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Les bases de la mesure

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Qu’est-ce que l’acquisition de données (DAQ) ?

Simplement l’action de prendre des mesures

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Pourquoi mesurer ?

• Les ingénieurs ont besoin de déterminer le comportement d’un système pour optimiser ses performances

• Les signaux issus des capteurs indiquent comment le système réagit

• Les ingénieurs peuvent utiliser ces informations pour modifier les performances

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Pourquoi mesurer ?

• L’acquisition de données embarquée en véhicule est une tâche complexe mais qui, cependant, fournit des informations précieuses sur les performances d’un véhicule sur la route

• Diverses données ont besoin d’être collectées à partir de sources variées, comme des centaines de capteurs ou des bus comme le CAN peuvent être impliqués

• Des signaux mixtes : vibration, T/min, contraintes, température, couple, charge, pression, vitesse, CAN…

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Des centaines de voies, de la synchronisation, des déclenchements différents types de données… Tout ceci a nécessité la création de systèmes d’acquisition adaptés

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Un oscilloscope peut afficher, analyser, enregistrer ainsi que déclencher une mesure. L’utilisateur peut ainsi mieux contrôler les acquisitions.

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Une carte DAQ offre les mêmes fonctionnalités qu’un oscilloscope mais permet la réalisation de nombreuses fonctionnalités supplémentaires de manière personnalisable par logiciel. De plus, elle est compacte, économique et utilise la puissance du processeur des PC.

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Les composants d’un système DAQ

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Capteur/signal Matériel DAQ Ordinateur

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Les bases d’un capteur


Convertit un phénomène physique en un signal électrique mesurable

Transducteur ou capteur

Signal électrique Phénomène physique (lumière, température…)

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Exemples de capteurs

Phénomène Transducteurs/capteurs Caractéristiques électriques

Température Thermocouples, RTD, thermistances Sortie faible tension, non linéaire

Lumière Tube à vide, photo-détecteurs Sortie boucle de courant (typique en 4-20 mA)

Son Microphone Sortie de charge, amplificateur de charge intégré IEPE

Force et pression

Jauges de contrainte, transducteurs piézoélectriques

Faible résistance, faible sensibilité, non linéaire

Position et déplacements

Potentionmètres, Linear Voltage Differential Transformer (LVDT), encodeur optique

LVDT : inductif, nécessite une démodulation

Vibration Accéléromètre Sortie de charge, amplificateur de charge intégré IEPE

pH Électrodes pH


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Les capteurs analogiques abordés aujourd’hui

• Thermocouple

• RTD

• Thermistance

• Tension/courant (et forts courants)

• Jauge de contrainte/déformation

• Pression

• Accéléromètre


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Les capteurs de température

• Thermocouples

• RTD

• Thermistances

Une température est la mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules d’un échantillon de matière, exprimée en degrés sur une échelle standard


http://www.datapaq.com/images/Q18-Relfow/PA0210-PTFE-Standard_Large.jpg

http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.transistek.com/photos_produits/6/thermistance_ctn_-_10k-ntc10k0.jpg&imgrefurl=http://www.transistek.com/catalogue/composants/thermistances_ctn/thermistance_ctn_10k_1650.php&usg=__70w2GhKK6Svhxvke_5tyZvzsSuU=&h=263&w=350&sz=11&hl=fr&start=15&itbs=1&tbnid=npVIrILhaz0-5M:&tbnh=90&tbnw=120&prev=/images?q=thermistances&hl=fr&gbv=2&tbs=isch:1

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V

Les thermocouples

V = ST S : coefficient de Seebeck

S varie aussi avec la température S dépend de la nature des métaux

Tableaux normalisés de jonctions Ex. : Type J = Fer + Cuivre/Nickel T = a0 + a1v + a2v

2 + ... + anvn

Mesure



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Démonstration des thermocouples

• Ce que nous allons utiliser pour les démonstrations • NI Measurement & Automation Explorer (MAX)

