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Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 1/70

Cours de DU CIIUniversité du Havre, Mai 2012.

Instrumentation et Régulation:Normes, théorie et applications

Université du Havre, IUT du Havre, Département GEII (1) Laboratoire Ondes et Milieux Complexes (LOMC) , UMR 6294 CNRS

(2) Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique duHavre (GREAH) , UPRES EA 3220

Pierre Maréchal(1), François Guérin(2)




Plan

I) Introduction♦ Contrôle des procédés♦ Grandeurs physiques

♦ Métrologie

II) Capteur♦ Type de capteur: passif, actif, intégré♦ Caractéristiques♦ Transmetteur

III) Normes♦ Schéma fonctionnel♦ Fonction de transfert♦ Norme NF E 04-203

♦ Schéma PCF♦ Schéma TI

IV) Régulation♦ Instrumentation♦ Contrôle

♦ Correction

Instrumentation et Régulation




Plan


♦ Métrologie


III) Normes♦ Schéma fonctionnel♦ Fonction de transfert♦ Norme NF E 04-203♦

Schéma PCF♦ Schéma TI


♦ Correction





ActionRéflexion

Observation

Progression

/ Résultats

Procédé

/ Mesures

Objectifs / Moyens

Contrôleindustriel

I) Introduction

Contrôle industriel

Procédé et processus de "contrôle et régulation":




♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,

toutes les autres étant déduites de celles-ci:

I) Introduction

Système international d'unités mks

Grandeurs et unités: Système de référence:

Grandeur physique

LongueurMasseTemps

Courant électriqueTempérature

Quantité de matièreIntensité lumineuse

Unité

mètrekilogrammesecondeampèrekelvinmole

candela

Symbole

mkgsAK

molcd

Dimension

LMTIΘ

NJ

http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_fr.pdf

♦ Exercice:1) Déterminer l'unité SI d'une force: ……………………………………………….2) Déterminer l'unité SI d'une pression: ………………………………………….




♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,

toutes les autres étant déduites de celles-ci:

I) Introduction






♦ Etalonnage :

Mesurer, c’ est comparer sa mesure par rapport à celle donnée parun appareil de référence.

I) Introduction



♦ Sachant qu’ une once vaut 28,35 g, qu'une livre anglaise vaut 453,6g, qu’ un pouce (inch) vaut 2,54 mm, qu'un pied vaut 30,48 cm, qu'un

mile vaut 1,609 km, qu'un cheval vapeur vaut 746 W et qu’ un gallon(USA) vaut 3,785 L, compléter le tableau suivant.

NomGallon (USA) per min

Inch of waterPound-force per square inch

90 cv

Grandeur…………

pression……………………

Conversioncm3 /s

PaPa

…………

Dimension…………

………………………………

SymboleGal(USA)/min

inH2Olbf/in2

………………




♦ Mesurande:

La grandeur physique objet de la mesure (température, pression...)est désignée comme le mesurande. L’ ensemble des opérationsexpérimentales qui concourent à la connaissance de la valeurnumérique du mesurande constitue son mesurage.

I) Introduction

Métrologie

Chaîne de mesurage: Définitions:

♦ Cha î ne de mesurage:La cha î ne de mesurage est constituée de l’ ensemble des dispositifs,y compris le capteur, rendant possible dans les meilleures conditionsla détermination précise de la valeur du mesurande.

C’ est l’étalonnage de la cha î ne de mesurage dans son ensemble quipermet d’ attribuer à chaque indication en sortie la valeurcorrespondante du mesurande agissant à l’ entrée.♦ Exemple:

Thermocouple VoltmètreT (°C) U (V) Mesure




♦ Température:

Dans la notice d’ un multimètre de haute précision, il est recommandéde ne commencer les mesures qu’ après un temps de stabilisation entempérature de tous ses circuits électroniques. Lorsque ce tempsn’ est pas respecté, il peut conduire à une ou plusieurs valeurs

aberrantes, notamment en début d’étalonnage. L’ appareil étalonnépeut alors être déclaré non conforme à ces caractéristiquesmétrologiques, alors qu’ il est conforme !

I) Introduction

Métrologie

Chaîne de mesurage: Perturbations:

♦ Temps de réponse:

Dans le cas d'une perturbation en température, la mesure peut êtreou compensée, ou effectuée à température de fonctionnement.

