Instrumentation et régulation

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Instrumentation et régulation: …

Instrumentation et régulation:
Normes, théorie et applications

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

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  • 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. PlanInstrumentation 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. PlanInstrumentation 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) IntroductionContrôle industriel Procédé et processus de "contrôle et régulation": Objectifs / Moyens Réflexion Action Contrôle industrielProgression Procédé/ Résultats / Mesures Observation Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 4/70
  • 5. I) Introduction Système international dunités 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 lunité SI dune force: ……………………………………………….2) Déterminer lunité SI dune pression: …………………………………………. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 5/70
  • 6. I) Introduction Système international dunités 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 dunités 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, quune livre anglaise vaut 453,6 g, qu’un pouce (inch) vaut 2,54 mm, quun pied vaut 30,48 cm, quun mile vaut 1,609 km, quun 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 ………… PaPound-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 opérationsexpérimentales qui concourent à la connaissance de la valeurnumérique 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 conditionsla détermination précise de la valeur du mesurande.C’est l’étalonnage de la chaîne de mesurage dans son ensemble quipermet d’attribuer à chaque indication en sortie la valeurcorrespondante 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 recommandéde ne commencer les mesures qu’après un temps de stabilisation entempérature de tous ses circuits électroniques. Lorsque ce tempsn’est pas respecté, il peut conduire à une ou plusieurs valeursaberrantes, notamment en début d’étalonnage. L’appareil étalonnépeut alors être déclaré non conforme à ces caractéristiquesmétrologiques, alors qu’il est conforme !♦ Temps de réponse: Dans le cas dune perturbation en température, la mesure peut êtreou 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. PlanInstrumentation 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 dinformation qui élabore àpartir dune grandeur physique, une autre grandeur physique de naturedifférente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de lagrandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.♦ Types de capteurs: Un capteur peut être passif, actif, composite ou encore intégré. 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 dusignal de sortie. On cherche donc à minimiser leurs effets. Idéal: → Réel: Grandeurs s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …) d’influenceDéduire e de s malgré gi : Variable Variable Réduire l’importance: isolation, blindage… physique signal Stabiliser: enceintes, régulation… Capteur s Compenser: pont de Wheatstone. eTempérature → Caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles enceinte thermostatéePression, accélération → Déformations enveloppe rigide, supports antivibratoiresHumidité → Constante diélectrique, résistivité (isolation électrique ↓) enceinte étancheChamps magnétiques variables ou statiques → f.e.m. induites pour les premierset augmentation de la résistivité pour les seconds (matériau magnéto-résistant) blindages magnétiques, liaison à la terreTension d’alimentation (amplitude, fréquence) → Caractéristiques électriques alimentation régulée Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 12/70
  • 13. II) Capteurs1) 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) Capteurs1) Définitions: Capteur actifTableau 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) Capteurs1) Définitions: Capteur passifDéfinitionImpédance 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’épreuveest celui en contact direct avec le mesurande. Il génère une grandeur physique intermédiaire (déplacement, déformation,force…) traduite en une grandeur électrique (tension, capacité, induction…)par le transducteur. Grandeur Mesurande électrique Capteur Grandeur Grandeur Mesurande Corps physique électrique Transducteur dépreuve 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 normalisépouvant être transmis et ayant une relation continue et définie avec la valeurde la variable mesurée.♦ Constitution: Pour élaborer un signal normalisé à partir du signal généré par le capteur,le transmetteur comprend globalement un amplificateur, un filtre, et untraitement du signal. Alimentation Alimentation P D E1 E2 E3 I Corps Traitement Transducteur Amplificateur Filtre dépreuve du signal Capteur Transmetteur Capteur-transmetteur de pression Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 17/70