• Les assistants de configuration d’acquisition

• Les modules d’acquisition de la Série C

• Le nouveau châssis CompactDAQ autonome



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Barrière d’isolation Sécurité, immunité aux

bruits, réjection du mode commun

Conditionnement intégré Connexion directe aux capteurs

Mesures de qualité Conversion A/N avec

un débit jusqu’à 1 Méch./s et 24 bits de résolution

Précision garantie Étalonnage NIST

Les modules NI de la Série C Plus de 50 modules pour tous les signaux et capteurs

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Auto détection de plus de 50 modules de série C

Mesures jusqu’à 256 voies avec un seul châssis

Processeur Intel Core I7 sous Windows 7 Embedded

Le nouveau NI CompactDAQ autonome

Débit des signaux jusqu’à 1 Méch./s/voie et 24 bits de résolution

Ports pour périphériques écran, clavier, souris, Ethernet et disques externe

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Measurement & Automation Explorer (MAX) Gratuit, utilitaire de gestion et de configuration du matériel NI

Création de tâches et de voies

Gestion de la configuration et des états des connexions Périphériques

simulés

Diagrammes de connexions

intégrés

Panneaux de test Windows

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Assistant de configuration d’acquisition NI

• Permet la configuration rapide des mesures

• Utilisable pour de nombreuses voies et périphériques

• Une facilité maximale au détriment d’un peu de flexibilité

• Supporté à travers de nombreux langages de programmation

• Génère automatiquement du code bas niveau

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Démonstration de thermocouples avec un module de Série C

• Le système amplifie et filtre la tension entre les deux fils

• Il peut détecter une ouverture du thermocouple

• Le point du milieu est à connecter au blindage s’il existe

Votre capteur thermocouple

Schéma interne du module NI 9211


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Les sondes RTD/PT100

• Variation de résistance électrique dans un métal pur en fonction de la température

• Métaux les plus utilisés : nickel, cuivre, platine (ce dernier plus précis et stable)

• RTD bobinés ou RTD à film métallique (plus économique)

• Classés par leur résistance nominale à 0°C (Ex. : sonde platine de 100 Ω ou 1000 Ω pour 0°C, on dit alors couramment une « PT100 »)

• Relation Température/Résistance presque linéaire

• Pour T < 0 °C, RT = R0 [1 + aT + bT2 + cT3 (T - 100)]

• Pour T > 0 °C, RT = R0 [1 + aT + bT2]

• Avec :

• RT = résistance à la température T

• R0 = résistance nominale

• a, b et c = constantes utilisées pour mettre la RTD à l’échelle


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Les sondes RTD/PT100

• Envoi d’un faible courant constant dans la résistance du capteur

• Utilisation d’un montage en pont

Exemple module de la Série C NI 9219

Exemple modules SCXI 1520 et 1314


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Démonstration des sondes RTD/PT100

• Ex. : RTD/PT100 3 fils = 2 fils rouges et 1 fil blanc

• Utilisation du module générique de la Série C : NI 9219


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Thermistances

• Très proches d’une RTD, résistances thermosensibles

• Matériau semi-conducteur d’oxyde métallique encapsulé dans une petite bille d’époxy ou de verre

• Beaucoup plus sensible par ex. : 100 Ω /°C par rapport à une RTD 0,4 Ω /°C

• Résistance nominale élevée : de 2 à 10 kΩ à 25°C

• Coefficient de température négatif ou positif (CTN ou CTP)

• Valeur « B Value » nécessaire pour la mise à l’échelle RTH T °C



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Méthodes de mesure des capteurs thermorésistifs

• Source d’excitation constante et mesure de la tension (U = Ri) • Montage pont diviseur avec une source d’excitation en tension

• Source de courant constant et mesure de tension

• Effet d’auto-échauffement par le courant d’excitation (Iex minimal)

U

i

RTD : peu précis (si RL 2 x 0,5 Ω/RT 100 Ω = 1 %) CTN : adapté (RL 2 x 0,5 Ω/RT 2252 Ω = 0,044 %)

RTD : élimination des effets de la résistance des fils CTN : inutile



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Démonstrations des thermistances CTN par la méthode pont diviseur de tension



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Les capteurs qui renvoient des tensions ou courants

