Formation Génie Électrique et Génie Thermiqueww2.ac-poitiers.fr/techno/IMG/pdf/Formation_4me.pdf · Formation Génie Électrique et Génie Thermique Table des matières ... complexe

Formation Génie Électrique et Génie Thermique

Table des matièresL'évolution des solutions constructives...............................................................................................................2

1- Évolution des solutions et classification....................................................................................................22- Les procédés élémentaires........................................................................................................................4

Notions de Génie Électrique : l'énergie...............................................................................................................51- Énergie.......................................................................................................................................................52- Différentes formes de l'énergie..................................................................................................................53- Puissance...................................................................................................................................................64- Rendement.................................................................................................................................................75- Stockage et transport de l'énergie.............................................................................................................86- Ressources, réserves et énergies dites « renouvelables ».......................................................................9

Notions de Génie Électrique : l'information.......................................................................................................131- Rappel des grandeurs électriques :.........................................................................................................132- Les signaux..............................................................................................................................................133- Les capteurs.............................................................................................................................................144- Les actionneurs........................................................................................................................................235- Transmission de l’information..................................................................................................................236- Traitement de l’information......................................................................................................................267- Systèmes automatisés.............................................................................................................................26

Notions de Génie Thermique............................................................................................................................301- Chaleur et température............................................................................................................................302- Relations entre chaleur et température...................................................................................................30

« On chauffe, donc la température augmente. »....................................................................................30« On chauffe, mais la température n’augmente pas. »...........................................................................31

3- Transferts thermiques..............................................................................................................................31La conduction..........................................................................................................................................31La convection..........................................................................................................................................32Le rayonnement......................................................................................................................................32

4- Flux de chaleur et résistance thermique :................................................................................................33Décodons quelques informations qui nous entourent............................................................................34

5- Confort, économie, environnement : la réglementation thermique dans le bâtiment..............................35

Formation en Génie Électrique et Génie Thermique page 1/362010 – Bertrand Charier, Jean-Marie Meslier, Nicolas Pouyau

L'évolution des solutions constructives

La réalisation de tâches a toujours suscitée une recherche de nouvelles solutions qui permettent d'améliorerle procédé, de garantir une qualité constante, de solliciter le moins d'énergie possible, de confier les tâchesrépétitives à des machines, d'améliorer la réalisation de la tâche en apportant de nouvelles caractéristiquesà l'objet confectionné, au service installé.

Cette évolution peut être décrite selon différentes étapes : l'action humaine, la mécanisation etl'automatisation. Le passage d'une étape à une autre a pu se faire par un saut technologique, par uneinnovation importante dans le domaine considéré ou bien pour répondre à de nouvelles attentes de lasociété.

1- Évolution des solutions et classificationAction humaineL'homme est le producteur de l'énergie et de l'information. La tâche est déclenchée et réalisée parl'homme. Il peut se servir d'outils mais ce sera toujours son action qui produira les effets escomptés.

La mécanisationLa mécanisation d'une tâche ou d'une action permet de confier l'apport énergétique nécessaire à saréalisation à une machine de conversion d'énergie. Il est bien entendu nécessaire de disposer d'uneressource extérieure en énergie. L'homme économise ainsi sa propre énergie et sa force physiqueest souvent multipliée et l'ensemble garantit une meilleure productivité. Les limites de la mécanisation sont induites par le degré d'expertise nécessaire à la réalisation de latâche. Si celle-ci est relativement simple, elle peut être confiée à la machine ; par contre, une tâchecomplexe qui nécessitera une expertise dans sa réalisation risque d'engendrer une machine trèscomplexe dans laquelle l'intelligence de l'opérateur ne pourra être embarquée.

La mécanisation fait apparaître la chained'énergie.L'homme se limite maintenant à un rôle dedéclencheur de l'action. Il contrôle le début (et lafin dans certains cas) de l'action mais iln'intervient plus dans sa réalisation.Le mouvement assisté peut être contrôlé dansun soucis de sécurité (hors de course, limiteurde couple...).

Exemples : direction assistée d'une automobile ;stores électriques d'une maison...

L'automatisationL'automatisation permet en premier lieu de prendre en compte la répétition d'une tâche autant defois que nécessaire ; la machine automatisée répond alors à un besoin de production, de cadence.Ensuite, l'automatisation autorise le séquencement de plusieurs tâches et le contrôle automatique deleur réalisation. Les notions de productique, de cadence, d'ordonnancement et de contrôle de réalisation sont


ACTION EFFET

Information Energie

homme

ACTIONtransformation d'énergie

EFFET

machine

Energie

Info

rmat

ion

homme

introduites par les machines automatisées. La notion de boucle fermée apparaît également ;cependant il n'est pas forcément question d'automatique. La boucle fermée contrôle la fin deréalisation d'une tâche élémentaire comme un mouvement par exemple mais la notion d'écart entrela mesure et la consigne n'apparaît pas dans ce schéma.

La modélisation fait apparaître la chaîne d'information et la chaîne d'énergie. La machine est aucœur de la modélisation ; l'homme n'intervient que pour lancer un cycle

La chaîne d'information est liée à la chaîne d'énergie par le système « machine automatisée ».L'unité de traitement de l'information peut être détaillée en trois parties : acquisition, traitement,commande. L'acquisition consiste à prélever des informations issues de la machine ou del'opérateur, celles-ci sont mise en forme et transmises à l'unité de traitement. Selon les cycles et lesgestions des différentes actions de la machine, l'unité de traitement va pouvoir émettre un ordre defonctionnement (une commande) ou bien informer l'opérateur d'un événement de fonctionnement dela machine. Les informations traitées peuvent être de trois nature : booléenne, numérique ouanalogique. La chaîne d'énergie peut également être décomposée selon trois parties : connexion à la ressource,commande/modulation de l'énergie, transformation de l'énergie. Parallèlement à cette modélisation,on trouvera la fonction de sécurité des biens et des personnes et la prise en compte de l'efficacitéénergétique.

