2. Plan du cours
1. Introduction: Organes d’asservissement
2. Etude et réalisation d’un comparateur
3. Etude et réalisation d’un correcteur
4. Chaîne de mesure
5. Capteurs - Transmetteurs et Convertisseurs
6. Instrumentation industrielle : normes ISA
7. Vannes de régulation
8. Autres composants : MCC, Moteur pas à pas
3. Composants de la régulation industrielle
CNA: convertisseur Numérique Analogique
CAN : convertisseur Analogique Numérique
4-20 mA
0-10V
Moteur
Vérin
Vanne
Pression
0,2-1 bar
Réservoir
Introduction
4-20 mA
0-10V
Niveau
Débit
Pression
etc..
PID
PI
PD
3
4. Etude et réalisation d’un comparateur
Voici la formule générale,
dans le cas général où les 4
résistances sont différentes.
10. Etude et réalisation des correcteurs
Montage inverseur
𝑭 𝑷 = −
𝒁𝟐(𝑷)
𝒁𝟏(𝑷)
= −
𝒀𝟏(𝑷)
𝒀𝟐(𝑷)
R L C
Z(P) R LP 1/CP
Y(P) 1/R 1/LP CP
11. Etude et réalisation des correcteurs
Application: on veut réaliser les fonction suivantes
𝑭𝟐 𝑷 =
𝑲
𝟏 + τ𝑷
𝑭𝟏 𝑷 =
𝟏
τ𝑷
𝑭𝟑 𝑷 = 𝑲
𝟏 + τ𝟏𝑷
𝟏 + τ𝟐𝑷
𝑭𝟒 𝑷 =
τ𝟏𝑷
𝟏 + τ𝟐𝑷
Donner les schémas de réalisation à base d’amplificateurs opérationnels
12. Etude et réalisation des correcteurs
Correcteurs PI
Ce montage est une
réalisation électrique
possible d'un
correcteur PI (proportionnel
intégral), La forme dans
l'espace de Laplace d'un tel
correcteur est :
13. Etude et réalisation des correcteurs
Correcteurs PI
Ce montage est une
réalisation électrique
possible d'un
correcteur PI (proportionnel
intégral), La forme dans
l'espace de Laplace d'un tel
correcteur est :
14. Etude et réalisation des correcteurs
Correcteur à retard de phase
Ce montage est une réalisation électrique possible d'un correcteur à retard de
phase synthétisé par les méthodes de l'automatique.
18. Etude et réalisation des correcteurs
Correcteur à avance de phase
Ce montage est une réalisation électrique possible d'un correcteur à avance de
phase synthétisé par les méthodes de l'automatique.
19. Etude et réalisation des correcteurs
Correcteur PID
Ce montage est une réalisation électrique possible d'un correcteur PID (proportionnel
intégrale dérivée) synthétisé par les méthodes de l'automatique.
20. TD
Le montage ci-dessous représente un amplificateur différentiel utilisé dan les
instruments de mesure,
pour les faibles tensions continues issues d'un capteur :(amplificateur
d'instrumentation):
1. Sachant que les 3 AOP sont idéaux, Exprimer la tension V1 en fonction de
fonction de V2, R1, R2 et R3 ?
2.En déduire la tension V2 en fonction de l'entrée Ve ?
3.Exprimer la tension Vs en fonction de VA , VB , R4 et R5 ?
4.Déduire l'expression de Vs en fonction de V2, puis de vs en fonction de Ve ?
fonction de Ve ?
21. Chaine de mesure
Grandeurs physique :
• Capteurs de mesure physiques : position,
vitesse, force, masse, débit, pression, niveau,
etc…-
• Thermique : température
• Chimique : P1, concentration, humidité, etc
Corps d’épreuve
2
Pressi
on
Résistan
ce
Tensio
n
24. Capteurs - Transmetteurs
Chaîne de mesure :
Assure un conditionnement du signal exempt de bruit
et linéaire :
Conditionneur de signal : Comporte la
linéarisation l’amplification bas niveau, ou le
traitement du bruit.
Amplificateur d’instrumentation : utilisé
pour amplifier les signaux.
Transmetteur 4-20mA : conditionne, amplifie et
transmet un signal électrique normalisé, en général
un courant 4-20mA.