♦ Exemple: T (°C)

t (s)

T e (°C)

T s (°C)




Plan


♦ Métrologie II) Capteur

♦ Type de capteur: passif, actif, intégré♦ Caractéristiques♦ Transmetteur

III) Normes♦ Schéma fonctionnel♦ Fonction de transfert♦ Norme NF E 04-203♦

Schéma PCF♦ Schéma TI


♦ Correction





♦ Définition:Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à

partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de naturedifférente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de lagrandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.

♦ Types de capteurs:Un capteur peut être passif, actif, composite ou encore intégré.

II) Capteurs

1) Définitions

Structure de type "Capteur et Transmetteur":




Température →→→→ Caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles enceinte thermostatée

Pression, accélération →→→→ Déformations

enveloppe rigide, supports antivibratoiresHumidité →→→→ Constante diélectrique, résistivité (isolation électrique ↓↓↓↓) enceinte étanche

Champs magnétiques variables ou statiques →→→→ f.e.m. induites pour les premierset augmentation de la résistivité pour les seconds (matériau magnéto-résistant)

blindages magnétiques, liaison à la terre

Tension d’alimentation (amplitude, fréquence) →→→→ Caractéristiques électriques alimentation régulée

1) Définitions: Grandeurs d’influence

e s

Variablephysique

Variablesignal

Grandeursd’influence

Capteur

Déduire e de s malgré gi :

Réduire l’importance: isolation, blindage…

Stabiliser: enceintes, régulation… Compenser: pont de Wheatstone.

♦ Définition:Grandeurs physiques susceptibles d’entraîner un changement du

signal de sortie. On cherche donc à minimiser leurs effets.

II) Capteurs

s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …)Idéal: →→→→ Réel:




• Capteur passif:Il est en général associés à une source d ’alimentation etprésentent une impédance variable :

ex: Jauge de contrainte (capteur d ’accélération),Capteurs résistifs (photorésistance),Capacitifs (mesures de déplacement).

• Capteur actif:Système dont la sortie présente une source f.e.m., courant, charge.

ex : Capteur piezo-électrique échographie,Variation de charges,Génératrice tachimétrique (induction E.M.).

1) Définitions:

II) Capteurs




Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie

Température Thermoélectricité Tension

Flux de rayonne-

ment optique

Pyroélectricité

PhotoémissionEffet photovoltaïque

Charge

CourantTensionForcePressionAccélération

Piézoélectricité Charge

Vitesse

Induction

électromagnétique TensionPosition Effet Hall Tension

1) Définitions: Capteur actif

Tableau de synthèse

II) Capteurs




Mesurande Caractéristiqueélectrique sensible

Matériaux

Température

Très basse température

Résistivité

Cste diélectrique

Métaux, semiconducteurs

Verre

Flux de rayonnementoptique Résistivité Semi conducteur

Déformation RésistivitéPerméabilité électrique

Alliage de Ni, SI dopéAlliages ferromagnétiques

Position (aimant) RésistivitéMatériaux magnéto-résistants : bismuth, …

Niveau Cste diélectrique Liquides isolants

Humidité

Résistivité

Cste diélectrique

Chlorure de lithium

Polymères

1) Définitions: Capteur passif

DéfinitionImpédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.

Tableau de synthèse

II) Capteurs




♦ Constitution:Un capteur est le premier élément de la chaîne de mesurage.

Lorsque le capteur est constitué de plusieurs éléments, le corps d’épreuveest celui en contact direct avec le mesurande.

Il génère une grandeur physique intermédiaire (déplacement, déformation,force…) traduite en une grandeur électrique (tension, capacité, induction…)

par le transducteur.

II) Capteurs

1) Définitions

Structure du Capteur:

Corpsd'épreuve

TransducteurMesurande

Grandeur

physique

intermédiaire

Grandeur

électrique

CapteurMesurande

Grandeur

électrique




♦ Définition:D’après la norme NF C 46-303, un transmetteur est un appareil qui,

recevant une vraie variable mesurée, produit un signal de sortie normalisépouvant être transmis et ayant une relation continue et définie avec la valeurde la variable mesurée.♦ Constitution:

Pour élaborer un signal normalisé à partir du signal généré par le capteur,le transmetteur comprend globalement un amplificateur, un filtre, et untraitement du signal.