Le bloc « Effet » de la modélisation conduit à s'interroger d'une part sur les différents effets que l'onpeut produire et d'autre part sur le flux de production. Que l'on s'intéresse à une machine ou à unservice, le questionnement de l'effet et du flux sera identique.

L'analyse systémique apporte une réponse à cette interrogation. Il s'agit dans un premier temps dedéfinir une limite à l'analyse : la frontière de l'étude. L'expression de cette frontière doit être claire,sans ambiguïté ; une frontière mal définie conduit à un moment ou à un autre à une confusion. Cette approche donne d'une part, une vision à la fois sur le flux traité et définit une matrice de neufprocédés élémentaires et d'autre part, s'intéresse aux contraintes du système étudié selon lescritères d'énergie (W), de réglage (R), de configuration (C) et d'exploitation (E).


ACTIONtransformation d'énergie

EFFET

machine

Energie

Information

homme

Unité de traitement

2- Les procédés élémentairesL'analyse des systèmes techniques met en lumière neuf procédés élémentaires : il s'agit de troisactions sur trois flux possibles. Tout procédé de production de bien ou de service peut êtredécomposé en un ou plusieurs procédés élémentaires. Les différentes solutions constructives pour chacun des procédés constituent une base deconnaissances liées aux différentes contraintes citées plus haut.

Procédés élémentairesStocker Transformer Transporter

Énergie batterie,inertie, cuve

chauffage,moteur

câble, conduite

Information mémoire, CD,disque dur

convertisseur,calculateur

wifi, GSM, ADSL

Matière silo, citerne fusion, usinage,vaporisation

convoyeur, tapisroulant

Tous les systèmes artificiels peuvent être décrits par leurs contraintes d'environnement et d'usage(énergie, commande, exploitation) et peuvent être décomposés selon la classification des procédésélémentaires présentée ci-dessus.


Notions de Génie Électrique : l'énergie

« Rien ne perd, rien ne se crée, tout se transforme »Antoine Laurent de Lavoisier (1743 1794), chimiste, philosopheet économiste français.Cette citation rend compte de la loi de conservation : l'énergie estune grandeur qui se conserve toujours.

1- ÉnergieLe mot « énergie » vient du grec energeia qui signifie « force en action ».

L'énergie est une capacité à transformer un état. Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce quipermet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.

En physique, l'unité de l'énergie du système international (SI) est le JOULE (symbole : J)

Quelques exemples

• le travail produit par une force d'un newton dont le point d'application se déplace d'un mètre dansla direction de la force :

1 J = 1 N . m = 1 kg . m2 .s-2.

• le travail fourni quand un courant d’un ampère traverse une résistance d’un ohm pendant uneseconde :

1 J = 1 Ω . A2 . s = 1 kg . m2 . s-2 = 1 W.s

Remarque : en électricité, on utilise l'unité kWh (kiloWattheure) ce qui permet, d'une part, d'exprimer lesénergies mises en jeu avec des nombres plus petits et d'autre part d'introduire l'unité de la puissancedans l'expression. La conversion entre le Joule et le kWh s'effectue à partir de l'égalité :

1 Watt.seconde = 1 Joule

Attention : il s'agit de watt seconde et non de watt par seconde ; dans le langage courant on dit« kilomètre heure » pour une unité de vitesse au lieu de « kilomètre par heure ». Cette erreur de langageest très souvent rencontrée et induit un très grand nombre d'ambiguités.

L'annexe présente d'autres unités utilisées dans des contextes particuliers.

2- Différentes formes de l'énergieL'énergie se présente sous différentes formes classées selon « l'énergie de position » ou « l'énergie demouvement » :

Énergies de position (ou énergies potentielles) :

thermique (chaleur)

chimique

matière

électromagnétique, électrostatique


Énergie de mouvement (ou énergie cinétique) : énergie due au mouvement d'un solide, de particules...

Énergie TOTALE = Énergie POTENTIELLE + Énergie CINÉTIQUE

Exemple

Une pomme de masse m maintenue par une personne à une hauteur h du sol présente une énergiepotentielle Ep telle que :

Ep=m.g.havec m : masse en kilogramme (kg)

g : accélération gravitationnelle en mètre par seconde carrée (m.s-2)

h : hauteur en mètre (m)

Si la personne lâche la pomme, celle-ci tombe. Elle est en mouvement. Son énergie potentielle de départse transforme en partie en énergie cinétique durant la chute. En fin de chute, lorsque la pomme atteint lesol, la totalité de l'énergie potentielle de départ se sera transformée en énergie cinétique.

L'expression de l'énergie cinétique prend deux formes selon la nature du mouvement :

Ec=12

mv2=12

J 2 mouvement de translation, mouvement de rotation

avec m : masse en kilogramme (kg)

v : vitesse linéaire en mètre par seconde (m.s-1)

J : moment d'inertie en kilogramme mètre carré (kg.m²)

Ω : pulsation de rotation angulaire en radian par seconde (rad.s-1)

3- PuissanceLa notion de puissance rend compte de la capacité d'un système à mobiliser une quantité d'énergie enun temps donné.

La puissance est égale à la quantité d'énergie mobilisée en une seconde.

Prenons par exemple une 2CV et une moto BMW RS100 de masses équivalentes. Les deux véhiculesatteindront la vitesse de 50 km/h mais pas dans le même temps. La moto devrait atteindre la vitesse de50 km/h bien avant la 2CV. L'énergie mise en jeu pour atteindre cette performance est exactement identique ; par contre, la moto,plus puissante, mettra beaucoup moins de temps.

La puissance s'exprime en watt (W).

D'autres unités sont également employées dans certains contextes ou dans certains pays : le cheval-vapeur (CV) ou horse power (HP) utilisé très fréquemment au Canada (voir annexe).

Quelques expressions de la puissance

Mécanique de translation P=F .vF : force en Newton (N)

v : vitesse linéaire en m/s

Mécanique de rotation P=T.T : couple ou moment en Newton mètre (Nm)


Ω : pulsation de rotation angulaire en radian par seconde (rad.s-1)

Hydraulique P=Qv . p

Qv : débit volume en m3/s

p : pression en Pascal (Pa) [conversion 1 bar = 1.105 Pa]

Électrique

P=U.I si tension continue et courant continu - U en volt (V) – I en ampère (A)

P=U.I.cos en monophasé avec φ : déphasage angulaire entre courant et tension.

