Deux métaux ayant des coefficients de dilatation ...jl.domec.free.fr/siteDjl_fichiers/TP-Cours_BTS_CIM/cours/capteurs/... · • Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement

LES CAPTEURS (BTS CIM module 1_18h) : (Voir aussi les documents TD et les TP)

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A partir de : http://gatt.club.fr/page1/page25/page25.html

1. CLASSIFICATION DES SIGNAUX

1.1 Signal analogique (symbole ∩)Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. Il y a une unité (V, A, s, kg ...)

• Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit, niveau. • Forme : C'est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie, impact. • Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse vocale, sonar,

spectrographie.

1.2 Signal numérique (symbole #)Un signal est numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. C'est un nombre sans unité

• Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un l'état bivalent d'un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée. • Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état. Exemple : un codeur incrémental

donne un nombre fini et connu d'impulsion par tour. • Echantillonnage : C'est l'image numérique d'un signal analogique. Exemple : température, débit, niveau.

EXEMPLE DE CAPTEUR FOURNISSANT UNSIGNAL DE TYPE TOR, LE BILAME :

● Indiquer en justifiant quel est le métal du bilame (au dessus ou au dessous ), qui doit avoir le plus fort coefficient de dilatation .

Principe

• Deux métaux ayant des coefficients de dilatation thermiques différents sont soudés ensemble.

• Flexion du bilame si la température change.

Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 28/01/16-courCapteur-BTS-CIM-mod1.odt-Djl-Page: 1 / 28

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2. LE CAPTEUR2.1.Définition

● UN CAPTEUR est un organe de prélèvement d'information, qui convertit une grandeurphysique, en une autre grandeur physique, très souvent électrique.

Ceci à des fins de mesure ou de commande .

UN CAPTEUR EST DONC UN CONVERTISSEUR OU TRANDUCTEUR .

● Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.(wikipédia)

EXEMPLES: ● Capteurs utilisés pour la mesure: Capteurs de pression, de température et d'humidité

d'une station météo ;La grandeur physique de sortie est de nature électrique . Tension ou intensité de courant.

● Capteurs utilisés pour la commande : capteur de température (bilame,...) commandant l'alimentation du chauffage lorsque la température baisse . Le signal de sortie est souvent électrique et TOR .

● Transducteur électroacoustique : (wikipédia)• Phonographe ; • Hydrophone (transforme, dans les liquides, des oscillations acoustiques en oscillations électriques) ; • Haut-parleur, écouteur ; • Microphone ; • Cristal Piézoélectrique ;(Transforme une déformation mécanique en tension et inversement:BUZZER)

vaucansson.org


http://fr.wikipedia.org/wiki/Pi%C3%A9zo%C3%A9lectricit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Microphone

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89couteur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Haut-parleur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrophone

http://fr.wikipedia.org/wiki/Phonographe


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2.1.LE CAPTEUR DANS SON ENVIRONNEMENT:

Le capteur est donc un organe de saisie d’informations, c’est le premier maillon detoute chaine de mesure, acquisition de données, de tout système d’asservissement,

régulation, de tout dispositif de contrôle, surveillance, sécurité.● GRANDEUR D'INFLUENCE:

Grandeur que l'on ne souhaite pas mesurer mais qui influence la mesure.

Exemple: Température qui provoque la dilatation et donc l'allongement d'une jauge d'extensométrie.

2.2.CONSTITUTION D'UN CAPTEUR :

● ÉLÉMENT DE TRANSDUCTION:Dans un capteur à sortie électrique, l’élément de transduction est l’élément sensible qui est lié au corps d’épreuve. Il traduit les réactions de ce dernier en signal électrique, directement pour les éléments actifs ou à travers un conditionneur pour les éléments passifs (Thermistance, jauges d'extensométrie ....)

Exemple: Capteur de force à jauges d'extensométrie .



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2.3.CAPTEURS PASSIFS ET ACTIFS :2.3.1.CAPTEURS PASSIFS:

ILS NE FOURNISSENT PAS d'énergie et doivent être placés dans un circuit électrique, alimenté ,le CONDITIONNEUR.

Ce sont des dipôles dont L'IMPÉDANCE varie en fonction de la grandeur à mesurer :EXEMPLE: Thermistance dont la résistance varie avec la température, photorésistance ....

2.3.2.CAPTEURS ACTIFS:gatt-club .

CE SONT DES GÉNÉRATEURS généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Les plus classiques sont :

• Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(T1,T2).

• Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.

• Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique.

• Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau.

• Effet Hall : Un champs B crée dans le matériau un champs électrique E dans une direction perpendiculaire. • Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN illuminée, leur

déplacement modifie la tension à ses bornes.



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2.4.CORPS D'ÉPREUVE ET CAPTEURS COMPOSITESPour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation on peut être amené à utiliser un capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l'un de ses effets. Le corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer produit unegrandeur directement mesurable par le capteur.

Exemple: Capteur de force à Jauges métalliques du TP: Corps d'épreuve (lame AU4G).2.5.CAPTEUR INTÉGRÉ

C'est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur unmême substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d'épreuve et l'électronique

de conditionnement.