II) Capteurs

1) Définitions


Capteur-transmetteur de pression

Corpsd'épreuve

Transducteur

DAmplificateur

Traitementdu signal

E 3Filtre

Alimentation Alimentation

E 2 E 1P I

Capteur Transmetteur




Capteur : Organe chargé de prélever une grandeur physique à mesureret de la transformer en une grandeur exploitable.

CapteurMesurande

e s

Processus

physique

Affichage

Variablephysique

Variablesignal

Mesure

s = f(e) Lois physiques

régissant le capteur

Mesure de s Connaissance de e

La grandeur physique à mesurer, souvent appelée mesurande, n'esten général pas directement utilisable. Elle constitue la variable d'entrée(ou stimulus) du capteur.

2) Caractéristiques: Mesurande

II) Capteurs




e(t )

t s(t )

t

Capteur

e(t )

s(t )

Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur

e

s

→ Inconnu

→ Connu

ee2e1

s2

s1

ei

si

s

Etablissement⇒⇒⇒⇒ étalons de m Exploitation

2) Caractéristiques: Etalonnage

Correspondance entre s(t ) et e(t ): fonction de transfert

II) Capteurs




Etalonnage Validité d’un étalonnage:

s

e

s = f(e)La répétabilité est la qualité du capteur qui assurel’utilisateur de l’identité de la grandeur de sortie dans deslimites spécifiées, chaque fois que ce même capteur est

utilisé dans des conditions identiques: même mesurande etmêmes paramètres additionnels.

L’interchangeabilité d’une série de capteur d’un mêmetype est la qualité de cette série qui garantie à l’utilisateurdes résultats identiques, aux tolérance près, chaque foisqu’un quelconque capteur de cette série est utilisé dans desconditions identiques. l’interchangeabilité résulte de larigueur des procédés de fabrication et des contrôle en fin defabrication.

2) Caractéristiques: Etalonnage

II) Capteurs




Sensibilité d’un capteur

ee0

s

∆e

∆s

- réponse linéaire pour e < e0

- sensibilité: ds sS

de e

∆= =

∆

Domaine demesure du capteur

Contrainte: constance de la sensibilité

dépend de:

- la valeur de e (linéarité) - la fréquence de variation de e (bande passante) - temps (vieillissement)

- grandeurs physiques parasites (grandeurs d’influence)

2) Caractéristiques: Sensibilité

Domaine de

saturation du capteur

dsS de

=

0dsS de= →

- réponse faible pour e > e0

- sensibilité:

II) Capteurs




2) Caractéristiques: Définitions

II) Capteurs

T (°C)−200−10….

70260340530610800

R (Ω)18,5396,07

….

127,07197,7226,18290,87316,86375,61

♦ Application:1) Déterminer la sensibilité de la sonde sur chaque tronçon.

2) La sensibilité est-elle linéaire ?

Sensibilité d'une sonde Pt100:

S ( )………………………………

………………………………………………………………




Grandeur à mesurer

G

r a n d e u r d ’ i n f

l u e n c e

Domaine Nominald’Utilisation

Etendue de Mesure (EM)

DNU : Répétabilité sans que les caractéristiques du capteur soient altérées

2) Caractéristiques métrologiques

II) Capteurs




Grandeur à mesurer

G


l u e n c e

Domaine de Non Détérioration

DNDétérioration : plage de surcharge que le capteur peut supporter




II) Capteurs




Domaine de Non Destruction

DNDestruction : les caractéristiques sont irréversiblement altérées >étalonnage

Grandeur à mesurer

G


l u e n c e

Domaine de Non Détérioration




II) Capteurs




• Erreur de mesure: Ecart entre valeur mesurée et valeur vraie:- Erreur systématique (corrigée ou non),- Incertitude de mesure (estimée).

• Erreurs systématiques (causes systématiques que l’on peutcalculer et éventuellement corriger):- de zéro, d’étalonnage,- provoquées par les grandeurs d’influence,- dues aux sources d ’alimentation, dérives, offset,- de linéarité.

• Incertitudes (causes accidentelles non répétitives non corrigibles) liées:

- indéterminations intrinsèques au système (hystérésis),- signaux parasites (nature aléatoire),- grandeurs d’influence non contrôlées.

2) Caractéristiques: Erreurs et incertitudes

II) Capteurs




• Fidélité: Aptitude d ’un instrument à donner des indicationsexemptes d ’erreurs systématiques (faible écart-type).

