CHAPITRE I
GÉNERALITÉ SUR LA CHAINE DE
MESURE
3
1.1 Introduction
Dans le processus de mesure, la grandeur á
évaluer, soit la mesurande, doit passer par un ensemble de processus et
traitement analogique ; on obtient ce que l'on appelle la mesure. C'est une
grandeur caractéristique du phénomène physique que l'on
veut quantifier. Pour cela, on a le capteur qui constitue le premier
étage d'une chaine d'instrumentation et qui assure la conversion du
phénomène physique en un signal, le plus souvent
électrique ; vient ensuite le conditionneur pour le traitement
analogique et/ou numérique (pour les instruments à affichage
numérique) et la mise en forme du signal électrique issu du
capteur permettant l'exploitation adéquate de la grandeur à
mesurer. L'étage suivant est la partie visualisation ou exploitation
(déviation d'aiguille pour les instruments à cadrant et affichage
numérique pour les instruments numérique).
Dans ce chapitre, il sera question de présenter une vue
générale sur la chaine de mesure, c'est-à-dire son
principe et ses principaux éléments constitutifs.
1.2 Structure d'une chaine de mesure
La chaine de mesure est formée d'un ensemble
d'éléments que parcourt un signal, caractérisant un
phénomène physique depuis le capteur jusqu'à
l'exploitation et la prise de décision. Elle est subdivisée en
deux grandes parties :
La chaine d'aquisition La chaine de
restitution
1.3. LE CAPTEUR 4
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FIGURE 1.1 - Chaine de mesure compléte [4]
La chaine d'acquisition intègre le capteur et un
conditionneur électrique permettant à la mesure d'être
exploitable électriquement et la chaine de restitution reconvertie le
signal numérique issu du convertisseur analogique numérique en
signal analogique [4].
L'association capteur-conditionneur détermine les
caractéristiques du signal de sortie. La chaîne d'acquisition doit
être considérée dans son ensemble, ses
caractéristiques étant déterminées de
manière à répondre à l'application visée.
Les divers dispositifs constituants la chaîne d'acquisi-tion et sa
structure doivent permettre le mesurage, le traitement et la restitution de la
mesure avec les caractéristiques nécessaires à
l'application : résolution, précision, rapidité et
immunité aux parasites [5].
Dans la suite de notre rédaction, nous nous
focaliserons principalement sur la chaine d'acquisi-tion numérique ou
chaine de mesure simple constitue du capteur, du conditionneur et la partie
visualisation.
1.3 Le capteur
Le capteur est l'interface entre le monde physique et
électrique. Il va délivrer un signal électrique
reflétant le phénomène physique que l'on veut
quantifier.
1.3. LE CAPTEUR 5
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1.3.1 Constitution d'un capteur
Un capteur est un dispositif qui, lorsqu'il est soumis
à l'action de la mesurande, présente une caractéristique
de nature le plus souvent électrique qui peut être une tension, un
courant, une charge ou même une impédance qui est fonction de la
mesurande [6]. son schéma de principe est le suivant :
FIGURE 1.2 - Principe d'un capteur [7] Chaque partie joue un
rôle bien défini;
Le corps d'épreuve : C'est un
élément qui réagit sélectivement au variations de
la grandeur à mesurer ayant pour rôle de transformer cette
grandeur en une autre grandeur physique dite mesurable.
L'élément de transduction ou
transducteur : Il est un élément sensible, lié au
corps d'épreuve et permet de traduire les réactions du corps
d'épreuve en une grandeur physique exploitable. A titre d'exemple, on a
:
· Le microphone qui transforme les ondes acoustiques en un
signal électrique.
· Le haut-parleur qui transforme un signal
électrique en ondes acoustiques.
· Le phonocapteur transforme les ondes mécaniques en
signaux électriques.
1.3.2 Différents types des capteurs
Les capteurs sont souvent typographiés en fonction de
la nature du signal délivré. Ainsi, on distingue
généralement les capteur logique ou TOR aussi
désigné par « détecteurs », les capteurs
analogiques et les capteurs numériques ou codeurs.
1.3. LE CAPTEUR 6
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Capteurs logique
Également appelé détecteur ou capteur
TOR, il détecte un évènement. Le signal de sorti est de
type logique c'est-à-dire qu'il ne prend que deux niveau ou états
qui s'affiche par rapport au franchissement de deux valeurs. Ce signal est une
information binaire qui n'a que deux niveaux logique à savoir 0 ou 1.
