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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
FILIERE GENIE INDUSTRIEL
DEPARTEMENTS:
GENIE MECANIQUE &PRODUCTIQUE
GENIE ELECTRIQUE
Présenté par:Présenté par:Présenté par:Présenté par: RAHARIMANANTSOA FitahianaRAHARIMANANTSOA FitahianaRAHARIMANANTSOA FitahianaRAHARIMANANTSOA Fitahiana
Directeur de mémoireDirecteur de mémoireDirecteur de mémoireDirecteur de mémoire
M. RANAIVOSON Andriambala HariniainaM. RANAIVOSON Andriambala HariniainaM. RANAIVOSON Andriambala HariniainaM. RANAIVOSON Andriambala Hariniaina Maitre de conférencesMaitre de conférencesMaitre de conférencesMaitre de conférences
Vontovorona, 02Février2013
Conception et Réalisation d’une carte d’acquisition et de contrôle
en vue d’une régulation de température
Mémoire de Fin d'Etudes En vue d'obtention d'un
Diplôme d'Ingénieur en Génie Industriel
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
FILIERE GENIE INDUSTRIEL
DEPARTEMENTS:
GENIE MECANIQUE &PRODUCTIQUE
GENIE ELECTRIQUE
Président du jury:Président du jury:Président du jury:Président du jury: M. RAKOTONIAINA Solofo Hery, M. RAKOTONIAINA Solofo Hery, M. RAKOTONIAINA Solofo Hery, M. RAKOTONIAINA Solofo Hery, Chef de département Génie Indus-
triel
Membres du jury:Membres du jury:Membres du jury:Membres du jury: Mme. RATSIMBAZAFY Lantoharisoa, Mme. RATSIMBAZAFY Lantoharisoa, Mme. RATSIMBAZAFY Lantoharisoa, Mme. RATSIMBAZAFY Lantoharisoa, Maître de conférences M. ANDRIAMANOHISOA HeryM. ANDRIAMANOHISOA HeryM. ANDRIAMANOHISOA HeryM. ANDRIAMANOHISOA Hery----Zo, Zo, Zo, Zo, Maître de conférences
M. RAJAONARIVELO Jean AndréM. RAJAONARIVELO Jean AndréM. RAJAONARIVELO Jean AndréM. RAJAONARIVELO Jean André , Maître de conférences
Vontovorona, janvier2013Vontovorona, janvier2013Vontovorona, janvier2013Vontovorona, janvier2013
Conception et Réalisation d’une carte d’acquisition et de contrôle
en vue d’une régulation de température
Mémoire de Fin d'Etudes En vue d'obtention d'un
Diplôme d'Ingénieur en Génie Industriel
REMERCIEMENTS Je rends grâce au Seigneur pour la bénédiction qu’Il m’accorde depuis toujours et ce qu’il
m’accordera encore.
Je tiens à exprimer mes vifs et sincères remerciements aux personnes suivantes sans qui
l’accomplissement de ce travail n’aurait été possible:
· Monsieur ANDRIANARY Philippe, Directeur de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo;
· Messieurs RAKOTOMANANA Charles Rodin, Chef du département Génie
Mécanique et Productique;
· Monsieur RANAIVOSON ANDRIAMBALA Hariniaina, Maître de
conférences à l’ESPA qui, malgré ses responsabilités au sein du Ministère de l’Energie, a
eu le temps de nous encadrer durant la réalisation de ce mémoire ;
· Monsieur RAKOTONIAINA Solofo Hery, Chef de département Génie
Electrique, de m’honorer en présidant le jury de ce mémoire;
Aux examinateurs :
· Madame RATSIMBAZAFY Lantoharisoa, Maître de conférences à l’ESPA ;
· Monsieur ANDRIAMANOHISOA Hery-Zo, Maître de conférences à
l’ESPA ;
· Monsieur RAJAONARIVELO Jean André, Maître de conférences à l’ESPA ;
Et enfin,
· A l’Ambassade des Etats-Unis d’Amérique pour leur don inestimable des
matériels de climatisation qui sont l’objet de nos recherches;
Sans oublier toute ma famille, mes frères d’outres mer et les personnes qui ont participé de
près ou de loin à l’accomplissement de ce présent mémoire.
SOMMAIRE REMERCIEMENTS .................................................................................................................................................... 1
TABLE DES ILLUSTRATIONS ..................................................................................................................................... 3
TABLE DES TABLEAUX.............................................................................................................................................. 5
LISTE DES ABREVIATIONS ........................................................................................................................................ 6
INTRODUCTION ....................................................................................................................................................... 1
Partie I: CONTEXTE GENERAL .......................................................................................................................... 2
Chapitre 1: Théories thermodynamique appliquées au froid ..................................................................... 2
Chapitre 2: Les installations frigorifiques .................................................................................................. 14
Chapitre 3: Présentation du chiller à eau glacée....................................................................................... 31
Partie II: METHODOLOGIE ......................................................................................................................... 40
Chapitre 4: Automatisme informatisé ....................................................................................................... 40
Chapitre 5: Conception de l’interface matérielle ...................................................................................... 45
Chapitre 6: Software ................................................................................................................................. 54
Partie III: APPLICATIONS ............................................................................................................................. 62
Chapitre 7: L’ART ou Logiciel d’Acquisition et de Régulation de Température......................................... 62
Chapitre 8: Volet environnement ............................................................................................................. 72
CONCLUSION ......................................................................................................................................................... 78
ANNEXE I : Conversion ..............................................................................................................................................i
ANNEXE II : Le port série (DB9) ................................................................................................................................ ii
ANNEXE III: Brochage de quelques circuits intégrés ............................................................................................... iii
ANNEXE IV : Fabrication de circuit imprimé ............................................................................................................ vi
BIBLIOGRAPHIE .........................................................................................................................................................i
WEBOGRAPHIE ........................................................................................................................................................ iii
TABLE DES ILLUSTRATIONS Figure 1 Fonctionnement des installations thermiques motrices ....................................................................... 4
Figure 2 Fonctionnement des installations frigorifiques ..................................................................................... 5
Figure 3 Rayonnement entre deux parois ........................................................................................................... 7
Figure 4 Une section transversale S .................................................................................................................... 8
Figure 5 Flux à travers un mur ........................................................................................................................... 10
Figure 6 Flux à travers un tube multicouches.................................................................................................... 10
Figure 7 Convection le long d’une paroi ............................................................................................................ 11
Figure 8 Diagramme de Mollier ......................................................................................................................... 15
Figure 9 Circuit fluidique ................................................................................................................................... 16
Figure 10 Climatiseur monobloc portatif ........................................................................................................ 22
Figure 11 Window monobloc encastré ........................................................................................................... 22
Figure 12 Climatiseur split-system .................................................................................................................. 23
Figure 13 Climatisation centralisée avec les différents composants .............................................................. 24
Figure 14 Système à détente directe (fluide frigorigène) ............................................................................... 25
Figure 15 Système à détente directe (eau glacée) .......................................................................................... 25
Figure 16 Climatisation à débit d’air constant ................................................................................................ 26
Figure 17 Tower cooler ................................................................................................................................... 27
Figure 18 Tour ouverte .................................................................................................................................... 27
Figure 19 Tour fermée..................................................................................................................................... 28
Figure 20 Dry cooler ........................................................................................................................................ 28
Figure 21 Système de climatisation à chaudière et Production de froid combiné ......................................... 29
Figure 22 Armoires de climatisation ............................................................................................................... 30
Figure 24 Le chiller .......................................................................................................................................... 32
Figure 25 Tableau de commande du chiller .................................................................................................... 34
Figure 26 Une pompe ...................................................................................................................................... 34
Figure 27 Le tank de stockage ......................................................................................................................... 35
Figure 28 Les terminaux .................................................................................................................................. 35
Figure 29 Système de régulation ..................................................................................................................... 36
Figure 30 Exemple de mini-carte d’acquisition ............................................................................................... 42
Figure 31 Structure générale d’un système de mesure .................................................................................. 42
Figure 32 LM35DZ ........................................................................................................................................... 46
Figure 33 TL071 ............................................................................................................................................... 46
Figure 34 Amplification d’un gain de 10 du LM35 .......................................................................................... 47
Figure 35 TLC549 ............................................................................................................................................. 47
Figure 36 ULN2804A........................................................................................................................................ 48
Figure 37 Circuit de chaque entrée et sortie de l’ULN2804A .......................................................................... 48
Figure 38 12 VDC 05 broches .......................................................................................................................... 48
Figure 39 Schéma électrique de la carte réaliser sous ISIS Professional ......................................................... 49
Figure 40 Schéma sous ISIS ............................................................................................................................. 50
Figure 41 Circuit imprimé avant routage ........................................................................................................ 50
Figure 42 Typon réalisé sous ARES Professional ............................................................................................. 51
Figure 43 3D output de l’ARES Professional .................................................................................................... 52
Figure 44 La carte réalisée .............................................................................................................................. 52
Figure 45 TLC549 dans un boitier DIL 08 broches ........................................................................................... 54
Figure 46 Illustration du protocole de communication .................................................................................. 55
Figure 47 Création d’un module ..................................................................................................................... 60
Figure 48 Organigramme de fonctionnement du logiciel ............................................................................... 64
Figure 49 Fenêtre d’accueil ............................................................................................................................. 68
Figure 50 Login ................................................................................................................................................ 69
Figure 51 Dialogue permettant à l’accès du logiciel ....................................................................................... 70
Figure 52 Fenêtre principale ........................................................................................................................... 71
Figure 53 Réaction de destruction de la couche d’ozone ............................................................................... 76
LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Conductivités thermiques de quelques corps .............................................................................. 8
Tableau 2 : Résistances thermiques superficielles des parois d’une chambre froide, m².K/W .................... 13
Tableau 3 : Exemple de solution et leur température .................................................................................. 14
Tableau 4 : Transport de froid ....................................................................................................................... 25
Tableau 5 : Caractéristiques du chiller .......................................................................................................... 31
Tableau 6 : Caractéristiques d’une pompe .................................................................................................... 34
Tableau 7 : Caractéristiques du terminal n°1 ................................................................................................ 35
Tableau 8 : Caractéristiques du terminal n°2 ................................................................................................ 36
Tableau 9 : Tableau illustrant la tension de sortie de l’amplification et la température correspondante .... 46
Tableau 10 : Caractéristiques de l’alimentation .............................................................................................. 53
Tableau 11 : Correspondance entre lecture binaire et décimal ...................................................................... 60
Tableau 12 : Classification de quelques FF .................................................................................................... 75
Tableau 13 : Valeurs de l’ODP et du GWP100 de quelques FF ......................................................................... 77
LISTE DES ABREVIATIONS BASIC Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code
BTP Bâtiment et Travaux Publics
BTU British Thermal Unit
CAN Convertisseur Analogique Numérique
CEM Charte de l’environnement Malagasy
CFC Chlorofluorocarbure
CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
COM Component Object Model
DLL Dynamics Link Library
DSR Data Set Ready
DTR Data Terminal Ready
DVD Digital Versatile Disk
E/S – I/O Entrée et Sortie
FF Fluide Frigorigène
FLA Full Load Amperage
GND Ground
GUI Graphical User Interface
GWP Global Warm Potential
HCFC Hydro Chlorofluorocarbure
HFC HydroFluoroCarbure
HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning
IEEE Institute for Electronics and Electrics Engineers
L’ART Logiciel d’Acquisition et de Régulation de Température
LED Luminecent Electric Diode
LSB Less Significant Bit
LTP Link Trunk Peripheral
MSB Most Signiificant Bit
N/A Not Atributed
ODP Ozone Depletion Potential
PC Personal Computer
PMOS Positive Metal-oxide Semiconductor
RAM Random Access Memory
RTS Request to send
SCSI Small Computer System Interface
TTL Transistor-Transistor Logic
TXD Transmet Data
USB Universal Serial Bus
VCC Voltage Court-Circuit
VCD Video Compact Disk
IN
TR
OD
UC
TIO
N
1
INTRODUCTION
epuis toujours, l’homme ne cesse d’évoluer. Une évolution l’orientant dans
la recherche de moyens moins pénible, plus pratique et productique. De nos
jours, ces avancées technologiques contribuent au confort de tout un chacun.