Le transmetteur détecte la rupture de ligne et transporte sur une grande
distance sans perte de signal.
6
25. C’est un standard reconnu par tous les fabricants.
Le transport d’un signal analogique de tension, sur une grande distance,
subit une atténuation, contrairement à un signal de courant.
2
Vanne
R´ecepteur 2 Entr´eemesure dur´egulateur Ecran d'affichage
Capteurs - Transmetteurs
26. Le transmetteurintelligent
Le module de communication permet :
- De r´egler le transmetteur `
adistance;
- De brancher plusieurs transmetteursen réseau.
Le microcontrˆoleur permet d'effectuer des calculs: Par exemple,
il peut convertirune mesure de diff´erence de pression en
niveau
Capteurs - Transmetteurs
2
27. Fonction de transfert d’un transmetteur
La fonction de transfert exprime la relation mathématique existant entre le
signal d’entrée et le signal de sortie.
Fonction de transfert d’un transmetteur de température
Io = m(tx-li) + b
Avec li la limite inférieur, m la sensibilité et b le décalage.
2
Io : courant,
tx : température
Capteurs - Transmetteurs
28. 28
dynamique:
A
P F
Fnité de mesure de pression
◗ 1 bar = 100 000 Pa
◗ 1 atm.= 101 325Pa
Capteur de pression
Mesure de la pression
. La mesure de pression est fondamentale, car plusieurs techniques
de mesure de débit, niveau utilisent la mesure de pression.
◗ La pression d’un fluide est la force que celui-ci exerce, par
unité de surface, perpendiculairement à cettesurface.
PT P
P
S PD
S
. Cette pression est dite pression statique .PS
. Si le fluide est en mouvement PD Pression dynamique :
◗ La pression totale est la somme des pressions statique et
1 bar ≈ 105 Pa
1 Pa = 1 N/m2
Capteurs - Transmetteurs
30. Manomètre à section uniforme
• La différence de pression
entre P1 et P2 dépend de la
hauteur h:
• P1 - P2 = gh = P
= m / V : masse volumique
m : masse
V = A.h ; avec A : section
g : accélération terrestrec F = m.g
P = F / A ave
P1 P2
h
30
Capteurs - Transmetteurs
31. 31
Mesure de niveau avec transmetteur de pression
Le choix dépend de:
Type d’installation: Cuve, Réservoir, Extérieur.
Nature du produit: Fluide, Solide.
Liaison avec le liquide: Avec ou sans contacts.
Capteurs - Transmetteurs
32. Cours #5
Mesure avec réservoirouvert
Capteurs de pression :
Avec ܲ ൌ
ܲ ௧
οܲ ൌ ܲ ு ൌ ܲ
ൌ ߩ
ܲሺ
ܪ
ሻ
Pressions: Fond du réservoir
32
ܲ ு
= ܲ + Hg
Capteurs - Transmetteurs
33. 30/04/2013 Cours #5
h
H
Capteurs de pression : Mesure avec réservoir fermé
οܲ ൌ ܲ ு ൌ ܲ ൌ ߩܲ ሺܪ ൌ ܲሻ
Capteurs - Transmetteurs
33
35. Convertisseurs
Courant
4-20 mA
Courant
4-20 mA Pression
Débit
Courant
4-20 mA
Boucle de régulation - Boucle imbriquée :
Pour être plus efficace on place une boucle de positionnement
complémentaire qui à partir d'un signal du régulateur (4-20mA)
positionne le servomoteur proportionnellement à ce signal.
L'ensemble vanne servomoteur devient une vanne motorisée
commandée en 4-20mA et incorpore un positionneur.
C : capteur transmetteur de débit
Courant
4-20 mA
17
36. 36
Positionneur électropneumatique
Le positionneurs détermine une position précise de la vanne
(grandeur réglée x) correspondant au signal de commande.
Ils comparent le signal de commande venant d’un dispositif de
réglage avec la course de l’organe de réglage et émettent comme
grandeur de sortie une pression d’air de commande du servomoteur.
Convertisseurs
38. Commande pneumatique par ordinateur :
Pour piloter des composants électromécaniques, on utilise un
convertisseur Courant/Pression (I/P) qui converti le signal électrique en
signal pneumatique.
Pour acquérir un signal pneumatique et le convertir en signal
électrique, nous utilisons un convertisseur Pression/Courant (P/I).