  • 18. II) Capteurs2) Caractéristiques: MesurandeCapteur : Organe chargé de prélever une grandeur physique à mesureret de la transformer en une grandeur exploitable.La grandeur physique à mesurer, souvent appelée mesurande, nesten général pas directement utilisable. Elle constitue la variable dentrée(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) Capteurs2) 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 dess 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) Capteurs2) 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) Capteurs2) Caractéristiques: Définitions Sensibilité dune 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) Capteurs2) 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) Capteurs2) 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) Capteurs2) 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) Capteurs2) Caractéristiques: Fidélité, justesse et exactitude• Fidélité: Aptitude d ’un instrument à donner des indicationsexemptes d ’erreurs systématiques (faible écart-type).• Justesse: Aptitude d ’un instrument à donner des indications exemptesd ’erreurs systématiques. Pas juste Juste Pas fidèle• Exactitude: Un systèmeexact 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 2017,6 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 faibleintensité, qui ne peut être transmis sur de grandes longueurs. Letransmetteur universel, est soit intégré dans le boîtier du capteur, soitdéporté et monté sur rail dans un coffret d’instrumentation distant. Transmetteur intégré Transmetteur déporté♦ Les transmetteurs actuels s’adaptent à un très grand nombre de capteursindustriels par configuration numérique. Elle permet notamment le réglagede la nature de l’entrée et de son étendue, du temps de réponse souhaité,de la linéarisation éventuelle, et de la nature de la sortie et de son étendue.Ils peuvent être de type universel ou bien spécifique à un capteur commepour les thermocouples ou les sondes RTD. 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 (ResistorThermometer Detector), tension (exemples : – 20 mV à + 20 mV, 0 à 100mV), ou courant. – Un transmetteur délivre un signal appelé « signal haut niveau » puisqueson énergie permet la transmission de la mesure à une grande distance(plusieurs centaines de mètres) du point de mesure. Ces signaux « hautniveau » sont : 0-5 V, 1-5 V, 0-10 V, 0-20 mA et 4-20 mA.♦ Malgré un signal « bas niveau », un capteur peut être relié à l’entrée demesure d’un dispositif de contrôle tel qu’un automate programmableindustriel (API) ou un régulateur.Dans ce cas, la carte d’entrée se substitue au transmetteur absent et réalisepar exemple l’amplification et le traitement de linéarisation du signal délivrépar 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 unstandard, 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 dun transmetteur: – Les transmetteurs 2 fils (dits passifs) ne sont pas alimentés en direct. – Les transmetteurs 3 fils sont des transmetteur 4 fils, avec les entréesmoins reliées. – Les transmetteurs 4 fils (dits actifs) sont alimentés et fournissent lecourant I. Leur schéma de câblage est identique à celui des régulateurs. Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 fils♦ Alimentation électrique: Elle est directement liée et dépend de la résistance interne vue par lasortie du transmetteur. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 32/70
  • 33. II) Capteurs 3) Transmetteur Structure de type "Capteur et Transmetteur":♦ Raccordement électrique dun transmetteur: Le raccordement électrique d’un transmetteur au dispositif d’exploitationde la mesure, dépend de la nature du signal de mesure et de sonalimentation. Il existe des transmetteurs à "2 fils", "3 fils" ou "4 fils". Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 filsLa résistance de charge Rc correspond à la résistance comprenant celle duou 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) Capteurs3) Transmetteur Caractéristiques métrologiques des instruments de mesure:♦ Étendue d’échelle: L’échelle de mesure (EIS=[INF; SUP]) est donnée par les limitesinférieure (INF) et supérieure (SUP) de mesure de l’instrument. L’étendue d’échelle (EE) est la différence algébrique entre lesvaleurs extrêmes du mesurande qui peuvent être appliquées àl’instrument, et pour laquelle les caractéristiques métrologiques sontgaranties.♦ 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 dentrée (X): Valeur maximale mesurable: MAX Y Valeur minimale mesurable: MIN Étendue de mesure: EM = MAX-MINYMAX Valeur du zéro: VZ = MIN Décalage négatif si: EM < MAX Décalage positif si: EM > MAX Équation de correspondance: X − VZYMIN X Y= .(YMAX − YMIN ) + YMIN EM 0 MIN MAX Pente a et ordonnée à lorigine: 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 déchelle: EE = …. ° C Valeur maximale mesurable: MAX = …. ° C Valeur minimale mesurable: MIN = …. ° CI (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 déchelle: EE = …. ° C Valeur maximale mesurable: MAX = …. ° C Valeur minimale mesurable: MIN = …. ° CI (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) Capteurs3) 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 lacommunication simultanée de données analogiques et numériques. Ceprotocole de communication de type série est spécifique au contrôleindustriel et compatible avec les boucles de courant analogique 4-20 mA.Le protocole est basé sur une modulation FSK (Frequency Shift Key): f = 1,2 kHz pour l’état logique 1, et f = 2,2 kHz pour l’état logique 0. Raccordement d‘un transmetteur à protocole HART 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 oùtous les instruments communiquent les uns avec les autres. – Fieldbus Fondation FF-H1, – Profibus PA, – FIP WorldFip.Ils sont reconnus par la norme internationaleIEC 61158-2. La liaison unique sert audialogue, à la configuration, et à l’alimentation.La structure en réseau permet la liaison Bus de terrain FF-H1de 32 instruments par bus linéaire. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 40/70
  • 41. PlanInstrumentation 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) Normes1) Représentations normalisées Représentation libre et personnelle dun procédé industriel: Exemple d’application: Echangeur thermique Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 42/70
