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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   Page 1/70
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   Page 2/70
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   Page 3/70
I) Introduction

Contrôle industriel

  Procédé et processus de "contrôle et régulation":
                           Objectifs / Moyens


       Réflexion                                                          Action



                                    Contrôle
                                   industriel
Progression                                                                 Procédé
/ Résultats                                                                / Mesures



                                 Observation

                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications                Page 4/70
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                  Unité                 Symbole        Dimension
       Longueur                      mètre                   m                L
        Masse                    kilogramme                  kg              M
        Temps                      seconde                    s               T
   Courant électrique               ampère                    A               I
      Température                    kelvin                   K              Θ
  Quantité de matière                mole                    mol             N
  Intensité lumineuse              candela                   cd               J
♦ Exercice:
1) Déterminer l'unité SI d'une force: ……………………………………………….
2) Déterminer l'unité SI d'une pression: ………………………………………….
                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications           Page 5/70
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:




                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 6/70
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                    Symbole              Grandeur         Dimension   Conversion
   Gallon (USA) per min         Gal(USA)/min           …………             …………          cm3/s
       Inch of water                inH2O              pression         …………           Pa
Pound-force per square inch         lbf/in2            …………             …………           Pa
           90 cv                ………………                 …………             …………         …………



                     Instrumentation et Régulation − Normes et Applications             Page 7/70
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)                       Mesure
                          Thermocouple                            Voltmètre

                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications           Page 8/70
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.
                  T (°C)                                                          Te (°C)
♦ Exemple:                                                                        Ts (°C)
                                                                          t (s)

                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications           Page 9/70
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   Page 10/70
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.
                     Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 11/70
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:                                            Grandeurs
       s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …)                                            d’influence
Déduire e de s malgré gi :                                  Variable                           Variable
  Réduire l’importance: isolation, blindage…                physique                            signal
  Stabiliser: enceintes, régulation…                                            Capteur           s
  Compenser: pont de Wheatstone.
                                                                  e
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                      Page 12/70
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.).


                    Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 13/70
II) Capteurs

1) Définitions: Capteur actif

Tableau de synthèse


               Mesurande                 Effet utilisé          Grandeur de sortie
           Température             Thermoélectricité           Tension


           Flux de rayonne-        Pyroélectricité             Charge
           ment optique            Photoémission               Courant
                                   Effet photovoltaïque        Tension
           Force
           Pression                Piézoélectricité            Charge
           Accélération
                                   Induction
           Vitesse                 électromagnétique           Tension
           Position                Effet Hall                  Tension




                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications              Page 14/70
II) Capteurs

1) Définitions: Capteur passif

Définition
Impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.

Tableau de synthèse
               Mesurande                 Caractéristique                      Matériaux
                                       électrique sensible
          Température                 Résistivité                     Métaux, semiconducteurs
          Très basse température      Cste diélectrique               Verre
          Flux de rayonnement
          optique                     Résistivité                     Semi conducteur
          Déformation                 Résistivité                     Alliage de Ni, SI dopé
                                      Perméabilité électrique         Alliages ferromagnétiques
                                                                      Matériaux magnéto-
          Position (aimant)           Résistivité                     résistants : bismuth, …
          Niveau                      Cste diélectrique               Liquides isolants


                                      Résistivité                     Chlorure de lithium
          Humidité                    Cste diélectrique               Polymères
                     Instrumentation et Régulation − Normes et Applications                 Page 15/70
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.
                                                                   Grandeur
                     Mesurande                                     électrique
                                           Capteur



                                            Grandeur                            Grandeur
    Mesurande            Corps              physique                            électrique
                                                              Transducteur
                       d'épreuve          intermédiaire


                       Instrumentation et Régulation − Normes et Applications           Page 16/70
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                                            Alimentation


 P                       D                       E1                    E2            E3                        I
             Corps                                                                        Traitement
                                 Transducteur          Amplificateur        Filtre
           d'épreuve                                                                       du signal


                       Capteur                                         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                     Variable
                            physique                      signal
            Mesurande
                                            Capteur
                                e                            s
                                                                    Affichage
            Processus
            physique