P=3U.I.cos en régime triphasé

4- RendementLa notion de rendement rend compte de la qualité d'un dispositif de transformation d'énergie.

Par exemple, un moteur électrique recevra une puissance électrique pour la transformer en puissancemécanique disponible sur son arbre moteur. Nous avons intérêt à ce que cette transformation depuissance s'effectue en conservant le meilleur ratio possible ; c'est-à-dire avec le meilleur rendementpossible.

= puissance utilepuissance absorbée

=Pu

Pa 0≤≤1 η est un nombre sans dimension.

Attention, bien que le rendement soit un scalaire, il représente une grandeur orientée. Le rendementd'une machine électrique ne sera pas le même pour un fonctionnement en moteur (électrique versmécanique) que pour un fonctionnement en générateur (mécanique vers électrique).

Rendement énergétique

Cette notion, récemment définie, rend compte d'un bilan énergétique pour un service rendu. Il s'agit duratio entre le service rendu et la somme de la quantité d'énergie mise en jeu et des déchets produits.

énergétique=service rendu

énergie déchets produitsLe rendement énergétique s'intéresse à l'ensemble des énergies (transformation et déchets).


5- Stockage et transport de l'énergieÉnergie électrique

L'énergie électrique peut être stockée en petite quantité à l'aide de condensateurs, de piles ou debatteries. L'enjeu du stockage de l'énergie électrique est très important pour les applications de transportautonome, tels que les véhicules électriques, les engins spatiaux. Par contre son transport est assez facile avec les lignes à haute tension afin de réduire les pertes enligne (plus la tension est élevée plus le courant sera faible pour une même puissance transportée) oudes câbles.

Énergie mécanique

L'énergie mécanique peut être stockée sousforme d'énergie cinétique à l'aide de volantd'inertie. Les applications de ce type sedéveloppent avec des volants d'inertie tournantsà très grande vitesse. Afin de réduire les risquesmécaniques, les volants d'inertie sontgénéralement enterrés.

Le transports de l'énergie mécanique ne seréalise que localement par des arbres detransmission. A grande échelle, l'énergiemécanique est transformée en énergie électriquepour son transport.

Énergie hydraulique

L'énergie hydraulique est stockée sous forme de réservoirs soit naturels (lacs) soit artificiels (barrages).Les conduites permettent de la transporter mais sur de courtes distances et uniquement dans l'objectifd'une transformation en énergie mécanique par des turbines par exemple.

Énergie thermique

Le stockage de l'énergie thermique existe pour des applications thermiques essentiellement. C'est-à-direqu'il n'y a pas de transformation d'énergie pour son utilisation. Le stockage d'énergie sous formethermique se développe pour utiliser une énergie disponible à un moment donné (énergie électrique –énergie thermique) puis restitution de l'énergie thermique et nouvelle transformation en énergieélectrique pour son transport (voir figure ci-dessous).

Le transport de l'énergie thermique ne s'effectue que très localement à l'aide de conduites dans unedistribution de chauffage par exemple.

Application du lycée Kyoto à Poitiers

La déchetterie et l'usine d'incinération de Beaulieu transforme l'énergie des déchets urbains en énergie


thermique pour le chauffage des immeubles collectifs du quartiers. En été, lorsqu'il n'y a pas de besoinen chauffage, l'eau chaude ainsi « produite » (95°C) est stockée dans un réservoir de 1000m3 sous lelycée Kyoto. Cette énergie est ensuite utilisée à l'automne pour le chauffage du lycée.

6- Ressources, réserves et énergies dites « renouvelables »La ressource est une estimation d'un stock qui n'est pas encoreexploité ou pas encore exploitable.La réserve représente un stock découvert exploité ou dont onsait qu'il sera exploitable.La figure ci-dessous présente une prévision d'évolution dessources d'énergie jusqu'en 2060.

On distingue les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz,uranium) des énergies dites « renouvelables » (solaire,éolienne, marées, hydraulique, houle)

L'enjeu de la consommation d'énergie dans les bâtiments est très importante ; le Grenelle del'environnement fixe deux objectifs :

le premier est de consommer moins de 50 kWh par m² et par an dans les locaux d'habitation àl'horizon 2012 (bâtiments basse consommation BBC) ;

le second est de construire des bâtiments à énergie positive (« production » d'énergie) à l'horizon2020.


Énergie - Annexe




Notions de Génie Électrique : l'information

RAPPEL SUR LES GRANDEURS ELECTRIQUES

Circuit électriqueUn circuit électrique est composé d’un générateur, d’un ou plusieurs récepteurs, et de conducteurs.On peut rajouter un interrupteur pour ouvrir ou fermer le circuit

1- Rappel des grandeurs électriques :

1°) TensionEntre deux points A et B d'un circuit (aux bornes de la lampe, dugénérateur ou de l’interrupteur) on peut définir une différence depotentiel (VA-VB) ou tension électrique (UAB)L'unité de tension électrique est le volt (en hommage à Alessandro Volta)Le symbole du volt est: V. Pour mesurer une tension électrique on utilise un voltmètre banché en dérivation.

2°) CourantLe courant circulant dans un circuit est représentatif de la quantité d’électricité circulant dans ce circuit. Cettequantité est appelée intensité. L’unité du courant électrique est l’ampère (hommage à André-Marie Ampère).Le symbole de l’ampère est: APour mesurer un courant électrique on utilise un ampèremètre branché en série. Les tensions et courants peuvent être continus (pile, accumulateur, cellules photovoltaïques) ou périodiques(réseau EDF).Dans ce dernier cas il apparaît une autre grandeur : la fréquence F qui s’exprime en Hertz (Hz) en hommageà Heinrich Rudolf Hertz.

3°) RésistanceDans le circuit représenté par la lampe (à filament)Grandeur caractérisant la "force" avec laquelle le conducteur s'oppose au passage du courant. Elles'exprime en Ohms (symbole : Ω) en hommage à Georg Simon Ohm.

