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Automatismes
industriels
Les automates
programmables
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p g
SommaireChapitre 1: définition d’automatisme
1_1 :exemple d’application d’api 1_2 :définition automatisme1_3 :bute d’automatisation
1_4 :Historique1_5 :fabriquant des automates
Chapitre 2 :constitution générale de l’API
2_1: Architecture matérielle2_2: fonctionnement2_3:catégorie des API
2_4:les différentes partie d’une automate modulaire Chapitre 3: organisation d’un système automatisé de production
3_1:schéma de principe3_2:les actionneurs
3_2_1:moteur électrique3_2_2:vérin pneumatique3_2_3:autres actionneurs
3_3:les pré actionneurs3_3_1 les contacteurs3_3_2 les relais3_3_3 les distributeurs pneumatique
3_4:les capteurs3_4_1 capteurs TOR3_4_2 capteurs analogique3_4_3 transmeteurs
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Applications des automatesprogrammables.
• Commande des machines•Machines outil a commande numérique•Convoyage•Emballage• Machines de chantier, engin de levage
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• Automatisme du bâtiment
• Chauffage, climatisation
• Distribution électrique
•
éclairage• Sécurité, alarmes
• Régulation de Processus Chimie
• pétrochimie
• pharmaceutique• Traitement des eaux
• Thermique, fours, métallurgie
Applications des automatesprogrammables.
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• Contrôle de systèmes
• Production et distribution d’énergie(électricité ,pétrole, gaz) Transports
(chemin de fer, routier, marine).
Applications des automatesprogrammables.
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INTRODUCTION A L’AUTOMATISME
Définitions:
• Automatique : C’est l’ensemble des sciences et des
techniques utilisées dans la conception et la réalisation dessystèmes automatisés (SA).
• Automatisation : C’est l’exécution automatique de tâches
sans interventions humaines.
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DéfinitionUn Automate Programmable Industriel
API : Automate programmable industriel
ou, en anglais
PLC : Programmable Logic Controller
Est un appareil électronique de traitement de l’information
(remplacement de logique à relais câblée)
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Effectue des fonctions d’automatisme programmes telles que:
• Logique combinatoire
• Logique séquentiel (Grafcet, bascules. . .)
• Temporisation (T-on, T-off, minuterie, horloge . . .)
• Comptage (totalisateur ,compteur incrémenté décrémenté)
• Calculs numériques (+,-,/,x. . .)
• Asservissement, régulation
• Permet de commander, mesurer et contrôler au moyen designaux d’entrées et de sorties (numériques ou analogiques)toutes machines et processus, en environnement industriel.
Définition
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Buts de l’automatisation
• Pourquoi automatiser ?
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Buts de l'automatisation
• Élimination de tâches répétitives ou sans intérêt – Machine de fabrication
•
Simplifier le travail de l'humain – Toute une séquence d’opérations remplacée par l’appui
sur un poussoir
•
Augmenter la sécurité – Éviter les erreurs (aboutissant parfois à des
catastrophes) inévitables dans un travail répétitif.
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Buts de l'automatisation
• Proposer aux hommes des tâches valorisantes – Au lieu de chargement / déchargement de pièces sur
une machine, offrir la possibilité de la contrôler voireprogrammer.
• Accroître la productivité
– Cadence de production soutenue
–
Pas de fatigue
• Économiser les matières premières et l'énergie
– Production plus efficace
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Buts de l'automatisation
• Superviser les installations et les machines
–
Vérifier l’état de fonctionnement de la machineet prévenir si une maintenance est nécessaire.
– Augmentation de la disponibilité.
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Historique
C'est Modicon (entreprise américaine) qui créa en1968, aux USA, le premier automate programmable. Sonsuccès donna naissance a une industrie mondiale qui
s'est considérablement développé depuis.L'automate programmable représente aujourd'hui
l'intelligence des machines et des procèdes automatisésde l'industrie, des infrastructures et du bâtiment.
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Quelques fabriquants des automatesdans le monde
• Siemens ( S7-200,S7-300,S7-400,S7-1200,LOGO . . .)
• Schneider électrique (TSX 17/37/57, TSX micro ,premium. . .)
• Rockwell Automation (micrologix 1200/1400,SLC-500, SLC
5000 .. .)