      Lois physiques
                           s = f(e)         Mesure de s          Connaissance de e
    régissant le capteur

                     Instrumentation et Régulation − Normes et Applications              Page 18/70
II) Capteurs

2) Caractéristiques: Etalonnage

    Correspondance entre s(t) et e(t): fonction de transfert
                    e(t)
             e(t)
                                              → Inconnu
                                                              t
           Capteur          s(t)

                                                                  → Connu
               s(t)                                           t
    Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur
        s                            s
          s2
                                                    si
          s1

                e1     e2               e                         ei             e
        Etablissement ⇒ étalons de m                              Exploitation
                Instrumentation et Régulation − Normes et Applications               Page 19/70
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
s                             conditions identiques. l’interchangeabilité résulte de la
                              rigueur des procédés de fabrication et des contrôle en fin de
                              fabrication.
             s = f(e)
                              La répétabilité est la qualité du capteur qui assure
                              l’utilisateur de l’identité de la grandeur de sortie dans des
                        e     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            Page 20/70
II) Capteurs

2) Caractéristiques: Sensibilité


   Sensibilité d’un capteur
   s
                                               - réponse linéaire pour e < e0 Domaine de
                                                                 ds ∆s          mesure
                                               - sensibilité: S = =
                   ∆s
                                                                 de ∆e         du capteur

              ∆e                                                                    Domaine de
                                               - réponse faible pour e > e0
                                                                 ds                  saturation
                    e0                    e    - sensibilité: S = → 0
                                                                 de                  du capteur

        Contrainte: constance de la sensibilité
            ds
       S=      dépend de:
            de
               - la valeur de e                                    (linéarité)
               - la fréquence de variation de e                    (bande passante)
               - temps                                             (vieillissement)
               - grandeurs physiques parasites                     (grandeurs d’influence)
                        Instrumentation et Régulation − Normes et Applications               Page 21/70
II) Capteurs

2) Caractéristiques: Définitions

  Sensibilité d'une sonde Pt100:


                                                             T (°C) R (Ω) S (              )
                                                              −200        18,53    …………
                                                               −10        96,07    …………
                                                               ….           ….     …………
                                                                70        127,07   …………
                                                               260        197,7    …………
                                                               340        226,18   …………
                                                               530        290,87   …………
                                                               610        316,86   …………
                                                               800        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             Page 22/70
II) Capteurs

2) Caractéristiques métrologiques




        Grandeur d’influence

                                             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     Page 23/70
II) Capteurs

2) Caractéristiques métrologiques




       Grandeur d’influence

                                            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     Page 24/70
II) Capteurs

 2) Caractéristiques métrologiques




          Grandeur d’influence

                                               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



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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   Page 26/70
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

                   Instrumentation et Régulation − Normes et Applications                Page 27/70
II) Capteurs

         3) Transmetteur

         Structure de type "Capteur et Transmetteur":
 ♦ Exemple:
    Capteur-transmetteur de température à entrée thermocouple
 type K de 500 ° à 900 ° et sortie courant 4-20 mA . Ce capteur n’est
                 C          C,
 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                         T (°C)

         500             900              17,6                43,2                  500         900

               Capteur                      Transmetteur                        Capteur-Transmetteur

                               Capteur-transmetteur de température
                           Instrumentation et Régulation − Normes et Applications               Page 28/70
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   Page 29/70
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   Page 30/70
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:             MAX
  Y                                   Valeur minimale mesurable:             MIN
                                      Étendue de mesure:                     EM = MAX-MIN
YMAX                                  Valeur du zéro:                        VZ = MIN
                                      Décalage négatif si:                   EM < MAX
                                      Décalage positif si:                   EM > MAX
                                      Équation de correspondance:
                                                        X − VZ
YMIN                        X                     Y=           .(YMAX − YMIN ) + YMIN
                                                         EM
       0 MIN        MAX               Pente a et ordonnée à l'origine:
                                      a = …………………. b = ……………………

                    Instrumentation et Régulation − Normes et Applications                  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 ° à 300 ° délivrant un signal de
                                  C      C
   mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.