~ Les détecteurs à
scintillation
Un détecteur à scintillation également
appelé compteur à scintillation est un instrument composé
d'un matériau qui émet de la lumière à la suite
d'un dépôt d'énergie par interaction d'un rayonnement.
Il se compose d'un cristal ou d'un liquide de scintillation,
d'un photomultiplicateur ou d'un CPM (Channel Photo Multiplier) et d'une
électronique de comptage. Ils sont utilisés en
général de deux manières. Premièrement sous la
forme d'un écran fluorescent, permettant la visualisation à
l'oeil nu; cet écran est souvent couplé à une
caméra numérique qui permet une acquisition informatique.
Deuxièmement sous la forme d'un détecteur à scintillation
: la lumière (photons) émise par le matériau scintillant
est amplifiée par un photomultiplicateur (PM), puis les photons sont
comptés. On estime ainsi le flux de photons dans le scintillateur.
Le mécanisme de détection se fait en trois
étapes [8] : d'abord, on a la scintillation; les rayonnements ionisant
excitent les atomes du matériau qui se désexcitent en
émettant des photons (indicatif numéro 1 sur le schéma).
Ensuite l'effet photoélectrique ou un photon arrache un électron
à la cathode (indicatif numéro 2). Et enfin la multiplication des
électrons puis recueil du signal électrique (indicatif 3).
FIGURE 1.3 - schéma du détecteur a scintillation
[8] ~ Les détecteurs à semi-conducteur
1.3. LE CAPTEUR 7
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Ces types de détecteurs exploitent les
propriétés des matériaux semi-conducteurs, par certains
phénomènes physiques. Une particule avec une énergie
suffisante, rencontrant un semi-conducteur, va arracher un électron
à un atome du cristal en lui cédant une partie ou la
totalité de son énergie sous forme d'énergie potentielle
et cinétique. Par exemple un photon créera des électrons
libres dans le milieu par effet photoélectrique, effet Compton ou
création de paires. Le semi-conducteur a la particularité de se
comporter comme un conducteur lorsqu'il y a interaction du rayonnement et comme
un isolant lorsqu'il n'y a pas interaction. Le gap est l'énergie minimum
qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la
bande valence (participant aux liaisons entre les atomes) soit
libéré dans la bande de conduction. Le semi-conducteur est
particulièrement bien adapté à la mesure de rayonnements
gamma car il permet de discriminer le courant provoqué par les
particules du courant de bruit thermique.
L'électron éjecté lors de l'interaction
peut déclencher à son tour d'autres ionisations en cascade si le
régime de tension auquel fonctionne le détecteur lui permet
d'acquérir une énergie cinétique suffisante. Après
thermalisation avec le cristal, on obtient au sein du semi-conducteur un nuage
de porteurs libres. Le semi-conducteur étant polarisé par une
haute tension, les porteurs libres vont être attirés vers les
électrodes et engendrer ainsi un courant mesurable dans un circuit
connecté au détecteur. Il existe différents modes
d'utilisation impliquant une électronique différente à la
sortie du semi-conducteur :
· La spectrométrie, le détecteur analyse
chaque particules incidente isolement,
· Le comptage, le détecteur compte les
particules.
· L'intégration, le détecteur mesure une
intensité de rayonnement en continu. Cela ne permet pas de faire de la
spectrométrie. Comme exemple de détecteurs à
semiconducteurs, on a le détecteur au germanium, très
utilisé dans le domaine de la radioactivité.
-- Les détecteurs à
ionisation
Ces types de détecteurs sont
régulièrement utilisés dans la détection des gaz.
Il repère le passage d'une particules en mesurant la charge totale des
électrons et des ions produits lors de l'ionisation du milieu gazeux par
la particule.
Ce type de détecteur mesure la charge
déposée par une particule chargée traversant un milieu
ionisable, qui peut être un gaz, un liquide, voire un solide.
Capteurs analogiques
Pour ces types de capteurs, le signal transmis est le plus
souvent et électrique continu en relation avec le
phénomène physique traduit. La sortie peut prendre une
infinité de valeurs continues. Les capteurs analogiques ont le signal de
sortie du type : tension, courant, etc... On peut citer comme exemple le
capteur a jauge de contrainte, le thermocouple, le LVDT
1.3. LE CAPTEUR 8
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FIGURE 1.4 - Principe d'un détecteur à ionisation
[8] (capteur électrique passifs de déplacements
linéaire).