Un confort assez difficile à définir car elle est caractéristique de chaque opérateur dans le
milieu à climatiser et des paramètres désirés. En effet, le « Building Automation System » ou
l’automatisation des grands bâtiments se mettent actuellement en vogue car elle englobe ce
besoin en confort et sécurité.
Par ailleurs, la gestion d’une unité « HVAC » (Heating, Ventilation and Air-
Conditioning) peut s’effectuer d’une salle de contrôle par le biais de l’acquisition, le
traitement de donnée et de l’automatisme.
Ce sujet intitulé «Conception et réalisation d’une carte d’acquisition et de contrôle
en vue d’une régulation de température avec le logiciel L’ART», consiste à la conception
d’une carte d’acquisition de données et d’un logiciel de régulation afin de gérer la température
de la salle de laboratoire informatique au Bloc Technique Vontovorona de l’Ecole Supérieure
Polytechnique. Le principal but étant la gestion automatique de l’installation par la régulation
de la température d’ambiance de la salle.
Nous aborderons donc en premier lieu dans un contexte général les théories de la
thermodynamique, les principales caractéristiques des installations frigorifiques et la
présentation du chiller à eau glacée.
L’ouvrage présentera par la suite la méthodologie, comprenant l’automatisme
informatisé, la conception de l’interface matérielle et logiciel de la carte.
On achèvera une présentation du logiciel L’ART suivi d’un regard environnemental.
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Partie I: CONTEXTE GENERAL
Chapitre 1: Théories thermodynamique appliquées au
froid
1. Principe de la thermodynamique-Applications
a) Premier principe
Le principe d’équivalence explicité par Joule traduit l’existence d’une relation entre le
travail et la quantité de chaleur. Pour un cycle, le travail des forces extérieures et la chaleur
fournie ou cédée au milieu extérieur, sont dans un rapport constant :
; (I.1)
J étant une multiplicatrice: 1 calorie = 4,18 joules.
C’est le premier principe pour une transformation fermée, et on peut avoir soit :
· Q<0 et W>0
· Q>0 et W<0
Par extension, en considérant un système changeant de l’état initial (x1, y1) à un état
final (x2, y2), la quantité W + J. Q est invariante :
; (I.2)
U étant l’énergie interne du système, pour une transformation isobare, on a :
; (I.3)
Th
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On peut ainsi définir une fonction appelée « fonction enthalpie » dont la variation
mesure toute transformation thermodynamique ::
; (I.4)
b) Deuxième principe
L’énoncé du premier principe est insuffisant. Il ne nous informe en aucun cas sur les
différents sources de chaleur ni sur le sens de la transformation thermodynamique.
En réalité, il nous faut deux sources de chaleur:
· la source chaude fournissant une quantité de chaleur Q1 et ;
· la source froide recevant la quantité de chaleur q2
Ainsi le premier principe devient :
; (I.5)
Le principe de Carnot s’énonce :
« Le rapport de la quantité de chaleur échangée par un système avec la source chaude
à la quantité de chaleur échangée avec la source froide est constant.»
; (I.6)
Pour un cycle réversible :
Q2 = -q2 , étant la quantité de chaleur rendue par le système à la source froide.
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En fonction des états initial et final, le second principe sera :
; (I.8)
S2 – S1 est appelée entropie.
Sous forme différentielle, le second principe s’écrit :
; (I.9)
c) Conséquences des deux principes
i. Installation thermique motrice
En recevant de la chaleur du milieu extérieur, l’installation doit fournir du travail qui est
l’équivalent en chaleur : cette installation est appelée installation thermique motrice ou
« installation thermodynamique ».
On a :
Q1 : chaleur dégagée (perdue) par combustion du mélange air-combustible.
Q2 : Energie (chaleur reçue) produisant du travail après explosion du mélange
On peut citer :
· les machines à vapeur (locomotives à vapeur, bateaux à vapeur...)
· les moteurs à combustion à essence ou diesel (automobile)
· les centrales thermiques ou nucléaires (production d'électricité)
Figure 1 Fonctionnement des installations thermiques motrices
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; (I.10)
Le rendement de l’installation ŋ est toujours inférieur à 1.
ii. Installation frigorifique
En recevant du travail du milieu extérieur, l’installation doit fournir de la chaleur qui est
l’équivalent au travail : cette installation est appelée installation frigorifique. On abusera du
terme« installation dynamothermique » pour mieux comprendre.
Le travail de compression W du compresseur est le travail reçu. Il aspire, comprime et
refoule le gaz ainsi comprimé.
La chaleur fournie Q2 est celle évacuée au niveau du condenseur.
La chaleur Q1 venant des denrées à refroidir et reçue par le fluide. C’est l’équivalent du
froid produit.
Figure 2 Fonctionnement des installations frigorifiques
Le rendement de l’installation s’écrit :
; (I.11)
On voit que contrairement au rendement des machines thermiques, celui
des machines frigorifiques est toujours supérieur à 1 et se situe généralement
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entre 2,8 et 4. En d’autres termes, on peut dire que plus on fournit d’énergie
sous forme de travail, plus on en obtient sous forme de frigorie.
2. Transferts thermiques et leurs applications dans le froid
Il existe trois moyens de transfert thermique : rayonnement, conduction et
convection.
a) Rayonnement
Le rayonnement est un transfert de chaleur entre deux corps (l’émetteur d’énergie et le
récepteur qui la capte), séparés par du vide ou un milieu transparent, par l'intermédiaire
d'ondes électromagnétiques, avec la vitesse de la lumière. L’échange thermique entre deux
plans noirs S1 (T1) et S2(T2) s’exprime par la loi de Stefan Boltzmann :
; (I.12)
Où :
– fl - Flux thermique transmis par unité de surface, en W/m2 et
σ = 5, 67.10-8 W/m2/K4. – constante de Stefan-Boltzmann
En tenant compte des coefficients de rayonnement λ de chaque plan, le flux s’écrit :
; (I.13)
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Figure 3 Rayonnement entre deux parois
L’énergie calorifique émise par un plan de surface S de S1 vers S2, pendant un temps t
est de :
Applications dans le froid :
On met entre les toitures (ou les parois des bâtiments) et le soleil un écran (tôle
d’aluminium par exemple) afin de diminuer ou limiter les effets de l’insolation de celles-ci.
On utilise les peintures noires pour augmenter l’échange thermique par rayonnement
pour les moto-compresseur et condenseur d’un réfrigérateur par exemple ; les peintures
blanches pour diminuer le rayonnement au niveau de la carrosserie.
b) Conduction
La conduction est un transfert de chaleur dans un milieu matériel (solide ou fluide) sans
mouvement de matière. La chaleur se transmet au travers du conducteur thermique par suite
d’interactions moléculaires. C'est le seul mode de transfert de chaleur à l'intérieur d'un solide.
Le transfert de chaleur par conduction s'appuie sur la loi de Fourier
qui relie la densité de puissance (unité ) et le gradient local de température. K est la
conductivité thermique du matériau considéré (unité ).
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Cette loi appliquée à une paroi conductrice homogène limitée par des faces planes et
parallèles s’exprime ainsi comme suit:
Le flux thermique transmis en régime permanent :
; (I.15)
L’énergie calorifique Q traversant une surface de paroi S pendant le temps t sera:
; (I.16)
Figure 4 Une section transversale S
Classification Corps Conductivité λ en W/m.°C Métaux purs Cuivre
Fer
389
67
Alliages Laiton
Acier
Acier inoxydable
104
45
16
Matériaux Béton
Plâtre
Verre
1 à 1,2
0,46
0,93
Liquide Eau à 20°C
R12 liquide à 20°C
0,599
0,082
Gaz Air à 20°C
Vapeur de R12 à 20°C
25,0.10-3
10-3
Tableau 1 : Conductivités thermiques de quelques corps 1
1 Source : [10]
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Applications : On constate que les gaz sont de mauvais conducteurs thermiques. Les
isolants thermiques seront donc constitués essentiellement par une phase gazeuse immobilisée
dans une matrice solide composée :
· D’un ensemble de cellules :
o Naturelles (cellules végétales, liège, …)
o Fabriquées à partir d’une mousse solidifiée (matériaux
plastiques cellulaires : polystyrène expansé, mousse de polyuréthane, mousse de verre, …)
· D’un réseau de fibres (fibres de verre, de roche, …)
i. Flux à travers un mur
Dans la réalité, les murs sont des murs composites, c’est-à-dire de plusieurs couches
de matériaux différents. Ne connaissant donc ainsi que les températures Tf1 et Tf2 des fluides
en contact avec les deux faces du mur de surface latérale S, h1 et h2 les coefficients de
transfert de chaleur par convection entre les fluides et les faces internes et externes, et les
caractéristiques de chaque composite, en régime permanent, le flux de chaleur se conserve
lors de la traversée du mur et s’écrit :
; (I.17)
Ainsi :
; (I.18)
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Figure 5 Flux à travers un mur
ii. Flux à travers un tube multicouche
Pratiquement on recouvre le tube d’une ou plusieurs couches de matériaux différents et
où l’on ne connaît que les températures Tf1 et Tf2 des fluides en contact avec les faces interne
et externe du cylindre ; h1 et h2 sont les coefficients de transfert de chaleur par convection
entre les fluides et les faces internes et externes :
Figure 6 Flux à travers un tube multicouches
Th
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En régime permanent, le flux de chaleur ϕ se conserve lors de la traversée des
différentes couches et s’écrit :
; (I.19)
D’où par analogie au mur composite, on a:
; (I.20)
a) Convection
La convection est un transfert de chaleur dans un milieu matériel avec mouvement de
matières. Ce mode de transfert ne concerne donc qu’une paroi à une température Tp et un
fluide à la température Tf qui circule à son contact.
Figure 7 Convection le long d’une paroi
La circulation du fluide peut s’effectuer :
· Par le jeu de variations de densité résultant des variations de sa température :
convection naturelle
; (I.21)
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Il sera donc soumis à une force ascensionnelle :
Le principe fondamental de la dynamique permet d’évaluer l’accélération γ du fluide,
pour un volume unité :
D’où :
; (I.22)
Ainsi :
; (I.23)
· Par accélération mécanique extérieure un appareillage mécanique (ventilateur
ou pompe) qui modifie les mouvements du fluide. La convection est alors dite
forcée.