• ABB (AC500,AC800C,S500 . . .)
• Omron (ZEN ,CPM 1A/2A/2C,CS1,CJ1. . .)
• Mitsubishi (MELSEC FX1S/FX1N ,série L ,système Q . . .)
• Yokugawa (FCN,FCN-RTU,FCJ . . .)
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Architecture matérielle d’un API
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Architecture matérielle d’un API
Un automate programmable est constitué de :
Unité de traitement de l’information
• (CPU) Processeur, unité arithmétique et logique
• Mémoire contenant le programme
• Mémoire contenant les données• Interface pour la programmation
Interfaces pour les signaux d’entrée
• Tout ou rien: 24 V DC• Analogiques: +/-10V; 4..20mA; etc
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Interfaces pour les signaux de sortie
• Tout ou rien: 24 V
• Tout ou rien à contacts
• Analogiques: +/-10V; 4..20mA; etc.
Interfaces pour des fonctions spéciales
• Comptage
• Positionnement
• Communication
Architecture matérielle d’un API
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Fonctionnement des automates
Un automate exécute son programme de manière cyclique :
• Lecture des entrées
•
Traitement du programme• Ecriture des sorties
Le temps d’exécution d’un cycle est de l'ordre d'une vingtaine
de millisecondes et est contrôle par une temporisationappelée chien de garde.
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Fonctionnement des automates
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Remarque:
On peut choisir le mode d’ exécution desprogrammes utilisateur:
• Fonctionnement cyclique.
• Mode périodique.
Le temps d’un cycle influence sur le temps de repense de l’automate.
Fonctionnement des automates
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Exemple d’une API
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Catégories d’automates
•Les micro automatesNombre d’entrées sorties fixe
Généralement pas d’analogique ni de communication Remplacement de logique à relais•Les automates compacts10 à 250 entrées-sorties
Nombre d’entrées-sorties extensible par blocsFonctions analogiques et communications limitéesPetits automatismes, logique combinatoire et séquentielle
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N L +24 VD
C
- 1 0 3 2 5 4 7 6 9 8
0 OUT COM 2 1 3 5 6 7 8 OUT COM 9
10 12 11 13
4 OUT COM INPUTS 24 VDC OUTPUTS 2A Ry OUT COM A B SG EXTENSION
IN COM
ERR
I/O
RUN
COM
1
1
0
0
I
O 3 2 5 4 7 6 9 8
3 2 5 4 7 6 9 8
11 10 13 12
TSXO7
Type monobloc
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Les automates modulaires
• <4’000 entrées sorties par CPU
• Nombre d’entrées-sorties modulables
• Comptage
• Commandes d’axes • Pesage
• Communications
• Sécurité
• Automatismes complexes, régulation
• numérique, asservissements
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Type modulaire
ALIMENTATION CPU
INPUT
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Rack pour automate modulaire
Rack 6 positions
Rack 10 positions
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Alimentation automate modulaire
Caractéristique :
Tension fournie 24v DCCourant choisie selon la consommationdes modules utilisés.
• Exemple TSY PSY 2600M
ALIM 100/240 VCA 26W
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CPU
Caractéristique :Vitesse possesseurMémoire de travailLes ports intégrés de communicationLimitation systèmes
Nombre de modules ,de rack . . .Environnement logiciel
CPU 412-1 MPI/DPsiemens
TSX P57 2634M
Télémécanique
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Module d’entrée sortie
Module entrée TOR (tout ou rien):
Il est constituer des entrées physique logiqueLa lecture d’état logique du signale se fait par la
mesure de la tension d’entrée : soit la tension au borne d’entrée est présenteon dira que l’état logique est vrais I=1 Soit la tension au borne d’entrée est absente
on dira que l’état logique est faux I=0
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Module d’entrée sortie
Module entrée Analogique :
Il est constituer des entrées physique analogiqueLa lecture du valeur du signale se fait par la
mesure de signale d’entrée ( tension , courantrésistance ).Il est constitué d’ un convertisseur analogiquenumérique .
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Module d’entrée sortie
Module sortie Analogique :
Il est constituer des sorties physique analogiquequi fournie un signale ( tension, courant ) aux
périphérique extérieur.Il est constitué d’un convertisseur numérique
analogique .
