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Cours capteurs et chaine

de mesure

3ième Année LMD Automatique

2014/2015

Université de Souk-Ahras Département Génie électrique

Filière: Automatique

Chapitre 2

Conditionnement des

capteurs

1 Introduction Le conditionnement de la mesure consiste à rendre

exploitable la mesure issue du capteur et à effectuer une adaptation de la source du signal à la chaîne de mesure complète.

C’est un dispositif qui assure la conversion de la grandeur électrique de sortie du capteur en une grandeur électrique exploitable par l'organe de Traitement.

Le conditionneur est un montage électronique associé au capteur

Chapitre2: Conditionnement des capteurs

Conditionneur


Emplacement dans La chaîne de Mesure

2 Conditionneurs de capteurs passifs

• Ce type de capteurs donne une image du

mesurande par l’intermédiaire d’une

impédance. On associe donc toujours une

source externe de tension ou de courant aux

capteurs.


2.1 Conditionneurs de capteurs résistifs

A. Montage potentiométrique: On utilise un simple pont diviseur alimenté par une source de tension continue Es. L’impédance interne de la source (𝑅𝑠) et l’impédance de l’appareil de mesure (𝑅𝑑) doivent être prises en compte. Le capteur est modélisé par la résistance 𝑅𝑐. La variation de la résistance 𝑅𝑐 est proportionnelle au mesurande. En supposant (𝑅𝑠) faible et 𝑅𝑑 très grande par rapport à 𝑅1 + 𝑅𝑐 , on obtient :

𝑉𝑠 =𝑅𝑐

𝑅1 + 𝑅𝑐𝐸𝑠


• Rappel sur Lois de Kirchhoff

– Loi des noeuds

La somme des courants entrant au nœud d’un réseau

est égale à la somme des courants sortant de ce nœud.


– Loi des mailles

La somme algébrique des tensions aux bornes des différentes branches d'une maille est égale à zéro.



• Lois générales des dipôles passifs

Il existe deux choix pour l’orientation

du courant i et de la différence

de potentiel v

• lois générales des 3 types de dipôles passifs élémentaires : résistance, bobine et condensateur :

• La relation qui lie la tension de sortie (𝑉𝑠) au paramètre image du mesurande (𝑅𝑐) n’est pas linéaire. La sensibilité du montage n’est donc pas constante. On peut néanmoins faire une étude en petites variations du mesurande . Ainsi si l’on se place aux petites variations,

• 𝑅𝑐 = 𝑅𝑐0 + ∆𝑅𝑐, 𝑉𝑠 = 𝑉𝑠0 + ∆𝑉𝑠, et ∆𝑅𝑐<< 𝑅𝑐0 + 𝑅1, Alors on obtient :

∆𝑉𝑠=𝑅1𝐸𝑠

𝑅1 + 𝑅𝑐02∆𝑅𝑐

• C’est une relation linéaire d’où on peut directement extraire la sensibilité du capteur ∆𝑉𝑠/∆𝑅𝑐.


B. Montage en pont: L’utilisation d’un montage potentiométrique présente le défaut d’avoir en sortie la présence d’une tension continu, et ceci en l’absence de variations du mesurande. L’emploi d’un montage en pont présente l’avantage de s’affranchir de cette tension continue.

La tension de sortie du pont est donnée par:

𝑉𝑠 =𝑅2𝑅3 − 𝑅1𝑅4

𝑅1 + 𝑅2 𝑅3 + 𝑅4𝐸𝑠


• Suivant le nombre de capteurs utilisés dans le pont, on distingue plusieurs cas :

- Cas 1 (montage en quart de pont) :

on utilise une seule résistance variable (un seul capteur) avec le choix:

• 𝑅1 = 𝑅𝑐0 + ∆𝑅𝑐, 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅𝑐0

𝑉𝑠 = −𝐸𝑠4

∆𝑅𝑐 𝑅𝑐0

1 + ∆𝑅𝑐 2𝑅𝑐0


- Cas 2 (montage en demi pont) :

on utilise deux résistances variables (deux capteurs) avec le choix:

• 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅𝑐 + = 𝑅𝑐0 + ∆𝑅𝑐,𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅𝑐0

𝑉𝑠 = −𝐸𝑠2

∆𝑅𝑐𝑅𝑐0

Cas 3 (montage en pont complet): on utilise quatre résistances variables (quatre capteurs) avec le choix : • 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅𝑐 + = 𝑅𝑐0 + ∆𝑅𝑐,

𝑉𝑠 = −𝐸𝑠∆𝑅𝑐

𝑅𝑐0


2-2 Conditionneurs de capteurs Impédances

A. Montage potentiométrique: Le capteur est capacitif (capteur de niveau par exemple) ou inductif (capteur de position). On utilise alors une source d’alimentation sinusoïdale associée à un pont diviseur.

