23
1 INSTRUMENTATION et CHAINE de MESURE Objectifs : Apporter les connaissances de base sur les techniques d’instrumentation, soit : Savoir choisir les éléments d'une chaîne de mesure en fonction d'un cahier des charges. Savoir étalonner un système de mesure. Savoir évaluer la qualité des mesures réalisées. Evaluation : Examen de 2h (question de cours + mise en oeuvre/analyse d’une chaîne de mesures + question Labview) + compte rendu de TP. V. Boitier septembre 2017 - EMEAT1F1 Instrumentation et chaîne de mesure 2 Plan / Bibliographie PLAN : 1/ INTRODUCTION. Intérêt d’une bonne mesure. 2/ STRUCTURE d’une chaîne de mesure. 3/ CAHIER DES CHARGES 4/ CAPTEURS définitions / classification (passif, actif, intelligent) 5/ CONDITIONNEMENT du signal : au plus près du capteur / amplification (ampli de base, ampli d’instrumentation, amplid’isolation) 6/ NUMERISATION du signal FAR / MUX / E-B / CAN 7/ TRANSMISSION du signal : Support / Protocoles --- Ce que l’on fera en TD/TP --------- ----------- TD1 : Chaîne de mesure (pyranomètre) + Incertitudes de mesures. TD2 : Chaîne de mesure (photodiode), aspects temporels et fréquentiels TD3 : Chaîne de mesure (ECG), pb de mode commun TD4 : Chaîne de mesure (Pressure Belt )+ Bruit -------------- -------------- ---------------- -------- TPs : Initiation Labview + utilisation carte acquisition -Ce que l’on fera pas en TD/TP ----- Filtrage, traitement du signal. Rappels sur 1 er et 2 ème ordre => Mais à connaitre impérativement

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1

INSTRUMENTATION et CHAINE de MESURE

Objectifs : Apporter les connaissances de base sur les techniques d’instrumentation, soit :

Savoir choisir les éléments d'une chaîne de mesure en fonction d'un cahier des charges.Savoir étalonner un système de mesure.Savoir évaluer la qualité des mesures réalisées.

Evaluation : Examen de 2h (question de cours + mise en oeuvre/analyse d’une chaîne de mesures + question Labview) + compte rendu de TP.

V. Boitier septembre 2017 - EMEAT1F1 Instrumentation et chaîne de mesure

2

Plan / BibliographiePLAN :

1/ INTRODUCTION. Intérêt d’une bonne mesure.2/ STRUCTURE d’une chaîne de mesure.3/ CAHIER DES CHARGES4/ CAPTEURS définitions / classification (passif, actif, intelligent) 5/ CONDITIONNEMENT du signal : au plus près du capteur / amplification (ampli de base, ampli d’instrumentation, amplid’isolation)6/ NUMERISATION du signal FAR / MUX / E-B / CAN7/ TRANSMISSION du signal : Support / Protocoles

--- Ce que l’on fera en TD/TP --------- -----------TD1 : Chaîne de mesure (pyranomètre)

+ Incertitudes de mesures.TD2 : Chaîne de mesure (photodiode),

aspects temporels et fréquentielsTD3 : Chaîne de mesure (ECG), pb de mode communTD4 : Chaîne de mesure (Pressure Belt )+ Bruit-------------- -------------- ---------------- --------TPs : Initiation Labview + utilisation carte acquisition

-Ce que l’on fera pas en TD/TP -----Filtrage, traitement du signal.Rappels sur 1er et 2ème ordre

=> Mais à connaitre impérativement

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3

Question:Visite bibliothèque?

http://pagesperso-orange.fr/michel.hubin/http://www.si.ens-cachan.fr/http://gdumenil.free.fr/gfichier/mai/cours/Capteurs.pdfhttp://www.univ-brest.fr/lpo/instrumentation/index.htmlhttp://www.esiee.fr/~francaio/enseignement/version_pdf/II_capteurs.pdfhttp://www.phytem.ens-cachan.fr/http://www.librecours.org/documents/44/4496.pdfhttp:// www.esiee.fr/~francaio/enseignement/version_pdf/III_amplidiff.pdf

++ Acquisition de données du capteur à l’ordinateur, G. Asch et collaborateurs, Ed Dunod, 2003

++ Traitement des signaux et acquisitions de données, F. Cottet, Ed Dunod, 2002

+Les capteurs en instrumentation industrielle,G. Asch et collaborateurs, Ed Dunod,

Les capteurs 50 exercices et problèmes corrigés, P. Dassonvalle, Ed Dunod, 2005

Bibliographie:

3

Revues :

Mesureswww.mesures.com

Electroniques www.electroniques.biz

Biblio Webutilisée pour préparer

ce cours:

4

1/ Introduction : intérêt d’une bonne mesure!