4°) CapacitéLa capacité représente la quantité de charge électrique stockée.Elle s'exprime en Farad (symbole : F) en hommage à Michael Faraday

2- Les signauxUn signal est une grandeur mesurable variant dans le temps et permettant de transporter une information.Exemples : Signaux de fumée, signaux lumineux (phare, lampe torche desécurité-détresse…), signaux sonores. Les signaux électriques sont des courants ou des tensions électriques. On lescaractérise par leur forme d'onde (continue, périodique, sinusoïdale,...), leuramplitude, leur fréquence.Les signaux peuvent être logiques, analogiques ou numériques.

1°) Signal logiqueUn signal est dit logique ou binaire si la grandeur de l’information ne peut prendre que deux valeurs.Exemples : un contact électrique peut être ouvert ou fermé, une diode électroluminescente peut êtreallumée ou éteinte, un signal électrique peut être présent ou absent.


Les deux valeurs que peut prendre une variable binaire définissent, en particulier, ses deux états logiques,qui sont exprimés au moyen de symboles « 0 » et « 1 ».Dans le cas d’un signal électrique, concrétisé par une tension, cette variable binaire présente deux étatsphysiques qui sont deux niveaux :- niveau haut (H = High) = « 1 » = +5V ou 12V, 24V…- niveau bas (L = Low) = « 0 » = 0V.

2°) Signal analogiqueUn signal est dit analogique si l’amplitude de la grandeur porteuse de l’information peut prendre une infinitéde valeurs dans un intervalle de temps donné.Dans sa forme analogique un signal peut être:• continu, amplitude constante,• variable, l’amplitude varie en fonction du temps.La grandeur analogique est représentative d’un courant ou d’une tension.

Signal sonore

3°) Signal numériqueOn appelle signal numérique, un signal qui se représente au moyen d’un nombre codé, notamment enbinaire.

Les différents signaux sont principalement issus de capteurs.

3- Les capteursUn capteur permet de transformer une grandeur physique ( luminosité, température, position, pression,vitesse..)en une grandeur électrique (tension courant, résistance,….)Le capteur est le composant qui permet d’informer la partie commande d’un état de la partie opérative ou dumilieu extérieur.On peut caractériser les capteurs selon deux critères:- en fonction de la grandeur mesurée; on parle alors de capteur de position, de température, de vitesse, deforce, de pression, etc.;


- en fonction du caractère de l'information délivrée; on parle alors de capteurs logiques appelés aussicapteurs tout ou rien (TOR) ou détecteur, de capteurs analogiques ou numériques.On peut alors classer les capteurs en deux catégories : les capteurs à contact qui nécessitent un contactdirect avec l'objet à détecter et les capteurs de proximité. Chaque catégorie peut être subdivisée en troiscatégories de capteurs : les capteurs mécaniques, électriques, pneumatiques.

Quelques exemples de capteurs :

Capteurs optiquesUn capteur photoélectrique est un capteur de proximité. Il secompose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. Ladétection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceaulumineux. Principe de fonctionnement :On retrouve ce type de capteur dans la détection de passage( ouvre portail, comptage de personnes…)Ils fonctionnent selon le principe de l’infra rouge :Le nom signifie « en deçà du rouge » (du latin infra : « plus bas »), carl'infrarouge est une onde électromagnétique de fréquence inférieure à celle dela lumière rouge (et donc de longueur d'onde supérieure à celle du rouge quiva de 500 à 780 nm). La longueur d'onde de l'infrarouge est comprise entre780 nm et 1 000 000 nm (ou encore entre 0,78 μm à 1 000 μm). L'infrarouge est associé à la chaleur car, à température ambiante ordinaire, lesobjets émettent spontanément des radiations dans le domaine infrarouge;


Spectre des divers types d'ondes

Capteur de fumée

Le détecteur de fumée optique ou Détecteur Avertisseur Autonome de Fumée (DAAF) : Le détecteurde fumée à cellule photoélectrique (ou optique) est le seul type de détecteur autorisé en France (tous lesDAAF de la norme NF sont des détecteurs optiques). Ils sont les plus récents et les mieux adaptés auxincendies domestiques car ils réagissent aux incendies à progression lente qui peuvent couver pendant denombreuses heures avant de s’enflammer (ex : feux provoqués par une cigarette, …).Système de détection de la fumée par le DAAF :Un faisceau lumineux créé par une led émettrice éclaire une chambre de détection obscure. Cette chambrecontient aussi un récepteur photoélectrique (cellule) qui transforme la lumière en un faible courant électrique.Lorsque les particules de fumée pénètrent à l’intérieur du détecteur de fumée, la lumière est réfléchie sur lasurface des particules de fumée et entre en contact avec la cellule, ce qui déclenche aussitôt l’alarme.

Les capteurs de vitesse et de rotation : les codeurs rotatifsCe type de capteurs permet de délivrer un code (nombre) en fonction de la position mesurée.L’information de vitesse ou de rotation provient d’un système généralement optique comportant une sourcede lumière, un disque strié et un photo-détecteur.Les systèmes optiques ont avantageusement remplacé des systèmes électromécaniques peu fiablescomposés d' interrupteurs sur des pistes cuivrées.Le codeur optique est un dispositif dont la sortie électrique représente sous forme numérique la positionangulaire ou la vitesse de rotation d'un axe.Il existe deux types de codeurs rotatifs :

- le codeur absolu,- le codeur incrémental.

Codeur absoluLe disque strié de l'encodeur est généralement composé de stries sur plusieurs "pistes".


On utilise ce type d'encodeur pour pouvoir, à tout instant savoir exactement dans quelle position se trouve lesupport sur lequel est fixé le disque. Chaque position est caractérisée par une valeur particulière du code.

Avec 3 pistes (donc 3 capteurs), on obtient 8 positionsdifférentes possibles.

