On peut le représenter par un schéma bloc avec une entrée représentant la grandeur physique et un sortie représentant la grandeur électrique (figure 1. 1). Schéma bloc d’un capteur avec une entrée et une sortie Figure 1. 1 Le mesurande m est la grandeur physique, que l’on cherche à mesurer, en général non électrique. Il est objet de la mesure, exemple température, pression, vitesse, etc..... Le signal peut être un courant, une tension, ou une quantité de charge électrique. Au repos, au mesurande m0 correspond un signal s0. Ce sont les variations du mesurande qui imposent une variation du signal s. On dit que le signal s est modulé par les variations du mesurande et que le la variation du mesurande module le signal s. Le mesurande joue le rôle du modulant et le signal s celui du modulé. Le signal électrique est l’image de la variation du mesurande. Cette variation provoque le changement de la valeur initiale d’un élément passif comme les résistances, les capacités des condensateurs, ou les coefficients d’auto-induction des bobines. Il se peut que cette variation du mesurande soit source de génération d’une force électromotrice. La façon la plus simple pour représenter s en fonction m s= f (m) est une droite. La facilité d’exploitation étant aisée. L’instrument de mesure comme le voltmètre ou l’ampèremètre devient, et par un changement d’échelle trivial, un nouveau appareil de mesure d’une grandeur physique et on aura réalisé facilement des instruments électroniques, comme les manomètres électronique, les tachymètres électroniques, les thermomètres électroniques etc….La linéarité facilite Pr H. EL IDRISSI. 4 l’exploitation Généralement, on peut dire que derrière tout instrument de mesure d’une grandeur physique se cache un simple voltmètre ou ampèremètre. La figure 1. 2 représente une droite s=f(m). La valeur minimale du mesurande est notée mmin et la valeur maximale est mmax. De même pour le signal s. à mmin correspond une valeur minimale du signal smin et à mmax correpond la valeur maximale smax. La courbe étant une fonction croissante représentant l’évolution du signal s image de la variation du mesurande de la valeur minimale à la valeur maximale. Cette facilité de correspondance nous permet de transformer les instruments de mesure électriques usuels en instruments de mesure de grandeur physique. s smax smin mmin mmax m Courbe s=f(m) Figure 1. 2 La plage (mmin, mmax) est celle de l’utilisation d’un instrument (Utilisateur). Elle doit être inclue dans la limite d'utilisation données par le constructeur. 2- Etendu de mesure On définit l'étendue de mesure par la différence algébrique. EM=mmax-mmin L’étendu de mesure est relatif à l’utilisateur, tant qu’il respecte les limites d’utilisation du constructeur. Si l’utilisateur choisit de travailler dans toute la plage autorisée par le constructeur, dans ce cas, on dit qu’il travaille en pleine échelle ( full scale). Il est souvent commode de travailler avec des pourcentages qu’avec les données brutes du Pr H. EL IDRISSI. 5 mesurande et du signal. Ainsi mmin, smin représenteront respectivement 0% de la valeur du mesurande et du signal s. De même mmax et smax seront les 100% du mesurande et du signal. Par conséquent, La courbe s= f (m) représenté en % est de pente égale à 1. s 100% 0% 0% 100% m Courbe s=f(m) en % Figure 1. 3 Exercice d’application : Soit un Capteur de niveau donnant un courant qui varie entre 4 mA et 20 mA pour un niveau entre 40ml et 140ml, comme est représentée sur la figure 1. 4. I en mA 20 4 40 140 Niveau en ml Transmetteur de niveau Figure 1. 4 Questions - Quelle est la valeur de l’étendu de mesure. - A quoi correspond 50% du niveau (entrée) Pr H. EL IDRISSI. 6 - A quoi correspond 50% du courant (sortie) - Quelle est l’image en courant de 50% d’entrée. - A quoi correspond 0% du niveau et son image en courant - A quoi correspond 100% du niveau et son image en courant Réponses : - L’étendu de mesure est de 100 ml - 50% de l’entrée (niveau) correspond à 90ml. - 50% de la sortie (courant) correspond à 12 mA. - 50% de l’entrée correspond à 50% de la sortie. L’image de 90 ml est 12 mA. - 0% en courant correspond à 4 mA, 0% du niveau à 40 ml. - 100% du courant correspond à 20 mA, 100% du niveau à 140 ml. 3. Capteur passif On distingue deux classes de capteurs, les capteurs passifs et les capteurs actifs. Un capteur est passif lorsqu'il nécessite une alimentation pour fournir