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dernière mise à jour
22 mars 2013
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LES TENDANCES TECHNOLOGIQUES

sixième partie (6/8) : capteurs "intelligents"

du simple au plus complexe
la base
les multiples avantages
moderniser à faible coût
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Généralités / Historique

Nous allons tout d'abord examiner, en nous plaçant d'un point de vue chronologique comment les systèmes monocapteur exploités en milieu industriel ont évolué au cours du siècle passé. On caractérisera ainsi 4 étapes : le système rudimentaire, encore très répandu, le système avec conditionneur et transmetteur, le système basé sur le capteur dit intelligent et enfin le système exploitant un processeur dédié.


Fig. système rudimentaire

Malgré les perspectives de marché dans le domaine des applications industrielles, beaucoup de systèmes sont encore constitués rudimentairement d’un capteur qui transmet simplement une information analogique à un contrôleur constituant l’ensemble de l’électronique (figure a). Différentes évolutions sont apparues avec une intégration plus ou moins grande via des circuits hybrides associés au capteur.


Fig. conditionnement du signal

Ainsi le conditionnement du signal a été mis en œuvre (figure b), ce qui associé à un dispositif de transmission/réception adapté a permis l'exploitation à distance des informations fournies par le capteur et la généralisation des salles de contrôle dans les unités industrielles de production importantes au cours des années soixante-soixante dix, puis la numérisation du signal a permis l’association d’un processeur a proximité du capteur et l’apparition du concept de « capteur intelligent » ou « smart sensor » (figure c)


Fig. capteur intelligent

et enfin une intégration plus poussée a conduit au récent concept de processeur de signal spécifiquement adapté au capteur (figure d).


Fig processeur de signal spécifique

L’utilisation de la microinformatique va permettre d'exploiter les caractéristiques fréquentielles autant que temporelles des signaux issus des capteurs (transformée de Fourier rapide), et même dans un proche avenir l'emploi de méthodes probabilistes ou dérivées de la théorie des croyances.

Par ailleurs, le microprocesseur permet la linéarisation, la correction automatique, la compensation de soudure froide...parfois même le calcul de la valeur d'une grandeur que l'on ne peut atteindre directement par la mesure, on parle alors de capteur logiciel.

Le principe basique du capteur "intelligent"

Nous allons nous intéresser plus particulièrement à la notion de "capteur intelligent", c'est à dire de système qui, dans sa version basique imaginée au début des années quatre vingt, dispose d'une certaine capacité de calcul assurée par un circuit programmable du type microcontrôleur ou microprocesseur lui permettant de prendre en compte certaines dérives et grandeurs d'influence et donc de générer un signal corrigé que le système d'acquisition pourra alors acquérir tel quel via une interface de communication elle même intégrée dans le capteur intelligent.


Son organisation de principe peut être représentée par la figure ci-dessus, sur laquelle on a mis en place le transducteur principal et des capteurs secondaires, susceptibles de fournir des informations utiles au dispositif de calcul afin de permettre la correction éventuelle du signal fourni par le transducteur principal. On remarque aussi l’élément de calcul constitué, au minimum, d’un microcontrôleur et d’une EEPROM : En général on associera à chaque capteur un conditionneur spécifique, mais le plus souvent il n'y aura qu'un seul CAN et l'on aura installé un dispositif de multiplexage pour acquérir séquentiellement les données. En sortie du microprocesseur on trouvera l'interface de communication : soit une transmission numérique directe, soit, dans le cas où celle-ci serait inopportune ou trop coûteuse à installer, une conversion numérique analogique de la grandeur corrigée, suivie d'une transmission analogique classique.

Notons qu'en raison de la miniaturisation des composants électroniques et du développement des microcapteurs sur silicium tout cet ensemble se présente le plus souvent comme une boite noire avec un connecteur d'entrées-sorties électriques et parfois un ou des raccords mécaniques standard pour raccorder les sources des grandeurs physiques mises en jeu. La notion importante est donc qu'un capteur intelligent est un dispositif communiquant. Signalons cependant tout de suite que c'est paradoxalement l'un de ses handicaps majeurs, car, en vingt années de développement de ce concept, les constructeurs n'ont pas été capables d'harmoniser les protocoles de communication, malgré les travaux de diverses commissions ad hoc nationales et internationales, ce qui crée évidemment des difficultés de communication entre équipements d'origines différentes. Nous y reviendrons.