EXEMPLE: Les capteurs de pression à jauges d'extensométrie (ou de contraintes) gravées sur lamembrane de semi-conducteur servant de corps d'épreuve.

http://membres.lycos.fr/michelhubin/capteurs/techno/chap51.htm

La membrane avec ses résistances intégrées est le carré central, tandis qu'on distingue parfaitement les électrodes de sortie (en haut) et les circuits électroniques annexes (compensation) à gauche. La figure de droite représente une membrane d'acier sur laquelle sont déposées des jauges en technologie couche mince (voir ci-dessous). Sur la photo on ne distingue en fait que les électrodes d'or qui interconnectent les jauges pour constituer le pont car les résistances métalliques ont une coloration sensiblement identique à celle de la membrane vue à travers le diélectrique semi transparent qui isole ici le pont de la membrane.

3. LE TRANSMETTEUR:3.1.Le rôle du transmetteur3.2.C'est un dispositif qui converti le signal de sortie du capteur en un signal de mesure

standard. Il fait le lien entre le capteur et le système de contrôle commande. Le couple capteur+transmetteur réalise la relation linéaire entre la grandeur mesurée et son signal de sortie.

3.3.Paramétrage d'un transmetteur:Le transmetteur possède en général au moins deux paramètres de réglage ;

le DÉCALAGE DE ZÉRO ET L'ÉTENDUE DE MESURE .

Si le transmetteur possède un réglage analogique, pour paramétrer le transmetteur il suffit (respecter l'ordre) :

• De régler le zéro quand la grandeur mesurée est au minimum de l'étendue de mesure (réglage du 0 )• De régler le gain quand la grandeur mesurée est au maximum de l'étendue de mesure (réglage du 100 )





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4. PRINCIPES PHYSIQUES ET TECHNOLOGIE DE QUELQUESCAPTEURS

(Température, Force, Déplacement, Vitesse)

Principes physiques courants exploités par les capteurs (wikipédia:http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur#Capteurs_intelligents)

• variation de capacité • variation d'inductance • variation de résistance • effet hall • effet photoélectrique • dilatation • piézo-électricité • effet Doppler (« RADAR » DE CONTRÔLE DES VITESSES SUR ROUTE )

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radar_de_contr%C3%B4le_routier• principe de la corde vibrante (capteur de déformation de la grande Arche-Paris La Défense)

EXEMPLES DE CAPTEURS

de température • pyromètre • thermomètre,

sonde PT100 • thermocouple • thermistance

de déplacements • souris

(informatique) • capteur de

proximité • codeur • détecteur de

mouvements • LVDTs et RVDTs • corde vibrante • capteur de position

de contrainte • corde vibrante • piézo-électrique • jauge de contrainte• plot magnétique

Vitesse: http://sitelec.free.fr/cours/abati/captvit.htm

Tachymétrie ● génératrice

tachymétrique ● Codeur incrémental

(codeur relatif) ● Codeur absolu

Pgm BTS mod1 :


http://sitelec.free.fr/cours/abati/captvit.htm

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pi%C3%A9zo%C3%A9lectricit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Corde_vibrante

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Capteur_de_position&action=edit


http://fr.wikipedia.org/wiki/RVDT

http://fr.wikipedia.org/wiki/LVDT

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=D%C3%A9tecteur_de_mouvements&action=edit

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=D%C3%A9tecteur_de_mouvements&action=edit

http://fr.wikipedia.org/wiki/Codeur_rotatif

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur_de_proximit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur_de_proximit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Souris_(informatique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Souris_(informatique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermistance

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermocouple

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermom%C3%A8tre_%C3%A0_r%C3%A9sistance_de_platine

http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermom%C3%A8tre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pyrom%C3%A8tre


http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler-Fizeau


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Capteur inductif : exemple : 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 cechamp , 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.



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Capteur inductif de fréquence de rotation pour l'affichage de la vitesse du scooter Scoot'élec. Le Scoot'élec a les mêmes performances qu'un scooter thermique de moins de 50 cm3. En usage urbain, il offre de nombreux avantages et peu d'inconvénients. Il s'intègre facilement dans le trafic. La puissance progressive de son moteur permet une conduite souple, fluide et sans à-coups. Son entretien est réduit et sa consommation très économique. Sa vitesse maximale est de 45 km/h et il parcourt le 100 m départ arrêté en 12 secondes. Son constructeur revendique une autonomie de 45 km à pleine vitesse et de 30 km en cycle urbain (selon cycle typique du cahier des charges fonctionnel).

Le tableau de bord du Scoot’Elec dispose d’un indicateur de vitesse (obligatoire). Celui-ci est entraîné mécaniquement par un câble venant de la roue avant.

Cette information vitesse est aussi donnée par le TEP96, lorsque le scooter est sur la béquille centrale et que la roue arrière est en rotation. Cette information est donc indépendante de celle fournie par le système monté sur la roue avant et provient d’un capteur situé sur la roue arrière.

DOCUMENTATION : CAPTEUR INDUCTIF utilisé dans le scooter Il est constitué d'un aimant permanent, solidaire d'un noyau de fer doux sur lequel est placé un bobinage. Le capteur est placé en regard d'une couronne dentée mise en rotation par la roue. Le champ magnétique émis par l'aimant crée un courant induit dans le bobinage interne du capteur. Le passage du capteur devant une dent provoque une perturbation des lignes de flux magnétique. La succession de pleins et de creux, due à la présence ou non d'une dent, entraîne une variation du flux magnétique suffisante pour produire une variation du courant induit aux bornes de la bobine du capteur, qui se concrétise par un signal électrique alternatif à destination du calculateur. L'amplitude et la fréquence du signal ainsi obtenues sont proportionnellement croissantes avec la vitesse angulaire de la roue.