• Le conditionnement du signal est intégré

• Le constructeur fournit une échelle ou une table de correspondance

• Exemple de capteur de distance infrarouge

5 V

Masse

Sortie


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Mesure de forts courants alternatifs

• Transformateurs de courant et transducteurs

• Transformateurs de courant à noyau fendu ouvrable ou à noyau plein

Transformateur de mesure de forte tension ou courant

Connexion à un module isolé de Série C

Passage du courant

NI 9239 Module d’entrée courant


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Les capteurs de contrainte/déformation

• Une contrainte est la quantité de déformation d’un corps à partir de l’application d’une force

• Une déformation (ε) est définie comme une fraction de la variation de longueur (ε = L/L)

• L’amplitude est très faible (déplacement en mm/mm) exprimée en micro déformation (με) (e.10-6)

• Les jauges de contrainte utilisent la zone de déformation élastique réversible

Rapport de longueur


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Les méthodes et propriétés physiques

• Les capteurs basés sur la piézoélectricité (Quartz)

• Les capteurs de contraintes optiques (ex. : FBG = fibres à réseau de Bragg) basés sur la variation de propriétés de la lumière en fonction d’une déformation

• Les capteurs de contraintes basés sur la variation de résistance électrique (conductibilité) du matériau

• Sensibilité à la contrainte = Facteur de jauge (GF) :

Une jauge a environ un GF = 2

Axial Par courbure Les tensions augmentent la résistance

Les compressions diminuent la résistance

Force Force


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La mesure d’une déformation

• Les variations de résistances sont très petites • Exemple : 500 με avec un facteur de jauge de 2 (métal)

la variation de résistance sera de 2 x (500x10-6) = 0,1 %

si jauge = 120 Ω alors variation de 0,12 Ω

• Utilisation d’un pont de Wheatstone • Une petite variation de résistance déséquilibre le pont de manière importante

Si R1/R2 = R4/R3, la tension de sortie VO = 0


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Montage en quart de pont

• Une seule des résistances est remplacée par une jauge de contrainte

• Peu recommandé car présente beaucoup d’inconvénients à gérer • Montage 3 fils pour diminuer l’effet des résistance des câbles

• Sensibilité du capteur minimale et dépend fortement de la tension d’excitation

• Impose un shunt de calibration et d’ajustement du pont

• Fortement non linéaire à gérer par le système de mesure, sortie en mV/V d’excitation

RG + R ? Sensible aux variations de température


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L’effet de la température sur une jauge

• RG +R ? La température fait également varier la résistance du matériau de la jauge et du support par dilatation

• Une solution est d’utiliser une jauge inactive, indépendante de la contrainte (transversale) et liée uniquement par la température

• Placé dans la même branche verticale du pont, l’effet de température se soustrait


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Montage en demi-pont et pont complet

• Deux ou quatre résistances sont remplacées par des jauges dans le pont

• La sensibilité est doublée ou quadruplée

• Peut annuler l’action de la température

• La tension de sortie est linéaire et exprimée en mV/V d’excitation


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Considérations de mise en œuvre

• L’équilibrage du pont (mise à zéro de la tension)

o Compensation logicielle

o Circuit d’annulation d’offset

• Capteurs de forces, pesages, extensomètres

o Échelles de correspondances à prendre en compte entre mV/V, contrainte (ε), force (N), poids (Kg)

• Étalonnage du système avec les valeurs min et max de la gamme


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Démonstration des contraintes

• Module NI 9235 pour montage en quart de pont 120 Ω


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Définition de la mesure de pression

• La pression est une force par unité de surface exercée par un fluide sur son environnement : P = F/S

• Unités :

• Pascals (Pa ou N/m2) unité du Système International (SI)

• Psi (Pound per Square Inch) où 1 psi = 6 894 Pa

• Atm Atmosphère normale

• Bar où 1 bar = 100 000 Pa

• mmHg ou cmHg Centimètres ou millimètres de mercure

• Pression statique ou dynamique (fluide en mouvement)

• Pression Hydrostatique (P = h.m.g)


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Trois types de mesures de pression