  • 43. III) Normes 1) Représentations normalisées Représentation dun 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) Normes1) Représentations normalisées Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Contexte international:♦ "Fonction de régulation, de mesure et dautomatisme desprocessus industriels: Représentation symbolique".♦ Elle a des correspondances internationales (ISO 3511/1-1977),allemande (DIN 19227 blatt 1-1973), ou encore américaine (ISA-S5.1-1984) traitant du même sujet.♦ Elle est articulée en quatre parties : • E 04-203-1 : Principes de base, • E 04-203-2 : Capteurs, signaux, dispositifs réglants, • E 04-203-3 : Transducteurs et dispositifs de traitement des signaux, • E 04-203-4 : Symboles détaillés complémentaires pour les schémas d’interconnexion d’instruments. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 44/70
  • 45. III) Normes1) Représentations normalisées Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Objet et domaine d’application:♦ La présente norme expérimentale présente la symbolisation desdispositifs de traitement des signaux émis par un capteur ou reçuspar un organe de réglage.♦ Elle comporte des symboles destinés à la communication desfonctions de mesure, de régulation et d’automatisme entrespécialistes des instruments et autres techniciens impliqués dansla conception (réservoirs, conduites, machines tournantes...) deleur disposition et de leur mise en oeuvre.♦ Les symboles sont utilisés pour la représentation del’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) Normes1) Représentations normalisées Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Objet et domaine d’application:♦ Le Plan de Circulation des Fluides (PCF) est un schéma dereprésentation symbolique avec:– les cuves, les réacteurs chimiques, les échangeurs thermiques ;– les conduites, représentées par un trait continu épais ;– la nature, gaz ou liquide, et le sens d’écoulement des fluides ;– les organes de puissance: pompes, agitateurs, résistances de chauffage ;– l’indication des grandeurs physiques utiles: débit, pression, température...♦ Le PCF peut aussi faire apparaître les boucles de régulationsans préciser le détail des instruments ou des stratégies derégulation complexes. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 46/70
  • 47. III) Normes1) 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) Normes1) Représentations normalisées Norme Française NF E 04-203 (août 1987): Objet et domaine d’application:♦ Le plan de Tuyauterie et dInstrumentation (TI) complète le plande circulation des fluides en lui ajoutant :– les appareils de mesure ; capteurs, transmetteurs, indicateurs ;– les appareils de contrôle ; régulateurs et opérateurs de calcul ;– les actionneurs comme les vannes de réglage ;– les liaisons d’information entre ces appareils.♦ Le TI fait apparaître toutes les boucles de régulation en précisantle détail des instruments et des liaisons de régulation. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 48/70
  • 49. III) Normes1) 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) Normes2) Schéma TI Norme Française NF E 04-203: Exemple: Régulation de température dun échangeur thermique. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 50/70
  • 51. III) Normes2) Schéma TI Norme Française NF E 04-203: Éléments de normalisation. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 51/70
  • 52. III) Normes2) 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) Normes2) Schéma TI Norme Française NF E 04-203: Application: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 53/70
  • 54. PlanInstrumentation 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) RégulationContrôle 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 laction 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) RégulationContrôle de Commande Automatique Application: Régulation de niveau deau: Schéma fonctionnel: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 57/70
  • 58. IV) RégulationType 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) RégulationType de Régulation En cascade: Imbrication dun régulateur "esclave" dont la consigne est lasortie dun régulateur "maître". Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 59/70
  • 60. IV) RégulationType de Régulation Prédictive: Compensation de perturbation principale. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 60/70
  • 61. IV) RégulationType de Régulation Auto-adaptative: Calcul et application dun modèle de processus en temps réel. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 61/70
  • 62. II) Capteurs Chaîne de mesure Performance dune chaîne de mesure: Caractéristiques:Etendue de mesure (range), décalage du zéro (offset), temps de réponse (timeresponse), sensibilité (sensitivity)… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications 62 Page 62/70
  • 63. IV) RégulationStructure dun 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) RégulationPerformance dun régulateur industriel Performance dune Commande: Dépassement, erreur statique… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 64/70
  • 65. IV) RégulationPerformance dun régulateur industriel Performance dune Commande: Temps de réponse, amortissement… Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 65/70
  • 66. IV) RégulationRégulation "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) RégulationRégulation "Tout Ou Rien" (TOR) Régulation TOR: Réponse Y = f(W-X) à hystérésis: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 67/70
  • 68. IV) RégulationRégulation "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID) Régulation PID: Structures possibles: Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 68/70
  • 69. RéférencesQuelques 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 linstrumentation", 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 dinstrumentation 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. NotesQuelques notes:………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………. Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 70/70