Le signal induit dans la bobine n'est pas sinusoïdal et est lié à la forme de l'objet détecté.La forme asymétrique de la pièce permet de connaître le sens de passage (de rotation) par analyse de l'information recueillie.

L'amplitude de la tension de sortie du capteur inductif évolue en fonction de l'entrefer (espace entre le capteur inductif et la roue dentée).

http://louispayen.apinc.org/pedagogie/activites-ge/tp-capteur-scoot/tp-capteur-scoot.doc


http://louispayen.apinc.org/pedagogie/activites-ge/tp-capteur-scoot/tp-capteur-scoot.doc


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3. CAPTEUR DE VITESSE http://stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/abati/captvit.htm

3.1.RAPPEL DES NOTIONS DE VITESSE : Il s'agit de mesurer, pour un mouvement la vitesse de déplacement, d'un corps, en rotation (rad/s) ou translation V(m/s) .

○ En rotation, on mesure le plus souvent des vitesse angulaires Ω(rad /s) ou

des fréquences de rotation (tr/s). ON PARLE DE TACHYMÉTRIE.

○ En translation , la mesure peut se faire à partir de la mesure de la vitesse angulaire d'un élément lié au

mouvement de translation puis calcul [V (m /s)=Rayon .Ω] ;

Mais on peut aussi utiliser la propriété de variation de la fréquence reçue en écho par l'émetteur sur unvéhicule en mouvement par effet DOPPLER

Exemple: RADAR (ondes radio centimétriques) ou

LIDAR (ondes laser visibles ou IR)

utilisés pour le contrôle routier .....

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radar_de_contr%C3%B4le_routier Done with KPaint by Pierre cb

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lidar ;

EFFET DOPPLER:http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler-Fizeau

L'effet Doppler est le décalage de fréquenced'une onde acoustique ou électromagnétiqueentre la mesure à l'émission et la mesure à la

réception lorsque la distance entre l'émetteur etle récepteur varie au cours du temps.

On entend oOOUiNiiNOUOo au passage d'unemoto ...Le son est plus aigu si le véhicule se

rapproche et plus grave s'il s'éloigne.

L'émetteur, au centre (point rouge) se déplace vers la Gauche .L'observateur à Droite perçoit un son plus grave.L'observateur à Gauche perçoit un son plus aigu.(l'émetteur se rapproche)


http://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_acoustique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fr%C3%A9quence

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler-Fizeau

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lidar

http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Pierre_cb

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lidar

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radar_de_contr%C3%B4le_routier

http://stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/abati/captvit.htm


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3.2.TACHYMÉTRIE ( GÉNÉRATRICE TACHYMÉTRIQUE ) : Elle délivre une tension proportionnelle à sa vitesse de rotation. Son principal domaine d'application se situe dans la régulation de vitesse d'un moteur électrique.

○ Identifier le conditionneur du capteur, l'élément de transduction, le mesurande , la réaction du transducteur, et la grandeur de sortie . Faire un schéma bloc unifilaire,avec grandeurs et unités .

● Mesure de vitesse angulaire ou fréquence de rotation avec un optocoupleur ou fourche optique .

La photodiode utilise l'effet PHOTOÉLECTRIQUE:

Elle est réalisée avec un semi-conducteur.

● Un semi-conducteur est un matériau pauvre en porteurs de charges électriques ( ½ isolant ).

Lorsqu'un photon d'énergie suffisante excite un atome du matériau, celui-ci libère un électron qui participera à la conduction.

La LED ou DEL (Diode Electro Luminescente ) éclaire la photodiode sauf si le faisceau est interrompu par le disque .

L'opto-coupleur est l'ensemble photodiodeet LED .


vGT vU


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3.3.CAPTEUR DE POSITION ET DE VITESSE : LA SOURIS INFORMATIQUE http://jerome.hennecart.free.fr/documents%20Word/TP%20Mesure%20de%20distance%20avec%20une%20souris.doc

Les deux roues à fourche optique permettent de déterminer le déplacement vertical et horizontal.

Le sens de déplacement de la souris est déterminé grâce à deux récepteurs infrarouges décalés. Il en résulte un décalage entre les signaux qu’ils fournissent. Le sens du décalage permet de connaître le sens du déplacement (voir figure ci-contre).

● Expliquer en terme d'avance de phase oude retard de phase, comment on peut déterminer le sens de déplacement . Déterminer le sens de rotation de la roue,puis de la boule, puis de la souris sur la figure ci-contre.

● Expliquer comment on peut déterminer la vitesse de déplacement de la souris sur chaque axe X et Y .

POUR UNE SEULE ROUE CODEUSE .

LE PRINCIPE EST LE MÊME POUR LASECONDE.

P r i n c i p e d e f o n c t i o n n e m e n t d ' u n e s o u r i s

t

t

D 1

D 2

Le photransistor à Gauche donne le signal D2,en bas . Celui de droite donne D1.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Souris_%28informatique%29


Roue perforée

Fourche optique

http://jerome.hennecart.free.fr/documents%20Word/TP%20Mesure%20de%20distance%20avec%20une%20souris.doc


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4. CAPTEUR DE FORCE (VOIR AUSSI LE TP CAPTEUR DE FORCES À JAUGES):http://www.chez.com/produ/cap/index.htm

FORCE: Toute cause capable de produire, empêcher, modifier le mouvement d’un mécanisme, ou de le déformer .