IC : courant de consigne (4 – 20 mA) ; Im : courant de mesure (4 – 20 mA)
IS : courant de sortie du régulateur (4 – 20 mA) ;
PS : pression de commande ; Pm : pression de mesure
O.R : organe de réglage (vanne + actionneur pneumatique + positionneur)
PID : régulateur ; P/I & I/P : convertisseurs
Convertisseurs
20
39. Réglage d’un transmetteur pneumatique
Le réglage consiste :
à régler l’étendu de mesure par déplacement de la molette fixant le point
de fonctionnement.
à fixer le zéro d’échelle par la vis de réglage de tension du ressort.
Exemple: mesure du niveau dans un ballon de 6 m.
zéro : 0 ou 2 m
étendus de mesure : 1,2 ou
4 m
Indication :
Zéro correspond à 0,2 bar
100% correspond à 1 bar
pression
Variation du signal pneumatique par rapport aux différents réglages
39
Convertisseurs
40. Instrumentation industrielle
NORME I.S.A. « Instrument Society of America » est une norme de
présentation des procédés.
Bulle
Identification
Signaux
Conduite
Débitmètre
Valve
40
Numéro de
Boucle (5)
42. Alimentation de l'instrument
ou connection au procédé
Signal non définit
Signal pneumatique
Signal électrique
ou
Signal hydraulique
Tube capillaire
Lignes de liaison
Schémas d’instrumentation
24
44. Abréviation Fonction
I/P convertisseur courant à pression
P/I convertisseur pression à courant
Convertisseur courant / pression
• F = débit - « flow »
• Y = « relay »
Appareil extracteur de racine carrée pour une boucle de débit
FY
1
Abréviations et de conversion
44
Schémas d’instrumentation
45. Détecteur de température excessive
T = température
S = commutateur - « switch »
A = alarme
L = lumière
I = indicateur
H = haut - « high »
T = température
R = enregistreur - « recorder »
F = débit - « flow »
C = régulateur - « controller »
Vanne pneumatique
F = débit - « flow »
C = régulation - « control »
V = vanne
45
Indicateur lumineux
Enregistreur
Régulateur
Schémas d’instrumentation
46. 46
FT : un transmetteur (T) de débit (F) (flow) ;
TT : un transmetteur de température ;
FQT : un transmetteur de débit totalisé ;
FIT : un transmetteur – indicateur de débit ;
FIR :
TDRC :
FIC :
FCV :
un enregistreur – indicateur de débit ;
un régulateur – enregistreur de température différentielle ;
un régulateur – indicateur de débit ;
une vanne de régulation de débit.
Schémas d’instrumentation
47. Exemple de schéma en norme ISA
Régulation de température
47
Schémas d’instrumentation
51. Orifice à surface variable.
.
Si l’ouverture est automatisée, on obtient un robinet deréglage
(ou valve de régulation).
Vannes de régulation
51
52. Est divisé en 2 chambres au travers desquelles le liquide s’écoule.
Fournit les points de branchement des conduites.
L’obturateur (plug)
Élément qui délimite avec le siège l’espace dans lequel passe le liquide.
Vannes de régulation
Le corps de valve (body)
Le siège (seat)
Partie du corps de la valve sur
lequel vient reposer l'obturateur
quand la valve est fermée.
Selon la valve, il peut y avoir
un ou deux sièges.
Simple siège Double siège
52
53. Les types de valves
Mouvement linéaire de l'obturateur
VALVES
Mouvement angulaire de l'obturateur
Mouvement linéaire de l'obturateur
Vannes de régulation
53
54. Mouvement angulaire de l'obturateur
Les robinets à papillon
(butterfly valve)
. Obturateur déplacé par un
mouvement angulaire.
. L’obturateur est un disque.
. L’angle entre la normale du
disque et la conduite définit
la section de l’orifice.
Vannes de régulation
Source: www.pro-techvalve.com
36
56. 56
Les actionneurs pneumatiques
à diaphragame
. Deux configurations:
– « Fluid-to-extend stem » :
. il faut envoyer de l’air pour provoquer
l’extension de la tige.
– « Fluid-to-retract stem » :
. il faut envoyer de l’air pour provoquer la
rétraction de la tige.