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Les systèmes d’entrés – sortiesdéportées
• Flexibilité totale de la configuration
Extension d’un automate modulaire
Processeurs spécialisés, PC industriels
Module sortie pneumatique• Lecture-écriture des entrée-sorties
Par réseaux câblé ou sans fil.
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Les systèmes d’entrés – sorties déportées
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Architecture d’un système automatisé
de production SAP
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Partie opérative
Partie commande
Les capteurs Les préactionneurs
Traitement des données
Dialogue homme machine
Les actionneurs
pupitre
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Partie opérative/les actionneurs
les Actionneurs électriqueLe moteur à courant alternatif :Il existe deux sorte de moteur à courant alternatif:
En premier nous avons les moteurssynchrones qui sont utilisés pour les TGVaussi appelé alternateur quand il est utilisécomme générateur.
En deuxième on trouve le moteur asynchrone
Qui ne possède aucune connexion entre le rotor etLe stator (cas rotor cage d'écureuil). Se moteur estessentiellement alimenter par des systèmes decourant triphasés.
Moteur synchrone
Moteur asynchrone
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• Les moteurs pas à pas
Se sont des machines électrique Synchrone ,ou le rotor est en aimentpermanant , Et le stator constitue par des bobines commandés par uncourant continu géré par un système électronique
Avantage
• Sans balais• Couple important même en petite vitesse• Asservissement de position sans perte d’angle • Vitesse important
Partie opérative/les actionneurs
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Une machine électrique à courant continu estconstituée :
D’un stator à base d’un flux de champ
magnétique crée soit par des enroulementsbobinée soit par un aiment permanent
D’un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité de chaque enroulement
rotorique.
Partie opérative/les actionneurs
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les actionneurs pneumatiqueLes vérins pneumatique : il fournie une énergie
mécanique à partird’une énergie pneumatique
Ils produisent un mouvement de translation.Type des vérins :
Vérin double effet Vérin simple effet
Vérin linéaireVérin rotatif
Partie opérative/les actionneurs
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Vérin simple effet
Vérin rotatif
Partie opérative/les actionneurs
Vérin linéaire
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Autre actionneurs
• Ventouses pneumatique :Très utilisée dans la
manipulation d’objets.
• vanne à commande: – Électrique (électrovanne)
– Pneumatique
– Hydraulique
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Exemple d’un bras rebot avec vérin pneumatique
Partie opérative/les actionneurs
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Les pré actionneursLes pré actionneurs se sont des dispositifs intermédiaires pour
la commande des actionneurs .
Les contacteurs et les relais:
Le contacteur est un appareil électromécanique de commandemécanique de connexion, capable d’établir, de supporter etd’interrompre des courants dans les conditions normales ducircuit, y compris les conditions de surcharges en services.
Contacteur 4 pole
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La commande des contacteur se fait parl’alimentation électrique du bobine interne ducontacteur.
Les pré actionneurs
Une bobine
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Les relais se sont des interfaces de commande Ilest chargé de transmettre un ordre de lapartie commande à la partie puissance d'un
appareil électrique et permet, entre autres, unisolement galvanique entre les deux parties.
Type :
Relais électromécaniqueRelais statique
Les pré actionneurs
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Schéma de principe
Relais électromécanique
Les pré actionneurs
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Les pré actionneurs
Les relais statique :relais électronique à base dePhoto coupleur qui assure l’isolement électrique des deux parties électrique.
Les pré actionneurs
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les distributeurs
Pour chaque vérin pneumatique, on associera un distributeur.
La commande du distributeur peut être pneumatique ouélectrique.
Les distributeurs sont constitués d’un corps contenantplusieurs orifices et d’un tiroir pouvant prendre plusieurs
positions dont une seule est active. Le symbole d’un distributeurse présente sous la forme suivante
Les pré actionneurs
L d’i f i
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Les capteurs: source d’information ou l’acquisition des données
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définition
Un Capteur est un dispositif transformant l'état d'unegrandeur physique observée en une grandeur utilisable
Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance,matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de lasituation pour lequel il a été spécifiquement conçu.