La plupart des capteurs de force ne sont sensibles qu’à une direction d’application privilégiée. Ils trouvent essentiellement leur utilisation dans la surveillance et les techniques de fabrication.

POUR MESURER UNE FORCE, ON EN MESURE LES EFFETS.NÉCESSITÉ D'UN CORPS D'ÉPREUVE .

● QUEL EST LE CORPS D 'ÉPREUVE ICI.

● QUELLE EST LA GRANDEUR DE RÉACTIONÀ LA FORCE OU EFFET ?

F 2 ∥F 2∥∥F1∥

1. EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE: Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à unetension électrique.Cet effet piézoélectrique direct est attribué à Pierre et Jacques CURIE en 1880. Le phénomène est réversible et une tension V appliquée au cristal provoque une contraction ouune expansion suivant le signe de V .

DisquePiézocéramique entre

deux électrodes métalliques


http://www.chez.com/produ/cap/index.htm


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5. CAPTEUR DE TEMPÉRATURE 5.3.BREF HISTORIQUE

L'invention du thermomètre est attribuée à Galilée, encore que le thermomètre scellé n'ait pas vu le jour avant 1650. Les thermomètres modernes à mercure (1714) et à alcool furent inventés par le physicien allemand Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) ; celui-ci proposa la première échelle de température.

Depuis, diverses échelles ont été proposées, dont l'échelle centésimale, ou Celsius, conçue par l'astronome suédois Anders Celsius en 1743 :

● 0 °C correspondant au point de fusion de la glace ● 100°C au point d'ébullition de l'eau sous une pression atmosphérique normale.● 0 °C = 32 °F ; 100 °C = 212 °F

5.2.DÉFINITION ET UNITÉS :LA TEMPÉRATURE EST UNE MESURE DE L'AGITATION THERMIQUE ,

des molécules et des atomes de la matière.Plus le matériau est chaud, plus il a d'ÉNERGIE INTERNE d'AGITATION THERMIQUE

L'unité SI de température est le Kelvin (K). Il mesure la température absolue, c'est-à-dire la température qui ne dépend pas de certaines propriétés du corps. Elle fut inventée par le mathématicien et physicien britannique sir William Thomson Kelvin au XIXe siècle.

La plus petite température que l'on puisse théoriquement atteindre est le zéro absolu 0 K soit - 273,15 °C (T Celsius = T Kelvin – 273,15).

À 0 K, LES ATOMES SONT FIGÉS

Les écarts de température sont identiques sur les échelles Kelvin et Celsius.

De toutes les grandeurs physiques, la température est certainement l'une de celle dont la mesure est la plus fréquente. En effet, la température détermine de façon décisive les propriétés de la matière. C'est pourquoi, en recherche comme dans l'industrie, la mesure précise et le contrôle très strict des température sont indispensables. Du nombre très important de propriétés de la matière et de phénomènes physiques sensibles à la température résulte aujourd'hui une grande diversité de méthodes de mesure, et de ce fait de capteurs de température :· méthodes mécaniques, fondées sur la dilatation d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz à pression constante,· méthodes optiques, fondées sur la répartition spectrale du rayonnement,· méthodes électriques, reposant sur la variation thermique de la résistance, de la Tension. Les méthodes optiques ou mécaniques, qui s'appuient sur l'observation extérieure d'une propriété du milieu dont on mesure la température, ont un domaine d'emploi limité. Les méthodes électriquespar contre, sont d'une grande généralité, mais l'interaction réciproque du capteur avec le milieu environnant pose très souvent, lorsque la mesure doit être précise, un problème d'évaluation et de minimisation de l'écart entre la température à mesurer et température effectivement mesurée qui est la température du capteur.



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5.4.CAPTEURS DE TEMPÉRATURE À THERMOCOUPLE :Le thermocouple utilisé pour la sonde de température du multimètre XP35 est de type K .

IL A PERMIS D'ÉTABLIR EN TP NOTRE COURBE D'ÉTALONNAGE DE LA CTN . Le schéma ci-contre présente le principe de la mesure detempérature par thermocouples. Les deux métaux a et b,

de natures différentes, sont reliés par deux jonctions(formant ainsi un thermocouple) aux températures T1 et

T2. Par effet Seebeck, le thermocouple génère une

différence de potentiel qui dépend de la différence detempérature entre les jonctions, T1-T2. Notons que les

thermocouples ne mesurent pas à proprement parler unetempérature mais une différence de température. Pour

mesurer une température inconnue, l'une des deuxjonctions doit être maintenue à une température connue,

par exemple celle de la glace fondante (0 °C). Il estégalement possible que cette température de référencesoit mesurée par un capteur (température ambiante, par

exemple). La mesure de température est donc une mesureindirecte, puisque les thermocouples mesurent en fait unedifférence de potentiel électrique. Il est donc nécessaire de

connaître la réponse du thermocouple utilisé en fonctionde la température pour pouvoir relier la différence depotentiel électrique à la différence de température.

LA MESURE PASSANT PAR LA DÉTERMINATION D'UNE DIFFÉRENCE DE POTENTIEL, SA PRÉCISION DÉPEND FORTEMENT DU VOLTMÈTRE UTILISÉ.

schéma de principe d'un thermocouple


Type K [modifier]

• Composition : Chromel (alliage nickel + chrome) / Alumel (alliage nickel + aluminium(5%) +silicium)

• thermocouple standard. Il permet une mesure dans une gamme de température large : -200 °C à1250°C. Il est également bon marché.

