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Les capteurs industriels
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
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
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
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
* 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
Les capteurs de position et de déplacement
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.
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
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
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
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.
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.
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.
Exemple de codeur incrémental
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.
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.
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
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
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.
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
Module d ’entrée analogique
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.
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.
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
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).
les capteurs employés en pesage
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.
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
Scaime F60X
Scaime CPJ
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
les capteurs de température
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
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.
Des cartes ou modules permettent de réaliserl'adaptation de ces capteurs aux API :
- Amplification du signal- Compensation de soudure froide- Conversion analogique numérique
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
Montage des sondes platine
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
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.