cours IIT (1)

COURS DEMESURE ET INSTRUMENTATION*Mohamed zied chaariPhD student, Engineer and ASNT (The American Society For Nondestructive Testing) member and Deputy project managerChaari_zied@yahoo,fr

*PrsentationIntroductionLes principes physiquesLes grandeurs principalesLa chane de mesuresConclusion

*MesurerDfinition : La mesure est l'opration qui consiste donner une valeur une observation La mesure est lune des bases importantes sur lesquelles repose la recherche exprimentale. Une recherche de qualit ne peut se raliser sans un programme exprimental reposant sur un dispositif de mesure adapt. Il est important dy apporter lattention et le soin ncessaires, en utilisant la chane dacquisition adquate Mesurande :Grandeur physique (P, T, ...).

Mesurage :Toutes les oprations permettant l'obtention de la reprsentation de la valeur dune grandeur physique.

Mesure : Valeur reprsentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20C, 2 m/s,) Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (rsultat de l'action).

*Types de capteursUn capteur est un dispositif qui transforme l'tat d'une grandeur physique observe en une grandeur utilisable Capteur actifEffet thermolectrique Effet pizo-lectrique Effet d'induction lectromagntique Effet photo-lectrique Effet Hall Effet photovoltaque Capteur passifRsistif (Dplacement, temprature, luminosit)CapacitifMagntique

*Le capteur est le premier lment de la chane de mesureTypes de capteurs

*PrsentationIntroductionLes principes physiquesLe potentiomtreLa pizolectricitCapteur lectromagntiqueLes jauges de contraintesLa conductivitLes grandeurs principalesLa chane de mesuresConclusion

Mesure potentiomtrique*

Un potentiomtre est un type de rsistance variable trois bornes, dont une est relie un curseur se dplaant sur une piste rsistante termine par les deux autres bornes.Ce systme permet de recueillir sur la borne relie au curseur, une tension en fonction de la position dudit curseur et de la tension laquelle est soumise la rsistance.

*Mesure potentiomtrique

Capteur pizolectrique*La pizolectricit est la proprit que possdent certains corps (quartz) de se polariser lectriquement sous l'action d'une contrainte mcanique et rciproquement de se dformer lorsqu'on leur applique un champ lectrique. Les deux effets sont indissociables. Capteur utilisant leffet pizolectrique :Capteur de force / PressionAcclromtreCapteur de dplacement ultrasoniqueDbitmtre ultrasoniqueCourantomtre ADVRadar

*Capteur pizolectriqueLa dcomposition de la chane de conditionnement est la suivante

*Capteur pizolectrique

Capteur lectromagntique*On considre un conducteur ab se dplaant dans un champ magntique uniforme B . On peut alors crire :Induction lectromagntiqueLe principe de mesure dun capteur lectromagntique repose sur la loi dinduction de Faraday: Tout conducteur coupant les lignes dinductions dun champ magntique une certaine vitesse est soumis une force lectromotrice. Et cest le liquide lectriquement conducteur qui reprsente le conducteur en dplacement. La tension est induite par le champ magntique et lamplitude obtenue est proportionnelle la vitesse dcoulement du liquide conducteur. E= B * L * V

Jauge de contrainte*La rsistance dun fil conducteur est dfinie par la loi de Pouillet:

o Rest la rsistance lectrique la rsistivit du matriau L la longueur du fil sla section du filSous sa forme la plus simple, une jauge est constitue dun trs fin fil (2 microns) conducteur coll sur un support. Cette feuille trs mince est arrange suivant la forme ci-dessous. Les brins de fil constituant la jauge tant principalement aligns suivant la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mmes dformations que la surface sur laquelle la jauge est colle.o K est appel le facteur de jauge

*Types de topologieEn pratique, les mesures de dformation impliquent rarement des quantits suprieures quelques microdformations (e x 10-6). Par consquent, le fait de mesurer une dformation ncessite la mesure prcise de trs petites variations de la rsistance. Pour mesurer des variations si petites de la rsistance, les jauges de contrainte sont presque toujours utilises dans une configuration en pont avec une source dexcitation de tensionJauge de contrainte

