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Les capteurs industriels

Capteurs

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Page 1: Capteurs

Les capteurs industriels

Page 2: Capteurs

Quelques généralités et définitions...

Le premier élément de la chaîne de mesure est le capteur. La grandeurphysique à mesurer lui est directement appliquée. Le terme de sonde estplutôt réservé à l'élément du capteur situé localement au point de mesurage.

Le transmetteur ou conditionneur transforme le signal électrique en unsignal transmissible de haut niveau, le plus souvent conforme à un standardde transmission, qu'elle s'effectue sous forme analogique ou numérique.

CAPTEUR CONDITIONNEUR RECEPTEUR

GRANDEURPHYSIQUE

INFORMATION A TRAITER

Ligne de transmission

Transformergandeur physique

en signal électrique

Adapter le signal électrique

en vue de satransmission

Réception dusignal transmiset adaptationà l'unité detraitement

Page 3: Capteurs

A l'autre bout de la ligne de transmission le récepteur adapte le signal àl'unité de traitement, le plus souvent numérique.

Actuellement de nombreux capteurs à électronique incorporée sont en réalitédes ensembles capteur + transmetteur. Des capteurs sont directementraccordables à un réseau comme ethernet (transmission série rapide multi-point) ou communiquent par liaison sans fil.

CAPTEUR CONDITIONNEUR RECEPTEUR

GRANDEURPHYSIQUE

INFORMATION A TRAITER

Ligne de transmission

Transformergandeur physique

en signal électrique

Adapter le signal électrique

en vue de satransmission

Réception dusignal transmiset adaptationà l'unité detraitement

Signal

électrique

PressionPoids

PositionVitesse

Température

∩ : transmission analogique

0 - 10V4 - 20mA

# : transmission numérique

RS 232-CETHERNETLiaisons sans fil

Automate

PC

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CAPTEUR / CONDITIONNEUR RECEPTEUR

INFORMATION A TRAITER

Pression0-10 bars

Capteur de pression

à sortie 4-20 mA

Carte de conversion

analogique / numériqueSignal normalisé 4-20 mA

Mesure de pression

Pression

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CAPTEUR CONDITIONNEUR RECEPTEUR

INFORMATION A TRAITER

Masse0-100kg

Capteur àjauges decontraintes Signal

analogiquebas niveau

Conversionana / num

Transmission Signal numériquenorme RS-232C

Module decommunicationRS-232C

Mesure de poids

Poids

Page 6: Capteurs

* L'étendue de mesure : c'est l’amplitude entre le plus petit et leplus grand signal mesuré, sans risque de destruction pour le capteur.

exemple : 1g à 10kg ; 0 à 100 bars ; 360°

* La résolution : c’est la plus petite variation de la grandeurphysique observable

exemple : 0,1mm pour une mesure de position 0,2°C pour une mesure de température

* La rapidité : c’est l’aptitude à suivre les variations du signal.

Elle est chiffrée en nombre de mesures par seconde(fréquence d'acquisition en hertz).

Principales caractéristiques de l'instrumentation

Page 7: Capteurs

Les capteurs de position et de déplacement

Page 8: Capteurs

Codeurs rotatifs incrémentaux

Un codeur optique rotatif est un capteur angulaire de position. Liémécaniquement à un arbre qui l'entraîne, son axe fait tourner undisque qui comporte une succession de zones opaques ettransparentes.La lumière émise par des diodes électroluminescentes arrive sur desphotodiodes chaque fois qu'elle traverse les zones transparentes dudisque. Les photodiodes génèrent alors un signal électrique qui estamplifié et converti en signal carré avant d'être transmis vers uneunité de traitement.

Page 9: Capteurs

La plupart des codeurs incrémentaux intègrent 3 détecteurs optiqueset fournissent ainsi 3 (ou 6) signaux :

Signal voie A, signal voie B et signal top zéro (plus éventuellement lessignaux complémentés).

* Les signaux voies A et B sont déphasés électriquement de 90°afin de permettre une détermination du sens de rotation.

* Le top zéro correspond à une impulsion par tour, ce qui permetde réaliser une référence et d'obtenir ainsi une mesure de positionabsolue.

