cap teur regulation

Lyce polyvalentLouis COUFFIGNAL11, route de la Fdration67025 STRASBOURG

Capteurs et rgulation BTS ET2005 -2006

1 GnralitsLe domaine des capteurs est vaste. Ils interviennent dans toutes les situations o existe un recueil d'information en vue d'un traitement d'information.Le corps humain avec les 5 sens (la vue, l'oue, le toucher, l'odorat et le got) est le modle implicite toutes les ralisations technologiques. Le cerveau, l'unit de traitement, analyse, rgule, avertit en permanence en fonction des informations recueillies travers les 5 sens. Les recherches actuelles en neurosciences seront certainement une source d'inspiration pour les futurs dveloppement dans les systmes technologiques. Il est possible de considrer un systme technologique comme une expression simplifie de la complexit humaine. Les recherches en Intelligence Artificielle utilisent dj le vocabulaire des neurosciences et tentent d'approcher le fonctionnement du cerveau, pour traiter les multiples informations recueillies par des capteurs sensibles. Les robots dots d'un systme d'auto-apprentissage sont des exemples d'application.Mais revenons au domaine des systmes technologiques tel qu'ils existent dans le domaine industriel et tertiaire.Il est possible de considrer deux grandes classes de systmes technologiques :

Les systmes squentiels, dont l'outil d'tude est le Grafcet. Pour ces systmes les capteurs contrlent le dbut et la fin d'une action dans le systme. Les capteurs remplissent une fonction de dtection.

Les systmes rguls, dont l'outil d'tude sont les Schmas blocs . Pour ces systmes les capteurs contrlent en continu une grandeur physique. Ils interviennent dans une boucle de rgulation ou d'asservissement et remplissent une fonction de mesure.

De ces considrations il se dgage deux grands domaines : La dtection La mesure

La suite de l'tude tiendra compte de cette diffrenciation.

2 Fonction d'un capteurLa fonction principale du capteur est de transformer une grandeur physique analogique (variation continue dans le temps) en une grandeur physique (en gnral lectrique) pouvant tre traite par une unit de traitement.Il est possible de synthtiser ces informations sous la forme d'un actigramme.

capteurregulation.odt / 27 fvr. 2006 / Version 0 1 / 6

Rep

rse

ntat

ion

initi

ale

Synt

hse

Appr

opria

tion

TransformerW R EC

Capteur

Alimentation Modes Rglage seuil de dtection

Grandeur physique

Grandeur lectrique

- Tout Ou Rien- Analogique- Numrique



Nota :La sortie du capteur peut dans quelques rares cas tre de type pneumatique.

3 Problmatique centraleAvant d'entrer dans une tude plus approfondie des capteurs, il est important de poser explicitement la problmatique complexe du recueil d'information sur un systme.Les questions suivantes seront une aide dans la dmarche d'tude :

Quelle information recueillir ? Dans quel but ? O ? Quand ? Comment ?

L'information recueillie sur le systme ne peut s'effectuer que par l'intermdiaire d'une grandeur physique. Il s'agit donc de choisir la grandeur physique pertinente qui rendra compte au plus prs des besoins d'volution du systme.Mais la grandeur physique, une fois dfinie, est mesure par un principe physique qui lui-mme met en oeuvre des grandeurs physiques. Trs rapidement la notion de fidlit est en jeu.

Illustrons ces propos par des exemples. Il s'agit de mesurer la hauteur de liquide dans une cuve (cf. station de pompage tudie en classe de terminale GET). Au lieu d'utiliser un capteur de niveau, dont les principes de mesure sont multiples, il est fait le choix d'utiliser un capteur de pression. Ce choix pose implicitement le passage par la loi physique qui relie la hauteur la pression. La relation est : pression = . g . H. La mesure de la hauteur H ne sera fidle que si la masse volumique est une constante, donc que le liquide dans la cuve est homogne.

Le positionnement d'un capteur de temprature par rapport la source de chaleur est une autre situation dlicate lorsque le procd de fabrication est sensible la variation de temprature (changement d'tat de la matire d'oeuvre, coagulation par exemple).