Le fluide échangeant de la chaleur avec la paroi peut changer d’état au cours du
transfert thermique, se liquéfier ou se vaporiser (convection avec changement d’état) ou rester
semblable à lui-même (convection sans changement d’état).
La loi de Newton pour la puissance thermique échangée, par unité de surface, entre
une paroi à la température et un fluide à la température s’écrit :
; (I.24)
φ – flux thermique
α – coefficient de convection,
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L’énergie calorifique Q transmise par une surface de paroi S, pendant le temps « t »
est :
; (I.25)
Intervention simultanée des trois modes de transfert :
Pratiquement, les trois modes de transfert agissent simultanément. Dans ce cas, la
puissance thermique s’écrira :
; (I.26)
Avec :
- ; coefficient global d’échange thermique.
- ; résistance thermique superficielle interne, en fonction de l’intensité du mouvement
d’air à l’intérieur de la chambre.
- ; résistance thermique superficielle externe, en fonction de l’intensité du mouvement
d’air à l’extérieur de la chambre.
- ; somme des résistances thermiques des différentes couches de matériaux constituant
la paroi.
Côté externe de la paroi
Côté interne de la paroi
Cas où cette paroi est en
contact avec l’air extérieur
Cas où cette paroi est en
contact avec un autre local
0,03
0,12
Cas d’une chambre froide en
ventilation mécanique
Cas d’une chambre froide en
ventilation naturelle
0,06
0,12
Tableau 2 : Résistances thermiques superficielles des parois d’une chambre froide, m².K/W 2
2 Source : [10]
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Chapitre 2: Les installations frigorifiques
1. Production du froid
a) Procédés d’obtention du froid
La production du froid consiste à absorber la chaleur contenue dans un milieu. Elle
peut être obtenue suivant plusieurs modes de production. En effet on peut citer :
· La détente d’un gaz comprimé,
· La dissolution de certains sels, et
· La vaporisation d’un liquide en circuit fermé.
i. Détente d’un gaz comprimé
Ce mode de production repose sur le principe de l’abaissement de la température d’un
fluide lors de sa détente (étranglement à travers une vanne). En général, les machines basées
sur la liquéfaction des composants de l’air (azote, oxygène, néon, …) fonctionnent suivant ce
principe.
ii. Dissolution de certains sels
La dissolution d’un sel dans l’eau provoque un abaissement de la température de la
solution. En se basant sur cette théorie, on peut donc produire du froid en mélangeant certains
composants chimiques.
Solution Température [°C]
Eau + azotate d’ammonium + 4,4 à -15
Neige + chlorure de sodium 0 à -25
Neige + acide chlorhydrique 0 à -32
Neige + chlorure de calcium 0 à – 41,5
Glace carbonique + chlorure de
méthyle
Jusqu’à -82
Tableau 3 : Exemple de solution et leur température 3
3 Source : [10]
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iii. Vaporisation d’un liquide en circuit fermé
La vaporisation d’un liquide en circuit fermé reste la méthode la plus utilisée pour la
production du froid industriel et domestique.
La vaporisation d’un liquide permet de produire du froid par l’absorption de la chaleur à
travers un échangeur (évaporateur), la vapeur produite étant ultérieurement liquéfiée dans un
autre échangeur (condenseur), le fluide décrit ainsi un cycle au sein d’une machine
fonctionnant de manière continue.
Les machines utilisant ce principe peuvent être regroupées en deux grandes familles que
sont :
Ø les machines à compression mécanique, et
Ø les machines à absorption.
b) Exploitation du cycle thermodynamique
Toute personne opérant dans le froid doit maitriser la lecture du diagramme
enthalpique de Mollier, d’où son appellation « diagramme des frigoristes ». En effet, il permet
de lire directement les enthalpies massiques et d’en déduire les quantités d’énergie thermique
intervenant dans chaque transformation en effectuant la différence entre l’enthalpie finale et
initiale.
En prenant comme exemple la figure 8, la production frigorifique massique nette est :
Figure 8 Diagramme de Mollier
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i. Description des transformations subies par le
fluide frigorigène
Figure 9 Circuit fluidique
Ø 1-2 : Compression polytropique (Elévation de température : )
Ø 2-3 : Désurchauffe
Ø 3-4 : Condensation (Evacuation de la chaleur accumulée vers le milieu
extérieur)
Ø 4-5 : Sous-refroidissement
Ø 5-6 : Détente isenthalpique
Ø 6-7 : Vaporisation
Ø 7-1 : Surchauffe
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17
ii. Détermination des paramètres aux sommets du
cycle
On peut aussi déterminer les paramètres caractéristiques du fluide aux sommets du
cycle de transformation à partir du diagramme enthalpique de Mollier. Soit donc :
Ø Sommet 7 :
On suppose que la température de vaporisation soit connue.
On remarque que le point 1 se trouve dans la zone des vapeurs saturés. On en déduit
donc, sachant le fluide utilisé, la pression correspondante à l’aide d’une table de vapeur
saturante.
; (II.1)
; (II.2)
Avec : ′′ - la pression de la vapeur saturée à la température
Ø Sommet 1 :
On peut calculer la température d’aspiration par la formule :
; (II.3)
Avec : h ° - Surchauffe
Comme la transformation 7-1 est isobare :
; (II.4)
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Ø Sommet 3 :
Le point 3 appartient à la courbe de saturation, donc :
; (II.5)
Avec : ′′ - la pression de la vapeur saturée à la température .
Ø Sommet 2 :
Lors de la transformation 1-2, on a une compression polytropique. Ainsi, on a :
; (II.6) AVEC :
o : Volume du fluide au point i
o : Exposant polytropique
Soit :
; (II.7)
Et comme :
; (II.8)
; (II.9)
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On a :
; (II.10)
D’où :
; (II.11)
On sait que 2-3 est isobare, ainsi :
; (II.12)
Ø Sommet 4 :
; (II.13)
; (II.14)
Ø Sommet 5 :
; (II.16)
Où est le sous refroidissement du fluide avant la détente.
4-5 représente une transformation isobare, donc :
; (II.16)
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Ø Sommet 6 :
Comme la transformation 5-6 est une détente isenthalpique, on a :
; (II.17)
; (II.18)
iii. Les caractéristiques du cycle frigorifique
Ø La surchauffe :
; (II.19)
Due à l’échauffement précoce du fluide vers la fin de la conduite de l’évaporateur et
dans les tuyauteries d’évacuation après l’évaporateur même, elle permet d’éviter la présence
de gouttelettes. Sa valeur vacille généralement entre 4 à 7 °C, mais en étant trop élevée, elle
influe sur les performances énergétiques du système.
Ø La désurchauffe :
; (II.20)
Ø Le sous-refroidissement :
; (II.21)
Ø Le coefficient de performance :
; (II.22)
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2. Climatisation
Actuellement le terme HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) traduit par
chauffage, ventilation et conditionnement d’air est préféré de la climatisation. Techniquement
la climatisation consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques
(température, humidité, niveau de poussières, etc.) d’un milieu pour des raisons de confort
(bureaux, maisons individuelles) ou pour des raisons techniques (laboratoires médicaux,
locaux de fabrication de composants électroniques, blocs opératoires, salles informatiques).
Les systèmes de climatisation sont classés selon leur capacité utile de refroidissement,
qui devrait être rigoureusement exprimée en watts (W). L’Unité Thermique Britannique par
heure (BTU/h) équivaut à 0,293 W et aussi la frigorie par heure (Fg/h) tel que 1 Fg/h =
1,1625 W peuvent être aussi employé.
Une bonne climatisation repose sur la qualité de l'appareillage, de l’étanchéité du local
par rapport à l'extérieur. On dispose donc de plusieurs sortes de système de climatisation,
mais parmi les plus utilisés sont:
1. Climatiseur monobloc : window
2. Climatiseur multi-bloc : split system
3. Climatiseur centralisé : à air, à eau glacée
4. Climatiseur à chaudière et à froid
5. Climatiseur pour informatique : armoire
a) Monobloc
Comme son nom l’indique, il est constitué d’une seule unité. Système de climatisation
utilisé dès le début de climatisation des locaux, car il satisfait les besoin d’une pièce de 20 à
50 m².
Le monobloc mobile est actuellement le plus utilisé car elle est mobile et transportable
de pièce en pièce. Tandis que le type window est presque abandonné.
Le système monobloc mobile est compact et en un seul bloc.
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Le climatiseur type window est conçu d’une partie se trouvant à l’extérieur (partie du
condenseur : dégagement de chaleur), et d’une autre partie intérieur (partie de l’évaporateur :
production du froid).
Figure 10 Climatiseur monobloc portatif
Figure 11 Window monobloc encastré
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b) Split-system
Conçue en deux unités fixes distinctes, la partie intérieure de traitement d’air et celle
de l’extérieur de condensation, le raccord entre les deux parties est assuré par un jeu de tubes
frigorifiques pré chargés en usine munis de vannes à opercules.
Selon la demande du client, on peut installer plusieurs types de SPLIT SYSTEM :
· Split-system individuel : constitué d’une unité extérieure et d’un caisson
intérieur.
· Multi-split modulaire : constitué d’une unité extérieure commune à plusieurs (1
à 6) unités intérieures.
· Split-polyvalent : ces climatiseurs s’installent soit horizontalement, soit
verticalement, en faux plafond ou apparent.
Figure 12 Climatiseur split-system
c) Centralisée
Une installation de climatisation centralisée consiste à produire de l’air ayant des
caractéristiques thermiques, aérauliques préalablement définies, que l’on distribue ensuite par
diffusion à l’aide de conduits et d’appareils terminaux dans les locaux à climatiser.
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Figure 13 Climatisation centralisée avec les différents composants
Pour le groupe frigorifique, on distingue deux modes principaux d'action :
· Système à détente directe ou « roof top » : Le fluide frigorigène
refroidit l'air en passant directement dans la batterie de refroidissement. Ce système est dite
« directe » parce que l'évaporateur de la machine frigorifique prend la place de la batterie de
froid dans le caisson de climatisation.
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Figure 14 Système à détente directe (fluide frigorigène)
Soit l'installation frigorifique prépare de l'eau froide à ...6°C... (Généralement appelée
"eau glacée"), eau qui alimentera la batterie de refroidissement du caisson de traitement d'air.
Figure 15 Système à détente directe (eau glacée)
Mais le transport de froid par l'air est très coûteux à l'investissement (gainage).
Transport par air Transport par eau
ΔT 9 [°C] 5 [°C]
Débit 3 270 [m3/h] 1,72 [m3/h]
Vitesse 15 [m/s] 0,8 [m/s]
Section 300 x 220 [mm] Ø 40 [mm]
Tableau 4 : Transport de froid
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De plus, à l'exploitation, la consommation des ventilateurs représente de 10 à 30 % de
l'énergie transportée contre 2 % pour la consommation des pompes de circulation.
C’est pourquoi on peut rencontrer aussi des installations où le refroidissement des
locaux est principalement assuré par de l'eau glacée alimentant les batteries froides des
ventilo-convecteurs. Un complément de froid peut être donné par le rafraîchissement de l'air
neuf de ventilation.
