MESURE Prsentation n n n Introduction Les principes

MESURE Présentation n n n Introduction Les principes physiques Quelques grandeurs Détecteurs La chaîne de mesures Systèmes automatisés Mesurer c’est savoir ? Mais encore faut-il savoir mesurer 1

Mesurer ATTENTION : Mesurer c’est perturber La mesure est l’une des bases importantes sur lesquelles repose la recherche expérimentale. Une recherche de qualité ne peut se réaliser sans un programme expérimental reposant sur un dispositif de mesure adapté. Il est important d’y apporter l’attention et le soin nécessaires, en utilisant la chaîne d’acquisition adéquate Mesurande : Grandeur physique (P, T, . . . ). Mesurage : Toutes les opérations permettant l'obtention de la représentation de la valeur d’une grandeur physique. Mesure : Valeur représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20°C, 2 m/s, …) Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat de l'action). Définition : La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation 2

Présentation n n Introduction Les principes physiques n n n n Le potentiomètre La piézoélectricité Capteur électromagnétique Les jauges de contraintes Quelques grandeurs Détecteurs La chaîne de mesures Systèmes automatisés 3

Mesure potentiométrique Un potentiomètre est un type de résistance variable à trois bornes, dont une est reliée à un curseur se déplaçant sur une piste résistante terminée par les deux autres bornes. Ce système permet de recueillir sur la borne reliée au curseur, une tension en fonction de la position dudit curseur et de la tension à laquelle est soumise la résistance. Symbole du potentiomètre 4

Capteur piézoélectrique La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps (quartz) de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Capteur utilisant l’effet piézoélectrique : Capteur de force / Pression Accéléromètre Capteur de déplacement ultrasonique Débitmètre ultrasonique Courantomètre ADV Radar 5

Capteur électromagnétique Le principe de mesure d’un capteur électromagnétique repose sur la loi d’induction de Faraday : Tout conducteur coupant les lignes d’inductions d’un champ magnétique à une certaine vitesse est soumis à une force électromotrice. Et c’est le liquide électriquement conducteur qui représente le conducteur en déplacement. La tension est induite par le champ magnétique et l’amplitude obtenue est proportionnelle à la vitesse d’écoulement du liquide conducteur. E = B * L * V Induction électromagnétique On considère un conducteur ab se déplaçant dans un champ magnétique uniforme B. On peut alors écrire : 6

Jauge de contrainte Sous sa forme la plus simple, une jauge est constituée d’un très fin fil (2 microns) conducteur collé sur un support. Cette feuille très mince est arrangée suivant la forme ci-dessous. Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée. La résistance d’un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet : où R est la résistance électrique la résistivité du matériau L la longueur du fil s la section du fil où K est appelé le facteur de jauge 7

Pont de Wheatstone Lorsqu’un pont est constitué de 4 résistances de valeurs égales et alimenté par une source de tension (E) constante aux points C et D, on obtient par symétrie, une différence de potentiel nulle entre les points A et B. Si la résistance R 1 varie légèrement, ce déséquilibre est mesuré par le galvanomètre (e 0). On réalise donc une mesure proportionnelle 8

Capteur à jauges de contraintes Le capteur à jauges comprend donc un dispositif mécanique (corps d’épreuve), destiné à provoquer, sous l’action de la grandeur physique, la déformation de ladite pièce. Des jauges collées sur ce corps d’épreuve transforment ces déformations en variation de résistance. Les précisions obtenues dans ce cas (0, 01 %) sont considérablement supérieures à celles que donnent les mesures de déformation. En réalisant un étalonnage du capteur (comparaison entre la valeur vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques de justesse, fidélité, réversibilité, retour à zéro…. 9

Présentation n Introduction Principes physiques Quelques grandeurs n n n Mesures de niveau d’eau Mesures de débit Détecteurs La chaîne de mesures Systèmes automatisés 10