Pont de Wheatstone *Lorsquun pont est constitu de 4 rsistances de valeurs gales et aliment par une source de tension (E) constante aux points C et D, on obtient par symtrie, une diffrence de potentiel nulle entre les points A et B. Si la rsistance R1 varie lgrement, ce dsquilibre est mesur par le galvanomtre (e0). On ralise donc une mesure proportionnelle

Capteur jauges de contraintes*Le capteur jauges comprend donc un dispositif mcanique (corps dpreuve), destin provoquer, sous laction de la grandeur physique, la dformation de ladite pice.Des jauges colles sur ce corps dpreuve transforment ces dformations en variation de rsistance. Les prcisions obtenues dans ce cas (0,01 %) sont considrablement suprieures celles que donnent les mesures de dformation.En ralisant un talonnage du capteur (comparaison entre la valeur vraie et la mesure lectrique), on peut dterminer les caractristiques de justesse, fidlit, rversibilit, retour zro.

Conductivit*La conductivit lectrique [siemens/m] est l'inverse de la rsistivit. Elle correspond la conductance d'une portion de matriau de 1m de longueur et de 1m2 de section. La mesure des conductivits se fait en courant alternatif (pour viter la polarisation des lectrodes), en mesurant la tension aux bornes d'une cellule plongeant dans la solution tudier et l'intensit du courant qui y circule.

*PrsentationIntroductionPrincipes physiquesLes grandeurs principalesMesures de niveau deauMesures de dbitMesures de courantMesure de sdimentsLa chane de mesuresConclusion

*PrsentationIntroductionPrincipes physiquesLes grandeurs principalesMesures de niveau deauMesures de dbitLes courantomtresMesure de sdimentsLa chane de mesuresConclusion

Mesure de niveau deau*Capteur de pressionCapteur ultrasoniqueCapteur laserBed profilerRadarWave meter / Bi filsCapteur bullesCapteur flotteurWavo

Bed profiler*Plage : 1000 mmRsolution : 0,5 mmVitesse max : 0,5 m/sLinarit : 0,1 %Sortie : 0,05 V/cm

Inconvnient : TraneAppareil destin la mesure en continu du lit de sdiment ou de la surface deau. Il est constitu dune aiguille sondeuse et dun mcanisme de servo-maintien. La mesure de hauteur est reporte un potentiomtre de recopie.Fabricant : HWL Delft HydraulicsLe principe de mesure est bas sur la diffrence de conductivit entre leau et le sdiment.

*Bed profiler

Capteur de pression*La pression absolue : Cest la diffrence de pression par rapport au vide. C'est la pression relle, dont on tient compte dans les calculs sur les gaz. Pour mesurer une pression absolue, il faut faire un vide pouss dans une chambre dite de rfrence. Le vide : Il correspond thoriquement une pression absolue nulle. Il ne peut tre atteint, ni dpass. La pression relative : C'est la diffrence de pression par rapport la pression atmosphrique. Elle est le plus souvent utilise, car la plupart des capteurs sont soumis la pression atmosphrique. La pression atmosphrique ou pression baromtrique : La pression atmosphrique moyenne au niveau de la mer, 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 diffrentielle : C'est une diffrence entre deux pressions, dont l'une peut servir de rfrence. Une pression diffrentielle peut prendre une valeur ngative. Vide

Types de capteur de pression*Capteur jauges de contraintes Capteur pizo-rsistif/lectriqueCapteur inductifCapteur capacitif