• Justesse: Aptitude d ’un instrument à donner des indications exemptesd ’erreurs systématiques.

Pas juste Juste

Pas fidèle

Fidèle

Le centre représente la valeur vraie

2) Caractéristiques: Fidélité, justesse et exactitude

• Exactitude: Un systèmeexact est juste et fidèle.

II) Capteurs




♦ Exemple:Capteur-transmetteur de température à entrée thermocouple

type K de 500 °C à 900 °C, et sortie courant 4-20 mA . Ce capteur n’estpas linéaire, et c’est le transmetteur qui rend la relation linéaire:

I = 0 ,04 × T − 16.

II) Capteurs

3) Transmetteur


Capteur-transmetteur de température

U (mV)

T (°C)

500 900

17,6

43,2

I (mA)

U (mV)

17,6 43,2

4

20

I (mA)

T (°C)4

20

500 900

Capteur Transmetteur Capteur-Transmetteur




♦ Transmetteur universel: intégré ou déportéLe capteur est fixé sur le procédé et il délivre un signal de mesure de faible

intensité, qui ne peut être transmis sur de grandes longueurs. Letransmetteur universel, est soit intégré dans le boîtier du capteur, soitdéporté et monté sur rail dans un coffret d’instrumentation distant.

II) Capteurs

3) Transmetteur


♦ Les transmetteurs actuels s’adaptent à un très grand nombre de capteursindustriels par configuration numérique. Elle permet notamment le réglagede la nature de l’entrée et de son étendue, du temps de réponse souhaité,de la linéarisation éventuelle, et de la nature de la sortie et de son étendue.Ils peuvent être de type universel ou bien spécifique à un capteur commepour les thermocouples ou les sondes RTD.

Transmetteur intégré Transmetteur déporté




♦ Signaux universels: – Un capteur délivre un signal de faible intensité désigné par l’appellation

« signal bas niveau ». Pour l’étendue de mesure du capteur, les signaux «bas niveau » sont : potentiomètrique, thermocouple, RTD (ResistorThermometer Detector), tension (exemples : – 20 mV à + 20 mV, 0 à 100mV), ou courant.

– Un transmetteur délivre un signal appelé « signal haut niveau » puisqueson énergie permet la transmission de la mesure à une grande distance(plusieurs centaines de mètres) du point de mesure. Ces signaux « hautniveau » sont : 0-5 V, 1-5 V, 0-10 V, 0-20 mA et 4-20 mA.♦ Malgré un signal « bas niveau », un capteur peut être relié à l’entrée demesure d’un dispositif de contrôle tel qu’un automate programmableindustriel (API) ou un régulateur.Dans ce cas, la carte d’entrée se substitue au transmetteur absent et réalisepar exemple l’amplification et le traitement de linéarisation du signal délivré

par un thermocouple.

II) Capteurs

Structure de type "Capteur et Transmetteur":3) Transmetteur




♦ Le standard 4-20 mA:Les avantages du signal analogique en courant 4-20 mA:

– il n’est pas affecté par les chutes ohmiques de tension; – les tensions parasites ne l’influencent pas, grâce à l’impédance interne

du générateur de courant en série dans la boucle; – il autorise la transmission de la mesure sur une longue distance (>1 km);

– il possède une bonne immunité aux parasites de type magnétique; – il est économique, puisque deux fils par instrument suffisent pourl’alimentation en tension et la transmission de la mesure;

– la valeur 4 mA permet de différentier le zéro de mesure de la rupture dela transmission, et d’alimenter le transmetteur dans le cas d’un « 2 fils »;

– il admet la superposition d’un signal de communication HART.

♦ En instrumentation industrielle, le signal 4-20 mA est maintenant unstandard, et tous les fabricants d’instruments proposent ce signal.

II) Capteurs





II) Capteurs


Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 fils

♦ Raccordement électrique d'un transmetteur: – Les transmetteurs 2 fils (dits passifs) ne sont pas alimentés en direct.

– Les transmetteurs 3 fils sont des transmetteur 4 fils, avec les entréesmoins reliées.

– Les transmetteurs 4 fils (dits actifs) sont alimentés et fournissent lecourant I. Leur schéma de câblage est identique à celui des régulateurs.

♦ Alimentation électrique:Elle est directement liée et dépend de la résistance interne vue par la

sortie du transmetteur.