                                    Étendue d'échelle:          EE      = …. °
                                                                             C
                                    Valeur maximale mesurable: MAX      = …. °
                                                                             C
                                    Valeur minimale mesurable: MIN      = …. °
                                                                             C
I (mA)
                                    Étendue de mesure:          EM      = …. °
                                                                             C
                                    Valeur du zéro:             VZ      = …. °
                                                                             C
 20
                                    Décalage ……….. car :        EM (…) …… MAX (...)
                                    Équation de correspondance:
                                    …………………………………………………………......
                                    ………………………………………………....................
  4                          T (°C) ………………………………………………....................
                                    ………………………………………………....................
         0 20          80           ………………………………………………....................
                                    ………………………………………………....................

                     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 ° à 300 ° délivrant un signal de
                                  C      C
   mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.

                                    Étendue d'échelle:          EE      = …. °
                                                                             C
                                    Valeur maximale mesurable: MAX      = …. °
                                                                             C
                                    Valeur minimale mesurable: MIN      = …. °
                                                                             C
I (mA)
                                    Étendue de mesure:          EM      = …. °
                                                                             C
                                    Valeur du zéro:             VZ      = …. °
                                                                             C
 20
                                    Décalage ……….. car :        EM (…) …… MAX (...)
                                    Équation de correspondance:
                                    …………………………………………………………......
                                    ………………………………………………....................
  4                          T (°C) ………………………………………………....................
                                    ………………………………………………....................
         −30   0       90           ………………………………………………....................
                                    ………………………………………………....................

                     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   Page 39/70
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
                                                                        Bus de terrain FF-H1
de 32 instruments par bus linéaire.
                      Instrumentation et Régulation − Normes et Applications               Page 40/70
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   Page 41/70
III) Normes

1) Représentations normalisées

  Représentation libre et personnelle d'un procédé industriel:
    Exemple d’application: Echangeur thermique




                Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 42/70
III) Normes

      1) Représentations normalisées

        Représentation d'un procédé industriel:
          Schéma fonctionnel: Exemple général
               (E)               (E')                                         (S)
                      +
                          -                      A


                                                 B
          Fonction de transfert:
      ………………………………………………………………………………
       Régulation:
         Réponse Y = f(W-X).
(W)
                                                                                       (Y)




         (X)

                     Instrumentation et Régulation − Normes et Applications         Page 43/70
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 (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.
                Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 44/70
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   Page 45/70
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.

                Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 46/70
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    Page 47/70
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.




                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 48/70
III) Normes

1) Représentations normalisées

  Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
    Exemple d’application: Echangeur thermique




                 TI [avec boucles de régulations]
               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 49/70
III) Normes

2) Schéma TI

  Norme Française NF E 04-203:
    Exemple: Régulation de température d'un échangeur thermique.




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 50/70
III) Normes

2) Schéma TI

  Norme Française NF E 04-203:
    Éléments de normalisation.




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 51/70
III) Normes

2) Schéma TI

  Norme Française NF E 04-203:
    Catalogue:




                                                                        HCV

                                                                        KCV
                                                                        LCV

                                                                        PCV


                                                                        SCV
                                                                        TCV




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications         Page 52/70
III) Normes

2) Schéma TI

  Norme Française NF E 04-203:
    Application:




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 53/70
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   Page 54/70
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:
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 55/70
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:
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 56/70
IV) Régulation

Contrôle de Commande Automatique
  Application:
    Régulation de niveau d'eau:




  Schéma fonctionnel:




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 57/70
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)


                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 58/70
IV) Régulation

Type de Régulation
  En cascade:
      Imbrication d'un régulateur "esclave" dont la consigne est la
sortie d'un régulateur "maître".




                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 59/70
IV) Régulation

Type de Régulation
  Prédictive:
    Compensation de perturbation principale.




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 60/70
IV) Régulation

Type de Régulation
  Auto-adaptative:
    Calcul et application d'un modèle de processus en temps réel.