Capteurs numériques
Ce type produit à des intervalles réguliers
(correspondant à la fréquence) un nombre binaire qui
dépend de la grandeur physique à capter. Le signal est
codé au sein du capteur par une électronique associée. Ces
capteurs sont généralement appelé codeurs ou compteurs.
Le choix d'un capteur dépendra donc de la nature de
l'information que l'on veut exploiter à sa sortie.
1.3.3 Caractéristique des capteurs
Aujourd'hui, les capteurs sont pratiquement incontournable
dans le processus de mesure et ont pour la plupart des caractéristiques
en commun. Les principales sont les suivantes [9]
Fonction de transfert : La fonction de
transfert montre le rapport fonctionnel entre le signal physique et le signal
de sortie électrique. Habituellement, il est représenté
sur un graphique et les détails de ce rapport peuvent constituer une
description complète du capteur.
Sensibilité : Elle est définie
par le rapport entre le signal physique en entrée et le signal
électrique de sortie. Elle caractérise ainsi l'aptitude du
capteur à détecter la plus petite variation de la grandeur
à mesurer.
Bande passante : Pour un capteur, elle
représente la différence entre sa fréquence maximale et
minimale de fonctionnement.
Résolution : C'est la plus petite
fluctuation de signal discernable. Les fluctuations étant des
phénomènes temporels, il y a un rapport entre la fluctuation et
l'amplitude minimale discernable. De ce fait, la résolution d'un capteur
pour une mesure particulière peut être obtenu en multipliant cette
quantité par la racine carré de la largeur de bande de mesure.
1.3. LE CAPTEUR 9
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Bruit : Tous les capteurs produisent un certain bruit en plus
du signal de sortie. Dans certains cas, ce bruit du capteur est
inférieur au bruit du prochain élément constituant la
chaine de mesure, ou moins que les fluctuations du signal physique; dans ce
cas, il n'est pas important. Par contre beaucoup de cas existent ou le bruit du
capteur limite la performance de la chaine. Dans ce cas, on pourrait donc
appliquer un système pour éliminer ce bruit (un filtre par
exemple).
La fidélité : Pour une
série de mesure de la même grandeur en entrée, le signal en
sorti du capteur ne change pas.
1.3.4 Classification des capteurs
On les classe généralement en deux familles
notamment capteurs actifs et capteurs passifs. Vue de la sortie, le capteur se
présente soit :
-- Comme un générateur, la réponse du
capteur étant une charge, une tension ou un courant : c'est donc un
capteur actif.
-- Comme une impédance, la réponse étant
une résistance, une capacité ou une inductance: il s'agit donc
des capteurs passifs.
Capteurs passif
Les propriétés électriques des
matériaux, selon la nature de ces derniers, peuvent être sensibles
à des grandeurs physiques variées : température,
éclairement, pression, humidité... Si l'une seule de ces
grandeurs est susceptible d'évolution, toutes les autres étant
maintenues constantes il s'établit une correspondance univoque entre la
valeur de cette grandeur et celle de l'impédance du capteur. Dans ce
cas, le capteur se comporte en sortie comme un dipôle passif et peut
être résistif, inductif ou alors capacitif. Ce sont des capteurs
modélisables par une impédance. Dans le tableau ci-dessus figure
en fonction de la mesurande les effets utilisés pour réaliser la
mesure [6, 10].
1.3. LE CAPTEUR 10
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TABLE 1.1 - principes physiques des capteurs passifs
|
Mesurande
|
Grandeur électrique sensible
|
Type de matériaux utilié
|
|
Température
Très basse température
|
Résistivité
Constante diélectrique
|
Platine, cuivre, semi-conducteur.