Les capteurs
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Les capteursQuelque principes physiques exploités par les capteurs :• Angle• Courant• Champ magnétique• Débit• Déplacement• Distance
• Force• Inertiels• Lumière• Niveau• Position• Pression• Son• Température
L t t t i
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Les capteurs tout ou rien
Ces variables représentent généralement :
La présence ou l’absence de l’objet à détecter Le passage de l’objet
Le positionnement de l’objet
Éventuellement le comptage de l’objet
Sur la majorité des systèmes automatisés, le traitementdes données est effectué sur des variables de type
logiques( informations sur 2 états).
L t t t i
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En fonction des application on distingue deuxTypes de technologies :
Les capteurs à détection avec contacte pour lequel l’objet àdétecter entre directement en Contacte avec un élément ducapteur
Les capteurs à détection sans contact, pour lesquels l’objetest détecter à distance par le capteur .
Les capteurs tout ou rien
L t t t i
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Les interrupteurs de positions sont des appareilsactionnés par contact direct avec l’objet à détecter. Ils
transforment ce contact physique en une fermeture ououverture d’un contact électrique. Le dispositif d’attaque ( à poussoir, à levier, à tige..) Le corps équipé de contact ( NO ou NF )
La tête de commande ( tête à mouvement rectiligne, angulaireou multidirectionnel )
Dispositif de
manoeuvre
Boitier
Contacts
électriques
Les capteurs tout ou rien
L t t t i
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Les détecteurs inductifs sont des appareilscapables de détecter des objets métalliquesà distance. Une sortie statique informe de la
détection
Le Détecteur inductif
Les capteurs tout ou rien
Les capteurs tout ou rien
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Un détecteur inductif se compose essentiellement d’un oscillateur dont les bobinagesconstituent la face sensible. A l’avant de celle-ci est crée un champ magnétiquealternatif
Les capteurs tout ou rien
Après mise en forme, un signal de sortie, correspondant à un contactNO ou NF, est délivré.
Les capteurs tout ou rien
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Le détecteur capacitif
Les détecteurs capacitifs sont desappareils capables de détecter desobjets métalliques ou isolants àdistance ( solide, liquide oupulvérulent ). Une sortie statiqueinforme de la détection.
Les capteurs tout ou rien
Les capteurs tout ou rien
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Un détecteur capacitif se compose essentiellement d’un oscillateur dontles condensateurs constituent la face sensible. Celle-ci est formée parl’une des armatures du condensateur. L’autre armature étant constituéepar l’objet à détecter.
Après mise en forme, un signal de sortie,correspondant à un contact NO ou NF, estdélivré.
2
1
4
3
5
6
Les capteurs tout ou rien
Les capteurs tout ou rien
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Les détecteurs photoélectriques sont des appareils capables dedétecter des objets à très grandes distances ( quelquescentimètres à plusieurs dizaines de mètres ). Ils se présententsous la forme d'un boîtier avec ou sans réflecteur, ou de deux
boîtiers; l'un émetteur, l'autre récepteur.
Les capteurs tout ou rien
Les capteurs tout ou rien
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Emetteur Récepteur
Câble
Principe de fonctionnement:
Un détecteur de type barrage est composé d'unémetteur de lumière associé à un récepteurphotosensible.
Dans le cas du système barrage, les deux composantssont indépendants et placés l'un en face de l'autre.
Les capteurs tout ou rien
Les capteurs
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Les capteurs
Il permet le maintien d’un niveau à des points
spécifiques (niveau haut et niveau bas) et
alarme pour un niveau anormalement bas.
PUISARD
POMPAGE
MP1
NIVEAU
MAX
NIVEAU
MINI
N1
RESERVOIR
VIDANGE
Les détecteurs de niveau
Les capteurs
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Fonctionnement des détecteurs de niveau
Il existe différentes méthodes de mesure ou dedétection de niveau, on peut en énuméreressentiellement trois:
1 - Méthodes hydrostatiques de mesure de niveau.
2 - Méthodes électriques de mesure de niveau.
3 - Méthodes fondées sur l’utilisation de rayonnements.
Les capteurs
Les capteurs
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Le détecteur de pression
Les pressostats et vacuostats sont constitués de deux parties distinctes :
Ils transforment le franchissement d'une valeur de consigne de pression, en un signalélectrique TOR ou Analogique.