Propriétés fondamentales

L'existence d'un élément de calcul programmable et d'un bloc mémoire associé va permettre l'implémentation de nombreuses fonctions au sein du dispositif, non seulement de nature correctrice ainsi que cela avait été imaginé primitivement, mais aussi d'intérêt économique et, en outre, de fonctions nouvelles, totalement impossibles à mettre en oeuvre autrement.

Un tel ensemble présente les avantages suivants:
  • métrologique: accroissement de la précision pouvant atteindre aisément un facteur 10 ou au delà.
  • fonctionnel: aide à la maintenance par autotest intégré susceptible de déterminer automatiquement quel est l'élément défaillant de la chaîne et, via son interface de communication, de transmettre des alarmes ciblées (en effet l'information de panne à transmettre n'est pas la même pour l'opérateur, le chef d'atelier et le technicien de maintenance), mémorisation des évènements exceptionnels, configuration à distance ( La PROM, qui peut être une EEPROM ou une RAM utilisable en cas de réétalonnage, contient en mémoire diverses informations telles: le type et le numéro d'identification du capteur, sa date de mise en service et ses dates prévisibles de maintenance programmée, ses caractéristiques métrologiques et de fonctionnement - non linéarité - hystérésis/sensibilité à la température -, l'équation des corrections à apporter en fonction des données transmises par les autres capteurs qui eux aussi ont leur fiche), possibilité de transmetteur unique pour plusieurs capteurs de types différents.
  • économique: réduction des stocks, des durées d'étalonnage et de calibration, fiabilité accrue, alarme locale ou à distance, allègement du calculateur central qui n'a plus à effectuer de calculs de corrections diverses. En outre l'architecture "smart sensor" est souvent unitairement d'un coût guère supérieur, voire moindre, à celle d'un capteur classique de précision équivalente, et parfois très inférieure, en raison des possibilités d'intégration dans un composant de type ASIC produit en série.
Regardons l’aspect calibration

Effectuer le calibrage d’un capteur classique cela signifie en pratique :
    • définir plus ou moins explicitement les valeurs maxi et mini de la grandeur observée
    • choisir le bon tournevis
    • effectuer la rotation d’un ou de plusieurs potentiomètres (zéro, gain)
    • vérifier la cohérence entre les positionnements matériels effectués et les valeurs du mesurande
dans le cas d’un capteur intelligent cela signifiera :
    • définition d’une relation bijective entre l’ensemble des valeurs prises par le mesurande pour cette application et l’ensemble des valeurs que peut prendre la mesure fournie par le capteur intelligent, associé à un système d’unités
    • définition des bornes de l’intervalle de mesure
    • définition des traitements à effectuer en cas de dépassement
    • définition et activation de la relation caractérisant la relation entre grandeur et mesure
    • validation de la calibration du capteur
Précisons un peu plus en quoi un capteur intelligent va se révéler plus intéressant en matière de crédibilité et de sûreté de fonctionnement :

La figure ci-dessous représente le modèle fonctionnel d’un capteur/actionneur intelligent (CAI). Les fonctions surveiller, élaborer et décider sont essentielles. La fonction surveiller associée à la fonction élaborer va permettre de transformer des informations « brutes » en informations « validées » auxquelles sera associée une crédibilité maximale compte tenu de l’état du capteur à un instant donné. Cette fonctionnalité de validation est indissociable de la fonctionnalité acquérir ; elle est à la base du concept d’instrument intelligent.

Ainsi toute information élaborée au sein du CAI devra, dans la mesure du possible, être validée par la prise en compte d’indicateurs qui caractérisent le bon fonctionnement du CAI, par exemple mesure de la tension d’alimentation, de la température de l’électronique, de l’intégrité de la chaîne d’acquisition, vérification du bon déroulement d’un algorithme, test du résultat d’une opération arithmétique, mais aussi en termes de cohérence des informations délivrées par rapport à un modèle. On s’intéressera donc à la variation dans l’étendue de mesure, la détection d’une mesure aberrante dans une série temporelle, le respect des conditions de température du milieu ambiant...


