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Essais & Simulations n°118

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Le rôle des capteurs dans les essais

Dossier température

Dossier température allant de 0°C (0.5V) à + 150°C (5V) avec compensation de température sur la mesure. La résolution à 150°C est de 50 mV/°C. L’ensemble élément sensible et électronique d’amplification offre une précision de 2% sur la pleine échelle de mesure et un temps de réponse de 50ms. Une lentille en Silicium en face avant du capteur (devant la thermopile) vient jouer le rôle d’optique et permet d’obtenir un cône de mesure infrarouge avec un champ de vision de 4:1 à 50 mm (donné pour 90% des radiations reçues). Le rapport Distance / diamètre cible pour 90% de l’énergie est donné dans le diagramme ci-dessous (Fig. 3). Placé à 50mm du pneumatique, le capteur mesure les radiations émises par une cible de diamètre équivalent à 12.5mm. Fig. 4 : dimensions du boîtier du capteur INF T 150 Des travaux de R&D et de nombreux essais comparatifs ont permis de choisir parmi les éléments sensibles et composants électroniques offrant les meilleurs Fig. 5.1 & 5.2 : exemples d’applications multi-capteurs compromis dimensions/taille/consommation (les récents progrès notamment en matière d’électronique aidant). Le capteur INF V/T 150 dispose ainsi d’un boîtier au format extrêmement compact (Fig. 4) avec une masse de 15 g et pour une consommation électrique de l’ordre de 1.5 mA. Fig. 5.1 & 5.2 : exemples d’applications multi-capteurs L’orientation des études de conception mécanique du boîtier et le retour d’expérience pour le choix des résines de surmoulage des éléments électroniques ont permis de conférer une haute résistance au capteur. Passé au banc de ‘’torture’’ il est éprouvé pour encaisser des chocs jusqu’à 500 G et continuer de fonctionner sous contraintes de vibrations jusqu’à 20 Gpp 5’. Les matériaux (boîtier aluminium anodisé, résine, composants & circuit électronique) ont été sélectionnés également pour que la plage de température de fonctionnement corresponde à l’ambiante où est positionné le capteur sur véhicule : les essais en chambre climatique ont permis de valider une plage opérationnelle allant de -20°C à + 100°C. Une version INFTL-200 avec sortie analogique linéaire et une gamme de mesure étendue à + 200°C a également été développée. Cette série de capteurs ou des pyromètres équivalents d’autres fabricants ont été et sont ainsi très utilisés en compétitions de tous types (circuit, rallye) et dans tous types de catégorie (monoplaces, voitures de Grand Tourisme et de Tourisme, moto, karting). Comme le montre la 1ère photo de cet article, la température sur le pneumatique est loin d’être homogène sur toute la bande de roulement et varie selon que le véhicule est en courbe ou en ligne droite, et également selon la vitesse de passage en courbe. Ainsi les ingénieurs d’essais ont eu tendance rapidement à multiplier les nombres de points de mesure comme le montre la photo ci-dessous (Fig. 5.1 & 5.2) et donc à embarquer plusieurs capteurs infrarouge pour surveiller un seul pneumatique. Sur une voiture, il n’est ainsi pas rare d’avoir jusqu’à 12 capteurs infrarouges. Outre un aspect économique, de telles configurations multi-capteurs ont des impacts conséquents et peuvent être rapidement limitatives : Fig. 6 : le nouveau capteur infrarouge multivoies texense® IRN8-C • Multiplication des entrées analogiques nécessaires sur les enregistreurs embarqués • Complexité des faisceaux électriques et multiplication des connectiques (risque de panne) • Nombre de points de mesure parfois insuffisants pour avoir une lecture fine de la répartition des gradients de température sur la largueur de bande de roulement. Au-delà de trois capteurs de mesure par pneumatique, l’installation devenait rédhibitoire. Et c’est pourtant la tendance vers laquelle le plus haut niveau de la compétition souhaitait tendre : en Essais & Simulations • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 43

Dossier F1 le moindre centième de seconde gagné sur la piste est le fruit d’une analyse extrêmement détaillée de plus de 200 capteurs, tout type de mesure confondu. Naissance du capteur numérique multivoies IRN8C Fig. 7 : un nouveau capteur permettant de mesurer la température de la bande de roulement. Anticipant ainsi la demande des ingénieurs et techniciens d’essais évoluant en F1, l’équipe du bureau d’étude et de R&D de Texys a travaillé en 2006 sur une solution permettant de multiplier le nombre de points de mesure tout en conservant un capteur unitaire. Fig. 8 : Distances de calibration des 8 voies du capteur IRN8C capteur aux dimensions comparables à celles des pyromètres simple voie utilisés jusqu’alors mais offrant suffisamment de voies de mesures indépendantes pour couvrir avec un maillage efficace la largueur de bande de roulement. Côté intégration, il fallait absolument trouver une solution pour simplifier le faisceau : tout comme pour les capteurs INF V/T 150, un seul câble devait sortir du capteur pour transférer les signaux de mesure et recevoir l’alimentation du capteur. D’autre part, l’attrait du numérique avec les possibilités de laisser les utilisateurs changer certains paramètres du capteur faisait également parti du cahier des charges. > Caractéristiques techniques et performances d’IRN8C Le premier challenge des ingénieurs de Texys concernait l’élément sensible : celui-ci devait à la fois être le plus petit possible, offrir les performances nécessaires en justesse, précision et répétabilité de mesure, temps de réponse et bien sûr être multicanaux. Les travaux de R&D engagés et de nombreux essais menés en étroite collaboration avec les fabricants de composant ont permis d’aboutir à des composants sur base de thermopile offrant 8 voies en ligne ou 16 voies (sur 4 lignes) de mesure. Les évaluations menées par les équipes de TEXYS et de ses clients ont permis de privilégier le composant à 8 voies de mesure disposant du meilleur compromis entre finesse du maillage de la ligne de mesure et performances intrinsèques (Fig.7). Fig. 10 : exemple d’installation d’un capteur infrarouge devant un pneu arrière La thermopile sélectionnée est en effet caractérisée par une longueur d’onde de 8 à 14 µm et un champ de vision (avec lentille Silicium) par voie avec un rapport de 6.5 :1 (pour 90% des radiations reçues), soit un spot infrarouge par voie d’un diamètre de 30 mm à une distance de 200 mm. L’angle total d’ouverture est de 41.5°, ce qui permet de couvrir selon la distance à laquelle est positionné le capteur l’intégralité de la bande de roulement du pneumatique : à 700 mm la largueur de bande roulement couverte est de 532 mm (Fig. 8). L’étendue du mesure va de -20°C à + 200°C avec une précision de +/- 1% sur la pleine échelle. Les progrès réalisés en matière de miniaturisation des composants et convertisseurs numériques ont permis aux ingénieurs de Texys de concevoir et d’intégrer une électronique de numérisation des signaux et de conversion sur bus de communication CAN 2.0 A ou B. C’est ainsi que le capteur IRN8C a vu le jour et a pu être proposé aux écuries de F1 dès 2007 (Fig. 6). > Des choix technologiques conditionnés par le défi à relever Le souhait idéal des clients F1 de Texys était de pouvoir disposer d’un Fig. 9 : dimensions du capteur IRN8-C Fig. 10 bis : vue de détail de la fenêtre de protection en PEHD montée sur IRN8-C Essais & Simulations • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 44

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