VOIE A

VOIE B

SENS 1

VOIE A

VOIE B

SENS 2

Page 10: Capteurs

Le nombre d ’impulsions par tour permet de définir, pour une voie, larésolution du codeur :

Ainsi un codeur fournissant sur sa voie A 1000 impulsions par tourprésentera une résolution angulaire de 0,36°.

Certaines cartes spécialisées permettent d'améliorer artificiellement larésolution d'un codeur en prenant en compte les fronts montants etdescendants des voies A et B ( résolution angulaire divisée par 4).

Ces codeurs sont utilisés principalement dans des mesures dedéplacement ou de position mais il reste possible par un traitementapproprié de réaliser des mesures de vitesse (nombre d'impulsionsreçues pendant un intervalle fixé par une base de temps interne ausystème de traitement).

VOIE A

VOIE B

1

2

3

4

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La prise en compte des signaux est difficilement réalisabledirectement par les entrées tout ou rien des API.

Exemple : Résolution = 0.36° Fréquence de rotation = 25T/s

Fréquence du signal voie A = 25x360/0,36=25KHz

Les entrées tout ou rien "rapides" des API sont limitées en fréquence:

- TSX-37 entrées %I1,0 à %I1,3 fmax = 500Hz

- TSX-37-22 voie de comptage intégrée fmax = 10KHz

L'acquisition des informations en provenance d'un codeur incrémentalnécessite le plus souvent l'utilisation de cartes spécialisées :

- Cartes de comptage rapide.

- Coupleurs intelligents type carte d'axe numérique.

Association avec automate

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Etage de sortie à collecteur ouvert

Fmax =25KHz

Lmax=30m

Vcc

COLLECTEUR

OUVERT NPN

CODEUR AUTOMATE

Entréede comptage/ décomptage

Le courant est sortant de l ’automate.A l ’état 1L la ligne est en hauteimpédance.

Page 13: Capteurs

Etage de sortie totem pole ou push-pull

Fmax =25KHz

Lmax=30m

Vcc Vcc

TOTEM POLE

CODEUR AUTOMATE

Entréede comptage/ décomptage

Le courant est sortant du codeur àl ’état 1L et sortant de l ’automate au0L.

la ligne n ’est jamais en hauteimpédance.

Page 14: Capteurs

Vcc

Vcc

GND

EMETTEUR DE LIGNE

Codeur Récepteur

Etage de sortie à émetteur de ligne ou RS422

Fmax > 100KHz

Lmax=1000m

C ’est une transmission différentielleavec les signaux A, A/, B, B/, Z et Z/suivant la norme RS422.

Elle est insensible aux parasitesindustriels.

Page 15: Capteurs

Exemple de codeur incrémental

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Les codeurs optiques absolus

A chaque position du disque correspond un code numérique fourni parl'état de N détecteurs optiques, alignés, et en regard de N pistesgravées.

On peut réaliser par gravure uncode binaire pur, BCD ou GRAY.

Page 17: Capteurs

Le plus souvent ces codeurs nécessitent des cartes spécialiséesmoins courantes sur le marché.

Les informations sont fournies soit sous forme parallèle soit sousforme série.

Association avec API

Ces codeurs sont destinés à des mesures de position absolue, voirde déplacement.

Les codeurs simples ne donnent une information de position que sur360°, il existe des codeurs multitours qui comptabilisent le nombrede tours effectués.

Page 18: Capteurs

Les capteurs potentiométriques

Le mouvement du curseur est lié au déplacement de l'objet donton veut mesurer la position.

Le potentiomètre est alimenté par une source de tensioncontinue de grande précision et la tension mesurée entre lecurseur et un point fixe donne l'image de la position angulaire.

P1

1K

GND

+10V

VERE = 50K

ENTREE

ANALOGIQUE

SCHEMA DE PRINCIPE

Page 19: Capteurs

On utilise des potentiomètres simple tour (320° utiles ) ou multi-tours(10, 20 tours), avec une loi résistance /déplacement linéaire.

Ils sont choisis étanches à l'eau et à la poussière.

La piste résistive en contact glissant avec le curseur est généralementà couche plastique (plastique chargé de poudre conductrice ) ou àcouche cermet (composite CERamique - METal ).

Pour ces types de potentiomètres la résolution est infinie.