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 61/70
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     62
                                                                              Page 62/70
IV) Régulation

Structure d'un régulateur industriel
  Type de Commande:
    Régulation: Consigne, Mesure, Commande:
♦ Commande "Tout Ou Rien" (TOR)
♦ Commande "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)




                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 63/70
IV) Régulation

Performance d'un régulateur industriel
  Performance d'une Commande:
    Dépassement, erreur statique…




                Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 64/70
IV) Régulation

Performance d'un régulateur industriel
  Performance d'une Commande:
    Temps de réponse, amortissement…




                Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 65/70
IV) Régulation

Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
  Régulation TOR:
    Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:
                                    Régulateur TOR




                                                                        Capteur

               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications             Page 66/70
IV) Régulation

Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
  Régulation TOR:
    Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:




               Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 67/70
IV) Régulation

Régulation "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)
  Régulation PID:
    Structures possibles:




                 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications   Page 68/70
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
                    Instrumentation et Régulation − Normes et Applications    Page 69/70
Notes

Quelques notes:

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Instrumentation et régulation

  • 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 Page 1/70
  • 2. 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 Page 2/70
  • 3. 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 Page 3/70
  • 4. I) Introduction Contrôle industriel Procédé et processus de "contrôle et régulation": Objectifs / Moyens Réflexion Action Contrôle industriel Progression Procédé / Résultats / Mesures Observation Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 4/70
  • 5. 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 Unité Symbole Dimension Longueur mètre m L Masse kilogramme kg M Temps seconde s T Courant électrique ampère A I Température kelvin K Θ Quantité de matière mole mol N Intensité lumineuse candela cd J ♦ Exercice: 1) Déterminer l'unité SI d'une force: ………………………………………………. 2) Déterminer l'unité SI d'une pression: …………………………………………. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 5/70
  • 6. 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: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 6/70
  • 7. 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 Symbole Grandeur Dimension Conversion Gallon (USA) per min Gal(USA)/min ………… ………… cm3/s Inch of water inH2O pression ………… Pa Pound-force per square inch lbf/in2 ………… ………… Pa 90 cv ……………… ………… ………… ………… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 7/70
  • 8. 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) Mesure Thermocouple Voltmètre Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 8/70
  • 9. 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. T (°C) Te (°C) ♦ Exemple: Ts (°C) t (s) Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 9/70
  • 10. 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 Page 10/70
  • 11. 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. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 11/70
  • 12. 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: Grandeurs s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …) d’influence Déduire e de s malgré gi : Variable Variable Réduire l’importance: isolation, blindage… physique signal Stabiliser: enceintes, régulation… Capteur s Compenser: pont de Wheatstone. e 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 Page 12/70
  • 13. 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.). Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 13/70
  • 14. II) Capteurs 1) Définitions: Capteur actif Tableau de synthèse Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Flux de rayonne- Pyroélectricité Charge ment optique Photoémission Courant Effet photovoltaïque Tension Force Pression Piézoélectricité Charge Accélération Induction Vitesse électromagnétique Tension Position Effet Hall Tension Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 14/70
  • 15. II) Capteurs 1) Définitions: Capteur passif Définition Impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. Tableau de synthèse Mesurande Caractéristique Matériaux électrique sensible Température Résistivité Métaux, semiconducteurs Très basse température Cste diélectrique Verre Flux de rayonnement optique Résistivité Semi conducteur Déformation Résistivité Alliage de Ni, SI dopé Perméabilité électrique Alliages ferromagnétiques Matériaux magnéto- Position (aimant) Résistivité résistants : bismuth, … Niveau Cste diélectrique Liquides isolants Résistivité Chlorure de lithium Humidité Cste diélectrique Polymères Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 15/70