Ø Traitement d’air à débit constant : Il consiste à diffuser de l’air à basse vitesse
(2 à 6 m/s) à débit constant allant de 1000 [m3/h] à 100 000 [m3/h] dans les locaux à
climatiser.
Figure 16 Climatisation à débit d’air constant
d) Chaudière et froid
Afin de produire le chaud, elle utilise une chaudière. Tandis que produire le froid sous-
entend évacuer de la chaleur (au niveau condenseur). Ainsi, à l'extérieur du bâtiment, souvent
en toiture, on trouvera un équipement chargé de refroidir (condenseur ou tour de
refroidissement).
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· Soit le fluide frigorigène directement : c'est le condenseur de l'installation
frigorifique.
· soit de l'eau, qui elle-même sert à refroidir le fluide frigorigène : c'est la tour de
refroidissement.
Figure 17 Tower cooler
On distingue trois types de tour :
La tour ouverte
L'eau est pulvérisée devant un ventilateur et le refroidissement est alors renforcé par la
vaporisation partielle de cette eau (la chaleur de la vaporisation est "pompée" sur la goutte
d'eau qui reste et qui donc se refroidit). Après refroidissement, cette eau sera conduite vers un
condenseur à eau se trouvant près du compresseur.
Figure 18 Tour ouverte
La tour fermée
L'eau venant du condenseur reste à l'intérieur d'un circuit tubulaire fermé, mais se fait
"arroser" par un jet d'eau de refroidissement. Cette eau s'évaporant partiellement, sera
également fortement refroidie. Mais cette fois, l'eau qui a été au contact de l'air extérieur (son
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oxygène et ses poussières), n'est plus en contact direct avec le condenseur à eau évitant de
bien pénibles ennuis de corrosion...
Figure 19 Tour fermée
Le dry cooler batterie
Il s'agit d'une tour fermée, que l'on n'arrose pas, que l'on refroidit simplement par l'air
extérieur pulsé par des ventilateurs. Cette batterie d'échange convient en toute saison, puisque
en ajoutant un antigel (type glycol), elle est insensible au gel. Elle n'est pas aussi performante
que les précédentes puisque la température de refroidissement est limitée à la température de
l'air extérieur.
Figure 20 Dry cooler
Ci-dessous on a un schéma de principe d’une climatisation à chaudière et groupe froid
constitué d’une chaudière (à condensation de préférence pour bénéficier du rendement
supérieur à 100%) et d’un groupe froid produisant de l’eau dite eau glacée.
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Figure 21 Système de climatisation à chaudière et Production de froid combiné
e) Armoire de climatisation
La gamme de climatiseurs d’air verticale modulaire ou armoire de climatisation est
spécialement étudiée pour les applications nécessitant un minimum d’emprise au sol sans
pour autant ne perdre aucune flexibilité dans l’application requise.
En détente directe, les différentes versions permettent d’obtenir une gamme de
puissance qui varie entre 5 kW et 35 kW, avec différents systèmes de refroidissement (air,
eau, eau glycolée). En effet, dans le cas d’eau glacée la série à soufflage en faux plancher et
la série à soufflage par gaine permettent de disposer d’une gamme de puissance de 8 à 45 kW.
Les armoires de climatisation à condensation eau peuvent être équipée d’une batterie de
chauffage par électrique ou d’une batterie à eau chaude afin d’assurer la fonction chauffage en
hiver.
La grande variété d’utilisation de ces unités leur permet d’être utilisées dans un
environnement requérant un contrôle très exigeant tels que salle informatique, système de
téléphonie fixe, salle de contrôle, musée, centre de négoce et autres applications industrielles.
Chaque armoire de climatisation comprend deux compartiments : un compartiment
flux d’air et un compartiment technique juxtaposés. Face à l’armoire, le compartiment
technique peut être à gauche ou à droite.
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Figure 22 Armoires de climatisation
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Chapitre 3: Présentation du chiller à eau glacée
1. Caractéristiques du chiller
a) Caractéristiques principales
Grâce aux dons de l’Ambassade des Etats-Unis d’Amérique, nous sommes en
possession de ces chillers. Ceux qui sont installés dans le laboratoire du Hall BTP ont pour
caractéristiques (selon la plaque signalétique) :
Constructeur Chiller Edwards Engineering Corp.
Numéro du modèle DTS SD 5AHP Numéro de série 86 F 3996
Fluide frigorigène R22 Température de l’eau
En BTU/HR à 45°F
62,5
Charge en fluide frigorigène
(par circuit du compresseur)
15
Capacité de stockage du réservoir
(en US gallons)
25
Pressions Pression max : 400 PSI Pression min : 250 PSI
Voltage 208 Volts Phase 3
Compresseur Locked Rotor Amps : 115 FLA each : 21,4
Ventilateurs du Condenseur Horse power each: 1/2 FLA each : 3,5
Pompe Horse power each : 1 FLA each : 3,2
Pompe by-pass Horse power each : N/A FLA each : N/A
Total unit full load amperage: 28.1
Tableau 5 : Caractéristiques du chiller
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b) L’unité
Figure 24 Le chiller
Le chiller refroidis par air fonctionne uniquement en refroidissement. Il peut-être
diviser en deux parties : le circuit fluidique de réfrigération (en R22) et le circuit fluidique à
eau glacée.
Le circuit du fluide frigorigène comprend principalement: le moto-compresseur, le
condenseur, le filtre déshydrateur, le détendeur et l’évaporateur. Le côté eau glacée est
composé d’une pompe, de vannes et de terminal.
Le circuit côté réfrigérant produit de l’eau glacée dans le tank de stockage. Tandis que
le circuit côté eau pompe cette eau glacée à 6 °C pour être conduit dans l’évaporateur du
terminal.
La figure suivante représente les deux circuits fluidiques :
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2. Composants principaux
a) Tableau de commande
Figure 25 Tableau de commande du chiller
b) Pompe
Numéro du
modèle
1303007178
Fréquence 60/50 Hz
KVA code L Voltage 230/460
Horsepower 2
Phase 3 FLA 5,4/4,2
RPM 3450/2875 Tableau 6 : Caractéristiques
d’une pompe
Figure 26 Une pompe
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c) Tank de stockage
Figure 27 Le tank de stockage
d) Terminaux
Constructeur Snyder General Minneapolis, MN 55440
Numéro de série 7T CO 1509 01
Modèle T SC O 41 ER Voltage 115 V
Fréquence 60 Hz Phase Monophasé
Horsepower 1,1 Amps Tested at 0,30 inches W.C exterior static pressure
Tableau 7 : Caractéristiques du terminal n°1
Figure 28 Les terminaux
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Constructeur Snyder General Minneapolis, MN 55440 Numéro de série 7X LO 1261 01
Modèle T SO O 41 FR Voltage 115 V
Fréquence 60 Hz
Phase Monophasé Horsepower 1,4 Amps
Tested at 0,50 inches W.C exterior static pressure
Tableau 8 : Caractéristiques du terminal n°2
e) Système de régulation
Figure 29 Système de régulation
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37
3. Marche normale
Il est à savoir que seul un des deux chiller est opérationnel. Ainsi, on expose ci-
dessous le circuit de commande et le circuit de puissance pour qu’un seul chiller fonctionne :
CIRCUIT DE PUISSANCE CIRCUIT DE COMMANDE
N/L1/L2/L3 : Alimentation avec neutre
(220 V triphasé)
Q1 : sectionneur à fusibles général
MP : moniteur de phase
Q2 : sectionneur à fusibles du moteur
compresseur
KM2 : contacteur d’alimentation du
moteur compresseur hermétique triphasé
A1 : Module de protection moteur
INT69SC2
M1 : Moteur asynchrone triphasé du
compresseur
Q3 : sectionneur à fusibles du moteur de la
pompe
KM3 : contacteur d’alimentation du
moteur de la pompe
F2 : relais thermique de protection du
moteur de la pompe
M2 : moteur monophasé du ventilateur du
condenseur
M3 : moteur asynchrone triphasé de la
pompe
L1/L2 : alimentation du circuit de
commande entre phase
Q1 : contacts de pré coupure du
sectionneur général à fusibles
MP : contact du moniteur de phase
T1 : transformateur de tension (220 V – 24
V) pour l’alimentation des contacteurs
B3 : thermostat de régulation
F2 : fusible de protection du « flow
switch » Y
Y : « flow switch »
B1 : pressostat haute pression de sécurité
B2 : pressostat basse pression de régulation
B4 : pressostat haute pression de sécurité
KM1 : bobine du contacteur d’alimentation
du moteur du ventilo-convecteur
F1 : fusible de protection du compresseur
Q2 : contact de pré coupure du sectionneur
à fusibles du compresseur
KM2 : bobine du contacteur d’alimentation
du moto-compresseur
KM3 : bobine du contacteur d’alimentation
du moteur de la pompe
Q3 : contact de pré coupure du sectionneur
à fusibles de la pompe
F3 : contact du relais de protection du
moteur de la pompe
Pré
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Au Départ :
· On alimente le circuit de commande à l’aide des sectionneurs
Q1, Q2 et Q3 ;
· Ө>0 (thermostat détecte la température et se ferme ;
· L’électrovanne s’ouvre, Y est excité et se ferme ;
· La bobine KM1 s’alimente et ferme le contact KM1;
· En présence de fluide en circulation, le pressostat BP (Basse Pression)
détecte une augmentation de pression et se ferme ;
· En même temps, KM2 et KM3 sont excités et le moto-compresseur et la
pompe se mettent en marche ;
· Le Head Pressure Control sécurise l’installation pour une augmentation
excessive de la pression de refoulement (équivalente à une température
excessive aussi)
N
Q1
MP
Q2
KM
2
A1
Q3
KM
3
F3
M1
M2
M3
MP
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3 x
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0104 V
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40
Partie II: METHODOLOGIE
Chapitre 4: Automatisme informatisé
1. Généralités sur l’automatisme
a) Principe général-Rappel
On peut qualifier d’automatique l’ensemble ou la partie d’un équipement, assurant à
tout instant, sans intervention humaine et dans une plage de tolérance admissible les fonctions
dont il a été conçu et réalisé.
Les automates sont indispensables à l’automatisme. En agissant sur un équipement, ils
ont le rôle de maintenir constante ou variable donc en fonction du temps une grandeur
appelée « mesurande ». La valeur initialement assignée à être respecté de cette mesurande est
dite « consigne ».
Ainsi, les automates agissent selon l’écart à rattraper entre la consigne et la valeur
réelle. D’où la nécessité d’une plage de tolérance ou « différentiel de réglage », si l’écart est
comprise dans cette limite admissible, les conditions de fonctionnement ne sont pas
modifiées. Dans le cas contraire, l’automate provoque une séquence assez complexe
d’interventions sur système. Dans le cas d’un fonctionnement continu, il essaye de réduire
l’écart tandis que dans le fonctionnement en discontinue, il agit par des actions uniques (tout
ou rien).
La réalisation des systèmes tout ou rien est assez facile. Le problème réside dans un
système à modification continue ou mieux un « régulateur ». Il est nécessaire d’étudier
préalablement le système à équiper et ensuite le modéliser afin de choisir le type de boucle à
installer. Afin de définir la structure fonctionnelle, on déterminera les paramètres entrant et
sortant. On, déduira par la suite la fonction de transfert (fonction liant grandeur d’entrée et de
sortie).