un signal. Un capteur est actif, lorsqu'il ne nécessite pas d'alimentation. Il fournit directement un signal. C'est un convertisseur d'énergie Exemples de capteurs passifs: Capteur résistif - Une résistance rendue variable grâce à la variation du flux lumineux (Photorésistance ou LDR). De nombreux applications de mesures sont basées sur la LDR, comme par exemple le réglage automatique du diaphragme de l’objectif des caméras. - Une résistance rendue variable grâce au curseur solidaire avec l’objet en mouvement. Les mesures possibles sont celles de la position rectiligne et la position angulaire. - Jauge de contrainte est une résistance basée sur l’Effet Piezorésistif, qui traduit la variation de la résistivité d’un matériau sous l’effet d’une force ou une pression. Le tableau suivant illustre les figure 1.s de ces différents capteurs. Pr H. EL IDRISSI. 7 Mesurande: position rectiligne Mesurande: position angulaire Mesurande: flux Lumineux Mesurande : température Mesurande : déformation, force, pression Mesurande : déformation, force, pression Différents capteurs résistifs Tableau 1 Capteur inductif: Un capteur inductif peut être représenté par une simple bobine. Son fonctionnement est basé essentiellement sur la variation de son coefficient d’auto-induction suite à la variation du mesurande. Celui-ci peut être par exemple le déplacement du noyau ferromagnétique solidaire avec un curseur dont on veut connaitre la position, ou l’éloignement des primaires et secondaires d’un bobinage. Le mesurande peut être aussi la proximité, sachant qu’un objet métallique qui se trouve dans la zone où règne le champ magnétique crée par la bobine, provoque la variation du coefficient d’auto-induction. Les applications industrielles sont nombreuses, parmi lesquelles le tachymètre électronique, le comptage des pièces, la détection des métaux, la mesure de position rectiligne et angulaire, etc…Le tableau 2 illustre les schémas de principe d’utilisation des capteurs inductifs. Pr H. EL IDRISSI. 8 Mesurande : déplacement linéaire Mesurande : déplacement linéaire Mesurande : proximité Mesurande : déplacement linéaire, inductosyne Mesurande : déplacement linéaire, inductosyne Mesurande : déplacement angulaire, resolver Mesurande : déplacement angulaire, resolver Différents capteurs inductifs Tableau 2 Capteur capacitif: Le principe de fonctionnement est basé sur la variation de la capacité d’un condensateur en fonction de la variation du mesurande. Dans le cas d’un condensateur plan, on peut remarquer que si l’une des armatures est solidaire avec l’objet en mouvement, alors ceci engendra une variation de la distance qui les sépare, où bien la surface vis-à-vis. En effet la capacité d’un condensateur est proportionnelle à la surface vis-à-vis des armatures et inversement proportionnelle à la distance qui les sépare. On peut aussi supposer le cas où la constante diélectrique de l’isolant qui sépare les deux armatures n’est pas constant, sa variation est due par exemple à l’immersion d’un fluide, ou d’un objet, qui changeront la valeur initiale de la constante Pr H. EL IDRISSI. 9 diélectrique. Mesurande : niveau Mesurande : pression capteurs capacitifs Tableau 3 4. capteur Actif Un capteur est actif, lorsqu'il ne nécessite pas d'alimentation. Il fournit directement un signal. C'est un convertisseur d'énergie. Exemples de capteurs actifs: Thermocouple Un thermocouple set l’association de deux métaux de type différents soudés au bout formant une jonction, appelée jonction chaude, les deux autres bouts sont connectés à un voltmètre et forment des jonctions appelées jonctions de référence ou jonctions froides. On remarque qu’il y a génération d’une force électromotrice dès qu’il y a un gradient de température entre la jonction chaude et la jonction de référence. Autrement, la force électromotrice est nulle. Ce phénomène est dû à l’effet thermoélectrique. La figure 1. 5 montre le schéma de base d’un thermocouple. Tref métal A E en µV. Tc métal B Tref Thermocouple Figure 1. 5 Pr H. EL IDRISSI. 10 Quartz On observe dans Certains cristaux naturels tels que les quartz, un phénomène d’accumulation de charge électrique sous l’effet d’une force ou de pression (contrainte). C’est l’effet piézoélectrique. Le cristal se polarise dès qu’il subisse une force. De même, sous l’action d’une polarisation extérieure, on observe une vibration mécanique uploads/Sante/ cours-capteurs.pdf