Utilisation pour la position d'une girouette :


Codeur absolu

Codeur incrémentalUn codeur incrémental est un "générateur d'impulsions". La fréquence des impulsions dépend de la vitessede rotation. Le comptage des impulsions permet de connaître la position du disque par rapport à uneposition de départ.Pour connaître le sens du déplacement (vers la droite ou vers la gauche), on rajoute un deuxième disquedécalée de 90°.Bien évidemment, toute rupture de liaison entre logique et codeur ou toute perte de mémoire de la logique(suite à une coupure d'alimentation par exemple) fait perdre des informations. La logique est alors dansl'impossibilité de définir la position du mobile ; une "remise à zéro" est nécessaire.

Ce type de codeur se rencontre dans les systèmes nécessitant une régulation de vitesse comme lesmoteurs.

Ce dispositif se rencontre sur des robots dont le déplacement doit être précisément contrôlé :

Capteur de position – Capteur de fin de courseLes capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de course). Ils peuvent être équipésd'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien(TOR) et peut être électrique.


Détection du sens derotation grâce audeuxième disque

Le second disquepermet de connaître lesens de rotation

Capteur de proximitéUn capteur ILS est un capteur de proximité composé d'une lame souple sensible à la présence d'un champmagnétique mobile « aimant ». Lorsque le champ se trouve sous la lame, il ferme le contact du circuitprovoquant la commutation du capteur. Ce capteur permet de détecter des positions (détection de portefermée dans un système d’alarme, dans un anémomètre).

Capteur de température

Les sondes de température sont des capteurs permettant de transformer l'effet du réchauffement ou durefroidissement sur leurs composants en signal électrique.

L'invention du thermomètre est attribuée à Galilée, encore que le thermomètre scellé n'ait pas vu le jouravant 1650. Les thermomètres modernes à mercure (1714) et à alcool furent inventés par le physicienallemand Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) ; celui-ci proposa la première échelle de température.

Depuis, diverses échelles ont été proposées, dont l'échelle centésimale, ou Celsius, conçue parl'astronome suédois Anders Celsius en 1743 : 0 °C correspondant au point de fusion de la glace et 100°Cau point d'ébullition de l'eau sous une pression atmosphérique normale.

0 °C = 32 °F ; 100 °C = 212 °F.

L'unité SI de température est le Kelvin (K). Il mesure la température absolue, c'est-à-dire la températurequi ne dépend pas de certaines propriétés du corps. Elle fut inventée par le mathématicien et physicienbritannique sir William Thomson Kelvin au XIXe siècle. La plus petite température que l'on puissethéoriquement atteindre est le zéro absolu 0 K soit - 273,15 °C (T Celsius = T Kelvin - 273,15). Les écartsde température sont identiques sur les échelles Kelvin et Celsius.

-Les capteurs de température analogiques.

Ils délivrent en sortie une tension proportionnelle à la température mesurée

Ces capteurs de température de précision présentent une caractéristique linéaire.


Le capteur LM35 est calibré en degrés celcius.

Avec une résolution de 10 mV/°C et en mesurant la tension de sortie on peut obtenir un thermomètre (0 °C--> 0 mV/50 °C --> 500 mV)

-Les capteurs de température numériques

Grâce à leur sortie numérique, ces capteurs peuvent être directementconnectés sur une entrée d’un système numérique pour la gestion de latempérature.

Ils permettent une lecture directe du signal, sans passer par unconvertisseur analogique/numérique et sont calibrés par le constructeur.

- Les thermistances

Les thermistances sont des résistances qui varient en fonction de la température. On en rencontre de deuxtypes :

• La CTN, coefficient de température négatif (NTC thermistor) : La résistance diminue lorsque latempérature augmente.

• La CTP, coefficient de température positif (PTC thermistor) : La résistance augmente lorsque latempérature augmente.

- Les thermocouples

Les sondes thermocouples permettent des mesures de températures très élevées (jusqu'à 1000°C pour unesonde de type "K", par exemple). Elles sont constituées de deux matériaux qui, lorsqu'ils sont en contacts etportés à une température donnée, délivrent une tension. Cette tension est faible et doit être amplifiée pourêtre exploitable.


Capteur solaireDeux techniques pour capter l'énergie solaire Les techniques pour capter directement une partie de cette énergie sont disponibles et sont constammentaméliorées. On peut distinguer le solaire passif, le solaire photovoltaïque et le solaire thermique :

• Solaire thermique : Le solaire thermique consiste à utiliser la chaleur du rayonnement solaire. Ilse décline de différentes façons : centrales solaires thermodynamiques, chauffe-eau et chauffagesolaires, rafraîchissement solaire, cuisinières et sécheurs solaires.

* Solaire passif : La plus ancienne utilisation de l'énergie solaire consiste à bénéficier de l'apport direct durayonnement solaire, c'est-à-dire l'énergie solaire passive. Pour qu'un bâtiment bénéficie au mieux desrayons du Soleil, on doit tenir compte de l'énergie solaire lors de la conception architecturale (façadesdoubles, orientation vers le sud, surfaces vitrées, etc).L'isolation thermique joue un rôle important pour optimiser la proportion de l'apport solaire passif dans lechauffage et l'éclairage d'un bâtiment. Dans une maison solaire passive, l'apport solaire passif permet defaire des économies d'énergie importantes. Dans les bâtiments dont la conception est dite bioclimatique,l'énergie solaire passive permet aussi de chauffer tout ou partie d'un bâtiment pour un coût quasi nul.

* Solaire photovoltaïque : L'énergie solaire photovoltaïque désigne l'électricité produite partransformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sontreliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque. Plusieurs modules sont regroupés pour former uneinstallation solaire chez un particulier ou dans une centrale solaire photovoltaïque, qui alimente un réseau dedistribution électrique.

Le terme photovoltaïque peut désigner soit le phénomène physique - l'effet photovoltaïque - ou latechnologie associée.


Capteur de luminosité

Le capteur LDR est une photorésistance, une cellule photo-électrique sensible à la quantité de lumière reçue. Unevariation de lumière (ou d'ombre) provoque une variation de sa résistance.Elle réagit en effet aux ombres projetées directement sur le capteur. Elle est aussi sensible à la luminosité ambianted'une pièce donc elle peut être utilisée en tant que capteur d'ambiance pour suivre l'évolution de l'intensité lumineused'un lieu.