Le phénomène inverse est aussi vrai : si on applique une tension, alors il y aura un échauffement ou un refroidissement au point de liaison des deux conducteurs ( MODULES À EFFET PELTIER ).

Couples thermoélectriques

• Avec une jonction à 0 °C, les F.E.M. mesurées varient de -10 à +60 mV.

● Le thermocouple est-il un capteur passif ou actif ?

● Quel est l'élément de transduction dans le capteur de température à thermocouple ? Faire un schéma bloc.

● Quelle est L'ÉTENDUE DE MESURE (EM) d'un thermocouple K:


http://fr.wikipedia.org/wiki/Aluminium

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nickel

http://fr.wikipedia.org/wiki/Chrome

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nickel

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Thermocouple&action=edit&section=6


http://fr.wikipedia.org/wiki/Voltm%C3%A8tre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diff%C3%A9rence_de_potentiel




http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9tal


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6. LE TRANSMETTEURhttp://gatt.club.fr/page1/page25/page25.html

6.1.LE RÔLE DU TRANSMETTEUR

il converti le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard. Il fait le lien entre le capteur et le système de contrôle commande .

CAPTEUR+TRANSMETTEUR RÉALISE la relation linéaire entre la grandeur mesurée et son signal de sortie.

PARAMÉTRAGE D'UN TRANSMETTEUR:Le transmetteur possède en général au moins deux paramètres de réglage ; le décalage de zéro et l'étendue de mesure (figure pression). Si le transmetteur possède un réglage analogique, pour paramètrer le transmetteur il suffit (respecter l'ordre) :

• De régler le zéro quand la grandeur mesurée est au minimum de l'étendue de mesure (réglage du 0 );

• De régler le gain quand la grandeur mesurée est au maximum de l'étendue de mesure (réglage du 100)6.2.RACCORDEMENT ÉLECTRIQUE

On peut séparer trois types de transmetteur : • Les transmetteurs 4 fils (dits actifs) qui

disposent d'une alimentation et qui fournissentle courant I. Leur schéma de câblage est identique à celui des régulateurs (fig. 4).

• Les transmetteurs 3 fils sont des transmetteur 4 fils, avec les entrées moins reliées (fig. 3).

• Les transmetteurs 2 fils (dits passifs) qui ne disposent pas d'une alimentation et qui contrôlent le courant I fournie par une alimentation externe (fig. 2).

Figure 4

Figure 3

Figure 2

6.3.TRANSMETTEUR À BOUCLE DE COURANT Une boucle 4-20 mA est composée :

• D'un générateur, qui fournit le courant électrique I;

• D'un ou plusieurs récepteurs, qui mesure le courant électrique I qui les traverse.

Remarque : • Le courant I sort par la borne + du

générateur ; • Le courant I entre par la borne + des

récepteurs.


http://gatt.club.fr/page1/page25/page25.html#2



http://gatt.club.fr/page1/page25/page25.html#pression



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6.4.LE TRANSMETTEUR INTELLIGENT (Gatt-Club)

Le transmetteur intelligent est un transmetteur muni d'un module de communication et d'un microcontrôleur.

Le module de communication permet :

• De régler le transmetteur à distance ; • De brancher plusieurs transmetteurs sur la même ligne.

Le microcontrôleur permet :

• De convertir la mesure en une autre grandeur, appelée grandeur secondaire. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau (voir chapitre sur les mesures de niveau).

• De corriger l'influence des grandeurs d'influence sur la mesure.

7. CAPTEURS INTELLIGENTS (wikipédia:http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur#Capteurs_intelligents)

Les dernières années du XXe siècle ont vu apparaître le concept de capteurs intelligents.

En plus de leur faculté de mesurer une grandeur physique, il possèdent d'autres fonctionnalités dont voici une liste non-exhaustive :

• fonctions configurables de traitement du signal (filtre, gains…) • fonctions d'auto-test et d'auto-contrôle • étalonnage automatique • sortie sur des bus de terrain


http://fr.wikipedia.org/wiki/Bus_de_terrain

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89talonnage

http://fr.wikipedia.org/wiki/Filtre_(%C3%A9lectronique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Traitement_du_signal

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur#Capteurs_intelligents


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8. PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES DES CAPTEURS : http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/cpt/les_capteurs.htm

8.1.CARACTÉRISTIQUES STATIQUES ET DYNAMIQUES DES CAPTEURShttp://pagesperso-orange.fr/michel.hubin/capteurs/metro/chap_met3.htm

8.1.1.CARACTÉRISTIQUES DYNAMIQUES : supposons qu'à un instant to nous appliquions au capteur une certaine grandeur xo constante et parfaitement connue (ce qu'on a coutume d’appeler un échelon). L'expérience montre, voir figure, que laréponse du capteur n'est pas instantanée. Ce n'est qu'à l'instant to+T que l'on pourra considérer que la réponse du capteur est physiquement stable et que le régime statique est atteint, et alors seulement on pourra définir les caractéristiques métrologiques telles que la sensibilité, la précision etc.

● TEMPS DE RÉPONSE:Durée pour passer d'un état stable à un autre , lors d'une variation en échelon du mesurande.