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41
b) Principe de l’automatisme
Par définition, le dispositif automatique remplace l’homme. Ainsi afin de pouvoir mener
à bien ses fonctions, il sera essentiellement composer :
· D’un capteur
· D’un comparateur
· D’un organe de décision
· Et d’un actionneur
Le capteur, en mesurant la mesurande envoie cette dernière au comparateur. Le
comparateur compare ensuite cette valeur à la consigne. Le signal obtenu à la sortie du
comparateur, appelé aussi « signal d’erreur », va ainsi permettre d’agir sur la chaine d’action.
En effet, selon la grandeur de ce signal d’erreur, l’organe de décision commande
l’actionneur à agir ou non.
2. Acquisition de données
a) Principe de l’acquisition numérique
L’acquisition de données est basée sur la réalisation d’une carte gérant l’entrée et la
sortie généralement appelée « carte E/S ». Cette carte assure la communication entre le PC et
l’extérieur comprenant l’acquisition de signaux analogiques et l’échange bidirectionnel avec
l’extérieur des signaux logiques.
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Figure 30 Exemple de mini-carte d’acquisition
b) Structure générale d’un système de mesure
Figure 31 Structure générale d’un système de mesure
i. Le capteur
Cet élément, se trouvant d’avantage en fin de chaine, permet sous l’effet du mesurande
de délivrer une image exploitable (un signal électrique) souvent une tension analogique ou
selon le cas, une intensité, une fréquence ou une série de pulsations.
Un capteur est choisi selon son domaine d’utilisation, sa sélectivité, sa sensibilité, sa
reproductibilité, son encombrement, sa fiabilité, son coût, et bien d’autres caractéristiques.
ii. Le conditionnement du signal
Les signaux électriques venant du capteur ne sont pas toujours directement utilisables
par le dispositif. On procède souvent à :
· L’amplification des signaux
· L’adaptation de leur impédance
· Décalage de leur origine de manière à exploiter au mieux l'amplitude
acceptée par l'organe de mesure électrique.
· La transformation des courants ou des fréquences en tensions
Au
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M
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43
· Filtrage afin d’éliminer des interférences, peut-être aussi linéarisé de
manière à obtenir un signal proportionnel à la grandeur étudiée.
On procède à une amplification de signal lorsque la distance entre le capteur et le
système convertisseur analogique-numérique est grande. Ce signal doit être à basse
impédance, et éventuellement symétrique, pour diminuer l'importance relative des tensions
parasites ajoutées le long des câbles de liaison.
On considèrera aussi que les techniques nécessaires pour isoler électriquement et
amplifier les tensions disponibles cette fois en sortie (de façon à les rendre aptes à commander
les actionneurs des processus externes comme le déclenchement d'un chauffage, le lancement
d'un moteur ou l'ouverture d'une électrovanne) comme étant un conditionnement de signal.
iii. Le multiplexage
Dans le cas d’un système d’acquisition à plusieurs voies d’entrées, on utilise « le
multiplexage ». C’est une méthode permettant de scruter successivement les voies d'entrées.
Bien entendu, cela allonge d'autant l'intervalle de temps qui s'écoule entre deux mesures sur
un même canal.
Le multiplexage peut se faire par simple commutation d’une à une autre voie par
l'intermédiaire de relais électromagnétiques pilotés par le PC lui-même. Mais certains
dispositifs de mesure comportent en entrée un système de multiplexage réalisé entièrement en
semi-conducteurs, et bien entendu programmable.
Pour une acquisition rapide, ou une mesure quasi-simultanée sur plusieurs voies, on
préfère consacrer un convertisseur analogique-numérique (CAN) à chaque voie.
iv. La conversion Analogique Numérique
La conversion analogique-numérique transforme les valeurs de signaux électriques
continûment variables (signaux analogiques) en nombres binaires exploitables par l'ordinateur
(numérique).
La conversion est souvent effectuée par des appareils externes (l'exemple le plus
classique étant le multimètre). Ces appareils externes envoient ensuite à l'ordinateur le résultat
numérique obtenu par divers systèmes de communication, les plus répandus étant la liaison
RS 232 ou le système de bus IEEE 488. On peut aussi dans certains cas utiliser la liaison
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parallèle (LTP) prévue pour une imprimante. Il serait aussi possible d’utiliser des cartes
d'interfaces SCSI, Ethernet ou USB.
Actuellement, il existe plusieurs cartes d'extension qui comporte un ensemble d'entrées-
sorties numériques, de compteurs, etc… On évite cependant d'incorporer dans l'ordinateur des
cartes de mesure lorsqu'on cherche une très grande précision vis-à-vis du bruit de fond, car le
PC est un puissant générateur de parasites...
v. Software d’acquisition et de traitement
Le logiciel d'acquisition se charge de la gestion du multiplexage éventuel, du protocole
de communication avec l'appareil de mesure, et des changements de calibre s'il y a lieu, ou
des diverses étapes de la conversion si l'on a recours à une carte incorporée.
Les données récupérées sous forme de chaîne de caractères ou d'octets sont ensuite
mises en forme et transformées en valeurs numériques, éventuellement traitées de manière
élémentaire. Le logiciel peut contrôler un dispositif expérimental, au moyen de sorties
numériques ou même analogiques.
vi. Timer
Les timers possèdent en général quatre(4) registres :
Ø le registre d'entrée (précompte) : chargement de la donnée en 2 fois
(LSB + MSB). C’est l’écriture.
Ø le registre de décomptage : chargement à partir du registre d'entrée et
décompte à chaque front descendant de l'horloge du quartz et autorisation du
décompte par la gâchette "gate".
Ø le registre de contrôle (8 bits) : définit le mode de fonctionnement
Ø le registre d'état du timer (8 bits) : indication sur l'état du décompteur
→opération de lecture
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Chapitre 5: Conception de l’interface matérielle
1. Détermination des données à acquérir
Lorsqu’on parle de climatisation, on s’attend à parler de température, de pression,
d’hygrométrie et bien d’autres.
Dans le cadre de notre mémoire, on se contentera de l’acquisition de la température et
ainsi faire une régulation en tout ou rien.
2. Conception de la carte
La carte aura donc pour but d’acquérir la température ambiante de la salle à climatiser.
Entre autre elle devra, selon la température lue actionner une composante de commande tout
ou rien (fonction d’un interrupteur) pour la marche ou l’arrêt du climatiseur utilisé.
Ainsi, le choix du type d’acquisition ou le choix des composantes électroniques à
utilisées est indispensable pour mener à bien nos objectifs.
a) Choix du type d’acquisition
Selon les bibliographies, on utilise souvent l’acquisition parallèle pour l’acquisition de
température.
Dans notre cas, vue l’avancée technologique de l’humanité en matière d’informatique,
on utilise le port série. Non seulement elle n’utilise que peu de fils, mais malgré quelques
difficultés de communications par rapport au port parallèle, il est plus adéquat.
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b) Choix des composants électroniques
Une fois le type d’acquisition est fixé, on peut choisir les composants de la carte :
· Le capteur : un LM35DZ
Le LM35DZ est un capteur de température
analogique de précision qui fournit une tension
proportionnelle à la température.
Sa sortie fournie une tension de 10mV/°C et varie
ainsi linéairement.
Figure 32 LM35DZ
· L’amplificateur : un TL071
Figure 33 TL071
Le TL071 est un amplificateur opérationnel à 8 broches.
On montera le TL071 amplificateur non-inverseur avec
deux(2) résistances de R1=9k et R2=1k montés en parallèle de
façon à obtenir un gain de g=10:
; (III.1)
Après amplification, aura donc en sortie 100mV/°C aux tolérances près :
Tension en [V] Température correspondante en
[°C]
0 0
0,21 2
2,72 27
5,02 50
Tableau 9 : Tableau illustrant la tension de sortie de l’amplification et la
température correspondante
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Figure 34 Amplification d’un gain de 10 du LM35
· Le convertisseur : un TLC549
Le TLC 549 est un convertisseur
analogique / numérique à
approximation successives. Il a 8 bits
de résolution en sorties série. Il
s’alimente uniquement et facilement
par une tension continue de
+5V et admet une entrée analogique
différentielle.
C’est en fonction sur cette
tension de référence notre
convertisseur traduit l’entrée
analogique (tension) en binaire (série
de 0 et de 1) sur 8 bits.
Figure 35 TLC549
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· L’ULN2804A
Figure 36 ULN2804A
Il est composé de 8 transistors NPN
Darlington dans un même boitier de 18
broches. Ce circuit est idéal la commande de
relais, LED et autres.
L’ULN2804A se commande par des
tensions standard CMOS/PMOS, c’est-à-
dire, +6 à +15 Volts. Elle sera directement
branchée à TXD du connecteur SUB-D9
Femelle de la carte.
Chaque transistor est monté suivant le schéma suivant :
Figure 37 Circuit de chaque entrée et sortie de l’ULN2804A
Lorsque la commande d’entrée est équivaut au niveau 0 (# -10 V)), on a rien. Mais
lorsqu’elle est au niveau 1(# +10 V), le courant passe, la commande « MARCHE » du
ventilo-convecteur s’effectue.
· Le RELAIS :
Relais de
Figure 38 12 VDC 05 broches
Notre relais servira à la commande en tout ou rien de la ligne de 115 V-50Hz qui
alimente le ventilo-convecteur.
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Il a les caractéristiques suivantes :
· 12A -125 VAC
· 7A - 250 VAC
· 7A – 30 VDC
En effet, le relais choisi répond largement à notre demande.
Grâce au logiciel Proteus Version 7.7, plus exactement sous ISIS Professional, on peut
réaliser un circuit avec sa simulation.
Ainsi, comme notre capteur et son amplification est un module séparé, il suffit de
réaliser un autre module contenant le connecteur femelle SUB-D9, le convertisseur,
l’ULN2804 et le relais.
Les 2 résistances et les 2 diodes zener adaptent la tension en sortie du port série au
norme TTL (Transistor-Transistor Logic).
Figure 39 Schéma électrique de la carte réaliser sous ISIS Professional
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Une fois le schéma achevé, choisir « Tools », dans la barre de menu, puis appuyer sur
« Netlist to ARES » (Figure 14). Ce qui nous mène à la fenêtre d’ARES avec les pièces
préalablement mise en place (Figure 15). Il ne reste plus qu’à faire le routage.
Figure 40 Schéma sous ISIS
Figure 41 Circuit imprimé avant routage
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Ainsi, après routage, on obtient le typon suivant en imprimant le circuit réalisé :
Figure 42 Typon réalisé sous ARES Professional
Une fois le typon réalisé, on a le choix afin réaliser les circuits électroniques de
l’interface matérielle :
· Soit la méthode facile qui consiste à utiliser des plaquettes
perforées aux pastilles de cuivre. Il ne reste plus qu’à implanter les composants à
leur place et de les reliés tout en suivant les routes conçues par le typon.
· L’autre méthode, plus délicate concerne la photogravure. Elle
consiste à imprimer le typon sur un papier transparent, puis à graver le circuit à
l’aide de composant chimique sur une plaquette de cuivre vierge.