Mesure de niveau d’eau Capteur à bulles Capteur à flotteur Radar 11

Capteur de pression Vide La pression absolue : C’est la différence de pression par rapport au vide. C'est la pression réelle, dont on tient compte dans les calculs sur les gaz. Pour mesurer une pression absolue, il faut faire un vide poussé dans une chambre dite de référence. Le vide : Il correspond théoriquement à une pression absolue nulle. Il ne peut être atteint, ni dépassé. La pression relative : C'est la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique. Elle est le plus souvent utilisée, car la plupart des capteurs sont soumis à la pression atmosphérique. La pression atmosphérique ou pression barométrique : La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer, à 15 °C, est d'environ 1013 mbar. Elle peut varier, avec la pluie ou le beau temps. Elle est fonction de l'altitude (hydrostatique). Pression différentielle : C'est une différence entre deux pressions, dont l'une peut servir de référence. Une pression différentielle peut prendre une valeur négative. 12

Types de capteur de pression Capteur à jauges de contraintes Capteur piézo-résistif/électrique Capteur inductif Capteur capacitif 13

Capteur ultrasonique (distance) L'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source. L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attend le retour du signal. 14

Capteur laser (Déplacement) La mesure est basée sur le principe de la triangulation. La position de la lumière sur le capteur CCD (caméra) varie en fonction du déplacement de la cible. Problème : zone morte importante Il existe également des lasers utilisant le principe d’interférométrie. 15

Les débitmètres Le débit est habituellement mesuré par déduction, en mesurant la vitesse moyenne à travers une section connue. Le débit mesuré par cette méthode indirecte est le débit volumique Qv : Qv = S. V S est la surface de section de la conduite en m² Attention à la position du débitmètre V est la vitesse moyenne du fluide en m/s le long de la conduite : coude/vanne Autres types de mesures : -Déversoir -Venturi / Diaphragme -Empotement 16

Débitmètre électromagnétique Sortie 4 -20 m. A 17

Débitmètre ultrasonique Les sondes A et B sont à la fois émettrices et réceptrices. Elles émettent alternativement l'une vers l'autre. Le signal acoustique qui se propage dans le fluide est capté par la sonde opposée. Les temps de propagation Amont/Aval et Aval/Amont sont mesurés avec grande précision (typiquement 0. 2 ns). A partir de ces temps et de la position géométrique des sondes, la vitesse moyenne sur le trajet acoustique peut être calculée. 18

ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) La vélocimétrie à effet Doppler est l'une des techniques les plus modernes destinées aux mesures de la vitesse moyenne et ses fluctuations dans un écoulement de suspension de particules solides. Cette technique se révèle bien adaptée à l'étude d'une zone de recirculation dans la mesure où elle permet, sans perturber l'écoulement, d'obtenir le sens, le taux de fluctuation et le module d'une composante de la vitesse. Le principe de mesure repose sur l'effet Doppler, qui traduit la différence qui existe entre la fréquence d'un signal émis par une particule de fluide en mouvement et celle recueillie par le récepteur fixe. 19

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Capteurs de détection Les détecteurs de position: Les capteurs de position sont des capteurs de contact. Ils peuvent être équipé d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien et peut être électrique ou pneumatique. Principe 21

Détecteurs de proximité inductifs Principe Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une self et une capacité montée en parallèle. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ , il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie. , le capteur commute. 22

Détecteurs de proximité capacitifs Principe Les capteurs capacitifs sont des capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques ou isolants. Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection des électrodes sensibles du capteur, il provoque des oscillations en modifiant la capacité de couplage du condensateur. Condensateur à surface variable Condensateur à écartement variable 23

Détecteur de proximité photoélectrique Principe Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité. Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Le signal est amplifié pour être exploité par la partie commande. 24

Détecteur de proximité photoélectrique Les différents types de détection : Il existe trois grands types de détection : • la détection par barrage où l'objet à détecter coupe un faisceau lumineux situé entre l'émetteur et le récepteur, • la détection par barrage où un faisceau réfléchi est coupé par l'objet à détecter, • le système réflex où le faisceau émis par le récepteur est renvoyé par la pièce à détecter sur le récepteur situé sur le même capteur. 25