● BANDE PASSANTE:bande de fréquence des variations du mesurande que le capteur peut restituer, sans atténuation notable;

● RAPIDITÉ: capacité à suivre la variation en rampe du mesurande (variation linéaire de vitesse, de température .…)

Réponse à une « rampe » du mesurande EE(t) = a.t. u(t) ; u(t) échelon unitaire

http://www-lagis.univ-lille1.fr/~bonnet/GSI/Capteurs3_GSI.pdf

Réponse en Poursuite

TEMPS DE RÉPONSE: RÉPONSE INDICIELLE ; (c)gatt-club

BANDE PASSANTE:


http://www-lagis.univ-lille1.fr/~bonnet/GSI/Capteurs3_GSI.pdf

http://pagesperso-orange.fr/michel.hubin/capteurs/metro/chap_met3.htm

http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/cpt/les_capteurs.htm


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8.1.2.CARACTÉRISTIQUES STATIQUES :

■ L'ÉTENDUE DE LA MESURE : Zone dans laquelle les caractéristiques du capteur correspondent aux spécifications de fonctionnement normal ; elle est bornée par la limite inférieure et la limite supérieure (portées)

(Exemple: notice constructeur, pèse personne, multimètre...)

■ LA SENSIBILITÉ : c'est la plus petite variation d'une grandeur physique que peut détecter un capteur.

TRAITEMENT STATISTIQUE DES MESURESLes erreurs entraînent une DISPERSION des résultats lors de mesures répétées. Leur traitement statistique permet :

● de connaître la valeur la plus probable de la grandeur mesurée,

● de fixer les limites de L'INCERTITUDE.

Une indication de la dispersion de ces résultatsest donnée par L'ÉCART-TYPE :

=∑ xi−x2

n−1écart quadratique moyen .

Lorsque la mesure d'une même grandeur X aété répété n fois, donnant les résultats : x1, x2...

xn, la valeur moyenne est définie par :

x=∑ xi

nLorsque les ERREURS ACCIDENTELLES

affectant les différentes mesures sontINDÉPENDANTES, la probabilité d'apparition

des différents résultats satisfait habituellement àla loi normale dite encore LOI DE GAUSS :

● LA PRÉCISION : c'est la capacité de répétabilité(FIDÉLITÉ) et de proximité de la valeur vraie(JUSTESSE ) d'une information sur la grandeur physique à mesurer.

ON ILLUSTRE CES NOTIONS PAGE SUIVANTE .

REPRODUCTIBILITÉ: Faible écart entre les résultats des MESURES D'UNE MÊME GRANDEUR AU MOYEN DE DIFFÉRENTS INSTRUMENTS, suivant diverses méthodes, par des opérateurs distincts en des temps et des lieux différents.

RÉPÉTABILITÉ: concerne la même mesure, EFFECTUÉE SELON LA MÊME PROCÉDURE, avec le MÊMEAPPAREILLAGE, par la même personne, en un même lieu et en un temps court vis à vis de la durée d'une

mesure.



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● JUSTESSE:Un instrument est JUSTE si la VALEUR MOYENNE des mesures répétées de la même grandeur est PROCHE DE LA VALEUR VRAIE, X .

● FIDÉLITÉ :Un instrument est FIDÈLE si la DISPERSION des mesures répétées de la même grandeur est FAIBLE . DONC ,

UN INSTRUMENT FIDÈLE À UN FAIBLE ÉCART TYPE =∑ xi−x2

n−1SUR LES MESURES ,

OU EN CORE: FIDÈLE = UNE FAIBLE DISPERSION DES MESURES

● LA PRÉCISION : Un instrument PRÉCIS, est JUSTE et FIDÈLE :En pratique, la PRÉCISION FIXE GLOBALEMENT L'ERREUR MAXIMUM ,(en + ou en -- ) pouvant être commise lors d'une mesure. Elle est généralement exprimée en % de l'étendue de mesure.

PRÉCISION = « ERREUR DE JUSTESSE » + « ERREUR DE FIDÉLITÉ »

1. PLACER LA VALEUR MOYENNE DES MESURES x SUR CHAQUE GRAPHES CI-CONTRE ET PLACER LE TERME CORRECT :

PRÉCIS, JUSTE OU FIDÈLE .

X est la valeur VraieCapteur ________

Capteur ________

Capteur _________

http://www.es-france.com/pdf/MX22-24.pdf?osCsid=13e80fb5e51fc31467d9997ed3f7fc24

2. Le multimètre ci-contre est votre MX23 habituel . Il a 5000 points d'affichage possible sur l'étendue de mesure . Il est en mesure TRMS AC+DC. CALCULER L'ERREUR COMMISE SUR CETTE MESURE OU PRÉCISION :



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LES TYPES D'ERREURS CLASSIQUES: Elles sont systématiques et donc corrigibles . gatt-club

1. L'ERREUR DE ZÉRO (OFFSET) :Erreur de zéro = Valeur de x quand X = 0

C'est une erreur qui ne dépend pas de la valeur de la grandeur mesurée Elle est souvent automatiquement corrigée par les capteurs intelligents, comme dans les balances électroniques ...

● Donner des exemples de capteur ayant des erreurs de zéro .

● Donner des exemples de moyen de correction d'erreur de zéro .