Une fois la carte réalisée, il est indispensable de vérifier le circuit. Ainsi, on procède
comme suit :
- Vérifier l’absence de court-circuit et micro court-circuit avec un multimètre ;
- Vérifier la connectivité de tous les circuits ;
- Utiliser des diodes LED pour s’assurer du bon fonctionnement de la carte.
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Figure 43 3D output de l’ARES Professional
Figure 44 La carte réalisée
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Légende :
1 : capteur
2 : amplification par TL071
3 : TLC549
4 : connecteur DB9 femelle
5 : ULN2804a
6 : Relais 12 VDC
7 : connecteur pour le contact de l’alimentation du ventilo-convecteur
8 : alimentation en 5, -12, +12 VDC
9 : ventilateur simulant le ventilo-convecteur
10 : alimentation 5V simulant l’alimentation du ventilo-convecteur
c) Alimentation
L’alimentation sera choisie en fonction de nos besoins. Dans notre cas, on aura
besoin :
· D’une alimentation symétrique de 12 VDC pour l’amplificateur
opérationnelle ;
· D’un 12 VDC pour alimenter le relais ;
· Et enfin, d’une alimentation de 5 V pour alimenter le convertisseur.
On a donc choisi un Universal Power Board pour VCD et DVD qui fournit les
caractéristiques indiqués dans le tableau suivant :
Tension Courant Plage de tolérance
+5V 1.1A~1.7A +4.9V~5V
+12V 100mA~250mA +10.5V~+12.5V
-12V 100mA~200mA -10.5V~-12V
Tableau 10 : Caractéristiques de l’alimentation
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Chapitre 6: Software
Le logiciel de pilotage joue le rôle d’agent de circulation pour notre carte. En effet, il
gère le protocole de communication et assure la conversion des données reçue du capteur.
1. Protocole de communication
Les brochages du TLC549 sont représentés sur la figure suivante :
Figure 45 TLC549 dans un boitier DIL 08 broches
· REF+ et REF- représentent les tensions de références ;
· VCC et GND sont respectivement l’alimentation (+5 V) et la masse ;
· ANALOG IN est l’entrée analogique issue du capteur ;
· DATA OUT est la sortie numérique en série ;
· déclenche la conversion. Lorsqu’elle passe du niveau 1 au niveau 0,
le MSB qui est B7 est envoyé sur la sortie ;
· I/O CLOCK prend le relais de . Lorsqu’à son tour, elle passe du
niveau haut au niveau bas, le bit suivant B6 est envoyé sur DATA
OUT. Et ainsi de suite jusqu’à obtenir le LSB B0.
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Le protocole de communication peut s’illustrer par la figure suivante :
Figure 46 Illustration du protocole de communication
Comme on l’a vue plus haut, le TLC549 est relié directement au port série grâce aux
résistances et aux diodes zener.
La connexion avec le port série s’effectue comme suit :
· L’entrée DSR sera branchée au DATA OUT ;
· La sortie RTS sera reliée à ;
· La sortie DTR sera connectée à I/O CLOCK ;
· TXD est une sortie, elle nous servira à la commande du relais qui
actionne la marche du ventilo-convecteur.
2. Les lignes de programmation
On utilisera Microsoft Visual Studio 2008 pour concevoir notre logiciel de pilotage. Il
sera conçu sous le langage de programmation Visual Basic.
a) Utilisation d’un DLL
Le fichier Dynamic Link Library (DLL) qui s’appelle « port.dll » nous est indispensable
pour concevoir le logiciel. Ce fichier prend en charge l’interface sérielle, la carte son et le
joystick. Ce qui nous intéresse, ceux sont les commandes de l’interface sérielle et certains des
sous-programmes suivants :
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1. CLOSECOM
Paramètre : aucun
Fermeture de l'interface sérielle
Retour: aucun
Procedure CLOSECOM; stdcall; external ‚port.dll‘;
2. OPENCOM
Paramètre : aucun
Ouverture de l’interface sérielle.
Valeur retournée : aucun
Function OPENCOM; stdcall; external ‚port.dll‘;
3. DSR
Paramètre : aucun
Consultation de la ligne sérielle DSR. Celle-ci doit d'abord être ouverte avec OpenCom.
Retour : état de la ligne (1 ou 0)
Function DSR: WORD; stdcall; external ‚port.dll‘;
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4. RTS
Paramètre : Valeur (0..1)
Mise à un de la ligne sérielle RTS. Celle-ci doit d'abord être ouverte avec OpenCom.
Procedure RTS (Valeur: WORD); stdcall; external ‚port.dll‘;
5. TXD
Paramètre : Valeur (0..1)
Mise à un de la ligne sérielle TxD. Celle-ci doit d'abord être ouverte avec OpenCom.
Procedure TXD (Valeur: WORD); stdcall; external ‚port.dll‘;
6. DTR
Paramètre : Valeur (0..1)
Mise à un de la ligne sérielle DTR. Celle-ci doit d'abord être ouverte avec OpenCom.
Procedure DTR (Valeur: WORD); stdcall; external ‚port.dll‘;
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7. TIMEOUT
Paramètre : temps en millisecondes
Paramètrage du temps de pose de l'interface sérielle. Celle-ci doit d'abord être ouverte
avec OpenCom.
Si aucun signal n'est détecté pendant ce temps, READBYTE s'interrompt et – 1 est
renvoyé.
Procedure TIMEOUT (Valeur: WORD); stdcall; external ‚port.dll‘;
8. DELAY
Paramètre : temps en millisecondes
Temporisation en millisecondes.
Retour: aucun
Procedure DELAY (ms: WORD); stdcall; external ‚port.dll‘;
9. TIMEINIT
Paramètre : aucun
Remise à zéro du chronomètre des millisecondes.
Retour : aucun
Procedure TIMEINIT; stdcall; external ‚port.dll‘;
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10. TIMEREAD
Paramètre : aucun
Lecture du chronomètre des millisecondes. Le résultat est le nombre de millisecondes
écoulées après l'appel de TIMEINIT.
Retour : nombre de millisecondes
Function TIMEREAD: DWORD; stdcall; external ‚port.dll‘;
11. REALTIME
Paramètre : 0 ou 1
Définition de la priorité maximum. Cet appel présente un intérêt pour une tâche où le
temps joue un rôle critique. Ne l'activer que brièvement puisqu'il ralentit les autres
programmes.
Retour : aucun
Procedure REALTIME (d: WORD); stdcall; external ‚port.dll‘;
Ainsi, la première chose à faire consiste à créer un module (Figure 20) qui contiendra la
déclaration de toutes ces fonctions et sub-fonction. Pour ce faire, il suffit d’ajouter un module
et d’y déclarer toutes les fonctions utiles par la commande : « Declare ».
On peut ainsi appeler ces fonctions et procédures dans le corps du programme.
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Figure 47 Création d’un module
a) Conversion et relation tension-température
Dans un premier temps, le programme procède à la conversion de l’entrée analogique en
numérique, c’est-à-dire, que grâce aux lignes de programmation, la carte va lire la tension
issue du capteur déjà amplifié. Ensuite, il travaille comme un voltmètre par la relation
suivante :
; (III.2)
En effet, la valeur de « Lecture » est le nombre décimal correspondant aux bits que le
programme a collecté bit par bit. Le tableau suivant illustre ces valeurs :
Lecture (binaire) Lecture
(décimal)
0000 0000 0
1111 1111 255
Tableau 11 : Correspondance entre lecture binaire et décimal
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On obtient ainsi la valeur de « Mesure » qui théoriquement devrait varier de 0 à 5.
Et, comme on a une tension amplifiée de 10 fois, soit 100mV par degré, il suffit de
multiplier par 10 la valeur trouvé par le programme pour définir la valeur de la température
correspondante. Soit entre 0 et 51 °C.
b) Régulation
La régulation s’effectue en tout ou rien, il suffit de mettre au niveau 1 la ligne TXD, et
le circuit de commande composé de l’ULN et du relais se charge de la marche ou de l’arrêt du
ventilo-convecteur.
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Partie III: APPLICATIONS
Chapitre 7: L’ART ou Logiciel d’Acquisition et de Régulation
de Température
1. Création du logiciel
a) Fonctionnalités du logiciel
L’ART est un logiciel destiné à piloter une carte d’acquisition de température. De ce
fait, il doit satisfaire :
· L’acquisition de la température ambiante et affichage ;
· Le stockage des données sauvegardé ;
· L’affichage de la courbe de suivi ;
· Et enfin la commande marche/arrêt du ventilo-convecteur.
b) Principe de fonctionnement
Notre projet fonctionne suivant plusieurs étapes :
· Etape 1 : Amplification et Conversion
L’amplification se fait au niveau matériel. Une fois le signal du capteur amplifié, on
doit procéder à l’acquisition de ce signal. C’est la conversion.
La conversion analogique numérique consiste à traduire la tension continue issue de
l’amplificateur en une série de données exploitable par l’ordinateur soit des données binaires.
Pour se faire, le programme s’introduit dans le fichier DLL. Cette dernière se charge de
commander les lignes de sorties du port série (donc le TLC549) afin que le TLC549 envoie
bit par bit (par le biais de l’entrée DSR) l’octet qui compose l’équivalent de la tension issue de
l’amplification.
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· Etape 2 : Affichage de la température ambiante
Une fois cet octet reçu, une équation de correspondance effectue la relation entre
tension et température réelle capter. On arrive donc à trouver la température ambiante du
milieu.
Il ne reste plus qu’à afficher cette valeur.
· Etape 3 : Stockage de données, courbe de suivi et décision
Comme on a aussi pour but de recueillir les données ainsi captées, le programme se
charge de stocker chaque valeur à la date et heure précise dans une liste temporaire. Ce sont
les données contenues dans cette liste qu’on traduit en courbe de suivi. A tout moment, on
nous permet de sauvegarder ces données dans un fichier texte.
Selon la consigne de régulation (température) préalablement configurée, le programme
compare la température ambiante à cette consigne, et prend ainsi une décision de démarrer ou
pas le ventilo-convecteur.
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On aboutit ainsi à l’organigramme suivant :
Figure 48 Organigramme de fonctionnement du logiciel
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c) Choix du langage
i. Présentation de Visual Basic
Visual Basic est un langage de programmation de Microsoft corporation pour des
modèles de programmation COM ou Component Object Model, permettant de créer des
programmes exécutables de Windows (Windows Applications).
Comme son nom l’indique, il est basique, donc conçu pour les débutants. Le terme
BASIC fait référence à Beginners All-Purpose Symbolic Instruction Code.
Le mot « Visual » concerne le système qu’offre le logiciel pour créer facilement des
interfaces graphiques. Loin des programmes à console, on peut facilement créer une interface
graphique basique que performante par le biais du GUI ou Graphical User Interface. Au lieu
de créer plusieurs lignes de code pour décrire les caractéristiques des éléments d’interface, il
suffit d’ajouter des objets prédéfinis à l’endroit souhaité sur l’écran.
ii. Configuration requise
Microsoft Visual Studio 2008 peut fonctionner que ce soit en architecture x86 ou bien
x64.
