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Essais & Simulations n°118

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Le rôle des capteurs dans les essais

Dossier avec un

Dossier avec un important travail d’optimisation de l’épaisseur du module maître. Ainsi, et selon les applications (nature des matériaux environnants et composant le véhicule) la portée validée entre une cellule infrarouge ‘’esclave’’ et un module ‘’maître’’ se situe entre 5 et 10 mètres. L’alimentation des cellules ‘’esclaves’’ et leur autonomie sont également des paramètres cruciaux. Fig. 18 : schéma type d’implantation sur monoplace de circuit Une solution avec batteries rechargeables avait été retenue pour le premier système prototype. Après les essais de ce premier système en conditions réelles, cette solution s’est finalement avérée difficile d’utilisation : • Elle présentait une trop faible autonomie : 4 à 6 heures en continue • Et avait un impact conséquent sur la dimension minimum possible de la cellule ‘’esclave’’. Ce principe n’a donc pas été retenu pour le système définitif qui intègre des batteries jetables (Fig. 14). Selon les paramètres d’échantillonnage et le taux d’utilisation, l’autonomie est de 16 à 20 heures. Le boîtier du module esclave a été conçu pour permettre une maintenance aisée et changer de batterie rapidement. D’autre part des systèmes simples et efficaces de la gestion de l’alimentation ont été mis en place : • un switch magnétique à l’intérieur du capteur gère la fonction marche / arrêt du capteur. Il est activé en plaçant un aimant sur la face avant du boîtier, • pour une optimisation de la consommation en fonctionnement, un accéléromètre 3 axes est intégré au module esclave pour détecter si le véhicule est en mouvement. Si le véhicule reste immobilisé au-delà d’une certaine période, alors le capteur se met également en veille. D’autre part l’encombrement du module a pu être nettement optimisé pour aboutir à des dimensions à peine supérieures à celles du capteur IRN8-C filaire (Fig. 15). Le principe de la fenêtre remplaçable en PEHD a également été conservé comme on le voit sur la photo de détail ci-dessous (Fig. 16). On notera également la présence d’une LED qui indique que le capteur est en fonction. Le système validé IRN8-W (Fig. 17) est donc composé d’un récepteur relié en bus CAN vers l’enregistreur embarqué (module maître IRN8W-M). Le module maître peut gérer de 4 à 8 cellules infrarouge esclave (IRN8W-S). A titre d’exemple voici le schéma d’implantation type d’un système texense® IRN8-W sur une monoplace (Fig. 18). La cellule IRN8W-S intègre les mêmes éléments sensibles et composants que ceux employés sur le capteur IRN8-C ; les performances de mesure d’IRN8W-S sont donc strictement identiques, y compris la fréquence d’échantillonnage pouvant aller jusqu’à 10 Hz. Le boîtier maître IRN8W-M interroge les cellules esclaves et reçoit donc en RF les valeurs de température pour les transférer en CAN vers l’enregistreur de données embarqué selon le même protocole développé et utilisé pour IRN8-C. Conclusion : développement et migration de la technologie Wireless sur les capteurs texense® La rupture technologique portée par le nouveau capteur infrarouge texense® IRN8-C a permis aux ingénieurs d’essais en Formule 1 de disposer d’instruments de mesure fiables et performants et de les aider à mieux exploiter les pneumatiques et les monoplaces grâce à une mesure plus efficace de la température de la bande de roulement des pneus. Le développement d’une solution Wireless permet aux ingénieurs de Texys de maîtriser une nouvelle brique technologique et de la faire évoluer pour d’autres applications. Il est notamment envisagé d’utiliser la bande de fréquence 2.4 GHz et éventuellement l’UWB (Ultra Wide Band : 3 à 5 GHz) pour répondre à des applications de mesure de température dans des secteurs industriels (mesure sur pièces tournantes dans l’aéronautique ou dans le forage pétrolier). D’autre part, ces travaux de R&D ont permis d’aboutir à un module RF (Slave + master) compatible vers les autres capteurs & conditionneurs numériques CAN texense® : conditionneur de thermocouple multivoies, capteur de pression différentielle multivoies, amplificateur de jauges de contraintes multivoies. Étienne Deméocq, co-gérant, directeur technique, Philippe Leuwers, co-gérant, directeur commercial, Sylvain Bereski, directeur R&T, David Garnier, ingénieur Technico-Commercial (TEXYS) Essais & Simulations • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 47