Capteur pyroélectrique Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au moins, qui sont sensibles à la chaleur(rayonnement infrarouge). Le capteur est élaboré de telle sorte qu'il permet la détection de différences dechaleur entre les cellules qu'il comporte. Il est très utilisé dans les systèmes de détection de personne(carillon porte d'entrée, détecteurs IR pour alarmes, allumage automatique de lampes).


4- Les actionneursLes actionneurs exécutent les actions (déplacement, émission de chaleur, de lumière, de son etc.) lorsquel’ordre leur en est donné par la partie commande.

Moto réducteur Ventilateur Afficheur à LED

Afficheur à cristaux liquides (LCD) Voyants Liquid Cristal Display

Buzzer Vérins

Résistances chauffantes

5- Transmission de l’informationLes systèmes de transmission numérique véhiculent de l’information entre une source et un destinataire enutilisant un support physique comme le câble, la fibre optique ou sans support à l’aide des ondes radio oulumineuses.Les signaux transportés peuvent être soit directement d’origine numérique (information issue des capteursabsolus ou incrémentaux par exemple), soit d’origine analogique (parole, image...). La tâche du système de


transmission est d’acheminer le signal de la source vers le destinataire avec le plus de fiabilité possible(codage des informations).

La transmission des informations par un signal « lumineux » s’effectue principalement par une diode infrarouge, ouune diode laser.

* Une diode infrarouge émet un signal non visible sous forme d’impulsions permettant de transmettre une information.On les trouve le plus souvent dans les télécommandes.

* Une diode laser émet de la lumière monochromatique destinée, entre autres, à transporter un signal contenant desinformations (dans le cas d'un système de télécommunications). Le faisceau généré est très lumineux et très étroit,permettant une utilisation dans les lecteurs de CD et DVD.

Autres systèmes de transmission de l’information sans fil : Bluetooth est une technologie de réseau personnel sans fils (noté WPAN pour Wireless Personal AreaNetwork), c'est-à-dire une technologie de réseaux sans fils d'une faible portéepermettant de relier des appareils entre eux sans liaison filaire. Contrairement à latechnologie IrDa (liaison infrarouge), les appareils Bluetooth ne nécessitent pas d'une


ligne de vue directe pour communiquer, ce qui rend plus souple son utilisation et permet notamment unecommunication d'une pièce à une autre, sur de petits espaces. L'objectif de Bluetooth est de permettre de transmettre des données ou de la voix entre des équipements surun rayon de l'ordre d'une dizaine de mètres à un peu moins d'une centaine de mètres et avec une faibleconsommation électrique. Ainsi, la technologie Bluetooth est principalement prévue pour relier entre-eux des périphériques(imprimantes, téléphones portables, appareils domestiques, oreillettes sans fils, souris, clavier, etc.), sansutiliser de liaison filaire. La technologie Bluetooth a été originairement mise au point par Ericsson en 1994 Le nom « Bluetooth » (littéralement « dent bleue ») se rapporte au nom du roi danois Harald II (910-986),surnommé Harald II Blåtand (« à la dent bleue »), à qui on attribue l'unification de la Suède et de la Norvège.

Le Wi-Fi est une technologie qui permet de relier sans fil plusieurs appareils informatiques(ordinateur, routeur, décodeur Internet, etc.) au sein d'un réseau informatique.

Grâce au Wi-Fi, il est possible de créer des réseaux locaux sans fil à haut débit. Dans la pratique, le Wi-Fi permet derelier des ordinateurs portables, des machines de bureau, des objets communicants ou même des périphériques à uneliaison haut débit sur un rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et unecinquantaine de mètres). Dans un environnement ouvert, la portée peut atteindre plusieurs centaines de mètres voiredans des conditions optimales plusieurs dizaines de kilomètres (pour la variante WiMAX ou avec des antennesdirectionnelles).

Transmission des informations par voie filaireLe transfert d'informations numériques peut s’effectuer en passant par les lignes électriques. Dans ce cas onutilise le terme Courants Porteurs en Ligne (CPL). De ce fait, il s'agit d'une alternative aux traditionnelscâbles et à la technique Wi-Fi (Wireless Fidelity)


6- Traitement de l’informationEnsemble de techniques permettant de créer, d'analyser, de transformer les signaux en vue de leurexploitation.

7- Systèmes automatisésL'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse,de la commande et de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques lesmathématiques, la théorie du signal et l'informatique théorique. L'automatique permet l'automatisation detâches par des machines fonctionnant sans intervention humaine. On parle alors de système asservi ourégulé.Un exemple simple est celui du régulateur de vitesse d'une automobile, il permet de maintenir le véhicule àune vitesse constante, vitesse-consigne prédéterminée par le conducteur, indépendamment de la pente dela route.Les systèmes automatisés ont pour élément central un automate.Un automate est un dispositif se comportant de manière automatique, c'est-à-dire sans intervention d'unhumain. Ce comportement peut être figé, le système fera toujours la même chose, ou bien peut s'adapter àson environnement.Les automates se caractérisent par leurs entrées (logiques, analogiques ou numériques), leurs sorties (àrelais ou à transistor TOR), le mode de programmation (GRAFCET, Algorithme..), le langage utilisé (langageà contact, Langage C..) et leurs alimentations.Le choix d’un automate s’effectue en fonction du besoin et de la technologie souhaitée.