∆Vs= Es

R1∆ZcR1 + Zc0

2

1

1 + ∆Zc R1 + Zc0


B. Pont d’impédances: Le pont transforme une variation d’impédance en un signal électrique. Le principe du pont de résistances reste valable pour les impédances. On utilise généralement deux capteurs fonctionnant en opposition.

La tension de sortie du pont est donnée par:

𝑉𝑠 =𝑍2 − 𝑍1𝑍1 + 𝑍2

𝐸𝑠2


C. Les oscillateurs: La fréquence du signal de sortie de l’oscillateur est fonction du mesurande. L’oscillateur peut être de type sinusoïdal ou de relaxation (signal de sortie rectangulaire). La relation entre la fréquence est l’impédance du capteur est de la forme :


Schéma électrique d’un astable à circuit R-C

Amplificateur opérationnel de base

V0=A(V1-V2)

• A est très grand (minimum de 104 𝑎 105) • Les courants entrants dans l’AOP 0 (Zin ∞) • Une contre réaction va s’assurer que (V1-V2)=ε 0



Présentation d’un Ampli-op

Amplificateurs de tension (inverseur et non-inverseur)


Lecture d’un courant montage à contre réaction


Lecture d’un courant montage shunt


Circuit suiveur


Permet d’isoler l’entrée de la sortie

Circuit comparateur

Permet l’obtention d’une sortie proportionnelle à la différence pondérée de deux entrées.


2.3 Conditionneurs de capteurs actifs • Un capteur actif se comporte comme un générateur

de tension, de courant ou de charge.

2.3.1 Capteur source de tension:

Le conditionneur doit avoir une forte impédance d’entrée pour isoler le capteur du reste de la chaîne de mesure. On pourra utiliser un montage suiveur (inverseur ou non), ou un amplificateur d’instrumentation.


• Montage suiveur

• Montage suiveur et amplificateur


• Amplificateur d’instrumentation

Les amplificateurs d'instrumentation se sont des amplificateurs différentiels de précision. Ils sont caractérisés par une haute impédance d’entrée, des courants de polarisation faibles, un gain réglable par l’utilisateur, une très grande précision, une conversion tension/courant en sortie disponible. La structure de l’amplificateur d’instrumentation peut être élaborée à partir d’un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels.


A. Schéma à deux amplis opérationnels

Les amplis opérationnels sont supposés parfait. On peut facilement calculer l’expression de la tension de sortie:

𝑉𝑠 =𝑅3 + 𝑅4

𝑅3𝑉2 −

𝑅4𝑅3

𝑅1 + 𝑅2𝑅1

𝑉1


Pour simplifié on utilise le montage à résistance suivant:


B. Schéma à trois amplis opérationnels C’est le schéma le plus populaire d’amplificateurs d’instrumentation.

𝑉𝑠 =𝑅1 + 𝑅3 1 + 𝑅𝑐 𝑅𝑎 𝑅4

𝑅2 + 𝑅4 𝑅1+𝑅3𝑅1

𝑅𝑏𝑅𝑎

𝑉2 −𝑅1 + 𝑅3 𝑅𝑐 𝑅𝑎 𝑅4

𝑅2 + 𝑅4 𝑅1+𝑅3𝑅1

1 +𝑅𝑏𝑅𝑎

𝑉1


Pour simplifié on utilise le montage à résistance suivant:


2.3.2 Capteur source de courant

• On fait appel dans ce cas à un convertisseur courant-tension de manière à obtenir une tension proportionnelle au courant de sortie du capteur.


• Convertisseur courant-tension


2.3.3 Capteur source de charge

• C’est le cas d’un cristal piézo-électrique. On fait appel dans ce cas à un convertisseur charge-tension de manière à obtenir une tension proportionnelle à la charge de sortie du capteur.


• Convertisseur charge-tension

on utilise le montage pseudo-intégrateur donné par le schéma suivant.


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