• Pression absolue • Vide comme point de départ de l’échelle,

101325 Pa au niveau de la mer

• Pression manométrique • Par rapport à la pression atmosphérique

• Pression différentielle • Par rapport à une pression de référence

• Unités Pad ou psid


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Type de capteurs de pression

• Jauges de contrainte

+ robustes et tous types de pression

- conditionnement

• Capacitance variable

+ stable

- sensibles température

• Piézoélectrique

+ robustes

- sensibles aux vibrations et chocs

- amplificateur de charge

• Capteurs à amortisseur

• Problème de l’impact dynamique


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Méthodes de mesure

• Pré-conditionné pour l’échelle min. max. avec une alimentation externe

• Sortie en tension 0 à 5 V

• Sortie en courant 0 à 20 mA ou 4 à 20 mA

• Réalisé par une mesure interne en pont (mV/V) donc linéaire pour la plupart


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Les accéléromètres

• Mesure • L’accélération

• La vitesse et les déplacements (via intégration par rapport au temps)

• Les résultats sont exprimés en unités g ou m/s2 • 1 g = l’accélération à la surface de la terre

• 1 g = 9,81 m/s2


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Principe de fonctionnement d’un capteur basé sur la piézoélectricité

Signal de sortie en tension ou charge

Vibrations

• Les vibrations déforment un cristal piézoélectrique et des charges électriques apparaissent à sa surface

• Ces charges sont ensuite converties en tensions analogiques par un amplificateur de charge interne ou externe au capteur

• Amplificateurs externes

• Utilisation en hautes températures

• Boîtier et alimentation externe

• Amplificateurs intégrés

• Câblage simple du capteur

• Alimentation par le câble (IEPE) de 2 à 10 mA

• Supportent moins les hautes températures


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Démonstration accéléromètres

Connexion directe

Amplificateur intégré au capteur


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Conditionnement de signaux

• Améliore et adapte un signal qui est difficile à mesurer directement par un périphérique DAQ (entrée tension)

• Pas toujours nécessaire

Bruité, faible niveau Filtré, amplifié

Conditionnement de signaux


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Transducteur/signaux Conditionnement du signal

Thermocouple Amplification, linéarisation, compensation de soudure froide

RTD (Resistance Temperature Detector)

Excitation en courant, linéarisation

Jauge de contrainte Excitation en tension, configuration en pont, linéarisation

Mode commun et hautes tensions

Amplificateur isolé

Charges qui nécessitent de la commutation AC ou forts courants

Relais électromécaniques

Bruit haute fréquence Filtre passe-bas

Exemple de conditionnement de signaux


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Analogique

Vitesse État Forme

Niveau Fréquence

Numérique

Classification des signaux

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Les trois règles de l’acquisition de données


Résolution Gamme Vitesse

Résolution de 3 bits

Signal original


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Signal original Gamme

de 10 V à -10 V

Gamme de

2 V à -2 V

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Signal original (10 Hz) Vitesse d’éch. = 11 Hz Vitesse d’éch. = 25 Hz Vitesse d’éch. = 100 Hz

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Démonstration de l’action de la gamme (gains), résolution et échantillonnage sur la conversion A/N


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Les autres fonctionnalités des matériels DAQ

• Entrées/sorties compteurs • Comptage d’événements

• Mesures périodes/fréquences

• Génération d’impulsions

• Codeurs en quadrature (position, vitesses)

• Entrées/sorties numériques • Mise au point de protocoles par signaux cadencés

• E/S statiques de type TOR (ex. relais)


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Matériel d’acquisition NI

DAQ portables Facilité de connexion à tout PC de manière simple

NI CompactDAQ Personnalisable avec une variété de modules et de châssis

PXI Optimisé pour le grand nombre

de voies et la synchronisation

DAQ pour PC de bureau Installation dans un PC de

bureau pour optimiser le débit

Systèmes

Périphérique simple


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La plate-forme NI CompactDAQ Un système personnalisable pour vos

applications Mélange d’une famille de matériel auto-

détectés, insérables à chaud, basés sur des modules de Série C.