4 ThorieL'ouvrage de rfrence dans ce domaine est :

Les capteurs en instrumentation industrielle Georges Asch et collaborateurs Edition Dunod 1983 790 pages

Des enseignants ont repris des lments de cet ouvrage pour construire leur propre cours de formation aux capteurs. Ces cours sont disponibles sur le site de la section : http://perso.wanadoo.fr/get-couffignal dans le planning de la Progression avant-projet et sous l'onglet cours / A.I.I

Les tudiants consulteront ces sources documentaires pour approfondir les informations, dont les grandes lignes sont prsentes ci-dessous.


Rep

rse

ntat

ion

initi

ale

Synt

hse

Appr

opria

tion



Structure du capteur industriel

Un capteur en instrumentation industrielle est souvent constitu de plusieurs lments.

Mesurande : grandeur physique objet de la mesure. Corps d'preuve : dispositif qui, soumis au mesurande tudi en assure une premire

traduction en une autre grandeur physique non lectrique, le mesurande secondaire. Transducteur : traduit la grandeur physique (temprature, force, ...) en grandeur lectrique. Conditionneur : adaptation de la grandeur lectrique afin d'avoir une image correcte du

phnomne. Transmetteur : laboration d'un signal conforme aux standards de transmission d'un signal en

milieu industriel (4 - 20 mA, 0 - 10 V, RS485, ...) Signal normalis : directement exploitable par les units de traitement.

Chaque capteur particulier sera compos de un ou plusieurs de ces lments.

Capteur actif capteur passif

Le transducteur actif est gnralement fond dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en une nergie lectrique, caractrise par une tension, un courant ou une charge lectrique. (thermocouple, par exemple, pour la mesure de temprature)

Le transducteur passif est une impdance dont l'un des paramtres dterminants (R, L ou C) est sensible au mesurande. (sonde Pt 100, par exemple; pour la mesure de temprature)

Grandeurs d'influence

Ce sont des grandeurs physiques parasites auxquelles la rponse du capteur peut tre sensible. Leur prsence conditionne le soin apporter lors de la mise en oeuvre du capteur. Il est conseill de respecter les indications du constructeur.

temprature qui modifie les caractristiques lectriques, mcaniques et dimensionnelles des composants du capteur.

pression, acclration, vibration qui peuvent crer des contraintes et des dformations altrant la rponse.

humidit qui dgrade l'isolation lectrique champs magntiques variables ou statiques qui des f.e.m induites. tension d'alimentation lorsque le principe mme du capteur en dpend.

Caractristiques mtrologiques

Les erreurs de mesure erreurs systmatiques


Corps d'preuve Transducteur Conditionneur Transmetteur

Capteur

MesurandeSignal normalis

Rep

rse

ntat

ion

initi

ale

Synt

hse

Appr

opria

tion



erreurs accidentelles : elles sont traites de manire statistique avec les notions de moyennes et d'cart-type.

fidlit : c'est la qualit d'un capteur dont les erreurs accidentelles sont faibles. justesse : c'est la qualit d'un capteur dont les erreurs systmatiques sont rduites. prcision : c'est la qualit d'un capteur qui est fidle et juste, donc le plus proche de la valeur

vraie du mesurande.

Les capteurs de mesure dans les procds industriels ncessitent en gnral un talonnage. L'talonnage comprend l'ensemble des oprations qui permettent d'expliciter sous forme graphique ou algbrique, la relation entre les valeurs du mesurande et celle de la grandeur lectrique de sortie.Cette opration d'talonnage est obligatoire rgulirement. La priode dpend du type de capteur et de sa drive connu dans le temps.

Les limites d'utilisation du capteur : domaine nominal d'emploi : conditions normales d'utilisation sans que soient modifies les

diverses spcifications. domaine de non-dtrioration : les caractristiques mtrologiques sont modifies, mais reste

rversibles. domaine de non-destruction : les caractristiques du capteur sont modifies de faon

irrversible.