3) Transmetteur




II) Capteurs


Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 fils

♦ Raccordement électrique d'un transmetteur:Le raccordement électrique d’un transmetteur au dispositif d’exploitation

de la mesure, dépend de la nature du signal de mesure et de sonalimentation. Il existe des transmetteurs à "2 fils", "3 fils" ou "4 fils".

La résistance de charge R c correspond à la résistance comprenant celle du

ou des récepteurs (API, régulateur, indicateur ou bien centrale d’acquisition)et de la ligne de transmission.

♦ Standard "2fils":En instrumentation industrielle, par économie et souci de standardisation,

les transmetteurs à "2 fils" en signal 4-20 mA sont les plus répandus.

3) Transmetteur




II) Capteurs

Caractéristiques métrologiques des instruments de mesure:♦ Étendue d’échelle:

L’échelle de mesure (EIS=[INF; SUP]) est donnée par les limites

inférieure (INF) et supérieure (SUP) de mesure de l’instrument.L’étendue d’échelle (EE) est la différence algébrique entre les

valeurs extrêmes du mesurande qui peuvent être appliquées àl’instrument, et pour laquelle les caractéristiques métrologiques sont

garanties.

♦ Exercice: Déterminer les échelle de mesure et étendues d’échelle :1) Débitmètre : de 1 à 10 m3.h –1.

EIS = [………; ...……] et EE = ……….2) Sonde de température : de –100 à +300°C.

EIS = [………; ...……] et EE = ……….3) Transmetteur de pression différentielle : de –20 à +40 hPa.

EIS = [………; ...……] et EE = ……….

3) Transmetteur

II) C




♦ Configuration:Un transmetteur est un élément permettant de configurer la

plage de mesure et de compenser les éventuelles non-linéaritésdu capteur.♦ Équation de correspondance du transmetteur:

Caractéristique de sortie (Y) en fonction de celle d'entrée (X):

II) Capteurs


Valeur maximale mesurable: MAXValeur minimale mesurable: MINÉtendue de mesure: EM = MAX-MINValeur du zéro: VZ = MINDécalage négatif si: EM < MAXDécalage positif si: EM > MAXÉquation de correspondance:

Pente a et ordonnée à l'origine:

a = …………………. b = ……………………

3) Transmetteur

.( ) MAX MIN MIN

X VZ Y Y Y Y

EM

−= − +

Y

X

0 MIN MAX

YMIN

YMAX

II) C t




♦ Exemple:Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur

de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal demesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.

II) Capteurs


Étendue d'échelle: EE = …. °CValeur maximale mesurable: MAX = …. °C

Valeur minimale mesurable: MIN = …. °CÉtendue de mesure: EM = …. °CValeur du zéro: VZ = …. °CDécalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...)Équation de correspondance:

…………………………………………………………......………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................

3) Transmetteur

I (mA)

T (°C)

0 20 80

4

20

II) C t




♦ Exercice:Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur

de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal demesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.

II) Capteurs


I (mA)

T (°C)

0−30 90

4

20

Étendue d'échelle: EE = …. °CValeur maximale mesurable: MAX = …. °C

Valeur minimale mesurable: MIN = …. °CÉtendue de mesure: EM = …. °CValeur du zéro: VZ = …. °CDécalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...)Équation de correspondance:

…………………………………………………………......………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................

II) Capteurs




Sonde de température PT100 Transmetteur

II) Capteurs

3) Transmetteur: Chaîne de mesure Structure de type "Capteur et Transmetteur": Exemple:

II) Capteurs




II) Capteurs

3) Transmetteur: Réseau bus de terrain

Structure de type "Capteur et Transmetteur":♦ Signal de communication HART:

Le protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer) permet la

communication simultanée de données analogiques et numériques. Ceprotocole de communication de type série est spécifique au contrôleindustriel et compatible avec les boucles de courant analogique 4-20 mA.Le protocole est basé sur une modulation FSK (Frequency Shift Key):

f = 1,2 kHz pour l’état logique 1, et f = 2,2 kHz pour l’état logique 0.

Raccordement d‘un transmetteur à protocole HART

II) Capteurs




II) Capteurs

Structure de type "Capteur et Transmetteur":♦ Bus de terrain:

Le principe d’un bus de terrain est de relier tous les transmetteurs,

actionneurs et dispositifs de contrôle, d’un secteur industriel en un réseau oùtous les instruments communiquent les uns avec les autres.