Exemple 1 : usine à yaourt.Capacité : 120000 yaourt/heure.12 buses, 360 ms/ yaourt.Lavage des cuves : vapeur d’eau à 140°C.

Le poids des yaourts est fonction de la pression et de la température.

marge bénef. : 2%, lait : 50% du prix du yaourt.1% de yaourt en + => 25% de bénef en -

Ref

: si

te w

eb M

iche

l Hub

in

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5

Exemple 2 : robot laveur de vitre.

Exemple 3 : fatigue de la structure d’un avion.

Orion P3 - tanker50 kHz -800 kHz frequency coverageTransducers Inputs12/24/36/48 acoustic channels each:– 4.5 decade-amplitude log compression– 10 bit A/D conversion– 90dB dynamic range16 non-acoustic channels each:– Bipolar analogue inputs– ±10Volts :16 bit A/D

Ref

: ww

w.u

ltra-

elec

tron

ics.

com

1/ Introduction : intérêt d’une bonne mesure!

6

Instrumentation A380, 300 km de câbles.

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Exemple : aspect statique mesure de la masse d’une ruche.

2/ Structure d’une chaîne d’instrumentation.

Process

mesurande (masse)

Exploitation

Stockage, Traitement, Commande,Affichage

MesureMesure

ConditionnementConditionnement

TransmissionTransmissionNumérisationNumérisation

TraitementTraitement

8

Erreur combiné :0,02%

charge nominal :200 kg

rate output: 2mV/V 10%

www.intertechnology.com

2 fils d’alimentation (Input)2 fils pour la tension de sortie (Output)2 fils de compensation (Sense)

Jauge de contrainte avec son corps d’épreuve.

Ex: mesure de la masse d’une ruche.

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9

Ampli d’instrumentation : INA 114

5

2

247

Ex: mesure de la masse d’une ruche.

-5V

10

Ampli d’instrumentation : INA 114

Jauge de contrainte avec son corps d’épreuve.

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Traitement, affichage et communication avec le PC via un µP PIC (programmable in situ) + liaison RS232

Utilisation de Labview pour récupérer et afficher les mesures

Ex: mesures de températures et de la masse d’une ruche.

12

Ex: aspects dynamique - Relevé de la caractéristique d’une pastille piézoélectrique.

4s19 cycles en 600 ms

Fech? Combien de points?

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3/ Système d’acquisition de données:cahier des charges

1. Commanditaire (contraintes réglementaires)2. Destinataire/utilisateur3. Cahier des charges• quelles grandeurs doivent être mesurées?• quelle sensibilité et quel degré de précision?• quelle cadence de mesure? • quelles normes ? • quelles conditions d'environnement? • quelle fiabilité? • quels types de capteurs? • quels sont les bruits, quel TRMC?• quelle architecture matérielle?• quelle répartition envisager entre matériel et logiciel?

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Mesures de températures, affichage en degrés.

Problème de quantification? NON, mauvais traitement de la donnée avant transmission.

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15

68,3% 95%98% pour un intervallede 3

wikipedia.org

Intervalle de confiance pour une distribution gaussienne

l'écart type mesure la dispersion d'une série de valeurs autour de sa valeur moyenne.

=

4/ Capteurs. a/rappels de statistique

• Distribution de l’erreur (variable aléatoire)

16

4/ Capteurs. b/définitions

mesurande mmesure Métendue de mesure [Mmin;Mmax] FS= Mmax - Mminincertitude ∆M

M- ∆M <m< M+ ∆M avec probabilité associéeerreur ε=m-Merreur relative εr=(m-M)/M erreur en % de la PE εr=(m-M)/FS courbe d’étalonnage étalon de mesuresensibilité V sortie du capteur S=∆V/∆M linéarité

Cf doc annexe.