  • 16. 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. Grandeur Mesurande électrique Capteur Grandeur Grandeur Mesurande Corps physique électrique Transducteur d'épreuve intermédiaire Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 16/70
  • 17. 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 Alimentation P D E1 E2 E3 I Corps Traitement Transducteur Amplificateur Filtre d'épreuve du signal Capteur Transmetteur Capteur-transmetteur de pression Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 17/70
  • 18. 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 Variable physique signal Mesurande Capteur e s Affichage Processus physique Lois physiques s = f(e) Mesure de s Connaissance de e régissant le capteur Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 18/70
  • 19. II) Capteurs 2) Caractéristiques: Etalonnage Correspondance entre s(t) et e(t): fonction de transfert e(t) e(t) → Inconnu t Capteur s(t) → Connu s(t) t Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur s s s2 si s1 e1 e2 e ei e Etablissement ⇒ étalons de m Exploitation Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 19/70
  • 20. 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 s conditions identiques. l’interchangeabilité résulte de la rigueur des procédés de fabrication et des contrôle en fin de fabrication. s = f(e) La répétabilité est la qualité du capteur qui assure l’utilisateur de l’identité de la grandeur de sortie dans des e 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 Page 20/70
  • 21. II) Capteurs 2) Caractéristiques: Sensibilité Sensibilité d’un capteur s - réponse linéaire pour e < e0 Domaine de ds ∆s mesure - sensibilité: S = = ∆s de ∆e du capteur ∆e Domaine de - réponse faible pour e > e0 ds saturation e0 e - sensibilité: S = → 0 de du capteur Contrainte: constance de la sensibilité ds S= dépend de: de - la valeur de e (linéarité) - la fréquence de variation de e (bande passante) - temps (vieillissement) - grandeurs physiques parasites (grandeurs d’influence) Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 21/70
  • 22. II) Capteurs 2) Caractéristiques: Définitions Sensibilité d'une sonde Pt100: T (°C) R (Ω) S ( ) −200 18,53 ………… −10 96,07 ………… …. …. ………… 70 127,07 ………… 260 197,7 ………… 340 226,18 ………… 530 290,87 ………… 610 316,86 ………… 800 375,61 ………… ♦ Application: 1) Déterminer la sensibilité de la sonde sur chaque tronçon. 2) La sensibilité est-elle linéaire ? Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 22/70
  • 23. II) Capteurs 2) Caractéristiques métrologiques Grandeur d’influence 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 Page 23/70
  • 24. II) Capteurs 2) Caractéristiques métrologiques Grandeur d’influence 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 Page 24/70
  • 25. II) Capteurs 2) Caractéristiques métrologiques Grandeur d’influence 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 Page 25/70
  • 26. 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 Page 26/70
  • 27. 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 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 27/70
  • 28. II) Capteurs 3) Transmetteur Structure de type "Capteur et Transmetteur": ♦ Exemple: Capteur-transmetteur de température à entrée thermocouple type K de 500 ° à 900 ° et sortie courant 4-20 mA . Ce capteur n’est C C, 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 T (°C) 500 900 17,6 43,2 500 900 Capteur Transmetteur Capteur-Transmetteur Capteur-transmetteur de température Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 28/70
  • 29. 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 Page 29/70
  • 30. 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 Page 30/70
  • 31. 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
  • 32. 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
  • 33. 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
  • 34. 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
  • 35. 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: MAX Y Valeur minimale mesurable: MIN Étendue de mesure: EM = MAX-MIN YMAX Valeur du zéro: VZ = MIN Décalage négatif si: EM < MAX Décalage positif si: EM > MAX Équation de correspondance: X − VZ YMIN X Y= .(YMAX − YMIN ) + YMIN EM 0 MIN MAX Pente a et ordonnée à l'origine: a = …………………. b = …………………… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 35/70
  • 36. II) Capteurs 3) Transmetteur Structure de type "Capteur et Transmetteur": ♦ Exemple: Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur de température d’échelle –100 ° à 300 ° délivrant un signal de C C mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température. Étendue d'échelle: EE = …. ° C Valeur maximale mesurable: MAX = …. ° C Valeur minimale mesurable: MIN = …. ° C I (mA) Étendue de mesure: EM = …. ° C Valeur du zéro: VZ = …. ° C 20 Décalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...) Équation de correspondance: …………………………………………………………...... ……………………………………………….................... 4 T (°C) ……………………………………………….................... ……………………………………………….................... 0 20 80 ……………………………………………….................... ……………………………………………….................... Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 36/70