Technologie du capteur

Modèle à déplacementdu curseur linéaire

Page 20: Capteurs

Association avec automate

GND

1+

1-

MODULEENTREEANALOGIQUE

ALIMENTATION0V

+10V

câble blindé

RACCORDEMENT 4 FILS

L'information position est transformée par le potentiomètre ensignal tension, par exemple 0-10V, formant ainsi un ensemblecapteur + transmetteur.

Pour un traitement numérique de l'information par API lepotentiomètre est relié à une carte d'entrée analogique qui réaliseune conversion analogique / numérique. Ces cartes sontdisponibles pour la plupart des automates.

Page 21: Capteurs

Pour ces modules les principales caractéristiques à prendre en comptesont :

* La gamme d ’entrée et le nombre de voies : 0..+10V

* La résolution de la conversion analogique / numérique

exprimée en nombre de bits par exemple 8 ou 16 bits

* La fréquence d ’acquisition

Il faudra s'assurer que l'impédance d'entrée de la carte de conversionne vienne pas perturber la mesure et choisir la valeur ohmique dupotentiomètre en conséquence, soit :

R (entrée du module) en Ω >> R (potentiomètre)

Module d ’entrée analogique

Page 22: Capteurs

Module d ’entrée analogique

Page 23: Capteurs

Les capteurs à transformateur différentiel

VS

VS1 VS2

VP

PRIMAIRE

NOYAU MAGNETIQUE MOBILE

VS = VS1 - VS2

Le transformateur différentiel est constitué d'un enroulement primaireet de deux enroulements secondaires placés symétriquement parrapport à ce dernier et reliés en opposition.

Lorsqu’un courant alternatif parcourt l'enroulement primaire, ledéplacement d'un noyau ferromagnétique dans l'axe médian desbobines modifie le couplage entre les enroulements primaire etsecondaire. La tension résultante aux bornes des enroulementssecondaires est fonction de la position du noyau par rapport auxenroulements.

Page 24: Capteurs

Principales caractéristiques :

* Résolution théoriquement infinie du capteur.* Excellente linéarité (0.5% de l'étendue de mesure ou mieux).* Courses faibles : quelques dizaines de mm

Association avec automate par conditionneurs spéciaux quifournissent en sortie une mesure de position sous forme analogiqueou numérique, standardisée.

Page 25: Capteurs

Les resolvers

Stator

Stator

Stator

Un transformateur, dont le primaire est sur le stator et le secondairesur le rotor, est alimenté par une tension alternative de fréquenceproche de 10 kHz, appelée porteuse. Un autre enroulement rotoriquereçoit son alimentation par le secondaire du transformateurprécédent.Il produit un champ tournant qui induit dans deux enroulementssecondaires placés au stator et décalés de 90°, deux tensions Cos etSin dont la combinaison permet de déterminer la position du rotor.

5 à 10KHz

Page 26: Capteurs

L’intérêt de ce capteur angulaire réside dans sa robustesse et sagrande fiabilité, du fait qu’il n’y a pas de contacts glissants. Saprécision est de l’ordre de quelques minutes d’angle.

Ce capteur est associé, et le plus souvent intégré, aux servomoteurssynchrones autopilotés ( moteurs sans balais, brushless).

Page 27: Capteurs

les capteurs employés en pesage

Page 28: Capteurs

Les capteurs à jauge de contrainte

Un corps d'épreuve (aluminium,acier,...) est soumis parcompression, flexion ou cisaillementau poids à mesurer.

Il se déforme à l'intérieur de sondomaine élastique.

Des jauges d'extensiométrie àtrame pelliculaire collées sur cecorps d'épreuve etconvenablement groupéestransforment ces déformations envariations de résistances.

Page 29: Capteurs

Réalisées sous forme de trames pelliculaires les jauges sont, sur unmême corps d'épreuve, le plus souvent regroupées en pont dewheatstone.