Verres
|
|
Flux de rayonnement optique
|
Résistivité
|
Semi-conducteurs
|
|
Déformation
|
Résistivité
perméabilité magnétique
|
Alliage de nickel, silicium dopé
Alliages
ferromagnétiques
|
|
Position (aimant)
|
résistivité
|
Matériaux magnéto-résistant :
bismuth,
antimoniure d'indium
|
|
Humidité
|
Résistivité
Constante diélectrique
|
Chlorure de lithium
Alumines, polymères
|
|
Niveau
|
Constantes diélectrique
|
Liquides isolants
|
Capteurs actifs
C'est un dipôle dont la sortie est équivalente
à un générateur. Un capteur actif est
généralement fonde sur un phénomène physique qui
assure la conversion de la forme propre de la mésurande en
énergie électrique. Les plus importants de ces effets sont
regroupe dans le tableau suivant [6]
TABLE 1.2 - Principes physiques des capteurs actifs
|
Mesurande
|
Effets utilisés
|
Grandeur de sortie
|
|
Flux de rayonnement optique
|
Pyroélectricité
Photoémission
Effet
photovoltaïque
éffet photoélectromagnétique
|
Charge Courant Tension Tension
|
|
Vitesse
|
Induction électromagnétique
|
Tension
|
|
Position(aimant)
|
Effet Hall
|
Tension
|
-- Principes physiques mis en jeu
1.4. LE CONDITIONNEUR 11
(a) (b)
(c) (d)
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(e) (f)
FIGURE 1.5 - Différents phénomènes
physique entrant en jeux [10]
1.4 Le conditionneur
Un conditionneur est un circuit électronique qui assure
le traitement du signal issu du capteur. Dans une chaine de mesure, le
conditionneur intervient entre le capteur et l'interface utilisateur. Il met en
forme le signal de mesure et le traduit en une grandeur permettant son
exploitation. L'objectif du conditionnement est essentiellement l'amplification
et le pré-filtrage des signaux électriques issus du capteur. Il
va devoir convertir la grandeur électrique issu du capteur en une
tension dont l'amplitude ou la fréquence reflète
l'évolution temporelle de la grandeur physique. Cependant il faudra
compenser l'effet des grandeur influentes (comme le champ magnétique
terrestre pour un magnétomètre, ou la température
ambiante) et également mettre à niveau et filtrer le signal pour
pouvoir l'exploiter (filtre anti-repliement avant un CAN). La mise en oeuvre de
la technologie de conditionnement dépend de la nature du
1.4. LE CONDITIONNEUR 12
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capteur.
Pour un capteur passif, s'il est résistif (la grandeur
physique fait évoluer une valeur de résistance), on pourra
utiliser un pont de résistance. Si le capteur est réactif (la
grandeur physique fait évoluer une valeur d'impédance), on pourra
avoir recours à un montage potentiométrique ou un oscillateur.
Pour un capteur actif, il faudra généralement
amplifier le signal avec un amplificateur simple ou un amplificateur
d'instrumentation selon le cas.
1.4.1 Amplification
Premier élément du conditionneur
électrique, il permet d'adapter le niveau du signal issu du capteur
à la chaine globale d'acquisition.
Lorsque les signaux électriques sont de faible
amplitude, il peut être nécessaire de les amplifier pour les
adapter à la chaîne de transmission. Il faut savoir que
l'amplification du signal électrique issu du capteur est un
phénomène bruyant [11] elle s'accompagne d'une dégradation
du rapport signal sur bruit. Cela signifie que si l'amplitude du signal utile
issue du capteur se trouve augmentée, les parasites (bruits) le sont
également mais dans des proportions plus grandes encore.
1.4.2 Filtre anti repliement
Placé avant l'échantillonneur, ce filtre est
communément un filtre anti-repliement. Son rôle est de limiter le
contenu spectral du signal aux fréquences qui nous intéressent.
Ainsi, il élimine les parasites et permet à éviter le
repliement de spectre caractérisé par le théorème
de Shannon. C'est généralement un filtre passe bas que l'on
caractérise par sa fréquence de coupure et son ordre.
1.4.3 Echantilloneur bloqueur
Le principe d'échantillonnage concerne la
transformation d'un signal analogique continu en un signal à temps
discrets. Dans cette opération, une partie de l'information est
habituellement perdu et il convient de bien comprendre le
phénomène d'échantillonnage pour connaitre et si possible
minimiser l'information perdu. L'échantillonnage est une
opération qui doit satisfaire un juste équilibre entre
rapidité et précision [11]. Cet élément
prélève à chaque période d'échan-tillonnage
Te la valeur du signal, la maintient constante pendant le temps de
prélèvement. Le bloqueur ou élément de maintien,
qui est un condensateur de charge, sert d'élément mémoire.
Ainsi, durant la phase de numérisation, la valeur de la tension de
l'échantillon reste constante assurant une conversion aussi juste que
possible. On parle d'échantillonneur bloqueur (en an-
1.4. LE CONDITIONNEUR 13
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glais « SAMPLE AND HOLD »).