  • 37. II) Capteurs 3) Transmetteur Structure de type "Capteur et Transmetteur": ♦ Exercice: Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur de température d’échelle –100 ° à 300 ° délivrant un signal de C C mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température. Étendue d'échelle: EE = …. ° C Valeur maximale mesurable: MAX = …. ° C Valeur minimale mesurable: MIN = …. ° C I (mA) Étendue de mesure: EM = …. ° C Valeur du zéro: VZ = …. ° C 20 Décalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...) Équation de correspondance: …………………………………………………………...... ……………………………………………….................... 4 T (°C) ……………………………………………….................... ……………………………………………….................... −30 0 90 ……………………………………………….................... ……………………………………………….................... Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 37/70
  • 38. 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
  • 39. 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 Page 39/70
  • 40. 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 Bus de terrain FF-H1 de 32 instruments par bus linéaire. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 40/70
  • 41. 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 Page 41/70
  • 42. III) Normes 1) Représentations normalisées Représentation libre et personnelle d'un procédé industriel: Exemple d’application: Echangeur thermique Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 42/70
  • 43. III) Normes 1) Représentations normalisées Représentation d'un procédé industriel: Schéma fonctionnel: Exemple général (E) (E') (S) + - A B Fonction de transfert: ……………………………………………………………………………… Régulation: Réponse Y = f(W-X). (W) (Y) (X) Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 43/70
  • 44. 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 (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. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 44/70
  • 45. 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 Page 45/70
  • 46. 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. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 46/70
  • 47. 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 Page 47/70
  • 48. 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. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 48/70
  • 49. III) Normes 1) Représentations normalisées Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Exemple d’application: Echangeur thermique TI [avec boucles de régulations] Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 49/70
  • 50. III) Normes 2) Schéma TI Norme Française NF E 04-203: Exemple: Régulation de température d'un échangeur thermique. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 50/70
  • 51. III) Normes 2) Schéma TI Norme Française NF E 04-203: Éléments de normalisation. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 51/70
  • 52. III) Normes 2) Schéma TI Norme Française NF E 04-203: Catalogue: HCV KCV LCV PCV SCV TCV Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 52/70
  • 53. III) Normes 2) Schéma TI Norme Française NF E 04-203: Application: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 53/70
  • 54. 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 Page 54/70
  • 55. 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: …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 55/70
  • 56. 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: …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 56/70
  • 57. IV) Régulation Contrôle de Commande Automatique Application: Régulation de niveau d'eau: Schéma fonctionnel: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 57/70
  • 58. 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) Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 58/70
  • 59. IV) Régulation Type de Régulation En cascade: Imbrication d'un régulateur "esclave" dont la consigne est la sortie d'un régulateur "maître". Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 59/70
  • 60. IV) Régulation Type de Régulation Prédictive: Compensation de perturbation principale. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 60/70
  • 61. IV) Régulation Type de Régulation Auto-adaptative: Calcul et application d'un modèle de processus en temps réel. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 61/70
  • 62. 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 62 Page 62/70
  • 63. IV) Régulation Structure d'un régulateur industriel Type de Commande: Régulation: Consigne, Mesure, Commande: ♦ Commande "Tout Ou Rien" (TOR) ♦ Commande "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID) Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 63/70
  • 64. IV) Régulation Performance d'un régulateur industriel Performance d'une Commande: Dépassement, erreur statique… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 64/70
  • 65. IV) Régulation Performance d'un régulateur industriel Performance d'une Commande: Temps de réponse, amortissement… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 65/70
  • 66. IV) Régulation Régulation "Tout Ou Rien" (TOR) Régulation TOR: Réponse Y = f(W-X) à hystérésis: Régulateur TOR Capteur Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 66/70
  • 67. IV) Régulation Régulation "Tout Ou Rien" (TOR) Régulation TOR: Réponse Y = f(W-X) à hystérésis: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 67/70
  • 68. IV) Régulation Régulation "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID) Régulation PID: Structures possibles: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 68/70
  • 69. 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 Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 69/70
  • 70. Notes Quelques notes: …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 70/70