– Fieldbus Fondation FF-H1, – Profibus PA,

– FIP WorldFip.

Ils sont reconnus par la norme internationaleIEC 61158-2. La liaison unique sert audialogue, à la configuration, et à l’alimentation.La structure en réseau permet la liaison

de 32 instruments par bus linéaire. Bus de terrain FF-H1

3) Transmetteur: Réseau bus de terrain

Plan




Plan

I) Introduction♦ Contrôle des procédés♦ Grandeurs physiques♦ Métrologie


III) Normes♦ Schéma fonctionnel♦ Fonction de transfert♦ Norme NF E 04-203♦ Schéma PCF

♦ Schéma TI

IV) Régulation♦ Instrumentation♦ Contrôle♦ Correction


III) Normes




III) Normes

1) Représentations normalisées

Représentation libre et personnelle d'un procédé industriel: Exemple d’application: Echangeur thermique

III) Normes




III) Normes


Représentation d'un procédé industriel: Schéma fonctionnel: Exemple général

(W)(Y)

(X)

Régulation: Réponse Y = f(W-X).

+ - A

B

(E) (S)(E')

Fonction de transfert:

………………………………………………………………………………

III) Normes




III) Normes


Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Contexte international:

♦ "Fonction de régulation, de mesure et d'automatisme desprocessus industriels: Représentation symbolique".

♦ Elle a des correspondances internationales (ISO 3511/1-1977),

allemande (DIN 19227 blatt 1-1973), ou encore américaine (ISA-S5.1-1984) traitant du même sujet.

♦ Elle est articulée en quatre parties :• E 04-203-1 : Principes de base,

• E 04-203-2 : Capteurs, signaux, dispositifs réglants,• E 04-203-3 : Transducteurs et dispositifs de traitement

des signaux,• E 04-203-4 : Symboles détaillés complémentaires pour

les schémas d’interconnexion d’instruments.

III) Normes




III) Normes


Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Objet et domaine d’application:

♦ La présente norme expérimentale présente la symbolisation desdispositifs de traitement des signaux émis par un capteur ou reçuspar un organe de réglage.♦ Elle comporte des symboles destinés à la communication desfonctions de mesure, de régulation et d’automatisme entrespécialistes des instruments et autres techniciens impliqués dansla conception (réservoirs, conduites, machines tournantes...) deleur disposition et de leur mise en oeuvre.♦ Les symboles sont utilisés pour la représentation de

l’instrumentation sur les schémas suivants : – plan de circulation des fluides (PCF)

Process Flow Sheet (PFS), – plan de tuyauterie et d’instrumentation (TI)

Piping and Instrument Diagram (PID)

III) Normes




III) Normes



♦ Le Plan de Circulation des Fluides (PCF) est un schéma dereprésentation symbolique avec: – les cuves, les réacteurs chimiques, les échangeurs thermiques ; – les conduites, représentées par un trait continu épais ; – la nature, gaz ou liquide, et le sens d’écoulement des fluides ; – les organes de puissance:

pompes, agitateurs, résistances de chauffage ; – l’indication des grandeurs physiques utiles:

débit, pression, température...

♦ Le PCF peut aussi faire apparaître les boucles de régulationsans préciser le détail des instruments ou des stratégies derégulation complexes.

III) Normes




)


Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Exemple d’application: Echangeur thermique

PCF brut PCF avec régulations incluses

III) Normes




)



♦ Le plan de Tuyauterie et d'Instrumentation (TI) complète le plande circulation des fluides en lui ajoutant : – les appareils de mesure ; capteurs, transmetteurs, indicateurs ; – les appareils de contrôle ; régulateurs et opérateurs de calcul ; – les actionneurs comme les vannes de réglage ; – les liaisons d’information entre ces appareils.

♦ Le TI fait apparaître toutes les boucles de régulation en précisantle détail des instruments et des liaisons de régulation.

III) Normes




)

1) Représentations normalisées Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Exemple d’application: Echangeur thermique

TI [avec boucles de régulations]

III) Normes




Norme Française NF E 04-203: Exemple: Régulation de température d'un échangeur thermique.

2) Schéma TI

III) Normes




Norme Française NF E 04-203: Éléments de normalisation.