FIGURE 1.6 - Symbole d'un E/B
On considère que le signal est bloqué durant un
temps nettement supérieure au temps de conversion
analogique-numérique.
L'échantillonnage est réalisé dans la
plupart des cas à travers un signal d'horloge. La fréquence
Fe de ce signal doit respecter le théorème de
Shannon à savoir elle doit être supérieure ou égale
à au moins deux fois celle de la fréquence maximale du signal
à digitaliser. C'est-à-dire
Fe = 2Fmax (1.1)
Généralement en pratique, le système
utilisé est très complexe et fait souvent appel à un
amplificateur ayant une très faible impédance en sortie. Dans le
cas où le système d'acquisition est à plusieurs mesure, on
utilise un multiplexeur. Son rôle est de sélectionner le signal
à convertir lorsqu'on a affaire à un système
multi-mesure
1.4.4 Convertisseur analogique-numérique
(CAN)
Le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) transforme
le signal analogique, signal continûment variable pouvant prendre une
infinité de valeurs, en un signal numérique, signal discontinu
pouvant être représenté aux moyens de données
binaires (0 et 1). La conversion analogique-numérique comporte deux
étapes, l'échantillonnage et la conversion proprement dite.
La précision du codage du signal numérique
dépend du nombre de bits sur lequel s'effectue ce codage [11].
Étant donné, un codage sur n bits peut prendre 2n
valeurs.
(a)
1.5. TRAITEMENT DE DONNÉES, EXPLOITATION ET/OU
VISUALISATION 14
(a)
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FIGURE 1.7 - Codage des signaux [11]
1.5 Traitement de données, exploitation et/ou
visualisation
Toutes ces opérations citées ci-dessus ont un
but précis, celui de rendre la mesurande exploitable sur une interface
utilisable par une personne ou alors exploitable par une machine. Le CAN ayant
permis la transformation du signal analogique en une suite de nombre binaire
codée sur un nombre de bits, on va la traiter avec un programme ou un
script qui va comparer les nombres acquis (nombre binaire) avec une
fréquence dite de référence. Ce processus est le
traitement numérique de l'information (on part d'une information
manipulable issu du conditionneur qu'on transforme en une information
directement exploitable ou utilisable). Après cette étape, vient
celle où l'on visualise l'information par un écran à
affichage numérique.
Le traitement des données numériques fourni par
le CAN n'a pas toujours pour objectif l'affi-chage du résultat. Elle
peut être utilisée pour :
Une implémentation : l'on donne
accès des données a un autre système pour son
utilisation.
L'enregistrement : le système
d'acquisition n'est pas accessible par l'utilisateur; on va donc l'enregistrer
pour une utilisation à postériori. C'est souvent utiliser pour
mesurer
1.6. CONCLUSION 15
les réservoirs pétroliers dans au fond des
océans.
La transmission : C'est un mode
d'accès à distance. L'utilisateur ne se trouve pas à
l'endroit où l'on effectue la mesure mais se trouve distant. Ça
peut être le cas par exemple des mesures effectuer sur une autre
planète par un robot spatial qui les transmet sur terre via une liaison
radar avec une certaine latence.
1.6 Conclusion
Il a été question pour nous dans ce chapitre de
faire état de l'art sur la chaine de mesure. Nous notons d'abord que
dans la littérature scientifique, on trouve plusieurs modèles
représentant la chaine de mesure, mais elles ont toutes la même
structure de base.
En effet, la chaine de mesure est constituée du
capteur, du conditionneur et de la partie visualisation. Le capteur converti la
mesurande en un signal électrique exploitable par le conditionneur. Le
signal issu du capteur passe premièrement par l'amplificateur qui
l'adapte au niveau globale de la chaine, ensuite viens le filtre
anti-repliement qui limite le contenu spectral du signal. Suit
l'échantillonneur qui discrétise le signal et ensuite le CAN
opère une conversion de l'analogique au numérique permettant
l'exploitation ou l'affichage numérique du
résul-tat.Néanmoins, lorsqu'il s'agit des signaux de faibles
amplitude, des paramètres supplémentaires sont à prendre
en compte.
Dans le chapitre qui suivra, il sera question de faire une
modélisation classique des éléments du circuit de mesure
de faibles courants, allant du capteur jusqu'à l'élément
mémoire et de présenter leurs fonctionnements respectifs.
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