Instrumentation et capteurs - Chaîne d'acquisition PDF

Instrumentation et capteurs La chaîne d’acquisition Evangéline Bènevent, Maître de Conférences HDR  2 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Rôle et constitution de l...

Instrumentation et capteurs La chaîne d’acquisition Evangéline Bènevent, Maître de Conférences HDR  2 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Rôle et constitution de la chaîne d’acquisition Place de la chaîne d’acquisition de données : Une chaîne d’acquisition recueille les informations nécessaires à la connaissance et au contrôle d’un procédé ; elle délivre ces informations sous une forme appropriée à leur exploitation. Affichage Chaîne d’acquisition Valeurs Mesurande(s) de données numériques Stockage Traitement Procédé Contrôle- Alarmes Régulation  3 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Rôle et constitution de la chaîne d’acquisition Rôle : recueillir les informations nécessaires à la connaissance et au contrôle du procédé. Opération de mesure : assignation d’une valeur à une grandeur physique ou chimique. Fonctions assurées par la chaîne d’acquisition : Extraction des grandeurs physiques/chimiques à connaître et traduction en signal électrique au moyen de capteurs et de conditionneurs, Traitement analogique du signal, Sélection du signal, Conversion numérique du signal, Coordination des opérations précédentes, traitements sur signaux numériques, corrections des défauts.  4 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Rôle et constitution de la chaîne d’acquisition Structure d’une chaîne d’acquisition :  5 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Que souhaite-t-on mesurer ? Mesurande : objet de la mesure noté. Conditions imposées par l’application → cahier des charges : Étendue de mesure, Précision, Résolution, Rapidité, Immunité aux grandeurs d’influence.  6 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Étendue de mesure notée.. : Définie par les valeurs minimale et maximale du mesurande à acquérir. Élément déterminant dans le choix d’un capteur :  7 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Précision : Exploita on convenable des résultats → limite max. à l’incertitude de mesure. A l’exclusion des grandeurs étalons, la valeur vraie d’une grandeur physique ne peut être déterminée par la mesure. L’expérimentateur dispose : D’une valeur numérique délivrée par la chaîne d’acquisition, D’une estimation de l’incertitude ou erreur à craindre. Ceci permet à l’expérimentateur de fixer la plage de valeurs à l’intérieur de laquelle se trouve, le cas échéant avec une probabilité déterminée, la valeur vraie : Ou :  8 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Erreur de précision = erreur relative ramenée à l’étendue de mesure : La précision de la chaîne de mesure est d’autant plus grande que l’erreur de précision est faible. Budget des incertitudes : Estimation a priori de l’incertitude lors de la conception de la chaîne. Étalonnage : Estimation exacte a posteriori de l’incertitude avec répartition statistique des résultats de mesure.  9 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Résolution : La résolution spécifie le nombre de valeurs distinctes qu’il est possible d’associer au mesurande dans l’étendue de mesure. Soit la variation minimale du mesurande donnant une variation mesurable de la valeur mesurée : Si < , on peut avoir =. Si = , on a =. Il en résulte sur la valeur mesurée une incertitude égale à qui, rapportée à l’.. est l’erreur de mobilité : On désigne par résolution l’inverse de l’erreur de mobilité :  10 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Rapidité : La rapidité caractérise l’aptitude d’un dispositif à répondre aux variations temporelles du mesurande. La rapidité est spécifiée soit par la bande passante , soit par le temps de réponse. Cahier des charges : fréquence haute de chaque mesurande. Les divers dispositifs de la chaîne doivent avoir des bandes passantes telles que le signal puisse être traité sans que son atténuation ou son déphasage ne devienne incompatible avec la précision souhaitée. → échantillonnage → temps de scrutation  11 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Rapidité : Échantillonnage : Condition de Nyquist : ≥ × (pour éviter la perte d’informations) Un signal dont la fréquence = + ∆ est > donnera naissance, après échantillonnage, entre autres, à un signal de fréquence ′ = −∆. Ce signal est dit replié. Dès lors que ′ ≤ , ce signal se superpose au signal utile et dégrade son information. → Filtrer le signal avant tout échan llonnage ! → En pra que, la fréquence d’échan llonnage est choisie très supérieure au minimum théorique de Nyquist.  12 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Repliement d’un signal dans le spectre utile : (a) Sans filtrage (b) Avec filtrage avant échantillonnage  13 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Rapidité : Temps de scrutation : durée nécessaire à l’acquisition complète d’une voie Entre deux échantillonnages d’une même voie s’écoule une période d’échantillonnage = /. Pendant cet intervalle , l’ensemble des canaux doit être échantillonné et converti sous sa forme numérique. On a donc : × ≤ ou ≤ /. Le temps nécessaire à la scrutation d’une voie résulte de l’addition des temps de réponse des dispositifs constitutifs de cette voie. Il faut : ∑ | ≤. Il résulte de deux inéquations précédentes la condition suivante : L’application à la chaîne d’acquisition de cette condition constitue le budget des temps.  14 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Conditions imposées à la chaîne d’acquisition Environnement de mesure : Grandeurs d’influence : Ensemble des grandeurs physiques ou chimiques – autres que le mesurande – susceptibles de modifier les performances de la chaîne, d’altérer le signal de mesure et donc d’entraîner des erreurs. Exemples de grandeurs d’influence : Les plus fréquentes : température, perturbations électromagnétiques, Autres : vibrations, humidité, rayonnements nucléaires… Deux stratégies possibles vis-à-vis des grandeurs d’influence : Minimiser leur influence par des protections adéquates, Prendre en compte leur influence afin de corriger en conséquence le résultat de mesure.  15 Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Bibliographie G. Asch & coll., « Acquisition de données, du capteur à l’ordinateur », Ed. Dunod, 1999. D. Barchiesi, « Mesure physique et instrumentation, analyse statistique et spectrale des mesures, capteurs », Ed. Ellipses, 2003. F. Cottet, « Traitement des signaux et acquisition de données », Ed. Dunod, 2002. G. Asch & coll., « Les capteurs en instrumentation industrielle », Ed. Dunod, 2010. Explorer pour faire société www.univ-amu.fr Instrumentation et capteurs – La chaîne d’acquisition Evangéline Bènevent, Maître de Conférences HDR