Quelques exemples

• Module logique ZELIO


*Brique LEGO

* PICAXE

On trouve dans tous les automates un composant central : un microcontrôleur. Un microcontrôleur seprésente sous la forme d’un circuit intégré réunissant tous les éléments d’une structure à base demicroprocesseur. Voici généralement ce que l’on trouve à l’intérieur d’un tel composant :

1. un microprocesseur (C.P.U.),2. De la mémoire de donnée (RAM et EEPROM),3. De la mémoire programme (ROM, OTPROM, UVPROM ou EEPROM),4. Des interfaces parallèles pour la connexion des entrées / sorties,5. Des interfaces séries (synchrone ou asynchrone) pour le dialogue avecd’autres unités,6. Des timers pour générer ou mesurer des signaux avec une grande précision temporelle

Les microcontrôleurs se caractérisent par un plus haut degré d'intégration, une plus faible consommationélectrique (quelques milliwatts en fonctionnement, quelques nanowatts en veille), une vitesse defonctionnement plus faible (quelques mégahertz à quelques centaines de mégahertz) et un coût réduit parrapport aux microprocesseurs polyvalents utilisés dans les ordinateurs personnels.Les microcontrôleurs sont fréquemment utilisés dans les systèmes embarqués, comme les contrôleurs desmoteurs automobiles, les systèmes de régulation (température vitesse position…), les télécommandes, lesappareils de bureau, l'électroménager, les jouets, la téléphonie mobile etc.

QUELQUES EXEMPLES DE SYSTEMES AUTOMATISES


Toutes les centrales domotiques sont des systèmes automatiques avec unautomate et donc un ou plusieurs microcontrôleurs.



Notions de Génie Thermique

1- Chaleur et température.La chaleur (Q) est une forme d’énergie, on l’exprime en Joule (unité du système international), en calories(1cal = 4,18 Joule) ou encore en kwh (1kwh = 1000.3600 Joule).

La température (t,T ou θ) est une variable de la chaleur, elle s’exprime en °C (degrés Celsius) ou en K(kelvin) :

Remarque : t(°C) = T(K) - 273,15. Le « zéro Kevin » est aussi appelé « zéro absolu ». Une différence de température sera la même qu’elle soit exprimée en K ou en °C.

2- Relations entre chaleur et température.

« On chauffe, donc la température augmente. »

Une variation de chaleurs’accompagne généralement d’unevariation de température.La variation de température dépendde la quantité de chaleur amenée, dumatériau chauffé et de sa masse.

Quelques chiffres :

Il faut 4185 Joule (1000 calories) pour échauffer 1 Kg d’eau d’un degré Celsius.Il faut 880 Joule (210 calories) pour échauffer 1 Kg de béton de 1°C.Il faut 540 Joule (130 calories) pour échauffer 1 Kg de fonte d’un degré Celsius.

Ces valeurs sont les chaleurs massiques des corps ou capacité thermique massiques. On la note C, elles'exprime en J/kg/K.La masse ainsi chauffée constitue une capacité thermique ; c’est un réservoir d’énergie.

On notera qu’à masse égale, le corps qui stocke le plus d’énergie, et qui par conséquent a été le plus difficileà chauffer est l’eau.

• Notion d’inertie thermique.

Lorsque ces corps vont refroidir, on observera l’opération inverse. Plus les corps auront stocké d’énergie,plus ils refroidiront lentement… Un cops « difficile à chauffer » est « difficile à refroidir » il a donc une forte « inertie thermique ».

Dans le bâtiment, un système de chauffage à forte inertie thermique évite les variations de températures etest par conséquent synonyme de confort.Les moyens sont multiples : ballons tampons, planchers chauffants, isolation par l’extérieur…


« On chauffe, mais la température n’augmente pas. »

La notion précédente n’est pas systématique, nous en avons tous fait l’expérience :

• L’eau en ébullition qui ne dépasse pas 100°C même sion continu à la chauffer.

• La glace fondante qui ne dépasse pas 0°C même si oncontinu à la chauffer.

Ainsi une variation de chaleur n’entraine pas nécessairement unevariation de température s’il y a changement dephase (changement d’état).

C’est la chaleur latente (ou enthalpie) de changement d’état.Pour les opérations inverses : les chaleurs latentes sont égales en valeur absolue

Exemple :

La vaporisation est une opération qui exige une fourniture d'énergie au liquide. La condensation est une opération qui correspond à une libération de chaleur par la vapeur qui secondense.

La vaporisation et la condensation constituent des transformations inverses.

Cette propriété est exploitée dans les machines frigorifiques : réfrigérateurs, pompes à chaleur.

3- Transferts thermiquesIl y a transfert de chaleur entre deux points où règnent des températures différentes : le transfert s'effectuetoujours de la température la plus élevée à la température la plus faible. La différence de température est laforce motrice du transfert de chaleur.

On distingue trois types de transfert de chaleur :

La conduction

La conduction est la propagation de la chaleur demolécules à molécules dans un corps ou dans plusieurscorps contigus sans qu'il y ait mouvement de ce milieu.

Les phénomènes de conduction sont assez facilementmodélisables et quantifiables. On fera facilement une analogieavec la loi d’Ohm électrique (voir paragraphe 4).

La convection

La convection est la propagation de la chaleur dans un fluide enmouvement. La transmission de chaleur s'effectue par l'actioncombinée de la conduction au sein du fluide et du mouvement dufluide. La conduction intervient donc dans la convection mais lemouvement du fluide entraîne des lois différentes d'un phénomène deconduction sans déplacement de matière.


On parlera de convection forcée quand le mouvement du fluide s'effectue grâce à des forces externes(pompe, ventilateur, agitateur) et de convection naturelle quand le mouvements'effectue sous l'influence de différences de densités dues à des différences detempératures au sein du fluide.

Les phénomènes de convection sont difficiles à quantifier avec précision. Laplupart du temps, c’est l’expérience qui est de rigueur. Dans le bâtiment, onrapprochera souvent la convection à de la conduction.

Le rayonnement

Le rayonnement est l'émission par un corpsd'ondes électromagnétiques qui sont lesvecteurs de ce transfert de chaleur. Lesondes sont émises dans toutes lesdirections et appartiennent au domaine del'infrarouge et du visible. Aucun supportmatériel n'est nécessaire pour leurpropagation.

Lorsqu'un rayonnement incident atteint uncorps, il se sépare en trois parties.

Une partie du rayonnement (r) est réfléchie à une longueur d’onde différente durayon incident.Une partie est transmise (t) si le corps est partiellement transparent Le reste de l'énergie du rayonnement incident est absorbé par le corps (α) sousforme de chaleur.

