Conditionnement du signal pour des mesures précises

10-18-2011 | Etalonnage

Par Jack Smith

Calibrateur de process Fluke 789
Garantir la précision des mesures avec le calibrateur de process Fluke 789.

Dans une installation qui produit des composants critiques pour des entreprises aéronautiques, un technicien fait l'étalonnage d'un système de commande qui maintient des températures précises dans un four pour durcir les composants métalliques lors de processus de traitement thermique. Dans une usine qui fabrique des produits d'électronique grand public, un ingénieur de test configure un système d'acquisition de données pour réaliser une série de tests sur un prototype de produit pendant la phase de conception. Dans une raffinerie pétrochimique, un ingénieur en instrumentation dépanne une boucle de commande de process pour localiser un problème intermittent.

Bien que ces industries soient totalement différentes, ces professionnels ont tous au moins une chose en commun. Les techniciens et ingénieurs qui travaillent sur des systèmes et d'équipements de commande, d'instrumentation et d'automatisation doivent faire face à des problèmes de mesure tous les jours. Ils savent que les capteurs transforment les caractéristiques physiques d'un environnement ou d'un processus physique en signaux électriques mesurables. Néanmoins, ils sont bien conscients que les signaux peuvent être influencés par beaucoup de choses avant d'arriver sur l'équipement ou les systèmes qui ont besoin de leurs informations.

Les techniciens et les ingénieurs savent que, dans la plupart des industries, les conditions peuvent être néfastes pour les signaux. Les boucles de terre et le bruit peuvent menacer l'intégrité des signaux. Certains capteurs ont des signaux faibles, d'autres nécessitent une conversion et certains ne peuvent pas produire de signaux sans une alimentation externe. Les techniciens et les ingénieurs qui font face à des problèmes de mesures utilisent souvent le conditionnement de signaux pour obtenir une bonne qualité des mesures, puis la maintenir et l'améliorer.

*Hey ! Il y a du bruit sur mon signal.

Les indicateurs de processus, les équipements de collecte et d'acquisition de données, les API, les systèmes de commande de processus et tous les dispositifs de mesure nécessitent des signaux appropriés et rien d'autre que ces signaux. En d'autres termes, ces signaux doivent être « propres » et sans bruit. Les moteurs, les variateurs de fréquence, les équipements de soudage et les transitoires qui ont lieu à cause des allumages et des arrêts des équipements peuvent produire du bruit qui affecte les signaux circulant entre les capteurs et leurs appareils de mesure désignés.

De bonnes pratiques en matière de câblage électrique et d'instruments, notamment une mise à la terre et un blindage corrects, contribuent beaucoup à la diminution des bruits indésirables. Bien que les systèmes bien conçus et bien installés présentent moins de problèmes de bruits, ce n'est souvent pas suffisant. Savoir quand, où et comment appliquer le conditionnement du signal peut aider à garder ces signaux clairs.

Le conditionnement du signal protège les signaux choisis des composants ou des effets non souhaités en utilisant de l'isolation ou de la filtration. Les dispositifs de conditionnement du signal utilisent de l'isolation pour diminuer les effets des interférences, causées par les boucles de terre ou le bruit, qui peuvent affecter la précision des mesures. Les filtres sont conçus pour réduire le bruit en rejetant les signaux dans une gamme de fréquences spécifique, tout en laissant passer les autres signaux. Par exemple, des filtres passe-bas, comme ceux intégrés dans certains multimètres numériques et des pinces multimètres Fluke, bloquent efficacement les bruits à haute fréquence, comme ceux des variateurs de fréquence, dans les signaux de mesure.

Traduire le signal du capteur pour les appareils de mesure

En voyage à l'étranger, beaucoup d'entre nous ont besoin d'un traducteur pour nous aider à comprendre la langue. Souvent, c'est également vrai pour les capteurs et les dispositifs qui utilisent leurs signaux. Beaucoup d'appareils de mesure et leurs systèmes associés sont pointilleux lorsqu'il s'agit du type de signaux qu'ils peuvent recevoir. C'est pourquoi les signaux des capteurs doivent être traduits ou convertis avant que leurs appareils de mesure respectifs ne puissent les utiliser.

La conversion de signal est un autre type de conditionnement du signal. Les types de conversion du signal incluent : l'amplification, l'atténuation, la linéarisation, la compensation de soudure froide et l'excitation. Certains appareils de mesure préfèrent la tension alors que d'autres supportent mieux le courant. La plupart de ces appareils nécessitent des signaux avec un niveau bien supérieur à celui produit par la plupart des capteurs.

Les thermocouples constituent un exemple classique et, à mon avis, emblématique de conversion du signal. En effet, ils nécessitent trois des cinq types de conversion du signal mentionnés ci-dessus : amplification, linéarisation et compensation de soudure froide.