La sensibilit S est dfinie, autour d'une valeur mi constante du mesurande, par le rapport de la variation s de la grandeur de sortie la variation m du mesurande qui lui a donn naissance.

S = s / m au point m= mi

Il est important de signaler que la sensibilit du capteur est variable si la caractristique n'est pas une droite.

La sensibilit en rgime dynamique est lie la rponse en frquence du capteur. Cette rponse est souvent caractrise par la notion de bande passante du capteur.

Un capteur est dit linaire dans une plage dtermine du mesurande si sa sensibilit y est indpendante de la valeur du mesurande. Une des fonctions du conditionneur est justement de linariser autant que possible la caractristique du transducteur.

La rapidit est la spcification d'un capteur qui permet d'apprcier de quelle faon la grandeur de sortie suit dans le temps les variations du mesurande. Le temps de rponse caractrise cette rapidit.Ce paramtre renseigne sur le comportement du capteur durant les phases transitoires de variation du mesurande. C'est une caractristique importante lorsqu'il faut des temps de raction rapides.

La documentation constructeur reprend en partie ces caractristiques suivant le type de capteur. La bonne comprhension de chaque caractristique est importante pour l'utilisation correcte des informations fournies par les constructeurs.

5 Dtecteurs Capteur sortie TORCes dtecteurs seront tudis en sance avec le support de l'AXE Z, un systme didactis que tous les tudiants ont vu en classe de terminale GET.


Rep

rse

ntat

ion

initi

ale

Synt

hse

Appr

opria

tion



Il sera utilis des catalogues constructeurs pour dboucher sur un choix de capteur en rponse au cahier des charges identifi partir du fonctionnement du systme.

6 Capteurs process sortie analogiqueCes capteurs se trouvent dans les systmes rguls ou asservis.Les grandes familles sont :

Temprature Niveau Dbit Pression Force Optiques Position Vitesse Acclration

Pour chaque famille les principes physiques sont multiples. L'tudiant consultera l'ouvrage Les capteurs en instrumentation industrielle pour dcouvrir ces principes.Les constructeurs donnent galement quelques informations dans leur documentation.

Pour le domaine des capteurs de process l'tudiant consultera avec intrt les sites ci-dessous : http://www.fr.endress.com/ : spcialiste niveau, pression, dbit, temprature, analyse et

enregistrement. http://www.vega.fr/ : spcialiste niveau et pression.

7 Rgulation d'une grandeur physiqueLa rgulation consiste maintenir une grandeur physique constante, gale la consigne .Le schma bloc gnrique d'un systme rgul est prsent ci-dessous :


Correcteur PID

Chane de puissance

Capteur

+ -Consigne

Mesure

Grandeur rglante YEcart

+-

Perturbations

Grandeur rgule

Rep

rse

ntat

ion

initi

ale

Synt

hse

Appr

opria

tion



8 Rgulateur PIDL'tudiant consultera le cours complet labor par Michel Etique et disponible sur le site de la section : http://perso.wanadoo.fr/get-couffignal dans le planning de la Progression avant-projet et sous l'onglet cours / A.I.I

Les trois lments de correction Proportionnel, Intgral et Driv seront approchs pratiquement avec le support didactique de la station de pompage que les tudiants ont tudis en classe de terminale GET.

9 Rgulateur industrielSynoptique interne d'un rgulateur industriel :

Les caractristiques sont disponibles au format PDF galement sur le site de la section.Ces caractristiques seront tudies la lumire des connaissances acquises dans le domaine de la rgulation.

AnnexesLe prsent document est complt par des documents papiers qui n'existent pas au format numrique.

Schma tuyauterie et instruments (NF E 04 203) Codets servant identifier les fonctions des instruments Plan de tuyauterie et d'instrumentation (exemple) Schma de dpannage propos par la norme NF E 04 203


Rep

rse

ntat

ion

initi

ale

Synt

hse

Appr

opria

tion

cap teur regulation

Documents