Fig. Les actions à mener dans un instrument intelligent

La validation n’est cependant pas la panacée puisqu’il est évident qu’elle sera forcément obtenue avec un certain retard puisque le microprocesseur qui gère le système fonctionne en mode monotâche séquentiellement. On va donc intégrer des fonctionnalités de surveillance et de diagnostic afin de maîtriser la sûreté de fonctionnement du système.

On va supposer qu’un modèle du signal est accessible et calculable. En ce qui concerne les capteurs, les erreurs les plus courantes, perceptibles par observation, sont les biais, les dérives, les ruptures brutales , les bruits anormaux, la présence de parasites aléatoires, un changement des caractéristiques spectrales. On va tenter de détecter une défaillance (et donc de constater une panne éventuelle) en analysant le signal fourni ; c’est la méthode de surveillance locale qui est schématisée sur la figure suivante

La détection de rupture de modèle du signal technique qui fait appel à des tests d’hypothèses statistiques permet, lorsqu’on dispose d’un modèle, de détecter un éloignement par rapport à ses caractéristiques nominales. Cette approche suppose que le signal est une succession de segments homogènes de caractéristiques constantes ou lentement variables, séparés par des transitions brutales.

Les algorithmes utilisés effectuent une décomposition du signal en segments successifs, et ce avec un degré de précision variable. Certains permettent simplement de détecter qu’un changement s’est produit, d’autres fournissent en outre l’instant de la rupture et parfois même les paramètres caractéristiques du signal avant et après la rupture.


Fig. méthode de surveillance locale

Ces méthodes impliquent en fait deux étapes :

Tout d’abord la génération de résidus issus de la comparaison modèle - signal (en comparant des caractéristiques soit temporelles soit fréquentielles), puis il y a prise de décision à partir d’un ou de plusieurs tests.

Un test comporte lui même trois étapes :
  • définition de l’hypothèse à vérifier,
  • choix d’une fonction discriminante ou indicateur de rupture,
  • formulation d’une règle de décision en fonction des risques d’erreurs admis, c’est à dire des taux de fausses alarmes et des taux de non détection.
Supposons par exemple que l’on s’intéresse à la température de l’électronique du capteur. Celle-ci est supposée constante après plusieurs heures de fonctionnement. On va calculer une moyenne mobile sur la suite des résidus sur un nombre de données défini et, ayant fixé des seuils, on compare cette moyenne glissante aux seuils. Il est clair que plus la fenêtre temporelle utilisée sera large plus la méthode sera fiable en terme d’insensibilité à une perturbation aléatoire de faible durée, mais plus le retard à la détection sera important. Il faudra donc choisir le bon compromis. D’autres tests sont évidemment possibles (dérivées, filtre médian, test du Khi2, rapport de vraisemblance..). On tiendra aussi compte des temps de calcul et de la gourmandise en mémoire pour faire un choix raisonné.

Un exemple intermédiaire

Les techniques précédentes ne sont pas encore généralisées et dans beaucoup de cas le problème n'est pas de passer directement d'une structure simpliste illiustrée par la figure (a) à un système aussi élaboré que l'instrument intelligent, mais dans une première étape d'obtenir une information plus satisfaisante en terme de précision et de réduction de sensibilité à la principale grandeur d'influence (qui est le plus souvent la température).

A titre d'exemple, nous allons traiter un procédé répondant à ce seul besoin et donc envisageable pour corriger le signal délivré par un capteur soumis à une dérive due à une grandeur d'influence : on prendra pour exemple le capteur de pression à jauges de contrainte, mais la méthode, quoique non généralisable, peut s'appliquer à d'autres cas.