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4/ Capteurs. b/définitions (suite)

Paramètres importants : justesse fidélitéprécis exactrapiditérésolution« emballage »

Xe j

f

Erreur de justesse

Erreur de fidélité

• Différents types d’erreurerreurs systématiqueserreurs conditionnelles erreurs aléatoires

• Présentation d’un résultat• Exemple multimètre

c/ différents types d’erreurs

d/ présentation d’un résultat

18

4/ Capteurs. e/calcul d’incertitudes

Doc

SCA

IME

Capteur de pression SCAIME 59 série 5

f/exemples de capteurs

Cf feuille annexes

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4/ Capteurs. f/exemple

Doc National Semi-conductor

Capteur de température

LM35

20

4/ Capteurs. f/exemple

Influence de la constante de temps du capteur : serre régulée en température.

4/ Capteurs. g/classifications

Sorties analogiques, numériques (série, parallèles).Sorties en courant, tension, charge, fréquence, …

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4/ Capteurs. g/classifications / capteur passif

Variation du mesurande variation de résistivité (), permittivité électrique () ou perméabilité magnétique ().Mesure indirecte du mesurande.

Ex1 : ∆T sur métal ou semi-conducteur ∆ or R= L/S ∆R ∆VSonde PT100 dans montage potentiométrique.

Ex2 : %RH sur diélectrique ∆ ∆C ∆fCapteur humidité relative dans montage astable.

wik

iped

ia

Capteur humirel

HS1 101LF

Conr

ad

22

4/ Capteurs. g/classifications / capteur passif

+VCC

wik

iped

ia

R1

R2

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La sortie du capteur est équivalente à un générateur. C’est un dipôle actif qui peut être du type courant, tension ou charge.

Ex1 : f.e.m. E induite (loi de Faraday) : dynamo tachymétrique

Ex2 : ∆T f.e.m. induite par effet Thermoélectrique (effet Seebeck) : thermocouple.

Ex3 : mesurande B tension induite par effet Hall : sonde de courant à effet Hall.

4/ Capteurs. g/classifications / capteur actif

ES

IEE

O.F

ranç

ais,

24

Ex3 : mesurande B tension induite par effet Hall : sonde de courant à effet Hall.

4/ Capteurs. g/classifications / capteur actif

Lem

.com

Capteur LEM

UH= KH . I . B . sin θ

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Ex4 : F (traction, compression, cisaillement) variation de charge par effet piezoélectrique : dynamomètre, accéléromètre.

Ex5 : lumière tension et courant par effet photovoltaïque : luxmètre.

4/ Capteurs. g/classifications / capteur actif

26

4/ Capteurs. g/classifications / capteur intelligent

Mic

hel H

ubin

Ex: capteur de température

DS1621

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5/ Conditionnement du signal

Objectif de cette partie :Le conditionneur est en interaction directe avec le capteur(et souvent aussi avec son environnement). Il convertit la sortie du capteur en une tension (le plus souvent) ou une fréquence.

Il peut (et doit …) assurer les fonctions suivantes : - protection de l’ensemble de la mesure par rapport aux

grandeurs influentes (compensation des grandeurs influentes).- linéarisation éventuelle de la sortie du capteur.

Au plus près du capteur : le conditionneur.

28

5/ Conditionnement du signal (capteur actif)

Montage en source de tension.

eC

Il faut Zi>> Zc pour retrouver vm = e C

Exemples de montages avec une forte impédance d’entrée.

ES

IEE

O.F

ranç

ais,

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5/ Conditionnement du signal (capteur actif)

Montage en source de courant.

Il faut Zi << Zc pour que im iC

Exemple de montage avec une très faible impédance d’entrée.V+ - V- = 0 iZC = 0

iC

ESIEEO.Français,

30

5/ Conditionnement du signal (capteur actif)

Montage en source de charge.

Montage type.

En pratique la résistance en // sur Cr fait que l’on obtient un passe haut.

Il faut choisir un AOP avec une forte impédance d’entrée et des courants de polarisation les plus petits possibles.

On utilise un convertisseur charge-tension qui réalise la mise en court-circuit des électrodes du capteur. toute la charge se retrouve aux bornes de Cr.