Capteur de Pression*PMP 2010 RelatifLPM 9010 DiffUne srie de quatorze capteurs de pression est disponible au laboratoire:8 capteurs diffrentiels LPM 9010 de 70 mbar1 capteur diffrentiel LPM910 de 10 mbar3 capteurs relatifs PMP 2010 de 350 mbar2 capteurs relatifs PMP 4030 de 70 mbarTous ces capteurs sont quips dune lectronique intgre.Ils sont aliments en 12 volts via les botiers dalimentation (LGC) et fournissent une tension de sortie de 5Vdc pour le fond dchelle. Les connecteurs de raccordement sont standardiss.Lair dans les conduites agit comme un filtre passe bas sur la mesure.Les capteurs diffrentiels sont quips dune purge.Linarit : +/- 0,05 %Surpression : 400 %Raccord : NPT

Capteur ultrasonique*L'metteur envoie un train d'ondes qui va se rflchir sur l'objet dtecter etensuite revenir la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet de dterminer la distance de l'objet par rapport la source. L'metteur (quartz pizo-lectrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode rception et attend le retour du signal.Fabricant : Keyence

Capteur laser *La mesure est base sur le principe de la triangulation. La position de la lumire sur le capteur CCD (camra) varie en fonction du dplacement de la cible. Problme : zone morte importanteIl existe galement des lasers utilisantle principe dinterfromtrie.Fabricant : Keyence

Tableau Rcapitulatif*

TypeAvantagesInconvnientsCapteur de pressionPrcis TuyauterieCapteur ultrasoniqueCompact / RobusteSensible aux objetsFlottants / MousseCapteur laserPonctuelleZone morte Bed profilerSurface / FondTraneWave meter / Bi filsRapiditSdimentWavoPrcisLentLimnimtreRfrencePlan deau

Les dbitmtres*Le dbit est habituellement mesur par dduction, en mesurant la vitesse moyenne travers une section connue. Le dbit mesur par cette mthode indirecte est le dbit volumique Qv : Qv = S . V

S est la surface de section de la conduite en m Attention la position du dbitmtreV est la vitesse moyenne du fluide en m/s le long de la conduite : coude/vanne

*Dbitmtre lectromagntique

Dbitmtre ultrasonique

Les dbitmtres

Dbitmtre lectromagntique*Le laboratoire dispose de 6 dbitmtres EM2 x 50 mm 1 x 80 mm et 3 x 120 mm Sortie 4-20 mAFabricant : Endress & Hauser / ABB

*Dbitmtre lectromagntique

Dbitmtre ultrasonique* Les sondes A et B sont la fois mettrices et rceptrices. Elles mettent alternativement l'une vers l'autre. Le signal acoustique qui se propage dans le fluide est capt par la sonde oppose. Les temps de propagation Amont/Aval et Aval/Amont sont mesurs avec grande prcision (typiquement 0.2 ns). A partir de ces temps et de la position gomtrique des sondes, la vitesse moyenne sur le trajet acoustique peut tre calcule. Fabricant : UltraFlux

*Dbitmtre ultrasonique

Dbitmtre*

TypeAvantagesInconvnientsElectromagntiquePrcis / immergeableCoteux / IntrusifUltrasoniqueAmovibleMoins prcis

*Dbitmtre

Les courantomtres / Vlocimtre*-CourantomtrelectromagntiqueTube de Pitot / PrestonADVPTVMoulinet / micro moulinetCourantomtre fil chaud

Courantomtre lectromagntique*Fabricant : HWL Delft HydraulicsCet instrument bas sur la loi dinduction lectromagntique de Faraday, il permet une mesure du champ de vitesse bi-axial. La sonde est raccorde un conditionneur programmable fournissant une tension proportionnelle la vitesse.Gamme : 0-2,5 m/sPrcision : 0,01 m/sMesure 2D

*Courantomtre lectromagntique

Tube de Pitot*Il est constitu de deux tubes couds concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposs de faon particulire.L'un, plac orthogonalement, une vitesse relative v gale la vitesse du fluide et une pression statique ps gale la pression ambiante.L'autre, plac dans le sens de l'coulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale pt, somme de la pression dynamique et de la pression statique.La diffrence entre ces pressions donne la vitesse v = vitessep = pression dans la conduite (ps est la pression statique, pt est la pression totale) = masse volumique du fluide