Un tel capteur présente a priori les inconvénients suivants :
  • non linéarité de la réponse en fonction de la pression
  • dérive thermique du zéro (ce qui se traduit sur la courbe d'étalonnage par un décalage de l'ensemble de la courbe)
  • dérive thermique de sensibilité (ce qui se traduit par une variation de la pente de la courbe d'étalonnage).
La correction de ces défauts, dès lors que l'on connait les équations et que l'on est en mesure de connaître avec une précision suffisante la température du transducteur peut être effectuée via un système informatique. Mais nous présentons ici une solution plus facile à mettre en oeuvre : la correction sera obtenue par un ajustement de gain et un contrôle d'offset. Le montage présenté ci-après permet ces ajustements de façon automatique et complètement transparente pour l'utilisateur qui ne voit qu'un signal analogique corrigé.

En effet, il a été montré (cf chapitre sur les composants et l'ampli_op) qu'un dispositif d'amplification basé sur l'emploi d'ampli_op possède un gain défini par un jeu de deux résistances. De la même manière le décalage d'offset d'un tel ampli_op peut-être compensé à l'aide de résistances judicieusement choisies. Par ailleurs on sait qu'il est possible de réaliser des résistances de valeur contrôlable par tension au moyen de structures JFET ou MOS. On dispose donc d'un moyen élégant de modifier le gain d'un ampli et/ou de décaler son zéro.


Fig. Amplificateur programmable

Dans le cas d'un capteur de pression à transducteur en pont de Wheatstone alimenté par une source de tension stable, le signal de sortie est une fonction à la fois de la pression et de la température S = f(q, P) et il est impossible de séparer les deux composantes sans une information complémentaire. Une solution à ce problème réside dans le choix d'une alimentation non par un générateur de tension mais par un générateur de courant constant I.

On pourra ainsi récupérer deux informations :
  • dont l'une S sera fonction de la pression et de la température,
  • et l'autre U = RI seulement de la température .

Fig. Pont alimenté à courant constant

En effet chaque résistance du pont, en l'absence de pression et à température de référence, vaut Ro et l'impédance d'entrée du pont est donc Ro d'où il résulte U=RoI. Lors d'une dérive de température chaque résistance varie sensiblement de R=Ro et dans ces conditions U = (Ro+R)I = f(q). Enfin notons qu'en l'absence de pression, et à température de référence, si le pont est légèrement déséquilibré par construction on a S non nul (décalage de zéro).

Il parait alors judicieux d'exploiter le déséquilibre initial pour contrôler l'offset de l'ampli_op chargé d'amplifier le signal et le signal U pour modifier le gain de cet ampli_op. D'où l'exemple de réalisation proposé ci-dessous.

L'idée consiste donc à exploiter la mesure de U convertie en binaire (en 8 ou 16 bits éventuellement) comme adresse d'une case d'une mémoire reprogrammable type EEPROM et de mettre dans cette case la valeur binaire de la tension analogique à appliquer sur l'électrode de contrôle de la résistance JFET ajustable contrôlant soit le gain, soit l'offset de l'ampli_op associé.

Notons qu'il n'est pas nécessaire d'employer un microprocesseur, un astucieux décodage d'adresse suffit. Cependant on dispose d'un accès au bus qui pourra être connecté temporairement à un microordinateur afin de :
  • procéder à la calibration sur site, et à l'ajustement des corrections jusqu'à obtenir une sortie correcte pour une valeur supposée connue de la grandeur à mesurer.
  • on peut alors transférer dans l'EEPROM (ou la RAM sauvegardée) les nouvelles corrections aux adresses adéquates.
L'intérêt du principe est que l'ajustement de ces valeurs de correction peut être réalisé très simplement. On place l'ensemble capteur et module électronique associé dans une étuve et sans appliquer de pression on commence par effectuer la correction de zéro à température de référence. Le principe est simple : un programme informatique identifie la case de l'EEPROM adressée, puis génère une correction croissante par pas jusqu'à obtention en sortie de l'ampli d'une valeur nulle. Cette correction est alors mémorisée définitivement dans la case de l'EEPROM. On procède ensuite à la même opération pour l'ensemble de la plage de température en faisant croître la température par pas adaptés.