Les interrupteurs à lame souple (ILS) Principe Un capteur ILS est un capteur de proximité composé d'une lame souple sensible à la présence d'un champ magnétique mobile. Lorsque le champ se trouve sous la lame, il ferme le contact du circuit provoquant la commutation du capteur. Ce capteur se monte directement sur un vérin et permet de détecter des positions autres que les positions extrêmes. Pour utiliser ce type de capteur, il est nécessaire d'utiliser un vérin comportant un aimant monté sur le piston. 26

Détecteur de fumée Le détecteur de fumée optique ou Détecteur Avertisseur Autonome de Fumée (DAAF) : Le détecteur de fumée à cellule photoélectrique (ou optique) est le seul type de détecteur autorisé en France (tous les DAAF de la norme NF sont des détecteurs optiques). Système de détection de la fumée par le DAAF : Un faisceau lumineux créé par une LED émettrice éclaire une chambre de détection obscure. Cette chambre contient 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 la surface des particules de fumée et entre en contact avec la cellule, ce qui déclenche aussitôt l’alarme. 27

Présentation n n n Introduction Principes physiques Quelques grandeurs Détecteurs La chaîne de mesures Systèmes automatisés 28

La chaîne de mesures Schéma fonctionnel de la fonction « Numériser une grandeur analogique » Bruits parasites électromagnétiques Milieu physique Unité de traitement E 2 Grandeurs physiques Capter Filtrer E 4 Adapter E 1 CAN N nombre codé en binaire E 3 29

La chaîne de mesures Convertisseur Numérique Analogique Bruits parasites électromagnétiques Milieu physique Unité de traitement E 2 Grandeurs physiques Capter Filtrer E 4 Adapter E 1 CNA Sortie Analogique E 3 30

Chaîne d’acquisition de Données Phénomène physique Capteur Conditionneur Instrument (carte d’acquisition) Logiciel 31

Circuit d’entrée analogique d’une carte série M de National Instruments 32

Traitement de l’information Le traitement de l’information est l’ensemble des techniques permettant de créer, d'analyser, de transformer les signaux en vue de leur exploitation. 33

Présentation n n n Introduction Principes physiques Quelques grandeurs Détecteurs La chaîne de mesures Systèmes automatisés 34

Systèmes automatisés L'automatique traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et de la régulation des systèmes dynamiques. L'automatique permet l'automatisation de tâches par des machines fonctionnant sans intervention humaine. On parle alors de système asservi ou régulé: Exemple: régulateur de vitesse d'une automobile Il permet de maintenir le véhicule à une vitesse constante, à partir d’une vitesse-consigne prédéterminée par le conducteur, indépendamment de la pente de la 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'un humain. Ce comportement peut être figé, le système fera toujours la même chose, ou bien peut s'adapter à son environnement. 35

Systèmes automatisés Les automates se caractérisent par leurs entrées (logiques, analogiques ou numériques), leurs sorties (à relais ou à transistor TOR), le mode de programmation (GRAFCET, Algorithme. . ), le langage utilisé (langage à contact, Langage C. . ) et leurs alimentations. Le choix d’un automate s’effectue en fonction du besoin et de la technologie souhaitée. Exemple d’automate: · Module logique ZELIO 36

Systèmes automatisés On trouve dans tous les automates un composant central : un microcontrôleur Un microcontrôleur se présente sous la forme d’un circuit intégré réunissant tous les éléments d’une structure à base de microprocesseur. On trouve notamment: - Un microprocesseur (C. P. U. ), - De la mémoire (RAM et EEPROM), - Des interfaces parallèles pour la connexion - Des interfaces pour la connexion avec d’autres systèmes, par exemple une liaison USB vers un PC, pour le dialogue vers d’autres microcontrôleurs ou pour communiquer avec l’extérieur. - Des timers pour générer ou mesurer des signaux avec une grande précision temporelle. 37

Exemples de systèmes Toutes les centrales domotiques sont des systèmes automatiques avec un automate et donc un ou plusieurs microcontrôleurs. 38

Exemples de systèmes domotiques 39

Exemples de systèmes domotiques 40

Exemples de systèmes domotiques 41

Fin n Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré" (Galilée) 42