Amplification : les thermocouples produisent des tensions dans la gamme de millivolts. Néanmoins, certains appareils de mesure de la température avec lesquels ils sont utilisés nécessitent 1-5 V DC, 0-10 V DC ou 4-20 mA pour un fonctionnement correct. Les signaux des thermocouples doivent donc être amplifiés pour être utilisables.

Linéarisation : Les thermocouples sont, on le sait, non linéaires. Toutefois, certains capteurs, comme les détecteurs de température à résistance (RTD), les extensomètres et les accéléromètres le sont aussi. Un capteur est dit linéaire si un changement dans la valeur du signal qu'il produit est directement proportionnel aux changements de valeur dans l'environnement ou le processus physique qu'il mesure. Toutefois, lorsque des capteurs produisent des signaux qui ne correspondent pas linéairement à leurs mesures physiques, alors il faut utiliser la linéarisation.

Compensation de soudure froide : la connexion entre le thermocouple et les bornes de l'appareil de mesure forme également une soudure, appelée soudure froide. Si elle n'est pas compensée, cette soudure crée une erreur de mesure. Pour compenser la soudure froide, on utilise un appareil sensible thermiquement, comme une thermistance ou une diode, afin de simuler et d'appliquer la correction adaptée.

Excitation : certains capteurs ne produisent pas de tension ou de courant et, par conséquent, nécessitent une excitation sous la forme d'une tension ou d'un courant externe. Parmi les capteurs qui nécessitent une excitation, on compte les détecteurs de température à résistance, les thermistances, les extensomètres et les accéléromètres.

Garder des signaux clairs

Lorsque l'on utilise le conditionnement de signaux dans des systèmes de mesure, chaque capteur doit posséder un conditionneur de signal individuel selon le type de signal produit par ce capteur. Des modules et des appareils de conditionnement de signal sont disponibles pour la plupart des types de signaux analogiques. Néanmoins, stocker des conditionneurs de rechange pour chaque type peut être coûteux et difficile à gérer.

Heureusement, il existe désormais des conditionneurs de signal universels. Les conditionneurs de signal universels convertissent, isolent, et transmettent les signaux de différents types de capteurs, ainsi que de contrôleurs et d'autres appareils. Ces conditionneurs de signaux polyvalents acceptent généralement le courant, la tension DC, les entrées de thermocouples, de détecteurs de température à résistance, et de résistances. Les sorties de conditionneurs de signal universels types comprennent le courant, la tension DC et les relais programmables.

Calibrateur de boucle Fluke 705
"Calibrateur de boucle Fluke 705
Pince multimètre process Fluke 771
Pince multimètre process Fluke 771
Calibrateur de boucle Fluke 707
Calibrateur de boucle Fluke 707
Calibrateur de process Fluke 789
Calibrateur de process Fluke 789

Les techniciens et les ingénieurs qui travaillent sur des systèmes et des équipements de commande, d'instrumentation et d'automatisation utilisent le conditionnement de signal pour améliorer la précision des mesures et les performances des systèmes de commandes en optimisant les signaux des capteurs de process. Néanmoins, ces systèmes de commande doivent être correctement entretenus et étalonnés périodiquement. Heureusement, des outils Fluke comme Calibrateur de Process Fluke 789, Fluke 705, les calibrateurs de boucle Fluke 707et la Pince multimètre process Fluke 771 peuvent vous aider à garantir la fiabilité, la précision et la sécurité de vos systèmes de contrôle et de mesure de process.

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En attendant, continuez de vous reposer sur des « Bases solides ».

Parlons technique : boucles de terre et bruit

Les boucles de terre et le bruit peuvent causer des interférences sur les signaux de mesure. Une terre est censée être au potentiel de la masse et référencée à la Terre. Néanmoins, une boucle de terre existe lorsqu'un seul signal de commande possède deux ou plusieurs terres à différents potentiels et qu'il existe un chemin conducteur entre les terres.

La différence de potentiel de terre peut créer une quantité non-prévisible de courant supplémentaire dans la boucle. Le courant ne fait pas partie du signal souhaité et provoque donc une distorsion du signal et de la mesure. Les dispositifs de conditionnement des signaux garantissent l'intégrité du signal en coupant le chemin du courant formant la boucle de terre.

Les équipements industriels produisent du bruit électrique qui peut affecter les signaux de mesure. Les bruits de mode normal se produisent généralement sur les circuits AC entre les câbles du neutre et de la phase. Les bruits de mode commun se produisent généralement entre les câbles du neutre et de la terre, mais également entre les câbles de la phase et de la terre.

Si les bruits de mode normal peuvent également avoir lieu sur des circuits de mesure DC, les bruits de mode commun sont plus omniprésents et sont la cause de la plupart des erreurs de mesure. En revanche, isoler le signal peut permettre d'éviter que le bruit n'affecte la précision de la mesure.