2) Schéma TI

III) Normes




TCV

SCV

PCV

LCV

KCV

HCV

Norme Française NF E 04-203: Catalogue:

2) Schéma TI

III) Normes




Norme Française NF E 04-203: Application:

2) Schéma TI

Plan




I) Introduction♦ Contrôle des procédés♦ Grandeurs physiques♦ Métrologie


III) Normes♦ Schéma fonctionnel♦ Fonction de transfert♦ Norme NF E 04-203♦ Schéma PCF

♦ Schéma TI IV) Régulation

♦ Instrumentation♦ Contrôle♦ Correction


IV) Régulation




Boucle Ouverte (BO): (Open Loop Control ): Processus de Commande:

Contrôle de Commande Automatique

♦ Pas de mesure de la grandeur de sortie et absence de correction.

Exemples:…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……

…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……

…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……

IV) Régulation




♦ Mesure de la grandeur de sortie (capteur) et correction de l'action

pour que la sortie ait le comportement souhaité…♦ Asservissement : Sortie fidèle à l’entrée de consigne (poursuite).♦ Régulation : Pour une entrée de consigne donnée, on souhaite que lasortie reste insensible aux perturbations.

Exemples:…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……

………………………………………………………………………………

Boucle Fermée (BF): (Closed Loop Control ): Processus de Commande:


IV) Régulation





Application: Régulation de niveau d'eau:

Schéma fonctionnel:

IV) Régulation




Type de Régulation

Asservissement: Rejet des perturbations pouvant affecter la mesure.

Poursuite:

Suivi de trajectoire imposée à une mesure. Continue: La commande peut prendre toutes les valeurs possibles.

Discontinue: Tout ou rien (TOR):

• la commande ne peut prendre que deux valeurs. Modulée (discrète):

• la commande prend des créneaux de largeur variable.

C

t (s)Cmin

Cmax

IV) Régulation




Type de Régulation

En cascade: Imbrication d'un régulateur "esclave" dont la consigne est la

sortie d'un régulateur "maître".

IV) Régulation




Type de Régulation

Prédictive: Compensation de perturbation principale.

IV) Régulation




Type de Régulation

Auto-adaptative: Calcul et application d'un modèle de processus en temps réel.

II) Capteurs




Etendue de mesure (range ), décalage du zéro (offset ), temps de réponse (time

response ), sensibilité (sensitivity )…

Chaîne de mesure

Performance d'une chaîne de mesure: Caractéristiques:

IV) Régulation




Structure d'un régulateur industriel

Type de Commande: Régulation: Consigne, Mesure, Commande:

♦ Commande "Tout Ou Rien" (TOR)

♦ Commande "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)

IV) Régulation




Performance d'un régulateur industriel

Performance d'une Commande: Dépassement, erreur statique…

IV) Régulation




Performance d'un régulateur industriel

Performance d'une Commande: Temps de réponse, amortissement…

IV) Régulation




Régulateur TOR

Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)

Régulation TOR: Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:

Capteur

IV) Régulation




Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)

Régulation TOR: Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:

IV) Régulation




Régulation "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)

Régulation PID: Structures possibles:

Références




Quelques ouvrages pour approfondir

[1] "Instrumentation et régulation en 30 Fiches", Patrick Prouvost,Edition Dunod.

[2] "La métrologie en PME-PMI", Michel Vallès, Edition AFNOR.[3] "Les bus de terrain", Guy Farges , Editions techniques Schneider.[4] "Les capteurs en instrumentation industrielle", Georges Asch,

Edition Dunod.[5] "La mesure et l'instrumentation", G.Prieur et M.Nadi,

Edition Masson.[6] "Le Carnet du régleur", J.M.Valance, p.253-264, p.265-277, p.312Edition Valance.

[7] "Guide d'instrumentation contrôle commande automatique",F.M.Després, Kirk Editions Collection industries.

[8] "Systèmes asservis : Commande et régulation", Collection EyrollesMentor Sciences, Edition Eyrolles.

[9] "Aide-mémoire de régulation et automatisme des systèmes frigorifiques",P.Prigent, M.Auclerc, p.5-17, p.171-184, p.185-194, Edition Dunod.

http://btscira.perso.sfr.fr/page3/page3.html

Notes

Q l t




Quelques notes:

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Documents

2011 05 Instrumentationetrgulation 120627023358 Phpapp02 Copier