*Tube de Pitot

ADV (Acoustic Doppler Velocimeter)*La vlocimtrie effet Doppler est l'une des techniques les plus modernes destines aux mesures de la vitesse moyenne et ses fluctuations dans un coulement de suspension de particules solides. Cette technique se rvle bien adapte l'tude d'une zone de recirculation dans la mesure o elle permet, sans perturber l'coulement, 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 diffrence qui existe entre la frquence d'un signal mis par une particule de fluide en mouvement et celle recueillie par le rcepteur fixe.Fabricant :Sontek

Mesure des sdiments en suspension*OPCON optical concentration meter :La sonde est constitue dune source de lumire et dun capteur optique, le tout est reli un systme de gestion micro processeur. Le principe de mesure est bas sur lamortissement de la radiation infrarouge gnr par les particules en suspension traversant le capteur. Il permet de dterminer la concentration mais galement la taille des particules.Turbidimtre : principe de lumire diffuse 90.Gamme de mesure de 0,01 FTU 100 g/l, voire 300 g/l en fonction du milieu mesurer Fabricant : LGCles units, FTU (Formazine Turbidity Units) et NTU (Nephelometric Turbidity Units) sont numriquement identiquesSonde de conductivit destine mesurer la quantit de sel dissout dans leau. Cet instrument permet de dterminer le nuage de dispersion lors dinjection ponctuelle Fabricant : HWL Delft HydraulicsFabricant : Endress + Hauser

*Mesure des sdiments en suspension

*PrsentationIntroductionPrincipes physiquesLes grandeurs principalesLa chane de mesuresConclusion

La chane de mesures*Phnomne physiqueCapteurConditionneur Instrument(carte dacquisition)Logiciel

*Rles du Conditionneur Son rle principal est lamplification du signal dlivr par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unit de visualisation ou d'utilisation. Cet tage intgre gnralement lalimentation du capteur et un filtre qui rduit les perturbations prsentes sur le signal.

Les rglages*Le conditionneur (transmetteur) possde en gnral au moins deux paramtres de rglage ; le dcalage de zro et le gain dterminant l'tendue de mesure (FS)Rglage de zroRglage de gain (amplification)

*Les instrumentsSpcifications :FormatNombre dentre/sortie (A/D)Vitesse de mesureRsolution

Oscilloscope AgilentMultimtre scanner AgilentDaQPad USB National InstrumentsCarte PCI National Instruments

Circuit*Circuit dentre analogique dune carte srie M de National Instruments

*Les erreursL'erreur de justesse est l'erreur globale rsultant de toutes les causes pour chacun des rsultats de mesure pris isolment. La fidlit est l'aptitude d'un appareil de mesure donner des mesures exemptes d'erreurs accidentelles.Erreur de linaritErreur d hystrsisIncertitude de mesure : Somme des erreurs systmatique et alatoire dune chane de mesure

Partie logiciel*AcquimemContact ProAcquisition rapide ( > 10 hz)Drivers National uniquementAcquisition/pilotage lentDrivers multi instrument

*DfinitionsSensibilit: La sensibilit exprime la variation du signal de sortie d'un appareil de mesure en fonction de la variation du signal d'entre.Rsolution: La rsolution est le plus petit cart entre deux valeurs, tel que l'appareil en donne une mesure diffrente.La prcision: La prcision est laptitude dun instrument mesurer une valeur vraie.L'tendue de mesurage: C'est le domaine de variation possible de la grandeur mesurer. Elle est dfinie par une valeur minimale et une valeur maximale (FS: full scale).

*talonnage: Ensemble des oprations tablissant, dans les conditions spcifies, la relation entre les valeurs de la grandeur indique par un appareil de mesure ou un systme de mesure, ou les valeurs reprsentes par une mesure matrialise ou par un matriau de rfrence, et les valeurs correspondantes de la grandeur ralise par les talons.

Calibration: est laction qui consiste rgler linstrument de faon ce que le rsultat corresponde celle du calibre (calibration par rsistance shunt dun pont de jauge).

Dfinitions

Fin*

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