Il requiert une configuration minimale, dont :
· Un processeur à 1.6 GHz (2.2 GHz recommandé)
· 192Mo de mémoire RAM (384 Mo ou plus recommandé)
· Un écran 1024 x 768 (ou 1280 x 10 24)
· Un disque dur à 5400 trs/m (7200 trs/m ou plus recommandé)
· Et 1.3 Go d’espace disponible requis sur le disque pour
l’installation complète.
iii. Le choix
Notre choix s’est porté sur Microsoft Visual Studio 2008. Cette suite de logiciels de
développement nous offres un large choix de langages incluant Visual Basic. Malgré son
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décalage de la version 2010 et récemment la version 2012, Visual Basic s’est arrêtée à sa
version 6.0. Ainsi nul besoin de la suite dernier cris pour réaliser notre projet.
Visual Basic est un des langages les plus utilisés pour l'écriture d'applications
commerciales. Due à de sa capacité à permettre des développements très rapides et très
efficients, il est préféré par les étudiants et écoles d’ingénierie. Il permet aux scientifiques de
se consacrer davantage à l'algorithmique et moins aux aspects formels du codage.
d) Méthodes
i. Button
La création d’un bouton, nous permet de commander une action que
doit faire le logiciel.
PrivateSub Button3_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Button3.Click
tvoulue = 12
EndSub
Ces lignes indique que lorsqu’on clique sur le bouton 3, « tvoulue » sera égal à 12.
ii. TextBox
TextBox sert à introduire des données et des consignes.
iii. Label
Les labels servent à afficher des valeurs issues du programme ou
définir le rôle de certains boutons ou groupes.
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iv. Boucle For…Next
Cette boucle sert à répéter une ou quelques lignes de commande un nombre définit de
fois. Pour ce faire, on procède comme on l’indique ci-dessous :
For counter[ As datatype ] = start To end
[ Step step ]
[ statements ]
[ Exit For ]
[ statements ]
Next [ counter ]
v. Condition If…Then…Else
Cette méthode permet d’effectuer des conditions afin que le programme agisse selon la
réponse à la condition préalablement défini.
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2. Présentation de L’ART
a) Fenêtre d’accueil
Lors du lancement du logiciel, une fenêtre d’accueil apparait. Cette fenêtre nous
informe sur le nom du logiciel, sa version et son producteur.
Pour utiliser le logiciel, il suffit de cliquer sur le bouton « Continuer ». Sinon sur
« Quitter » pour sortir.
Figure 49 Fenêtre d’accueil
b) Login
Une fois la page d’accueil passé, une fenêtre d’identification utilisateur apparait. Elle
est composée de deux espaces de saisie :
· Le nom d’utilisateur : qui définit l’alias de l’opérateur qualifié à utiliser le
logiciel ;
· Le mot de passe : code d’accès permettant d’entrée dans le logiciel.
Ces deux mots indispensables à la protection du logiciel sont fournis par le producteur
avec le logiciel.
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Figure 50 Login
Si le nom d’utilisateur est faux, une fenêtre apparait indiquant que la saisie est fausse
et vous permet de réessayer. Idem lorsqu’on saisit un faux mot de passe.
Lorsque vous entrez les bons code et nom, cliquer sur OK est le logiciel est lancé.
c) Le logiciel
L’ART est facile à manipulé.
Il n’est composé que d’une seule fenêtre principale affichant :
· La date et l’heure d’échantillonnage à la seconde près ;
· La température ambiante ;
· Un espace de saisie de la température de consigne ;
· La courbe de suivi de la température ;
· Et enfin d’un espace de saisie de l’intervalle d’échantillonnage en seconde.
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Avant toute chose, définissez d’abord la température voulue dans la salle à climatiser.
Figure 51 Dialogue permettant à l’accès du logiciel
Si vous cliquez sur « Non », une valeur prédéfinie sera insérée pour que vous l’utilisiez.
En cliquant sur « Oui », vous accédez à la fenêtre principale.
Afin de bien maitriser L’ART, montrons comment paramétrer et démarrer une
acquisition :
1. Il faut tout d’abord entrée la température de consigne, c’est-à-dire, « TEMP
VOULUE » en degré Celsius dans la zone THERMOSTAT puis valider.
2. Ensuite paramétrer l’intervalle d’échantillonnage en entrant une valeur en
seconde(s) dans la zone ECHANTILLONNAGE.
3. Une fois ces paramètres définis, cliquer sur pour
démarrer l’acquisition.
4. Pour arrêter l’acquisition, cliquer sur le bouton
A tout instant, le bouton vous permet faire une sauvegarde des
données ainsi recueillies.
L’A
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ou
Lo
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itio
n e
t d
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71
Figure 52 Fenêtre principale
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t
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CA
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NS
72
Chapitre 8: Volet environnement
1. Notion sur l’environnement
Bon nombre de gens confondent l’environnement avec la nature.
La Charte de l’Environnement Malagasy (CEM), définit l’environnement en ces
termes : « L’ensemble des milieux naturels et artificiels, y compris les milieux humains et les
facteurs sociaux et culturels qui intéressent le développement. »
Le monde entier ne cesse de trouver une solution durable à la sauvegarde de notre
planète. Les sommets de la Terre réunissent les chefs d’états de notre monde depuis 1972 à
Stockholm afin de laisser à la génération futur une planète agréable à vivre. Dernièrement
s’est tenu au Brésil le 5ème sommet, portant le nom de « Rio+20 » se tournant principalement
sur « l’économie verte » et « le cadre institutionnel du développement durable ». Mais
Rio+20 n’a abouti principalement qu’au lancement d’un processus conduisant à
l’établissement d’Objectifs du Développement Durable d’ici 2014.
Ainsi donc, on peut dire que la conception de cette carte d’acquisition comme
l’installation du chiller même contribue à l’amélioration de l’environnement des opérateurs
concernés. En effet, les étudiants bénéficient d’une climatisation lors des séances de travaux
pratiques en informatique.
2. Les Fluides Frigorigènes
Généralement connu sous le nom de réfrigérant, les FF sont des substances ou mélange
de substances destinés à véhiculer les calories issues de l’évaporateur et du moto-compresseur
pour être évacué au niveau du condenseur. Les FF les plus couramment utilisés appartiennent
aux ChloroFluoroCarbures ou CFC, aux HydroChloroFluoroCarbures ou HCFC et aux
HydroFluoroCarbures.
Vo
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en
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nn
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en
t
AP
PLI
CA
TIO
NS
73
a) Restrictions
Depuis le Protocole de Kyoto de 1987, on vise à réduire et à terme les substances qui
appauvrissent la couche d’ozone. Ainsi des restrictions ont été faites :
· Cas des CFC
- La production et la mise sur le marché d'équipements neufs contenant
des CFC sont interdites ;
- La récupération et la destruction des CFC sont obligatoires ;
- Le rechargement en CFC des équipements est interdit ;
- Le contrôle d'étanchéité des installations contenant plus de 2 kg de CFC
doit être réalisé au moins une fois par an.
· Cas des HCFC
- La production et la mise sur le marché d'équipements neufs contenant
des HCFC sont interdites depuis le 1er janvier 2001 ;
- La récupération des HCFC est obligatoire ;
- Le contrôle d'étanchéité des installations contenant plus de 2 kg de
HCFC doit être réalisé au moins une fois par an ;
- Au 1er janvier 2010, le rechargement des installations au cours
d'opérations de maintenance et d'entretien avec des HCFC neufs est
interdit ;
- Au 1er janvier 2015, le rechargement des installations au cours
d'opérations de maintenance et d'entretien avec des HCFC recyclés sera
interdit.
· Cas des HFC
Il est prévu un contrôle d'étanchéité au moins une fois par an pour les équipements
ayant une charge en fluide de plus de 2 kg.
Vo
let
en
viro
nn
em
en
t
AP
PLI
CA
TIO
NS
74
b) Codification
La codification des réfrigérants se classe en plusieurs séries :
· Série R10 à R50, R100, R200 :
R-CDU (a ou b)
Où :
C (centaines) indique le nombre d’atomes de carbone moins 1
D (dizaines) indique le nombre d’hydrogène plus 1
U (unité) indique le nombre de Fluor
a signifie asymétrie moins grande de la molécule
b signifie asymétrie plus grande de la molécule
Prenons comme exemple R22 utilisé dans notre installation. Le R22 ou
Monoxhlorodifluorométhane ou encore CHCLF2 est composé d’un atome de carbone d’un
atome d’hydrogène et de 2 atomes de fluor.
· Série des 400 : rassemble les mélanges zéotropes et sont classés selon leur
apparition. Lors des mélanges de corps purs identique mais dont les proportions sont
différentes, on associe une lettre majuscule (A, B, C) afin de les différencié.
· Séries des 500 : sont classés par ordre d’apparition : R500, R501,…
Le tableau suivant regroupe quelques réfrigérants utilisés en froid :
Nom Formule Désignation
CFC
Trichlorofluorométhane CCl2F R11
Dichlorodifluorométhane CCl2F2 R12
1.1.2 Trichloro-1.2.2 Trifluoroéthane CCl2F-CClF2 R113
Chloropentafluoroéthane CClF2-CF3 R115
R22 + R115 - R502
HCFC
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NS
75
Dichlorofluorométhane CHCl2F R21
Chlorodifluorométhane CHClF2 R22
2.2-Dichloro-1.1.1-Trifloroéthane CF3-CHCl2 R123
2-Chloro-1.1.1.2-tetrafluoroéthane CF3-CHClF R124
1-Chloro-1.1-difluoroéthane CClF2-CH3 R142b
R22+R152a+R124 - R401A
R22+R125+R290 - R402B
R22+R143a+R125 - R408A
R22+R124+R142b - R409A
HFC
Difluorométhane CH2F2 R32
Pentafluoroéthane CHF2-CF3 R125
1.1.1.2-Tetrafluoroéthane CH2F-CF3 R134a
1.1.1-Trifluoroéthane CH3-CF3 R143a
1.1-Difluoroéthane CH2-CHF2 R152a
R125+R143a+R134a - R404A
R32+R125+R134a - R407C
R32+R125 - R410A
R125+R143a - R507
Tableau 12 : Classification de quelques FF 4
3. L’environnement et la climatisation
Il est indéniable que la climatisation combinée à la commande numérique offre aux
utilisateurs une ergonomie et un grand confort. Un confort offert grâce à la possibilité de
régler et paramétrer l’installation selon les besoins de l’utilisateur.
Mais les systèmes de climatisation présentent aussi des effets notoires pour
l’environnement :
4 Source : [10]
Vo
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en
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nn
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t
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NS
76
a) La pollution sonore
Le chiller est une machine qui possède un rotor à grand pâle source de vibration. Il se
peut que l’exposition prolongée dans la salle des machines puisse être nocif sans le port de
casque antibruit. Le bruit est tolérable tant qu’il ne dépasse pas les 60 dB.
b) La pollution atmosphérique
Les réfrigérants sont sources de dégradation de l’atmosphère et de la couche d’ozone.
Les critères principaux qui définissent la qualité d’un réfrigérant sont :
1. Le GWP ou Global Warming Potential : il caractérise la participation de la
molécule sur l’effet de serre. Pour calculer le GWP, on doit se référer à la durée d’intégration
en années d’une molécule qui est le CO2 et pour des durées bien déterminés (10, 20, 50, 100,
200, 500 ans). Le GWP du CO2 étant égal à 1.