Fig. Principe du correcteur de température

Notons que l'un des intérêts de cette méthode est que c'est l'ensemble capteur + électronique qui est ajusté simultanément et qu'aucun des éléments intervenant n'a besoin de caractéristiques particulières. En d'autres termes chaque élément du dispositif pris séparément peut être médiocre (donc pas cher) c'est l'ensemble qui sera correct. Le réétalonnage éventuel dû à une dérive dans le temps d'un ou plusieurs éléments pourra être effectué de la même manière sans avoir besoin de changer l'élément défaillant. Et si cette électronique est intégrée sur le corps du capteur on voit qu'il sera même souvent possible de réétalonner le dispositif à distance sans même le démonter dès lors que le capteur est branché sur une canalisation dont le fluide peut être contrôlé en température.

Si l'on veut ensuite faire une correction de non linéarité, le principe sera le même, mais c'est le signal analogique corrigé en température qui sera aussi le signal de contrôle. Par contre l'architecture du correcteur sera la même.


Fig. Correction de température et de linéarité en deux étapes

L’intérêt de cette démarche est de permettre le remplacement d'un capteur ancien médiocre par un capteur corrigé de ses dérives sans modifier l'installation, c'est-à-dire en conservant la même liaison (typiquement on conservera la liaison 4-20 mA) au système d'acquisition qui sera lui-même conservé en l'état.

Notons enfin l'intérêt économique de cette solution : l'ensemble du module électronique pouvant être intégré dans un ASIC de très faible coût de production on aboutit à un ensemble capteur + électronique de coût inférieur à celui d'un capteur seul qui aurait les mêmes caractéristiques que cet ensemble.

Architecture répartie

Les systèmes d'acquisition de données à architecture répartie présentent de l'intérêt dès lors que le nombre de points de mesure de même nature est élevé et que la zone est étendue. Il est clair que l'emploi de capteurs intelligents se justifie alors pleinement, ceux-ci vont être reliés entre eux et au contrôleur général du système via un réseau de communication (type bus de terrain) et pourront donc communiquer entre eux et donc profiter de nouvelles fonctionnalités apportant donc in fine une meilleure information globale sur l'état de l'ensemble du système à contrôler.

On peut mettre en exergue 4 avantages majeurs : la versatilité, l'immunité au bruit, la réduction de coût du câblage, et bien sûr de puissance de calcul du contrôleur central.
  • versatilité : l'augmentation du nombre de points de mesure ne pose pas de problème particulier dès lors qu'on n'a pas atteint la limite de capacité d'adressage du bus de terrain utilisé (souvent 256 noeuds possibles) et la capacité de l'alimentation.
  • immunité au bruit : L'électronique associée à chaque transducteur intelligent étant littéralement intégrée dans le capteur la sensibilité aux perturbations électromagnétiques est limitée, puisque les informations véhiculées sur le bus de terrain sont de type numérique.
  • coût de cablage : il est évident qu'un système en étoile centralisé va coûter bien plus cher qu'un système à bus de terrain
  • puissance du contrôleur central, comme il ne fait plus que de la gestion des données, et non des calculs de correction sur celles-ci, il sera d'autant moins gourmand en ressources. Accessoirement notons que tous les calculs s'effectuant au niveau des capteurs se font donc en parallèle ce qui est évidemment bien plus satisfaisant pour la gestion globale en temps réel.
Quelques infos pratiques :

A la mise sous tension d'un tel système, chaque capteur intelligent va charger sa configuration par défaut telle qu'elle est définie dans son EPROM, puis le plus souvent il va ensuite fonctionner en mode "requète". C'est à dire qu'il va attendre que le contrôleur principal lui adresse une requète pour l'exécuter. Une requète ça peut simplement être une demande de transmission des dernières données mesurées, mais ça peut aussi entrainer une modification de configuration (par exemple demande de modification de la fréquence d'échantillonnage, modification d'un seuil d'alerte, changement d'une valeur de gain d'un ampli programmable...). Une requète peut être générale, c'est à dire s'appliquer à tous les noeuds du réseau, comme elle peut être adressée et donc destinée à un unique capteur intelligent.