2. L'ERREUR D'ÉCHELLE (GAIN) : C'est une erreur qui dépend de façon linéaire de la valeur de la grandeur mesurée.

● Dans le TP capteur de Force , quelle la grandeur de réglage qui était différente suivant chaque poste et dont l'oubli de la mesure ,empêchait la comparaison entre les courbes d'étalonnage de chaque poste. ?

● Quelle était le coefficient de l'équation de la droite d'étalonnage quidifférait, alors, entre les postes ?

3. L'ERREUR DE LINÉARITÉ : La caractéristique n'est pas une droite.

4. L'ERREUR DUE AU PHÉNOMÈNE D'HYSTÉRÉSIS : Il y a phénomène d'hystérésis lorsque le résultat de la mesure dépend dela précédente mesure.

5. L'ERREUR DE MOBILITÉ : La caractéristique est en escalier. Cette erreur est souvent due à une numérisation du signal .



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9. ÉLÉMENTS DE MÉTROLOGIE: 9.1.SYSTÈME INTERNATIONAL D'UNITÉS(SI) (EX SYSTÈME MÉTRIQUE)

9.1.1.LE SYSTÈME D'UNITÉS INTERNATIONALES ET SES SYMBOLES:

La 11e Conférence générale des poids et mesures (1960) a adopté le nom Système international d'unités (avec l'abréviation internationale SI) pour le système pratique d'unités de mesure.

Les unités (K), (A), (kg), (mol) vont être redéfinies par des constantes physiques (kB Boltzman ), (e charge),

(h Planck), NA (Avogadro) respectivement . (Conférence BIPM 11/2014) http://www.bipm.org/en/measurement-units/new-si/

9.1.2.RÈGLES POUR L'ÉCRITURE DES UNITÉS: BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET MESUREShttp://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/chapter5/5-1.html

● Les symboles des unités sont imprimés en caractères romains (droits), quelle que soit la police employée dans le texte où ils figurent. En général les symboles des unités sont écrits en minuscules, mais, si le nom de l'unité DÉRIVE D'UN NOM PROPRE, la première lettre du symbole est MAJUSCULE.Exemples: le kilogramme (kg) ; le Hertz (Hz)

Le litre est un exception à cette règle et peut s'écrire ,L ou l , pour éviter toute confusion avec le chiffre 1 (1979).

● PRÉFIXE DE MULTIPLE ou SOUS-MULTIPLE: celui-ci fait partie de l'unité et il précède le symbolede l'unité, sans espace entre le symbole du préfixeet le symbole de l'unité. Un préfixe n'est jamais utilisé seul et l'on n'utilise jamais de préfixes composés.

● LES SYMBOLES D'UNITÉS sont des entités mathématiques et pas des abréviations. Ils ne doivent donc pas être suivis d'un point, sauf s'ilsse trouvent placés à la fin d'une phrase. Ils restent invariables au pluriel et il ne faut pas mélanger des symboles avec des noms d'unités dans unemême expression, puisque les noms ne sont pasdes entités mathématiques.

● Les règles classiques de multiplication ou de division algébriques s'appliquent pour former les produits et quotients de symboles d'unités. La multiplication doit être indiquée par un espace ou un point à mi-hauteur centré (·)Il ne faut pas utiliser plus d'une barre oblique dans une expression donnée s'il n'y a pas de parenthèses pour lever toute ambiguïté.


http://www.bipm.org/en/measurement-units/new-si/


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9.2.BUDGET D'INCERTITUDES. Il s'agit de faire le bilan chiffré des causes d'erreurs possibles lors des mesures

DIAGRAMME DES CAUSES D'ERREURShttp://jm.karrer.free.fr/downloads.htm#incert


http://jm.karrer.free.fr/downloads.htm#incert


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D'AUTRES EXEMPLES SONT TRAITÉS EN TD .



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1. EXERCICES : ERREURS ET INCERTITUDES DE MESURES

1.1. ON DONNE LES DISTRIBUTIONS DE RINDUIT RÉSUMÉES CI-DESSOUS :

1.1.1. Faire la liste des causes systématiques d’erreurs de Mesure pour le capteur de force à jauges.1.1.2. Indiquer des moyens de les corriger .1.1.3. Dresser la liste des causes d’incertitudes de mesures .1.1.4. Faire de même pour la mesure de rinduit par la méthode du rotor calé pour les petits moteurs à

courant continu .

Après avoir RAPPELÉ SUCCINTEMENT LA MÉTHODE DE MESURE DE LARÉSISTANCE D'INDUIT D'UN MOTEUR À COURANT CONTINU PAR LA MÉTHODE

DU ROTOR CALÉ .

1.1.5. On donne la distribution suivante des valeurs de rinduit mesurées par la méthode du rotor calé et considérée comme variable aléatoire Rinduit .

0

5

10

15

20

25

14,1 14,4 14,5 14,7 14,9 15,3 15,7

Valeur de r

Nom

bre

de m

esur

es (

r)

Distribution des 86 Valeurs de r induit= U / I mesurées à rotor calé sur le MFA12-24V sous Um = 12 V. ; Alimentation en Sv .

1/Type de graphique Nuage de points puis Histogramme.

● DONNER LE NOM et une ESTIMATION QUANTITATIVE DE L’INCERTITUDE, RINDUIT (SV-12) , de mesure sur cette distribution .