Vannes de régulation
59. CARACTERISTIQUES DES VANNES DE REGULATION
C'est la relation entre le débit Q et le signal de commande de vanne V
.
Deux principaux types de caractéristiques de débit :
1) Linéaire ;
2) Égal pourcentage ;
Linéaire
59
Exponentielle
Vannes de régulation
60. CARACTERISTIQUES DES VANNES DE REGULATION
Modélisation de la relation EQP : débit et commande de vanne
C'est la relation entre le débit d'une vanne et sa commande, lorsque sa
caractéristique est de type égal pourcentage. On peut écrire :
Vannes de régulation
42
61. Rappel : Mesure des débits
Débit volumique:
Q = v · A
Unités: m3/s,
Débit massique:
Qm = · v · A
Unités: kg/s,...
Dynamique des fluides:
Fluide parfait: Fluide n'offrant pas de résistance à
l'écoulement, i.e., ayant une viscosité nulle.
Le fluide réel: Fluide visqueux qui résiste à
l'écoulement.
Vannes de régulation
43
62. Rappel : Mesure de débit par organe déprimogène
L'une des techniques les plus utilisées.
62
Vannes de régulation
63. Pression statique
l’orifice
Débit
Q A2 2g(H1 H2)
(1 m2
)
Accélération de
la pesanteur
Dimensionnement d’une valve
Écoulement idéal (turbulent). Le débit théorique idéal est :
Section de
Section du
conduit
m = A2/A1
Vannes de régulation
63
64. Dimensionnement d’une valve
En pratique, il y a toujours une perte de charge
. La section minimale du débit n’est pas A2, mais AVC la section du
« vena contracta »
. En utilisant C1 pour identifier le coefficient de décharge (perte) :
F 1
1 m2
Q C1FA2 2g(H1 H2 )
Q C1FAVC 2g(H1 HVC)
Pression statique au
vena contracta
Vannes de régulation
64
65. Vannes de régulation
Dimensionnement d’une valve
Le coefficient de contraction C est :
Le facteur de récupération de pression FL est:
H1 H2
H1 HVC
L
F
A
A
VC
C C
1 2
Le débit (en po3/s) se calcule par : 1 po = 2,54 cm
Q
CFA2
65
FL
2g(H1 H2 )
66. Si le débit est en GPM plutôt qu’en po3/s :
p
FL G
Chute de pression
Densité relative
Q(GPM ) 38.0
CFA2
On peut écrire :
v
Q(GPM ) C
Cv 38.0
CFA
FL
p
G
2
66
GPM: Gallon per minute
1 GPM = 6,31x10-5 m3/s
En posant :
Coefficient de valve
Vannes de régulation
67. Dimensionnement d’une valve
Cd Cv
d 2
67
Cd exprime la capacité relative d’une valve, car Cv dépend dela
grosseur de la conduite.
d : grosseur de la vanne(diamètare)
Vannes de régulation
68. Cd
Cours #1 - GPA668
7
8
Cd
Cours #1 -
GPA668
7
8
68
69. 69
Exemple de dimensionnement d’une valve
Liquide: eau
Débit maximal: 1600 GPM
Conduite: 8 po.
Pression en amont : 42.6 psi (1 psi = 6,9 kPa)
Pression en aval : 34,7 psi
Question:
Supposons que l’on choisisse une valve papillon de 60°,
quelle devrait être la grosseur de la valve ?
Vannes de régulation
70. 42.6 34.7 1.0
Fp
Q(GPM) Cv
p
G
Fp
1600 Cv
FpCv 569 (valeur requise)
Cd
Cv
d 2
Cd exprime la capacité relative d’unevalve,
car Cv dépend de la grosseur de laconduite.
Vannes de régulation
Exemple de dimensionnement d’une valve
Étape 1: Calculer le produit CV requis
Pour une valve papillon de 60°
– Le coefficient Cd = 17. Dépend du type de la valve
et conduite
d : diamètre de la vanne
52
71. Exemple de dimensionnement d’une valve
Étape 2: Évaluer le diamètre requis de
l’orifice de la valve
alors :
d
Cv
569
5.79 pouces
Cd 17
Choisir une valve de 6 pouces (>5.79)
– Dont le CV serait 612 (soit 62X17)
Vannes de régulation
53