2. L’ODP ou Ozone Depletion Potential : lui est caractériser par la capacité du
réfrigérant à participer à l’appauvrissement de la couche d’ozone. On se réfère toujours à une
molécule de référence. Ici on a soit le R11 ou le R12 qui ont un ODP égal à 1.
Prenons l’exemple du R22 : CHClF2
Figure 53 Réaction de destruction de la couche d’ozone
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77
Le tableau suivant donne l’ODP et le GWP100 de quelques FF :
FF R11 R12 R22 R134a R717 R507 R404A R600 Famille CFC CFC HCFC HFC inorganique Azéotropique Zéotropique Hydrocarbure
ODP 1 0.9 0.05 0 0 0 0 0 GWP100 3500 7300 1500 1200 <1 3330 3260 3
Tableau 13 : Valeurs de l’ODP et du GWP100 de quelques FF 5
c) Mesure à prendre
En toute connaissance de cause, bien qu’en Europe la manipulation des FF nécessitent
un certificat d’aptitude, tout technicien en froid a le devoir de respecter le minimum de
sécurité :
· S’assurer de l’étanchéité de l’installation afin d’éviter toute
fuite ;
· Installer les machines dans des salles insonorisées ;
· Manipuler les machines avec précautions (masque, équipement
de sécurité) ;
Enfin une maintenance périodique peut éviter des catastrophes.
5 Source : [10]
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NS
78
CONCLUSION
Le Building Automation System ou système d’automatisation des grands bâtiments
reste une filière à promouvoir à Madagascar malgré les avancées technologiques.
De plus, le réchauffement planétaire et le changement climatique produit une hausse de
la demande en HVAC pour compenser le besoin de confort.
L’ensemble carte électronique et logiciel permet une acquisition facile, rapide et à
erreur tolérable de la température ambiante de la salle de laboratoire d’informatique sise à
Vontovorona. L’ensemble ainsi conçu participe déjà au confort de toute personne opérant
dans le laboratoire d’informatique du Bloc Technique Vontovorona et permet un suivi en
temps réel.
Ainsi, en fonction des nouveaux besoins et contraintes, une version améliorée de la
carte est pensable et réalisable. Mais cette extension nécessite des composants additionnel et
plus performante.
ANNEXE I : Conversion
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NEXE
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ii
ANNEXE II : Le port série (DB9)
Une des grande avantage du port série est qu’il est très bien protégé contre les fausses
manœuvres. Il utilise un connecteur 9 broches (DB9) dont les accès sont les suivantes :
Broche DB9
Sens Nom Fonction
1 Entrée DCD (Data Carrier Detect Détection de porteuse
2 Entrée RXD (Receive Data) Réception
3 Sortie TXD (Transmet Data) Emission
4 Sortie DTR (Data Terminal Ready) Terminal prêt
5 Masse
6 Entrée DSR (Data set Ready) Emission prête
7 Sortie RTS (Request to Send) Demande d’émission
8 Entrée CTS Clear to send) Prêt à émettre
9 Entrée RI (Ring Indicator) Sonnerie
Il faut se souvenir que les signaux disponibles sur ce port n'ont pas le niveau TTL.
Etat de repos 1 typiquement -10V (entre -3 et -15V)
Etat de travail 0 typiquement +10V (entre 3 et 15V)
L'envoi d'un octet commence par un bit de start (niveau travail) suivi des 8 bits de l'octet
suivis ou non d'un bit de parité et terminé par 1 1;1/2 ou 2 bits de stop ( niveau repos ) .
Les vitesses de transmission sont normalisées 110 150 300 600 1200 2400 4800 9600
19200 bits/secondes (Bauds)
Pour l'association avec un microprocesseur une conversion de ce signal aux niveaux
TTL est nécessaire.
Les circuits MAX232 ou équivalents sont parfaitement adaptés à ce travail.
Alimentés en 5V ils fabriquent en interne le ±10V nécessaire. (Circuit à pompe de
charge).
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III
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iii
ANNEXE III: Brochage de quelques circuits intégrés
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v
v
TLC549 UNIT MIN NOM MAX
Supply voltage, VCC 3 5 6 V Positive reference, Vref+ 2.5 VCC VCC+0.1 V Negative reference voltage, Vref- -0.1 0 2.5 V Differential refernce voltage 1 VCC VCC+0.2 V
Analog input voltage 0 VCC V High-level control input voltage, VIH 2 V Low-level control input voltage, VIL 0.8 V
Input /Output clock frequency 0 1.1 MHz Input/Output clock high 404 ns Input/Output clock low 404 ns
Input/Output clock transition time 100 ns Duration of input high state during conversion 17 µs
Setup time, low before first I/O CLOCK 1.4 µs
TLC549C 0 70 °C TLC549f -40 85
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ANNEXE IV : Fabrication de circuit imprimé Pour réaliser un circuit imprimé, on doit procéder à plusieurs étapes :
Etape 1. La conception sur ordinateur
Ø Réalisation du schéma :
Une fois les objectifs, les éléments d’entrées, les contraintes et les moyens définis, on
passe à l’établissement du schéma électronique.
De nos jours, il existe différents logiciels de conception permettant de réaliser le circuit
et la simulation. La simulation est très importante car elle permet d’évaluer préalablement le
fonctionnement de chaque composant dans le circuit.
Les logiciels les plus utilisés sont PSpice, Matlab ou Simulink, ou encore Proteus-Isis.
Ces logiciels disposent déjà d’une bibliothèque de composants.
Ø Routage :
Le routage consiste à réaliser le typon du circuit électronique. Une fois le schéma réalisé
(sous Proteus-Isis), certains logiciels permettent tout de suite de basculer vers la conception
du typon (Proteur-Ares)
Bien qu’il n’en a pas l’air, la réalisation du typon est complexe. Il faut respecter les
largeurs de pistes selon les besoins.
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vii
Etape 2. Fabrication du circuit imprimé
Avant tout, on ne doit pas confondre « circuit imprimé » qui désigne la plaque en époxy
et les gravures qui sont dessus.
A Madagascar on ne dispose que des plaques en époxy avec le cuivre mais sans la
résine protecteur.
v Impression du typon
Le typon est le dessin des pistes et pastilles. On l’imprime selon le cas. Mais dans notre
cas, on imprime au laser le typon sur des papiers de publicité lisse (brochure) ou similaire. Il
faut imprimer sur une page blanche.
Ensuite, on repasse le typon imprimé (encre du côté du cuivre) jusqu’à ce que l’encre se
grave sur le cuivre.
Une fois cette étape faite, il suffit de rincer la plaque à l’eau du robinet.
v Gravure du circuit imprimé
Notre plaque est plongée dans une cuve (non plastique) qui contient du perchlorure de
fer. L’acide va dissoudre le cuivre hors des pistes et pastilles graver précédemment.
Il ne reste plus qu’à nettoyer les pistes au dissolvant.
Etape 3. Implantation des composants
Cette dernière étape consiste à implanter les composants électroniques sur le circuit
imprimé selon le cahier de charge. La difficulté à la réaliser diffère de l’habileté du
manipulateur en matière de soudure électronique.
Mais il est indispensable, que le manipulateur soit professionnel ou amateur, de vérifier
le circuit électronique. Cette vérification consiste à utiliser un multimètre pour trouver
d’éventuel court-circuit.
BIBLIOGRAPHIE
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[2] COLLAGE J-Marc / Choix d’une carte d’acquisition de données
[3] DIOP Bassirou et TOURE Abdoul Aziz / Etude d’implantation d’une climatisation centralisée à la
gouvernance de Saint Louis (Projet de fin d’études)
[4] JAMART Jean-François – Haute Ecole de Liège – ISET / La fabrication d’un circuit imprimé
[5] JANNOT Yves – Ecoles des Mines Nancy (2011) / Transferts Thermiques
[6] MAGAROTTO Eric – Laboratoire d’Automatique et de Procédés (LAP-ISMRA) / Support de cours de
transmission et acquisition de données
[7] MANAMBALA Princy Virgi / Etude, conception et réalisation d’un système de climatisation à eau glacée
dans le laboratoire froid Vontovorona-ESPA (Mémoire de fin d’études)
[8] MATHIEU Richard / La machine frigorifique
[9] National semiconductor/ LM35 datasheets (November 2000)
[10] RAKOTONAIVO Tsiferanarivo Vahinimamy / Etude, conception et réalisation d’un système de
conditionnement d’air dans le laboratoire froid Vontovorona (Mémoire de fin d’études)
[11] RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andry Ravaka / Conception et Réalisation d’un régulateur
numérique pour la gestion de procédés industriels-conduite des installations frigorifiques-fabrication de
biodiesel (Mémoire de fin d’études)
[12] ROUX Philippe 2006 / Cours de thermique
[13] ST (Semiconductor Technology)/ ULNx datasheets
[14] Technique Générale / Technique du froid – Cours de base
[15] Test- und Weiterbildungszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik / Manuel de formation –
Technique frigorifique / Climatisation
[16] Texas instruments/ TL071 datasheets (September 1978-revised march 2005
[17] Texas instruments/ TLC549 datasheets (November 1983-revised September 1996)
WEBOGRAPHIE http://perso.orange.fr/fabrice.sincère/
http://genie.industriel.iaa.free.fr
http://cbissprof.free.fr
http://climatiseur.com/
http://fr;wikipedia.org/portail_froid_et_climatisation
http://sonelec-musique.com/
http://jeanbajb.free.fr/
http://www.electronics-tutorials.wb/index.html
http://www.objectifterre.ulaval.ca/
http://www.lesmetiersdugout.fr/html/Reponses-A-Vos-Questions/Environnement?
Vontovorona, janvier2013Vontovorona, janvier2013Vontovorona, janvier2013Vontovorona, janvier2013 Rubrique: BAS / Mots clés: acquisition de données, chiller , climatisation, HVACRubrique: BAS / Mots clés: acquisition de données, chiller , climatisation, HVACRubrique: BAS / Mots clés: acquisition de données, chiller , climatisation, HVACRubrique: BAS / Mots clés: acquisition de données, chiller , climatisation, HVAC
RESUME Ce présent travail est un aperçu de la combinaison
des technologies de climatisation, d’automatisation et de numérisation. Il abouti à la réalisation d’une carte électro-nique pour le contrôle de la température ambiante d’une salle, le tout piloté par ordinateur.
Cet ouvrage permettra d’élargir les connaissances
sur le fonctionnement d’un système de conditionnement d’air par eau glacée, allant des notions de bases sur l’ex-ploitation du froid, jusqu’à la conception de l’interface ma-tériel et logiciel.
ABSTRACT This work is an outline of the combination of air con-
ditioning, automation and digitation technologies. It leads to a computer-assisted electronic card realization which control a room temperature.
This book will enhance knowledge about cooled water
conditioning air, from cold operation basics to hardware and software concepts.
Conception d'une carte d'acquisition et de contrôle en vue d'une régulation de température avec L’ART
RAHARIMANANTSOA Fitahiana
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Nombre de pages: 77 Nombre de figures: 53 Nombre de tableaux: 13