Utilisation : pour les capteurs piezo électrique par exemple.

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5/ Conditionnement du signal (capteur passif)

Montage potentiométrique.Si on néglige les effets de R et Rdi.e. R 0 Ω et Rd ∞Ω, on reconnait un diviseur de tension

Vm = Rc / (R1+Rc) x e

Effet de la polarisation :

R

e

Rc

∆Vm = Rc / (R1+Rc) x ∆ e

Maximisée pour R1=Rc et on a alors : ∆Vm = e /(4xRc) x ∆Rc Sensibilité :

Effet des grandeurs d’influence:

Pour un montage potentiométrique, avec : on annule l’effet de g (grandeur influente)lorsque R1=Rc

g

g

g

R

g

R 1C

32

5/ Conditionnement du signal (capteur passif)

Montage en pont.

e

De façon générale : Vm = (R3RC - R1R4) / [(R1+RC)( R3+R4)] x esi R1=RCO=R3=R4 = R et si RC =RCO+∆R :

Effet de la polarisation :

à comparer (cf diapo précédente)avec :∆Vm = Rc / (R1+Rc) x ∆ e = ∆ e /2

Si R1=R3=R4=RCO = R

∆Vm ∆R/ (4.R) . ∆ e

Sensibilité aux grandeurs d’influence: On démontre qu’elle est minimisée quand les 4 résistances ont la même valeur.

Vm = ∆R / (2.(2R+ ∆ R)) xe soit :

Vm ∆R / (4.R) . e

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Objectifs de cette partie :Avant de numériser le signal, un étage d’amplification/filtrage est très souvent présent pour : - Adapter les niveaux (utilisation de toute la dynamique du CAN)- Augmenter les niveaux avant transmission (minimisation du bruit )- Ne garder que la partie « utile » du signal (ex : filtre passe-bande).- Réaliser une adaptation d’impédance entre les étages.- Réaliser un filtre anti-repliement avant le convertisseur A/N.- Isoler la partie mesure de la partie puissance.

5/ Conditionnement du signalAmplification / Filtrage du signal analogique

Amplification/Filtrage Adaptation d’impédance Isolation galvanique

pour cela … utilisation d’AOP

34

5/ Conditionnement du signal

Fem de masse dûe à impédance du fil de masse + courant dans le fil de masse : tension de masse, elle sera amplifiée comme le signal capteur => solution : ampli diff!.

Un ampli différentiel, pourquoi?

L’amplificateur devra amplifier la tension différentielle et rejeter la tension de mode commun.

Parasites lors de la transmission

Si les deux câbles sont très voisins, les tensions de bruit seront proches et vont apparaître comme une tension de mode commun => réjection.

Une solution intégrée ,l’ampli d’instrumentation : très bon CMMR, grande impédance d’entrée, faible impédance de sortiegain différentiel Ad réglable facilement …

Influence du courant de masse

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5/ Conditionnement du signal

Paramètres :

Application :

VV2

1VVVVd CM

)Amc

Adlog(20CMRRdB

Ampli d’instrumentation,Ex : INA 114

36

5/ Conditionnement du signal

Ampli d’isolement

Dans le cas de très fortes tensions de mode commun (>2kV) ou de tensions de mesure très faibles (<μV), on est amené à utiliser des amplicateurs d’isolement qui présentent des TRMC supérieurs à 160dB.

)A

Adlog(20IMRR

ISOdB

DISOCM

S A.IMRR

V

CMRR

VVdV

D. Be

rque

t

Isolation galvanique obtenue : modulation/démodulation + couplage

capacitif, magnétique ou optique.

VISO de 1000 à 3000 V

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6/ Numérisation du signal

Stucture de base : Filtre anti-repliement (FAR)Multiplexeur Echantillonneur-bloqueur Convertisseur Analogique Numérique (CAN).

Différentes stuctures de conversion.

TTL

Ed :

Mas

son

38

6/ Numérisation du signal

Repliement du spectre. s(t) signal continu,signal discret : s(0), s(Te), s(2.Te), … signal échantillonné :

k

)Te

kf(S

Te

1)f('S

n

* )Te.nt().Te.n(s)t(s

échantillonnage atténuation et périodisation du spectre. La transformée de Fourier d’un signal échantillonnée est égale à :

Soit FMAX la fréquence max du signal et FE la fréquence d’échantillonnage, il faut:

MAXE F.2F

0 F (Hz)Fe

S(f)

S’(f)

S’(f)Spectre modifié en bande de base (entre 0 et Fe/2).