Dossier Technique de mesure Dispositif de mesure rapide de température par Thermocouple Les moyens de mesures dans les centres et laboratoires d’essais d’environnement doivent répondre à des exigences de précision, de vitesse, de polyvalence, de plage et de coût, souvent contradictoires. La température qui représente la grandeur physique la plus mesurées dans ces laboratoires, jusqu’à 80% des capteurs sur certains moyens d’essai, n’échappe pas à ce constat. Les thermocouples, notamment de type T et K, répondent partiellement à ces exigences d’essais, tout en présentant quelques limites techniques, lesquelles ont été franchies grâce au projet européen MIMECOR-VT*. Les thermocouples sont des capteurs largement utilisés en raison de leurs multiples avantages : • Une large plage de mesure : de -1200 °C à 400 °C pour les TC de type K (Chromel-Alumel). • Un temps de réponse court (fonction du diamètre) : 50 ms pour un diamètre de 0.5 mm. • Un faible coût. Cependant, leurs mesures, très entachées de bruit, conduisent à une précision modeste et une vitesse de mesure très faible (plusieurs secondes par acquisition). Ce défaut est dû à l’absence de technique de mesure permettant de réduire le bruit de mesure sans, pour autant, baisser la vitesse d’acquisition. Les travaux de recherche, dont les résultats sont présentés ici, menés dans le cadre du projet MIMECOR-VT, visaient justement la levée de ce verrou en développant une nouvelle technique de mesure de température par thermocouple alliant à la fois précision et vitesse de mesure.La technique développée est basée sur l’application de la théorie d’estimation optimale au traitement du signal délivré par les thermocouples. Cette discipline fait partie de l’automatique et s’attache à l’extraction optimale de l’information utile à partir d’observations bruitées. Elle offre une large palette de techniques adaptées à diverses conditions opérationnelles : Filtre de Kalman, Algorithme de Viterbi, Filtre de Volterra, Filtre particulaire, etc. Outre les performances supérieures en termes de vitesse, de précision et de robustesse de la mesure, cette approche conduit à une réduction du coût de la station de mesure de température par TC grâce au transfert vers le calcul numérique, moins coûteux, de la réduction du bruit de mesure, classiquement assurée par le conditionnement et le traitement analogique du signal. Principe de mesure de température par thermocouple Un thermocouple est un montage constitué de deux fils de métaux différents, soudés à l'une de leurs extrémités. Cette jonction porte le nom de "soudure chaude". Elle doit être installée au point de mesure. Les deux autres extrémités sont reliées aux bornes de l’instrument de mesure. Les jonctions ainsi formées portent le nom de "soudures froides". La mesure de température par thermocouple exploite l'effet Seebeck. La tension aux bornes du capteur est fonction de la température de la "soudure chaude" et de la température des "soudures froides". Il est donc nécessaire que les températures des "soudures froides" soient égales et connues pour permettre une conversion aisée de la tension mesurée en température. Cette conversion se fait à l’aide de des tables de conversion. > Effets Thermoélectriques Lorsqu’une chaîne de conducteurs M1- M2-M1, constituée de deux matériaux différents est en boucle ouverte, un potentiel électrique est généré entre les deux bornes non reliées de la boucle s'il existe un gradient de température dans la boucle, c’est-à-dire si les deux jonctions M1-M2 sont à des températures différentes. Cet effet thermoélectrique, illustré par la Figure 1, est connu sous le nom d’Effet Seebeck [1]. Cet effet est caractérisé par le coefficient de Seebeck que l'on définit comme le rapport de la tension à l'écart de température lorsque ce dernier est infiniment petit : Par exemple, pour une jonction Cuivre/ Constantan a 12 (273 k) = 39µV. K −1 . En fait, l’effet Seebeck est un effet thermoélectrique lié à la somme de deux effets : les effets Peltier et Thomson [1]. > Dispositif de mesure de température par TC Essais & Simulations • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 48

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