2011-05-instrumentationetrgulation-120627023358-phpapp02 (1)

Instrumentation et Régulation:
Normes, théorie et applications
Pierre Maréchal(1), François Guérin(2)
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 du
Havre (GREAH), UPRES EA 3220
Cours de DU CII
Université du Havre, Mai 2012.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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Plan
Instrumentation et Régulation
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 − Normes et Applications
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Plan
Instrumentation et Régulation
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
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I) Introduction
Contrôle industriel
Procédé et processus de "contrôle et régulation":
Objectifs / Moyens
Réflexion
Action
Contrôle
industriel
Procédé
/ Mesures
Progression
/ Résultats
Observation
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I) Introduction
Système international d'unités mks
Grandeurs et unités:
Système de référence:
♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,
toutes les autres étant déduites de celles-ci:
http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_fr.pdf
Grandeur physique
Longueur
Masse
Temps
Courant électrique
Température
Quantité de matière
Intensité lumineuse
Unité
mètre
kilogramme
seconde
ampère
kelvin
mole
candela
Symbole
m
kg
s
A
K
mol
cd
Dimension
L
M
T
I
Θ
N
J
♦ Exercice:
1) Déterminer l'unité SI d'une force: ……………………………………………….
2) Déterminer l'unité SI d'une pression: ………………………………………….
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I) Introduction
Système international d'unités mks
Grandeurs et unités:
Système de référence:
♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,
toutes les autres étant déduites de celles-ci:
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I) Introduction
Système international d'unités mks
Grandeurs et unités:
Système de référence:
♦ Etalonnage :
Mesurer, c’est comparer sa mesure par rapport à celle donnée par
un appareil de référence.
♦ Sachant qu’une once vaut 28,35 g, qu'une livre anglaise vaut 453,6
g, 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.
Nom
Gallon (USA) per min
Inch of water
Pound-force per square inch
90 cv
Symbole
Gal(USA)/min
inH2O
lbf/in2
………………
Grandeur
…………
pression
…………
…………
Dimension
…………
…………
…………
…………
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Conversion
cm3/s
Pa
Pa
…………
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I) Introduction
Métrologie
Chaîne de mesurage:
Définitions:
♦ Mesurande:
La grandeur physique objet de la mesure (température, pression...)
est désignée comme le mesurande. L’ensemble des opérations
expérimentales qui concourent à la connaissance de la valeur
numérique du mesurande constitue son mesurage.
♦ Chaîne de mesurage:
La chaîne de mesurage est constituée de l’ensemble des dispositifs,
y compris le capteur, rendant possible dans les meilleures conditions
la détermination précise de la valeur du mesurande.
C’est l’étalonnage de la chaîne de mesurage dans son ensemble qui
permet d’attribuer à chaque indication en sortie la valeur
correspondante du mesurande agissant à l’entrée.
♦ Exemple:
T (°C)
U (V)
Thermocouple
Voltmètre
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Mesure
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I) Introduction
Métrologie
Chaîne de mesurage:
Perturbations:
♦ Température:
Dans la notice d’un multimètre de haute précision, il est recommandé
de ne commencer les mesures qu’après un temps de stabilisation en
température de tous ses circuits électroniques. Lorsque ce temps
n’est pas respecté, il peut conduire à une ou plusieurs valeurs
aberrantes, notamment en début d’étalonnage. L’appareil étalonné
peut alors être déclaré non conforme à ces caractéristiques
métrologiques, alors qu’il est conforme !
♦ Temps de réponse:
Dans le cas d'une perturbation en température, la mesure peut être
ou compensée, ou effectuée à température de fonctionnement.
♦ Exemple:
T (°C)
Te (°C)
Ts (°C)
t (s)
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Plan
Instrumentation et Régulation
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
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II) Capteurs
1) Définitions
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ Définition:
Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à
partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature
différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la
grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
♦ Types de capteurs:
Un capteur peut être passif, actif, composite ou encore intégré.
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II) Capteurs
1) Définitions: Grandeurs d’influence
♦ Définition:
Grandeurs physiques susceptibles d’entraîner un changement du
signal de sortie. On cherche donc à minimiser leurs effets.
Idéal:
→
Réel:
s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …)
Déduire e de s malgré gi :
Réduire l’importance: isolation, blindage…
Stabiliser: enceintes, régulation…
Compenser: pont de Wheatstone.
Grandeurs
d’influence
Variable
physique
e
Variable
signal
Capteur
s
Température → Caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles
enceinte thermostatée
Pression, accélération → Déformations
enveloppe rigide, supports antivibratoires
Humidité → Constante diélectrique, résistivité (isolation électrique ↓)
enceinte étanche
Champs magnétiques variables ou statiques → f.e.m. induites pour les premiers
et 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
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
1) Définitions:
• Capteur passif:
Il est en général associés à une source d ’alimentation et
présentent 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.).
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II) Capteurs
1) Définitions: Capteur actif
Tableau de synthèse
Mesurande
Effet utilisé
Grandeur de sortie
Température
Thermoélectricité
Tension
Flux de rayonnement optique
Pyroélectricité
Photoémission
Effet photovoltaïque
Charge
Courant
Tension
Piézoélectricité
Charge
Vitesse
Induction
électromagnétique
Tension
Position
Effet Hall
Tension
Force
Pression
Accélération
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II) Capteurs
1) Définitions: Capteur passif
Définition
Impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.
Tableau de synthèse
Mesurande
Caractéristique
électrique sensible
Résistivité
Métaux, semiconducteurs
Très basse température
Flux de rayonnement
optique
Cste diélectrique
Verre
Résistivité
Semi conducteur
Déformation
Résistivité
Perméabilité électrique
Alliage de Ni, SI dopé
Alliages ferromagnétiques
Position (aimant)
Résistivité
Matériaux magnétorésistants : bismuth, …
Niveau
Cste diélectrique
Liquides isolants
Humidité
Résistivité
Cste diélectrique
Chlorure de lithium
Polymères
Température
Matériaux
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II) Capteurs
1) Définitions
Structure du Capteur:
♦ Constitution:
Un capteur est le premier élément de la chaîne de mesurage.
Lorsque le capteur est constitué de plusieurs éléments, le corps d’épreuve
est 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.
Mesurande
Mesurande
Corps
d'épreuve
Capteur
Grandeur
électrique
Grandeur
physique
intermédiaire
Transducteur
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Grandeur
électrique
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II) Capteurs
1) Définitions
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ 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 normalisé
pouvant être transmis et ayant une relation continue et définie avec la valeur
de 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 un
traitement du signal.
Alimentation
P
Corps
d'épreuve
Alimentation
E1
D
Transducteur
Capteur
E2
Amplificateur
E3
Filtre
Traitement
du signal
I
Transmetteur
Capteur-transmetteur de pression
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II) Capteurs
2) Caractéristiques: Mesurande
Capteur : Organe chargé de prélever une grandeur physique à mesurer
et de la transformer en une grandeur exploitable.
La grandeur physique à mesurer, souvent appelée mesurande, n'est
en général pas directement utilisable. Elle constitue la variable d'entrée
(ou stimulus) du capteur.
Mesure
Variable
physique
Mesurande
Variable
signal
Capteur
e
s
Affichage
Processus
physique
Lois physiques
régissant le capteur
s = f(e)
Mesure de s Connaissance de e
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II) Capteurs
2) Caractéristiques: Etalonnage
Correspondance entre s(t) et e(t): fonction de transfert
e(t)
e(t)
→ Inconnu
t
s(t)
Capteur
→ Connu
s(t)
t
Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur
s
s
s2
si
s1
e1
e2
e
Etablissement ⇒ étalons de m
ei
e
Exploitation
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
2) Caractéristiques: Etalonnage
Etalonnage
Validité d’un étalonnage:
L’interchangeabilité d’une série de capteur d’un même
type est la qualité de cette série qui garantie à l’utilisateur
des résultats identiques, aux tolérance près, chaque fois
qu’un quelconque capteur de cette série est utilisé dans des
conditions identiques. l’interchangeabilité résulte de la
rigueur des procédés de fabrication et des contrôle en fin de
fabrication.
s
s = f(e)
e
La répétabilité est la qualité du capteur qui assure
l’utilisateur de l’identité de la grandeur de sortie dans des
limites spécifiées, chaque fois que ce même capteur est
utilisé dans des conditions identiques: même mesurande et
mêmes paramètres additionnels.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
2) Caractéristiques: Sensibilité
Sensibilité d’un capteur
s
- réponse linéaire pour e < e0 Domaine de
mesure
ds ∆s
- sensibilité: S = =
du capteur
de ∆e
∆s
∆e
e0
e
- réponse faible pour e > e0
ds
- sensibilité: S = → 0
de
Domaine de
saturation
du capteur
Contrainte: constance de la sensibilité
S=
ds
dépend de:
de
- la valeur de e
- la fréquence de variation de e
- temps
- grandeurs physiques parasites
(linéarité)
(bande passante)
(vieillissement)
(grandeurs d’influence)
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
2) Caractéristiques: Définitions
Sensibilité d'une sonde Pt100:
T (°C) R (Ω) S (
−200
−10
….
70
260
340
530
610
800
18,53
96,07
….
127,07
197,7
226,18
290,87
316,86
375,61
)
…………
…………
…………
…………
…………
…………
…………
…………
…………
♦ Application:
1) Déterminer la sensibilité de la sonde sur chaque tronçon.
2) La sensibilité est-elle linéaire ?
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
Grandeur d’influence
2) Caractéristiques métrologiques
Domaine Nominal
d’Utilisation
Grandeur à mesurer
Etendue de Mesure (EM)
DNU : Répétabilité sans que les caractéristiques du capteur soient altérées
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
Grandeur d’influence
2) Caractéristiques métrologiques
Domaine Nominal
d’Utilisation
Domaine de Non Détérioration
Grandeur à mesurer
Etendue de Mesure (EM)
DNDétérioration : plage de surcharge que le capteur peut supporter
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
Grandeur d’influence
2) Caractéristiques métrologiques
Domaine Nominal
d’Utilisation
Domaine de Non Détérioration
Domaine de Non Destruction
Grandeur à mesurer
Etendue de Mesure (EM)
DNDestruction : les caractéristiques sont irréversiblement altérées >étalonnage
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
2) Caractéristiques: Erreurs et incertitudes
• 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 peut
calculer 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.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
2) Caractéristiques: Fidélité, justesse et exactitude
• Fidélité: Aptitude d ’un instrument à donner des indications
exemptes d ’erreurs systématiques (faible écart-type).
• Justesse: Aptitude d ’un instrument à donner des indications exemptes
d ’erreurs systématiques.
Pas juste
Juste
Pas fidèle
• Exactitude: Un système
exact est juste et fidèle.
Fidèle
Le centre représente la valeur vraie
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II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ 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’est
pas linéaire, et c’est le transmetteur qui rend la relation linéaire:
I = 0,04 × T − 16.
U (mV)
I (mA)
I (mA)
43,2
20
20
17,6
T (°C) 4
U (mV) 4
500
900
Capteur
17,6
T (°C)
43,2
Transmetteur
500
900
Capteur-Transmetteur
Capteur-transmetteur de température
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ Transmetteur universel: intégré ou déporté
Le 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. Le
transmetteur universel, est soit intégré dans le boîtier du capteur, soit
déporté et monté sur rail dans un coffret d’instrumentation distant.
Transmetteur intégré
Transmetteur déporté
♦ Les transmetteurs actuels s’adaptent à un très grand nombre de capteurs
industriels par configuration numérique. Elle permet notamment le réglage
de 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 comme
pour les thermocouples ou les sondes RTD.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ 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 (Resistor
Thermometer Detector), tension (exemples : – 20 mV à + 20 mV, 0 à 100
mV), ou courant.
– Un transmetteur délivre un signal appelé « signal haut niveau » puisque
son énergie permet la transmission de la mesure à une grande distance
(plusieurs centaines de mètres) du point de mesure. Ces signaux « haut
niveau » 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 de
mesure d’un dispositif de contrôle tel qu’un automate programmable
industriel (API) ou un régulateur.
Dans ce cas, la carte d’entrée se substitue au transmetteur absent et réalise
par exemple l’amplification et le traitement de linéarisation du signal délivré
par un thermocouple.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et 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 pour
l’alimentation en tension et la transmission de la mesure;
– la valeur 4 mA permet de différentier le zéro de mesure de la rupture de
la 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 un
standard, et tous les fabricants d’instruments proposent ce signal.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Page 31/70
II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ 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 entrées
moins reliées.
– Les transmetteurs 4 fils (dits actifs) sont alimentés et fournissent le
courant I. Leur schéma de câblage est identique à celui des régulateurs.
Transmetteur 2 fils
Transmetteur 3 fils
Transmetteur 4 fils
♦ Alimentation électrique:
Elle est directement liée et dépend de la résistance interne vue par la
sortie du transmetteur.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Page 32/70
II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ 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 son
alimentation. Il existe des transmetteurs à "2 fils", "3 fils" ou "4 fils".
Transmetteur 2 fils
Transmetteur 3 fils
Transmetteur 4 fils
La résistance de charge Rc 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.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Page 33/70
II) Capteurs
3) Transmetteur
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 à
l’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 = ……….
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Page 34/70
II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ Configuration:
Un transmetteur est un élément permettant de configurer la
plage de mesure et de compenser les éventuelles non-linéarités
du capteur.
♦ Équation de correspondance du transmetteur:
Caractéristique de sortie (Y) en fonction de celle d'entrée (X):
Valeur maximale mesurable:
Valeur minimale mesurable:
Étendue de mesure:
Valeur du zéro:
Décalage négatif si:
Décalage positif si:
Équation de correspondance:
Y
YMAX
YMIN
X
0 MIN
MAX
Y=
MAX
MIN
EM = MAX-MIN
VZ = MIN
EM < MAX
EM > MAX
X − VZ
.(YMAX − YMIN ) + YMIN
EM
Pente a et ordonnée à l'origine:
a = …………………. b = ……………………
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Page 35/70
II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ Exemple:
Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur
de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal de
mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.
I (mA)
20
4
0 20
80
Étendue d'échelle:
EE
= …. °C
Valeur maximale mesurable: MAX
= …. °C
Valeur minimale mesurable: MIN
= …. °C
Étendue de mesure:
EM
= …. °C
Valeur du zéro:
VZ
= …. °C
Décalage ……….. car :
EM (…) …… MAX (...)
Équation de correspondance:
…………………………………………………………......
………………………………………………....................
T (°C) ………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Page 36/70
II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ Exercice:
Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur
de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal de
mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.
I (mA)
20
4
−30
0
90
Étendue d'échelle:
EE
= …. °C
Valeur maximale mesurable: MAX
= …. °C
Valeur minimale mesurable: MIN
= …. °C
Étendue de mesure:
EM
= …. °C
Valeur du zéro:
VZ
= …. °C
Décalage ……….. car :
EM (…) …… MAX (...)
Équation de correspondance:
…………………………………………………………......
………………………………………………....................
T (°C) ………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Page 37/70
II) Capteurs
3) Transmetteur: Chaîne de mesure
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
Exemple:
Sonde de température PT100
Transmetteur
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
Page 38/70
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. Ce
protocole de communication de type série est spécifique au contrôle
industriel 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
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
3) Transmetteur: Réseau bus de terrain
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 où
tous les instruments communiquent les uns avec les autres.
– Fieldbus Fondation FF-H1,
– Profibus PA,
– FIP WorldFip.
Ils sont reconnus par la norme internationale
IEC 61158-2. La liaison unique sert au
dialogue, 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
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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Plan
Instrumentation et Régulation
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
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Représentation libre et personnelle d'un procédé industriel:
Exemple d’application: Echangeur thermique
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Représentation d'un procédé industriel:
Schéma fonctionnel: Exemple général
(E)
+
(E')
-
A
(S)
B
Fonction de transfert:
………………………………………………………………………………
Régulation:
Réponse Y = f(W-X).
(W)
(Y)
(X)
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
Contexte international:
♦ "Fonction de régulation, de mesure et d'automatisme des
processus industriels: Représentation symbolique".
♦ Elle a des correspondances internationales (ISO 3511/1-1977),
allemande (DIN 19227 blatt 1-1973), ou encore américaine (ISAS5.1-1984) 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.
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
Objet et domaine d’application:
♦ La présente norme expérimentale présente la symbolisation des
dispositifs de traitement des signaux émis par un capteur ou reçus
par un organe de réglage.
♦ Elle comporte des symboles destinés à la communication des
fonctions de mesure, de régulation et d’automatisme entre
spécialistes des instruments et autres techniciens impliqués dans
la conception (réservoirs, conduites, machines tournantes...) de
leur 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)
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
Objet et domaine d’application:
♦ Le Plan de Circulation des Fluides (PCF) est un schéma de
représentation 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 régulation
sans préciser le détail des instruments ou des stratégies de
régulation complexes.
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
Exemple d’application: Echangeur thermique
PCF brut
PCF avec régulations incluses
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
Objet et domaine d’application:
♦ Le plan de Tuyauterie et d'Instrumentation (TI) complète le plan
de 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 précisant
le détail des instruments et des liaisons de régulation.
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
Exemple d’application: Echangeur thermique
TI [avec boucles de régulations]
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III) Normes
2) Schéma TI
Norme Française NF E 04-203:
Exemple: Régulation de température d'un échangeur thermique.
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III) Normes
2) Schéma TI
Norme Française NF E 04-203:
Éléments de normalisation.
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III) Normes
2) Schéma TI
Norme Française NF E 04-203:
Catalogue:
HCV
KCV
LCV
PCV
SCV
TCV
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III) Normes
2) Schéma TI
Norme Française NF E 04-203:
Application:
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Plan
Instrumentation et Régulation
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 − Normes et Applications
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IV) Régulation
Contrôle de Commande Automatique
Boucle Ouverte (BO): (Open Loop Control):
Processus de Commande:
♦ Pas de mesure de la grandeur de sortie et absence de correction.
Exemples:
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
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IV) Régulation
Contrôle de Commande Automatique
Boucle Fermée (BF): (Closed Loop Control):
Processus de Commande:
♦ 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 la
sortie reste insensible aux perturbations.
Exemples:
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
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IV) Régulation
Contrôle de Commande Automatique
Application:
Régulation de niveau d'eau:
Schéma fonctionnel:
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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
Cmax
Cmin
t (s)
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IV) Régulation
Type de Régulation
En cascade:
Imbrication d'un régulateur "esclave" dont la consigne est la
sortie d'un régulateur "maître".
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IV) Régulation
Type de Régulation
Prédictive:
Compensation de perturbation principale.
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IV) Régulation
Type de Régulation
Auto-adaptative:
Calcul et application d'un modèle de processus en temps réel.
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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II) Capteurs
Chaîne de mesure
Performance d'une chaîne de mesure:
Caractéristiques:
Etendue de mesure (range), décalage du zéro (offset), temps de réponse (time
response), sensibilité (sensitivity)…
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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IV) Régulation
Structure d'un régulateur industriel
Type de Commande:
Régulation: Consigne, Mesure, Commande:
♦ Commande "Tout Ou Rien" (TOR)
♦ Commande "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)
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IV) Régulation
Performance d'un régulateur industriel
Performance d'une Commande:
Dépassement, erreur statique…
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IV) Régulation
Performance d'un régulateur industriel
Performance d'une Commande:
Temps de réponse, amortissement…
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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IV) Régulation
Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
Régulation TOR:
Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:
Régulateur TOR
Capteur
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IV) Régulation
Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
Régulation TOR:
Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:
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IV) Régulation
Régulation "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)
Régulation PID:
Structures possibles:
Instrumentation et Régulation − Normes et Applications
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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.312
Edition Valance.
[7] "Guide d'instrumentation contrôle commande automatique",
F.M.Després, Kirk Editions Collection industries.
[8] "Systèmes asservis : Commande et régulation", Collection Eyrolles
Mentor 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
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Notes
Quelques notes:
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