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  • 11

    Cours des Capteurs

    Karim EL MOKHTARIDpartement Gnie lectrique

    Facult des Sciences et Techniques, TangerNovembre 2004

    Matrise IEEAModule P221

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 2

    Plan du cours

    Ch.1 : La mesure et les capteurs industriels Ch.2 : Le raccordement capteur-transmetteur Ch.3 : Traitement de signal en instrumentation Ch.4 : Principe de fonctionnement des

    capteurs

    3

    La mesure et les capteurs industriels

    Chapitre 1

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 4

    Introduction

    Le capteur est le premier lment dune chane de mesure

    Il fournit un signal lectrique proportionnel la grandeur physique mesurer

    Les capteurs jouent un rle fondamental dans la technologie moderne

    Grce eux les systmes lectroniques peuvent communiquer avec le monde

  • 2FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 5

    Introduction

    Les capteurs ont nettement amliorlefficacit des chanes de mesure

    Les mthodes classiques de mesure (par comparaison, par substitution, ) sont aujourdhui remplaces par les mesures base capteursExemple : balances lectroniques,

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 6

    La chane de mesure lectronique

    Elle se compose entre autres des lments suivants :Le capteurLes circuits de conditionnementLes circuits de traitement du signal

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 7

    La chane de mesure lectronique

    On distingue deux types de chanes de mesure :La chane de mesure analogiqueLa chane de mesure numrique

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 8

    La chane de mesure lectronique

    Dfinitions :Le capteur

    lment sensible qui dlivre une variation lectrique obtenue directement (capteur actif) ou indirectement (capteur passif), modifie par la grandeur physique mesurer.

  • 3FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 9

    La chane de mesure lectronique

    Dfinitions :Le transducteur

    Ensemble dlments incluant un capteur passif, qui permet dobtenir un signal lectrique modifipar la grandeur physique mesurer.

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 10

    La chane de mesure lectronique

    Dfinitions :Le transmetteur

    Ensemble dlments lectroniques qui conditionne, amplifie et transmet le signal lectrique dlivr par le capteur

    Souvent le signal est transmis sur une boucle de courant 4-20 mA

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 11

    La chane de mesure lectronique

    Chane de mesure analogique

    CapteurConditionneur

    de signalAmplificateur

    Transmetteur 4-20 mA

    Autres quipements(Enregistreur, afficheur, sys. dacquisition, )

    Grandeur physique

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 12

    La chane de mesure lectronique

    Chane de mesure analogiqueConditionneur de signal

    Ensemble de circuits assurant la tche damplification bas niveau, de linarisation, de compensation thermique ou de traitement de bruit

  • 4FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 13

    La chane de mesure lectronique

    Chane de mesure analogiqueAmplificateur dinstrumentation

    Souvent un amplificateur diffrentiel ayant un grand taux de rejet de bruit

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 14

    La chane de mesure lectronique

    Chane de mesure numrique

    CapteurConditionneur

    de signalConvertisseur analogique/numrique

    Autres quipements(Circuit base de P, Sys.

    dacquisition de donnes )

    Grandeur physique

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 15

    La chane de mesure lectronique

    Chane de mesure numriqueAujourdhui, on parle de plus en plus de

    Capteurs intelligents (Smart sensors) qui renferment dans un mme botier : le capteur, le conditionneur, le CAN et un microcontrleur capable de communiquer avec dautres dispositifs numriques (PC, automates, systmes dacquisition de donnes, )

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 16

    Les mesures usuelles

    Les applications de mesure les plus rencontres dans lindustrie sont :La mesure de tempratureLa mesure de pressionLa mesure de dbitLa mesure de niveauLa mesure de positionLa mesure de vitesse

  • 5FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 17

    Caractristiques des capteurs

    Les capteurs sont conus pour reproduire les variations de la grandeur physique mesurer avec une grande qualit

    Ils doivent avoir un comportement stable, reproductible et fiable

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 18

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteur :Limites dutilisationtendue de mesureSensibilitRsolutionPrcisionRptabilit

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 19

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteur (suite):HystrsisFinesseTemps de rponse

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 20

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLes limites dutilisation

    Ce sont les limites extrmes (infrieure et suprieure) de la grandeur physique que lon peut reproduire sans dtriorer ou modifier les caractristiques mtrologiques du capteur

  • 6FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 21

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLtendue de mesure

    Diffrence entre les valeurs extrmes (minimale et maximale) pouvant tre mesure par la chane de mesure

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 22

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLerreur absolue et relative

    Lerreur absolue est la valeur de lerreur directement lie la mesure. Par exemple : pour une valeur nominale de 100 , lerreur absolue est : 0,2

    Lerreur relative est le rapport en pourcentage entre lerreur absolue et le rsultat de la mesure. Pour le mme exemple, lerreur relative est : (0,2 / 100) x 100 = 0,2 %

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 23

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLa sensibilit

    Elle traduit le rapport entre la variation du signal de sortie et la variation du signal dentrePar exemple : Mesure de temprature : 10 mV/C Mesure de dbit : 1 mA/litre/s

    Parfois, la sensibilit nest pas unique sur toute ltendue de mesure

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 24

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLa rsolution

    Cest la plus petite grandeur que lon peut reproduire sur linstrument avec prcision

  • 7FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 25

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLa prcision

    Qualit qui caractrise laptitude dun capteur donner des indications proche de la vraie valeur de la grandeur mesure.

    Lerreur de prcision reprsente lerreur globale dun capteur. Elle est gnralement entre 0,5% et 2% de ltendue de mesure

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 26

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLa rptabilit

    Cest laptitude dun capteur reproduire le mme signal de sortie lorsquil est soumis la mme grandeur physique

    Elle est exprime en pourcentage par rapport ltendue de mesure

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 27

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLhystrsis

    Lorsque les courbes de transfert du capteur pour une variation croissante et dcroissante de la grandeur physique ne sont pas identiques, on parle dune erreur due lhystrsis du capteur.

    Cette erreur est exprime en pourcentage par rapport ltendue de mesure

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 28

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurLa finesse

    Qualit exprimant laptitude dun capteur donner la valeur de la grandeur mesurer sans modifier celle-ci par sa prsence

  • 8FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 29

    Caractristiques des capteurs

    Caractristiques usuelles dun capteurTemps de rponse

    Cest le temps que prend le signal de sortie pour retrouver un nouvel quilibre aprs une variation brusque de la grandeur mesurer

    Gnralement, le temps de rponse est mesurentre 10% et 90% de la variation du signal de sortie

    30

    Le raccordement capteurs -transmetteur

    Chapitre 2

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 31

    Introduction

    Pour certaines applications, le plus important et le dpassement dune valeur critiqueExemple : alarme, dtection de niveau

    Pour dautres, il faut connatre prcisment la valeur mesureExemple : rgulation de temprature

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 32

    1. Les standards de transmission de signaux

    Le signal TORTOR : Tout Ou RienCest un signal qui indique la prsence ou

    labsence dun vnement Exemples : prsence dun carton, temprature

    suprieure un seuil, niveau infrieure un seuil

  • 9FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 33

    1. Les standards de transmission de signaux

    Le signal analogiqueCest une information comprise entre deux limites

    qui dfinissent la gamme de mesure

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 34

    1. Les standards de transmission de signaux

    Le signal analogique

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 35

    1. Les standards de transmission de signaux

    Le signal analogiqueStandards industriels

    0 1 V 0 5 V 1 5 V 4 20 mA

    FSTT GE - Module P221 : Capteurs K. EL MOKHTARI 36

    1. Les standards de transmission de s

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