● CALCULER la valeur Moyenne R INDUIT de RINDUIT



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2. ON DONNE LES DISTRIBUTIONS DE RINDUIT RÉSUMÉES CI-DESSOUS :

0

5

10

15

20

25

10,0

11,0

12,0

13,0

14,0

15,0

16,0

17,0

18,0

19,0

20,0

Valeurs de r(Ohms)

Nom

bre

de m

esure

s p

our chaque v

ale

ur

r N

b(r

)

U/I pour Sv:U=12V

U/I pour Sv:U=24V

U/I pour Si:U=12V

U/I pour Si:U=24V

Bilan des distributions des 397 mesures de r = U/I (Essais à rotor calé)pour le MFA 12-24V

On obtient : r moy = 16,2 ;Ecart Type Total ou Dispersion (394 mesures) :1,525.

ON prend pour HYPOTHÈSE que la VALEUR MOYENNE DES 4 DISTRIBUTIONS, r MOY = 16,2 Ω est la VALEUR VRAIE DE r.

a-Indiquer ,en justifiant, la distribution la plus fidèle .

b-Indiquer ,en justifiant, la distribution la plus juste.

c-Indiquer ,en justifiant, la distribution la plus précise .

d-Quelle erreur de mesure (Systématique) pourrait affecter les mesures si l'on rappelle que la mesure se fait par relevé de r = Um / Im, ceci à rotor calé de manière répétitive et à température ambiante .



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EXEMPLE ÉLÉMENTAIRE DE BUDGET D’INCERTITUDE http://smdsi.quartier-rural.org/enseignement/himbertm.htm

Ce paragraphe illustre la détermination du budget d’incertitude permettant d'évaluer l'incertitude associée à la mesure d'une résistance électrique d'environ 10 à l'aide d'un voltmètre numérique et d'un ampèremètre à aiguille préalablement étalonnés. Outre le biais introduit par le mode opératoire utilisé (courte dérivation, en l’occurrence),

MONTAGE COURTE DÉRIVATION OU MONTAGE AVAL

une analyse des causes d'erreur qui imposent une correction a conduit à l'inventaire suivant :

● étalonnage du voltmètre, étalonnage de l'ampèremètre ● dérive de ces deux instruments ● influence de la température sur chacun des deux instruments ● limitations imposées par la résolution du voltmètre et de l'ampèremètre

Il convient également d'évaluer la dispersion associée à la répétabilité des mesures. En appliquant les méthodes et conventions décrites ci-dessus pour l'évaluation de chaque composante et pour la composition globale on aboutit au tableau récapitulatif suivant (toutes les valeurs sauf l'incertitude élargie sont données à 1 écart-type.

0,01

A 0,01

Composantes évaluées par d'autres moyens0

0,020

0,010

0,0100

0,02

0,03

0,05

Composantes évaluées par l'analyse statistique

u (Rm) : Répétabilité des mesurages

u (étal UR)Etalonnage voltmètreu (étal IR)Etalonnage ampèremètre

u (dériv UR)Dérive voltmètreu (dériv IR)Dérive ampèremètre

u (T UR)Influence température sur voltmètreu (T IR)Influence température sur ampèremètre

u (résol UR)Résolution voltmètreu (résol IR)Résolution ampèremètre

B incertitudetype

incertitude élargie


http://smdsi.quartier-rural.org/enseignement/himbertm.htm


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10.Choix d'un capteur : http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/cpt/les_capteurs.htm

Tous les capteurs dont les fonctionnements ont été décrits précédemment présentent deux parties distinctes. Unepremière partie qui a pour rôle de détecter un évènement et une deuxième partie qui a pour rôle de traduire l’évènement enun signal compréhensible d'une manière ou d'une autre par l’homme ou une machine chargés de l’exploiter. Pour choisircorrectement un capteur, il faudra définir tout d'abord

- le type d' évènement à détecter,- la nature de l' évènement,- La grandeur de l'évènement, ( F (N), U(V),...)- l'environnement de l' évènement. (Température, Pression, Humidité, Vibrations, Champ Magnétique, Tension,Acide, Rayonnement...)

En fonction de ces paramètres on pourra effectuer un ou plusieurs choix pour un type de détection. D'autres élémentspeuvent permettre de cibler précisément le capteur à utiliser :

- ses performances,- son encombrement,- sa fiabilité (MTBF) (Mean Time Between Fail)- la nature du signal délivré par le capteur (électrique, pneumatique)- son prix...

Exemples de choix : Capteurs Tout ou Rien (TOR)




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Quelques liens utiles :

Généralités:http://fr.wikipedia.org/wiki/Corde_vibrante#La_jauge_de_d.C3.A9formation_:_jauge_extensom.C3.A9trique_.C3.A0_corde_vibrante_.C3.A0_noyer_dans_le_b.C3.A9ton



http://www.chez.com/produ/cap/index.htm

Site de constructeurs, capteurs de déplacement et position:

http://www.asm-sensor.com/asm/pdf/pro/pcqa22_fr.pdf

http://www.fgpsensors.com/pdf/tmi_fr.pdf

http://www.federaccreditamento.it/documenti/FIDEARELINCFRANC122004.pdf


http://www.federaccreditamento.it/documenti/FIDEARELINCFRANC122004.pdf

http://www.fgpsensors.com/pdf/tmi_fr.pdf

http://www.asm-sensor.com/asm/pdf/pro/pcqa22_fr.pdf



Documents

Deux métaux ayant des coefficients de dilatation ...jl.domec.free.fr/siteDjl_fichiers/TP-Cours_BTS_CIM/cours/capteurs/... · • Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement