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Cours de DU CIIUniversité du Havre, Mai 2012.
Instrumentation et Régulation:Normes, théorie et applications
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 duHavre (GREAH) , UPRES EA 3220
Pierre Maréchal(1), François Guérin(2)
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Plan
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
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Plan
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
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ActionRéflexion
Observation
Progression
/ Résultats
Procédé
/ Mesures
Objectifs / Moyens
Contrôleindustriel
I) Introduction
Contrôle industriel
Procédé et processus de "contrôle et régulation":
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♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,
toutes les autres étant déduites de celles-ci:
I) Introduction
Système international d'unités mks
Grandeurs et unités: Système de référence:
Grandeur physique
LongueurMasseTemps
Courant électriqueTempérature
Quantité de matièreIntensité lumineuse
Unité
mètrekilogrammesecondeampèrekelvinmole
candela
Symbole
mkgsAK
molcd
Dimension
LMTIΘ
NJ
http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_fr.pdf
♦ Exercice:1) Déterminer l'unité SI d'une force: ……………………………………………….2) Déterminer l'unité SI d'une pression: ………………………………………….
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♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,
toutes les autres étant déduites de celles-ci:
I) Introduction
Système international d'unités mks
Grandeurs et unités: Système de référence:
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♦ Etalonnage :
Mesurer, c’ est comparer sa mesure par rapport à celle donnée parun appareil de référence.
I) Introduction
Système international d'unités mks
Grandeurs et unités: Système de référence:
♦ Sachant qu’ une once vaut 28,35 g, qu'une livre anglaise vaut 453,6g, 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.
NomGallon (USA) per min
Inch of waterPound-force per square inch
90 cv
Grandeur…………
pression……………………
Conversioncm3 /s
PaPa
…………
Dimension…………
………………………………
SymboleGal(USA)/min
inH2Olbf/in2
………………
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♦ Mesurande:
La grandeur physique objet de la mesure (température, pression...)est désignée comme le mesurande. L’ ensemble des opérationsexpérimentales qui concourent à la connaissance de la valeurnumérique du mesurande constitue son mesurage.
I) Introduction
Métrologie
Chaîne de mesurage: Définitions:
♦ Cha î ne de mesurage:La cha î ne de mesurage est constituée de l’ ensemble des dispositifs,y compris le capteur, rendant possible dans les meilleures conditionsla détermination précise de la valeur du mesurande.
C’ est l’étalonnage de la cha î ne de mesurage dans son ensemble quipermet d’ attribuer à chaque indication en sortie la valeurcorrespondante du mesurande agissant à l’ entrée.♦ Exemple:
Thermocouple VoltmètreT (°C) U (V) Mesure
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♦ Température:
Dans la notice d’ un multimètre de haute précision, il est recommandéde ne commencer les mesures qu’ après un temps de stabilisation entempérature de tous ses circuits électroniques. Lorsque ce tempsn’ est pas respecté, il peut conduire à une ou plusieurs valeurs
aberrantes, notamment en début d’étalonnage. L’ appareil étalonnépeut alors être déclaré non conforme à ces caractéristiquesmétrologiques, alors qu’ il est conforme !
I) Introduction
Métrologie
Chaîne de mesurage: Perturbations:
♦ Temps de réponse:
Dans le cas d'une perturbation en température, la mesure peut êtreou compensée, ou effectuée à température de fonctionnement.
♦ Exemple: T (°C)
t (s)
T e (°C)
T s (°C)
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Plan
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
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♦ Définition:Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à
partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de naturedifférente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de lagrandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
♦ Types de capteurs:Un capteur peut être passif, actif, composite ou encore intégré.
II) Capteurs
1) Définitions
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
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Température →→→→ Caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles enceinte thermostatée
Pression, accélération →→→→ Déformations
enveloppe rigide, supports antivibratoiresHumidité →→→→ Constante diélectrique, résistivité (isolation électrique ↓↓↓↓) enceinte étanche
Champs magnétiques variables ou statiques →→→→ f.e.m. induites pour les premierset 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
1) Définitions: Grandeurs d’influence
e s
Variablephysique
Variablesignal
Grandeursd’influence
Capteur
Déduire e de s malgré gi :
Réduire l’importance: isolation, blindage…
Stabiliser: enceintes, régulation… Compenser: pont de Wheatstone.
♦ Définition:Grandeurs physiques susceptibles d’entraîner un changement du
signal de sortie. On cherche donc à minimiser leurs effets.
II) Capteurs
s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …)Idéal: →→→→ Réel:
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• Capteur passif:Il est en général associés à une source d ’alimentation etprésentent 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.).
1) Définitions:
II) Capteurs
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Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie
Température Thermoélectricité Tension
Flux de rayonne-
ment optique
Pyroélectricité
PhotoémissionEffet photovoltaïque
Charge
CourantTensionForcePressionAccélération
Piézoélectricité Charge
Vitesse
Induction
électromagnétique TensionPosition Effet Hall Tension
1) Définitions: Capteur actif
Tableau de synthèse
II) Capteurs
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Mesurande Caractéristiqueélectrique sensible
Matériaux
Température
Très basse température
Résistivité
Cste diélectrique
Métaux, semiconducteurs
Verre
Flux de rayonnementoptique Résistivité Semi conducteur
Déformation RésistivitéPerméabilité électrique
Alliage de Ni, SI dopéAlliages ferromagnétiques
Position (aimant) RésistivitéMatériaux magnéto-résistants : bismuth, …
Niveau Cste diélectrique Liquides isolants
Humidité
Résistivité
Cste diélectrique
Chlorure de lithium
Polymères
1) Définitions: Capteur passif
DéfinitionImpédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.
Tableau de synthèse
II) Capteurs
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♦ Constitution:Un capteur est le premier élément de la chaîne de mesurage.
Lorsque le capteur est constitué de plusieurs éléments, le corps d’épreuveest 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.
II) Capteurs
1) Définitions
Structure du Capteur:
Corpsd'épreuve
TransducteurMesurande
Grandeur
physique
intermédiaire
Grandeur
électrique
CapteurMesurande
Grandeur
électrique
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♦ 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 normalisépouvant être transmis et ayant une relation continue et définie avec la valeurde 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 untraitement du signal.
II) Capteurs
1) Définitions
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
Capteur-transmetteur de pression
Corpsd'épreuve
Transducteur
DAmplificateur
Traitementdu signal
E 3Filtre
Alimentation Alimentation
E 2 E 1P I
Capteur Transmetteur
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Capteur : Organe chargé de prélever une grandeur physique à mesureret de la transformer en une grandeur exploitable.
CapteurMesurande
e s
Processus
physique
Affichage
Variablephysique
Variablesignal
Mesure
s = f(e) Lois physiques
régissant le capteur
Mesure de s Connaissance de e
La grandeur physique à mesurer, souvent appelée mesurande, n'esten général pas directement utilisable. Elle constitue la variable d'entrée(ou stimulus) du capteur.
2) Caractéristiques: Mesurande
II) Capteurs
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e(t )
t s(t )
t
Capteur
e(t )
s(t )
Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur
e
s
→ Inconnu
→ Connu
ee2e1
s2
s1
ei
si
s
Etablissement⇒⇒⇒⇒ étalons de m Exploitation
2) Caractéristiques: Etalonnage
Correspondance entre s(t ) et e(t ): fonction de transfert
II) Capteurs
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Etalonnage Validité d’un étalonnage:
s
e
s = f(e)La répétabilité est la qualité du capteur qui assurel’utilisateur de l’identité de la grandeur de sortie dans deslimites spécifiées, chaque fois que ce même capteur est
utilisé dans des conditions identiques: même mesurande etmêmes paramètres additionnels.
L’interchangeabilité d’une série de capteur d’un mêmetype est la qualité de cette série qui garantie à l’utilisateurdes résultats identiques, aux tolérance près, chaque foisqu’un quelconque capteur de cette série est utilisé dans desconditions identiques. l’interchangeabilité résulte de larigueur des procédés de fabrication et des contrôle en fin defabrication.
2) Caractéristiques: Etalonnage
II) Capteurs
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Sensibilité d’un capteur
ee0
s
∆e
∆s
- réponse linéaire pour e < e0
- sensibilité: ds sS
de e
∆= =
∆
Domaine demesure du capteur
Contrainte: constance de la sensibilité
dépend de:
- la valeur de e (linéarité) - la fréquence de variation de e (bande passante) - temps (vieillissement)
- grandeurs physiques parasites (grandeurs d’influence)
2) Caractéristiques: Sensibilité
Domaine de
saturation du capteur
dsS de
=
0dsS de= →
- réponse faible pour e > e0
- sensibilité:
II) Capteurs
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2) Caractéristiques: Définitions
II) Capteurs
T (°C)−200−10….
70260340530610800
R (Ω)18,5396,07
….
127,07197,7226,18290,87316,86375,61
♦ Application:1) Déterminer la sensibilité de la sonde sur chaque tronçon.
2) La sensibilité est-elle linéaire ?
Sensibilité d'une sonde Pt100:
S ( )………………………………
………………………………………………………………
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Grandeur à mesurer
G
r a n d e u r d ’ i n f
l u e n c e
Domaine Nominald’Utilisation
Etendue de Mesure (EM)
DNU : Répétabilité sans que les caractéristiques du capteur soient altérées
2) Caractéristiques métrologiques
II) Capteurs
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Grandeur à mesurer
G
r a n d e u r d ’ i n f
l u e n c e
Domaine de Non Détérioration
DNDétérioration : plage de surcharge que le capteur peut supporter
Domaine Nominald’Utilisation
Etendue de Mesure (EM)
2) Caractéristiques métrologiques
II) Capteurs
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Domaine de Non Destruction
DNDestruction : les caractéristiques sont irréversiblement altérées >étalonnage
Grandeur à mesurer
G
r a n d e u r d ’ i n f
l u e n c e
Domaine de Non Détérioration
Domaine Nominald’Utilisation
Etendue de Mesure (EM)
2) Caractéristiques métrologiques
II) Capteurs
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• 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 peutcalculer 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.
2) Caractéristiques: Erreurs et incertitudes
II) Capteurs
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• Fidélité: Aptitude d ’un instrument à donner des indicationsexemptes d ’erreurs systématiques (faible écart-type).
• Justesse: Aptitude d ’un instrument à donner des indications exemptesd ’erreurs systématiques.
Pas juste Juste
Pas fidèle
Fidèle
Le centre représente la valeur vraie
2) Caractéristiques: Fidélité, justesse et exactitude
• Exactitude: Un systèmeexact est juste et fidèle.
II) Capteurs
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♦ 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’estpas linéaire, et c’est le transmetteur qui rend la relation linéaire:
I = 0 ,04 × T − 16.
II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
Capteur-transmetteur de température
U (mV)
T (°C)
500 900
17,6
43,2
I (mA)
U (mV)
17,6 43,2
4
20
I (mA)
T (°C)4
20
500 900
Capteur Transmetteur Capteur-Transmetteur
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Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 29/70
♦ Transmetteur universel: intégré ou déportéLe 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. Letransmetteur universel, est soit intégré dans le boîtier du capteur, soitdéporté et monté sur rail dans un coffret d’instrumentation distant.
II) Capteurs
3) Transmetteur
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
♦ Les transmetteurs actuels s’adaptent à un très grand nombre de capteursindustriels par configuration numérique. Elle permet notamment le réglagede 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 commepour les thermocouples ou les sondes RTD.
Transmetteur intégré Transmetteur déporté
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♦ 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 (ResistorThermometer Detector), tension (exemples : – 20 mV à + 20 mV, 0 à 100mV), ou courant.
– Un transmetteur délivre un signal appelé « signal haut niveau » puisqueson énergie permet la transmission de la mesure à une grande distance(plusieurs centaines de mètres) du point de mesure. Ces signaux « hautniveau » 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 demesure d’un dispositif de contrôle tel qu’un automate programmableindustriel (API) ou un régulateur.Dans ce cas, la carte d’entrée se substitue au transmetteur absent et réalisepar exemple l’amplification et le traitement de linéarisation du signal délivré
par un thermocouple.
II) Capteurs
Structure de type "Capteur et Transmetteur":3) Transmetteur
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♦ 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 pourl’alimentation en tension et la transmission de la mesure;
– la valeur 4 mA permet de différentier le zéro de mesure de la rupture dela 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 unstandard, et tous les fabricants d’instruments proposent ce signal.
II) Capteurs
Structure de type "Capteur et Transmetteur":3) Transmetteur
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II) Capteurs
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 fils
♦ 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 entréesmoins reliées.
– Les transmetteurs 4 fils (dits actifs) sont alimentés et fournissent lecourant I. Leur schéma de câblage est identique à celui des régulateurs.
♦ Alimentation électrique:Elle est directement liée et dépend de la résistance interne vue par la
sortie du transmetteur.
3) Transmetteur
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II) Capteurs
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 fils
♦ 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 sonalimentation. Il existe des transmetteurs à "2 fils", "3 fils" ou "4 fils".
La résistance de charge R c 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.
3) Transmetteur
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II) Capteurs
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 àl’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 = ……….
3) Transmetteur
II) C
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♦ Configuration:Un transmetteur est un élément permettant de configurer la
plage de mesure et de compenser les éventuelles non-linéaritésdu capteur.♦ Équation de correspondance du transmetteur:
Caractéristique de sortie (Y) en fonction de celle d'entrée (X):
II) Capteurs
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
Valeur maximale mesurable: MAXValeur minimale mesurable: MINÉtendue de mesure: EM = MAX-MINValeur du zéro: VZ = MINDécalage négatif si: EM < MAXDécalage positif si: EM > MAXÉquation de correspondance:
Pente a et ordonnée à l'origine:
a = …………………. b = ……………………
3) Transmetteur
.( ) MAX MIN MIN
X VZ Y Y Y Y
EM
−= − +
Y
X
0 MIN MAX
YMIN
YMAX
II) C t
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♦ Exemple:Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur
de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal demesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.
II) Capteurs
Structure de type "Capteur et Transmetteur":
Étendue d'échelle: EE = …. °CValeur maximale mesurable: MAX = …. °C
Valeur minimale mesurable: MIN = …. °CÉtendue de mesure: EM = …. °CValeur du zéro: VZ = …. °CDécalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...)Équation de correspondance:
…………………………………………………………......………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................
3) Transmetteur
I (mA)
T (°C)
0 20 80
4
20
II) C t
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♦ Exercice:Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur
de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal demesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.
II) Capteurs
Structure de type "Capteur et Transmetteur":3) Transmetteur
I (mA)
T (°C)
0−30 90
4
20
Étendue d'échelle: EE = …. °CValeur maximale mesurable: MAX = …. °C
Valeur minimale mesurable: MIN = …. °CÉtendue de mesure: EM = …. °CValeur du zéro: VZ = …. °CDécalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...)Équation de correspondance:
…………………………………………………………......………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................………………………………………………....................
II) Capteurs
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Sonde de température PT100 Transmetteur
II) Capteurs
3) Transmetteur: Chaîne de mesure Structure de type "Capteur et Transmetteur": Exemple:
II) Capteurs
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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. Ceprotocole de communication de type série est spécifique au contrôleindustriel 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
II) Capteurs
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II) Capteurs
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 oùtous les instruments communiquent les uns avec les autres.
– Fieldbus Fondation FF-H1, – Profibus PA,
– FIP WorldFip.
Ils sont reconnus par la norme internationaleIEC 61158-2. La liaison unique sert audialogue, 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
3) Transmetteur: Réseau bus de terrain
Plan
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Plan
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
III) Normes
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Représentation libre et personnelle d'un procédé industriel: Exemple d’application: Echangeur thermique
III) Normes
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III) Normes
1) Représentations normalisées
Représentation d'un procédé industriel: Schéma fonctionnel: Exemple général
(W)(Y)
(X)
Régulation: Réponse Y = f(W-X).
+ - A
B
(E) (S)(E')
Fonction de transfert:
………………………………………………………………………………
III) Normes
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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 desprocessus industriels: Représentation symbolique".
♦ Elle a des correspondances internationales (ISO 3511/1-1977),
allemande (DIN 19227 blatt 1-1973), ou encore américaine (ISA-S5.1-1984) 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.
III) Normes
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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 desdispositifs de traitement des signaux émis par un capteur ou reçuspar un organe de réglage.♦ Elle comporte des symboles destinés à la communication desfonctions de mesure, de régulation et d’automatisme entrespécialistes des instruments et autres techniciens impliqués dansla conception (réservoirs, conduites, machines tournantes...) deleur 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)
III) Normes
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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 dereprésentation 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 régulationsans préciser le détail des instruments ou des stratégies derégulation complexes.
III) Normes
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)
1) Représentations normalisées
Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Exemple d’application: Echangeur thermique
PCF brut PCF avec régulations incluses
III) Normes
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)
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 plande 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 précisantle détail des instruments et des liaisons de régulation.
III) Normes
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)
1) Représentations normalisées Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Exemple d’application: Echangeur thermique
TI [avec boucles de régulations]
III) Normes
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Norme Française NF E 04-203: Exemple: Régulation de température d'un échangeur thermique.
2) Schéma TI
III) Normes
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Norme Française NF E 04-203: Éléments de normalisation.
2) Schéma TI
III) Normes
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TCV
SCV
PCV
LCV
KCV
HCV
Norme Française NF E 04-203: Catalogue:
2) Schéma TI
III) Normes
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Norme Française NF E 04-203: Application:
2) Schéma TI
Plan
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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
IV) Régulation
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Boucle Ouverte (BO): (Open Loop Control ): Processus de Commande:
Contrôle de Commande Automatique
♦ Pas de mesure de la grandeur de sortie et absence de correction.
Exemples:…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
IV) Régulation
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♦ 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 lasortie reste insensible aux perturbations.
Exemples:…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ………… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
………………………………………………………………………………
Boucle Fermée (BF): (Closed Loop Control ): Processus de Commande:
Contrôle de Commande Automatique
IV) Régulation
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Contrôle de Commande Automatique
Application: Régulation de niveau d'eau:
Schéma fonctionnel:
IV) Régulation
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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
t (s)Cmin
Cmax
IV) Régulation
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Type de Régulation
En cascade: Imbrication d'un régulateur "esclave" dont la consigne est la
sortie d'un régulateur "maître".
IV) Régulation
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Type de Régulation
Prédictive: Compensation de perturbation principale.
IV) Régulation
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Type de Régulation
Auto-adaptative: Calcul et application d'un modèle de processus en temps réel.
II) Capteurs
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Etendue de mesure (range ), décalage du zéro (offset ), temps de réponse (time
response ), sensibilité (sensitivity )…
Chaîne de mesure
Performance d'une chaîne de mesure: Caractéristiques:
IV) Régulation
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Structure d'un régulateur industriel
Type de Commande: Régulation: Consigne, Mesure, Commande:
♦ Commande "Tout Ou Rien" (TOR)
♦ Commande "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)
IV) Régulation
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Performance d'un régulateur industriel
Performance d'une Commande: Dépassement, erreur statique…
IV) Régulation
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Performance d'un régulateur industriel
Performance d'une Commande: Temps de réponse, amortissement…
IV) Régulation
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Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 66/70
Régulateur TOR
Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
Régulation TOR: Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:
Capteur
IV) Régulation
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Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 67/70
Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
Régulation TOR: Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:
IV) Régulation
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Régulation "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)
Régulation PID: Structures possibles:
Références
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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.312Edition Valance.
[7] "Guide d'instrumentation contrôle commande automatique",F.M.Després, Kirk Editions Collection industries.
[8] "Systèmes asservis : Commande et régulation", Collection EyrollesMentor 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
Notes
Q l t
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Quelques notes:
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