Les capteurs
Les pressostats et les vacuostats ont pour fonction de contrôler ou de réguler unepression ou une dépression dans un circuit hydraulique ou pneumatique.
une partie hydraulique comprenant:
• un ou plusieurs orifices pour le raccordement au réseau de fluide à contrôler
• des systèmes de ressorts pour les différents réglages
• un capteur (membrane ou piston) qui reçoit la pression et transmetl’information à la partie électrique
•une partie électrique comprenant des contacts ou une sortiestatique.
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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Le fonctionnement des thermomètres à résistance et des thermistancesest basé sur un même phénomène physique, à savoir la variation de larésistance électrique d'un conducteur avec la température.
Mais comme ces variations sont différentes suivant qu'il s'agit d'unmétal ou d'un agglomérat d'oxydes métalliques, deux cas ont été
distingués sous les appellations de thermomètre à résistance d'une partet de thermistance d'autre part.
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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Lorsque la température varie on a :
La résistance électrique d'un conducteur métallique croit avec la température.
)32
1(0 T cT bT a R R
T la température en °C
a, b et c des coefficients positifs, spécifiques au métal.
Ro la résistance à 0 °C
• C’est le platine qui est le plus utilisé.
1.1 – Thermomètre à résistance
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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Exemple : La sonde Pt100 est une sonde platine qui a une résistance de100 pour une température de 0 °C. (138,5 pour 100 °C)
R R K t S
0 *
R0= 100 pour t=0°CK=0.4
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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1.2 – Thermomètres à thermistance
La résistance électrique d'une thermistance est très sensible
à l'action de la température. Il existe deux types de
thermistance, les CTN ( Coefficient de Température Négatif,)
et les CTP ( Coefficient de Température Positif ).
La loi de variation est de la forme :
a et b sont deux paramètres de la thermistance.
T
b
ea R
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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Un second avantage des thermistances est leur faible encombrement. Leur domained'utilisation va de -80 à +700 °C avec une précision de 1/10ème à un demi degré.
1.3 - Comparatif
La comparaison des variations de résistivité d'un fil de platine et d'une thermistance est faitesur la figure ci-dessous. On constate que non seulement les variations sont de sens opposé, maisaussi que la variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance quepour un fil métallique
Les thermistances ne présentent pas le phénomène de polarisation et peuvent être traverséesindifféremment par un courant continu ou alternatif
L'emploi des thermistances a donc des avantages de sensibilité et de faible encombrement,mais la loi de variation de la résistance en fonction de la température n'est pas linéaire
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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20 1008060400
100
1000
10000
10
1
0.1
R é s i s t a n c e
SONDE PT 100
CTP
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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1.4 - Couple thermoélectrique
Exemple : le thermocouple
Un thermocouple est constitué de deuxconducteurs en métaux de
caractéristiques thermoélectriques
différents. Ces deux conducteurs placésdans un gradient de température, vont
générer une FEM ( V ) en rapport avec latempérature
LES CAPTEURS ANALOGIQUES
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1.5 - Sonde de niveau capacitive
La méthode de mesure capacitive est basée sur leprincipe du condensateur. La conversion d’une
variation de capacité en une variation de courants’effectue par un transmetteur.
LES TRANSMETTEURS
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C'est un dispositif répondant à une variable mesuréeafin de générer et de transmettre un signal de sortie
standard en relation continue avec la valeur de lavariable mesurée.
Le transmetteur est destiné à être monté en tête desonde. Le signal du détecteur ( sonde de
température, de niveau, etc… ) est converti par le
transmetteur 2 fils en un signal courant linéarisé. Laliaison 2 fils assure à la fois l'alimentation et la
transmission du signal
LES TRANSMETTEURS
LES TRANSMETTEURS
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Deux types de transmission du signal cohabitent :
• La boucle de tension : 0-10 V, 5V- 10V
Le capteur délivre une tension proportionnelle à la grandeur mesurée. Attentioncependant au problème des parasites radioélectriques
• La boucle de courant : 0-20mA, 4-20mA
Le capteur délivre un courant proportionnel à la grandeur mesurée. La faibleimpédance du circuit améliore l’immunité aux parasites de la boucle et lui confèreune plus grande précision.
La boucle de courant 4 - 20 mA présente l’avantage de permettre la détection d’unecoupure de la ligne si i = 0 mA ( sécurité fil coupée ).