Spectre conservé.

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39

6/ Numérisation du signal FAR.

Objectifs : 1/ laisser passer le signal utile. 2/couper les fréquences de bruits hors de la bande utile (sup à Fe/2) pour éviter de les rammener dans la bande da base du signal après échantillonnage.

0 F (Hz)Fe

S(f)

S’(f)

BruitsFmax

S’(f)

FAR

Ce filtre analogique ne doit pas atténuer la bande utile. Il doit couper au-delà pour que l’atténuation soit suffisante pour F>Fe/2. Il y a un compromis : Fe / ordre du filtre et réalisation /ordre du filtre.

Sallen-key 2èmeordre.

Gabarit de filtrage.

40

6/ Numérisation du signal Echantillonneur-bloqueur

Objectifs : 1/ prélever sur son entrée à un instant choisi la tension.2/ mémoriser cette valeur de tension.3/ délivrer en sortie une tension égale à celle mémorisée.

Utilisations : Plusieurs tensions à convertir avec un seul CAN. Tensions dont la variation est rapide relativement à la durée d’acquisition du CAN.Utile si le signal varie de plus de 1 quantum q durant le temps d’acquisition Tc, ainsi pour un signal la variation maximale du signal vaut :

Une conversion sur n bits correspond à une résolution de :

Ex : pour du 12 bits, 1 µs, f=77Hz

O. Es

iee Structure en boucle ouverte.

Caractéristiques.

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6/ Numérisation du signal Convertisseur A/N.

12

Vq

n

Caractéristiques.

Fréquence/résolution pour les différents types de CAN.

Convertisseur idéal et erreur de quantification

Technologies : à rampe et comptageà approximations successives parallèles haute résolution, basse vit : sigma delta

42

7/ Transmission du signal Câblage.

Paire torsadée

wik

iped

ia

câble USB

Canaux hertziens

Infra rouge

Fibre optiqueCoaxial

Câble GPIB

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7/ Transmission du signal

Liaison analogique en courant : 4-20mA2 fils, pas d’afaiblissement, débit max : ???, détection de coupureexemple de Ci de mise en forme (XTR105) et de réception (RCV420)vc

Liaison analogique en tension2 fils mini (+alim souvent), affaiblissement avec la distance, sensibilité au bruit

Io = 4mA + Vin*(40/Rg)

44

7/ Transmission du signal Transmission série : 2 fils + masse (transmission série type RS 232, pas connectable à chaud, (Rx, Tx masse)), I2C (SDA, SCL et masse), CAN (1Mb/s, sur paire différentielle), USB universal serial bus (paire différentielle +5V+masse, Hot Plug & Play , 127 périphériques , USB 2.0 définit 3 vitesses de communication : 1,5 Mbps (Low Speed), 12 Mbps (Full Speed), 480 Mbps (High Speed)), Lmax<3 m ou 5 m si blindé.

Liaison filaire numérique

Placko

Vitesse/distance pour les différents bus de communications.Transmission parallèle : IEEE488

ou GPIB (Câble de 2m, 20m max en tout et 14 instruments, mode parallèle 8bits, 1 Mo/s), bus VXI , PXIdans tout les cas : distance courtes(best avec coaxial)

Liaisons séries : simple/différentielle.

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7/ Transmission du signal

Liaison par fibre optique(exemple pic du midi), immunité aux parasites électro-magnétiques débit max plusieurs centaines de terabits /s

Liaison radio

Bluetooth et Wi-fi (2,4 Ghz, λ = C/f = 12,5 cm, débit allant jusqu'à 11Mbps )Bluetooth (portée de 10 à 100 m, 10m en France)

IrDA : entre 115,2 Kbps et 4 Mbps. La technologie reste tout de même limitée physiquement, et ne fonctionnera à pleine puissance qu'à un mètre d'écart maximum, en respectant un cône d'alignement d'un angle de 30° environ.

Liaison infra rouge