R1 R2

R3 R4

VALIM VS

J1 J2

J3 J4

A BAlimentation5 à 10 V DC

En déformation :J1 et J4 s'allongentJ2 et J3 sont comprimées

A l’équilibre :R1=R2=R3=R4=R

VS=0V

En déformation :

R1=R4=R+∆R

R2=R3=R-∆R

VS=- VALIM.(∆R/R)

La tension VS est proportionnelle au poids appliqué

Page 30: Capteurs

Scaime F60X

Page 31: Capteurs

Scaime CPJ

Page 32: Capteurs

Autres capteurs de pesage

Le défaut principal des jauges à trame pelliculaire est lié à leurcollage sur le corps d'épreuve. Les fabricants ont ainsi développédes capteurs à couche mince où la colle est remplacée par unecouche céramique diffusée sur laquelle on "dépose" par desprocédés sophistiqués la jauge.

Ces jauges piézoélectriques sont une alternative aux jauges àvariation de résistances. Elles fournissent une tensionproportionnelle à la contrainte mécanique et sont surtout utiliséesdans les capteurs de pression avec une électronique intégrée(sortie analogique 0-10V ou 4-20mA).

+ pas de déformation

+ temps de réponse faible

Page 33: Capteurs

les capteurs de température

Page 34: Capteurs

Les thermocouples

Un thermocouple est constitué de 2 conducteurs métalliques denatures différentes reliés à leurs extrémités. En portant lessoudures à des températures différentes on constate l'apparitiond'un courant : effet Seebeck.

En ouvrant le circuit à un endroit quelconque ce dernier se comportecomme un générateur de FEM dont la valeur dépend du couple demétaux et de la différence entre la soudure dite chaude et l'autresoudure dite froide.

U = C.(Tx-Ta) avec C constante en V/°C et Tx, Ta en °C

UTx Ta

Fer

Cuivre-nickel

mV

SOUDURECHAUDE

SOUDUREFROIDE

Page 35: Capteurs

Caractéristiques :

* Couple J : Fer / Cuivre-nickelC=52.3 µV/°C domaine de mesure : -50 à +350°C

* Couple K : Nickel-chrome / Nickel-aluminiumC=6.4 µV/°C domaine de mesure: -50 à +900°C

- Les câbles de raccordement entre capteur et module de traitementsont des câbles spéciaux, d'extension ou de compensation,compatibles avec le couple utilisé et on devra respecter les polarités.

- La tension mesurée (de quelques millivolts) étant proportionnelle àla différence de température entre soudure chaude (au point demesure) et soudure froide il faudra pour réaliser une mesure detempérature absolue faire ce que l'on appelle une "compensationde soudure froide", ce qui revient le plus souvent à faire unemesure de température ambiante.

Page 36: Capteurs

Des cartes ou modules permettent de réaliserl'adaptation de ces capteurs aux API :

- Amplification du signal- Compensation de soudure froide- Conversion analogique numérique

Page 37: Capteurs

Les sondes platine

On utilise ici la loi de variation de la résistance en fonction de latempérature de certains métaux. Le plus employé est le platine poursa très bonne linéarité.

Le capteur est constitué par un fil très fin de platine enrobé dansune enveloppe métallique, céramique ou pyrex de quelques mm dediamètre et de quelques cm de longueur.

Caractéristiques :

- Résistance à 0°C : 100Ω- Domaine d'utilisation : -200 à +600°C

- R(-200°C) = 18.49Ω- R(100°C) = 138.5Ω- R(200°C) = 175.84Ω

Page 38: Capteurs

Montage des sondes platine

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Des modules adaptateurs permettent pour uncoût modeste :

- d'alimenter la sonde en courant (2 mA).

- d'adapter et d'amplifier le signal mesuré pourle mettre à un format standard de transmission,par exemple 0-10V.

Transmetteur pour rail DIN / système 4 fils / thermocouple / Pt100

* Sortie signal analogique 0-10 V DC, 0-1 V DC, 4-20 mA ou 0-20 mA * Pour montage sur rail DIN

Spécifications : * Plage mini : Thermocouple 50°C, Pt100 25°C * Linéarisé en température * Alimentation 24 V DC (autres tensions d'alimentation sur demande) * Plage climatique : -10ºC/+70ºC * Détection de rupture capteur : configurable, limite haute ou basse

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Mesure de température par infrarouge

Intérêt principal : mesures SANS CONTACT

Il existe des sondes de température à infrarouge avec des sortiescompatibles thermocouples K, J, etc… permettant ainsi desremplacements directs de thermocouples.