Le problème du rayonnement thermique est de considérer pour chaque corps l'aspect émetteur et l'aspectrécepteur (un corps reçoit un rayonnement émis ou réfléchi par un autre corps). La modélisation est doncparticulièrement complexe.

• Particularités :Le chauffage par rayonnant permet dechauffer les éléments solides d’une piècesans chauffer l’air ambiant.Ce mode de chauffage est particulièrementadapté aux locaux à usage occasionnel(salles des fêtes).

Ce mode de chauffage donne également un meilleur niveau deconfort car l’air de la pièce n’est pas surchauffé.


4- Flux de chaleur et résistance thermique :

Dans la pratique les trois modes de transfert coexistent mais l'un d'entre eux est généralement prépondérantce qui conduit à des hypothèses simplificatrices.

Dans le bâtiment on traite les transferts thermiques comme un problème de conduction.

• flux de chaleur.

On définit le flux de chaleur ou la puissance thermique Φ (en Watts) comme laquantité de chaleur Q (en Joule) traversant une surface S (m²) pendant le temps Δt (s).

Il est possible d'exprimer le flux de chaleur à l'aide de la notion derésistance thermique. Si on considère deux surfaces S1 et S2respectivement à des températures T1 et T2 (T1 > T2), on a larelation suivante :

Les températures sont exprimées en Kelvin ou en degrés Celsius. R est la résistance thermique autransfert entre les deux surfaces : elle s'exprime en °C/W et caractérise la difficulté pour réaliser un transfertde chaleur.

Remarque : on peut faire une analogie avec l’électricité ;

A travers une paroi d’épaisseur e et de surface S, la résistance thermique s’exprime :

SeR.λ

= en °C/W

Il en ressort que le transfert thermique entre deux parois d'un mur à des températures fixées est favorisé parun matériau bon conducteur (λ élevé) et une faible épaisseur. On note que le flux de chaleur est proportionnel à la surface du mur et à l’écart de température.

)2T1T(eS.

−λ

=Φ


R2T1T −

=Φ

RUI =

R2T1T −

=Φ

e

e

La conductivité thermique d'un milieu (λ) est une caractéristique propre àchaque matériau. Elle indique la quantité de chaleur qui se propage :

• en 1 seconde,• à travers 1 m² d'un matériau, • épais d'un 1 mètre,• lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1°C.

Exemples de conductivité λ en W/m/°C

solides bons conducteurs : solides mauvais conducteurs etisolants : Fluides

Argent : 408 Cuivre : 386 aluminium : 229 acier ordinaire : 42

verre : 0,75 polystyrène : 0,65 PVC : 0,16 laine de verre : 0,04

air : 0,022 eau : 0,58 éthanol : 0,18 huiles : 0,14

Décodons quelques informations qui nous entourent

• J’ai acheté un rouleau de laine de verre qui porte l’indication Th 35.Qu’est ce que cela signifie ?

C’est en fait la conductivité thermique la laine de verre exprimée en mW/m/°C.C’est une laine de verre haute performance. (λ = 0,035 W/m/°C)

par les professionnels est le quotient λe , elle s’exprime en m².°C/W . Il suffit de le diviser par la surface

considérée pour revenir à la résistance thermique du §4

R = 5 m².°C/W est obtenu avec 200mm de laine de verre TH40.R = 3,15 m².°C/W est obtenu avec 100mm de laine de verre très haute performance TH32.

• En voulant me documenter sur la réglementation thermique, j’ai rencontré un « coefficient detransfert thermique » noté U (anciennement K) exprimé en W/m²/°C. A quoi cela correspond ?

C’est en fait l’inverse de la résistance thermique définie ci-dessous.


eU λ

=

5- Confort, économie, environnement : la réglementation thermiquedans le bâtiment.

Les règlementations thermiques dans le bâtiment ont pour but de diminuer les émissions de gaz à effet deserre dû au secteur du bâtiment.La réglementation en vigueur est la RT2005, elle sera remplacée par la RT2012.

La réglementation thermique n’impose passeulement des règles d’isolation des bâtiments :

• La RT2005 Impose une consommation d’énergieprimaire du bâtiment CEP (en kwhprimaire/m²/an) àne pas dépasser ; 80 à 130 kwhprimaire/m²/ansuivant les zones climatiques.Cette consommation prend en compte lechauffage, la climatisation, l’eau chaude sanitaire, l’éclairage et la ventilation. Ces postes deconsommation peuvent se compenser entre eux.

La réduction de la consommation d’énergie primaire Cep peut être obtenue par des efforts sur leséléments suivants :

• La performance de l’enveloppe

En plus d’une bonne isolation, (R éleve, U faible), on devra veiller à assurer une bonne étanchéité à l’air.

• Les conceptions bioclimatiques

La conception du bâtiment et la relation a l’environnement viseront à favoriser un comportement passif. Onfavorisera :

La compacité.

• L’orientation et les apports gratuits.


L’orientation du bâtiment est un compromis entre réduction desconsommations en hiver et respect du confort d’été. L’objectif étant également de limiter le recours à la climatisation.

Pour cela, on pourra intervenir sur : L’inertie thermique Le confort d’été : protection solaire et ventilation naturelle.

• Les énergies renouvelables

L’utilisation d’énergies renouvelables est encouragée car elle faitdirectement diminuer le poste sur lequel elle intervient. Laproduction d’énergie photovoltaïque intégrée au bâtiment peut êtresoustraite du Cep.

• Le rendement et la modulation

Chauffage : utilisation de chaudières à haut rendement, programmateursd’ambiance, réseaux de distribution de chaleur basse température.L’eau chaude sanitaire : Utilisation de solaire thermique et renforcementde l’Isolation du ballon.L’éclairage : utilisation de lampes basse consommation, Régulation de lapuissance d’éclairement, privilégier l’éclairage naturel.La ventilation : modulation des débits d’extraction, récupération dechaleur (VMC double flux), renforcement de l’étanchéité du réseauaéraulique.

Conséquence de la réglementation thermique :

Dans ces conditions, La domotique prend une toute autre dimension ; la règlementation thermiquecontrait à rendre la maison intelligente pour qu’elle soit économe en énergie.


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