Un module pour chaque mesure Plus de 50 modules spécifiques à chaque

grandeur et signaux mesurables

Le même code, tous les bus Peu importe si vous choisissez le bus USB, Ethernet, ou Wi-Fi, le code est identique pour une réutilisation simple

Le choix de la bonne taille Disponible en 1, 4 et 8 emplacements Jusqu’à 256 voies par châssis


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Comparaison des bus d’acquisition

• Autonome : permet une connexion directe au capteur, une intelligence embarquée sous Windows et un enregistrement local interne

• USB : disponible sur tout PC, offre simplicité et bande passante proche de l’ordinateur

• Ethernet : permet d’étendre vos mesures jusqu’à 100 m par câble et de réaliser une infrastructure avec de nombreux systèmes indépendants

• Wi-Fi : ajoute le sans fil aux avantages de l’Ethernet pour éviter les coûts de câblage

Distance Débit Installation Fiabilité Prix

Autonome

USB

Ethernet

802.11 Wi-Fi


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Pourquoi le logiciel est-il important ?


Coût total de l’application de mesure =

Prix du matériel + Prix du logiciel + coûts de développement

Coût cachés Prix visible

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Pourquoi le logiciel est-il important ?


Source : enquête de National Instruments sur des clients en acquisition de données, 2005

36 %, Prix du matériel et du logiciel 64 %,

Côuts du développement

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Pourquoi le driver est-il si important ?

NI-DAQmx est un driver matériel puissant qui permet de piloter tous les matériels d’acquisition

Centaines de périphériques DAQ

Matériel DAQ

USB, PXI Express, PCI Express

Bus

NI-DAQmx

Driver matériel

LabVIEW, C, .NET

Application logicielle


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‘‘Configuration’’ par rapport à ‘‘Programmation’’


Configuration Programmation

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Configurer les voies

Configurer les

cadencements

Configurer les

déclenchements

Démarrer l’acquisition

Lire les données Effacer la tâche

API NI-DAQmx de LabVIEW Capteur/signal Matériel DAQ Ordinateur

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API NI-DAQmx de LabVIEW

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Démonstration de l’utilisation de logiciels DAQ

• VI Express LabVIEW pour la configuration et les mesures rapides

• API NI-DAQmx pour exploiter la puissance des matériels


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Lire les données

DAQmxCreateAIVoltageChan( taskHandle, “Dev1/ai0”, “”, DAQmx_Val_Cfg_Default, -10.0, 10.0, DAQmx_Val_Volts, NULL ); DAQmxCfgSampClkTiming( taskHandle, “”, 10000.0, DAQmx_Val_Rising, DAQmx_Val_FiniteSamps, 1000 ); DAQmxCfgDigEdgeStartTrig( taskHandle, “/Dev1/PFI0”, DAQmx_Val_Rising ); DAQmxStartTask( taskHandle ); DAQmxReadAnalogF64( taskHandle, -1, 10.0, 0, data, 1000, &read, NULL ); printf( “Acquired %d samples. %d”, read ); DAQmxClearTask( taskHandle ); Effacer la tâche

Configure les voies

Configure le cadencement

Démarrer l’acquisition

Configure les déclenchements


API NI-DAQmx en langage C

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Critères pour choisir le meilleur système d’acquisition pour son application

Votre système d’acquisition nécessite éventuellement :

• Un conditionnement du signal

• Une résolution appropriée

• La bonne vitesse d’échantillonnage

• Le bon type de cadencement et de déclenchement

• Le bon bus de communication vers l’ordinateur

• La bonne technique d’étalonnage interne

• Les bons outils logiciels pour l’analyse et le rapport

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Les technologies derrière l’acquisition de données NI

Le NI Signal Streaming Un système qui permet de soutenir des acquisitions continues sur de nombreux bus avec la même API NI-DAQmx PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, USB, Ethernet, et WiFi

La technologie de cadencement et synchronisation Un contrôleur de cadencement du système qui gère et fournit les voies numériques d’E/S, les déclenchements, la synchronisation entre les modules et châssis

Isolation • Variation des niveaux d’isolation électrique afin d’améliorer

la précision des mesures • Isolation par catégories : voie par voie, par groupe de voies,

ou le système en entier

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