Toutes les grandeurs physiques (température, pression, positionnement, vitesse, etc…) sont des grandeurs analogiques. Afin de pouvoir traiter ces grandeurs dans un API,
il est nécessaire de :
- convertir la grandeur physique en une grandeur analogique électrique
- convertir la grandeur analogique électrique en une grandeur numérique
A la différence des signaux binaires qui ne peuvent prendre que les deux états "Tension disponible +24V" et "Tension indisponible 0V", les signaux analogiques sont capables (dans une certaine plage donnée) de prendre n'importe quelle valeur. Le potentiomètre est un exemple type de capteur analogique. Suivant la position de la molette, il est possible de paramétrer n'importe quelle résistance jusqu'à une valeur maximum.
Exemples de grandeurs analogiques en automatique :
- Température -50 ... +150°C
- Débit 0 ... 200l/min
- Vitesse 500 ... 1500 tr/min
- etc.
En utilisant un transducteur de mesure, ces variables sont changées en tensions électriques, en courants ou en résistances. Si une vitesse doit par exemple être enregistrée, la plage de vitesse peut être modifiée par le biais d'un transducteur de mesure, passant de 500 ... 1500 tr/min à une plage de tension de 0.. +10V. Pour une vitesse mesurée de 865 tr/min, le transducteur de mesure afficherait une tension de +3,65 V.
Ces tensions électriques, courants et résistances sont ensuite connectés à un module analogique qui numérise le signal.
Si les variables analogiques sont traitées avec un API, les valeurs de tension, de courant et de résistance en entrée doivent quant à elles être converties en information numérique. Cette conversion est appelée Conversion Analogique/Numérique (CAN). Cela signifie, par exemple, que la valeur de tension +3,65V est stockée en tant qu'information comme série de chiffres binaires. Plus le nombre de chiffres binaires utilisés pour la représentation numérique est grand, plus la résolution est haute. Si, par exemple, 1 bit seulement était disponible pour la plage de tension 0.. +10V, l'information ne pourrait être fournie que si la tension mesurée est dans la plage de 0.. +5V ou dans la plage +5V ... +10V. Avec 2 bits, cependant, la plage peut être divisée en 4 fourchettes individuelles, 0 ... 2,5 / 2,5 ... 5 / 5 ... 7,5 / 7,5 ... 10V. En automatique, les CAN standards convertissent sur 8 ou 11 bits.
Avec un CAN 8 bits, on obtient 256 plages de valeurs, et avec un CAN 11 bits on monte à une résolution de 2048 plages.
il est nécessaire de :
- convertir la grandeur physique en une grandeur analogique électrique
- convertir la grandeur analogique électrique en une grandeur numérique
A la différence des signaux binaires qui ne peuvent prendre que les deux états "Tension disponible +24V" et "Tension indisponible 0V", les signaux analogiques sont capables (dans une certaine plage donnée) de prendre n'importe quelle valeur. Le potentiomètre est un exemple type de capteur analogique. Suivant la position de la molette, il est possible de paramétrer n'importe quelle résistance jusqu'à une valeur maximum.
Exemples de grandeurs analogiques en automatique :
- Température -50 ... +150°C
- Débit 0 ... 200l/min
- Vitesse 500 ... 1500 tr/min
- etc.
En utilisant un transducteur de mesure, ces variables sont changées en tensions électriques, en courants ou en résistances. Si une vitesse doit par exemple être enregistrée, la plage de vitesse peut être modifiée par le biais d'un transducteur de mesure, passant de 500 ... 1500 tr/min à une plage de tension de 0.. +10V. Pour une vitesse mesurée de 865 tr/min, le transducteur de mesure afficherait une tension de +3,65 V.
Ces tensions électriques, courants et résistances sont ensuite connectés à un module analogique qui numérise le signal.
Si les variables analogiques sont traitées avec un API, les valeurs de tension, de courant et de résistance en entrée doivent quant à elles être converties en information numérique. Cette conversion est appelée Conversion Analogique/Numérique (CAN). Cela signifie, par exemple, que la valeur de tension +3,65V est stockée en tant qu'information comme série de chiffres binaires. Plus le nombre de chiffres binaires utilisés pour la représentation numérique est grand, plus la résolution est haute. Si, par exemple, 1 bit seulement était disponible pour la plage de tension 0.. +10V, l'information ne pourrait être fournie que si la tension mesurée est dans la plage de 0.. +5V ou dans la plage +5V ... +10V. Avec 2 bits, cependant, la plage peut être divisée en 4 fourchettes individuelles, 0 ... 2,5 / 2,5 ... 5 / 5 ... 7,5 / 7,5 ... 10V. En automatique, les CAN standards convertissent sur 8 ou 11 bits.
Avec un CAN 8 bits, on obtient 256 plages de valeurs, et avec un CAN 11 bits on monte à une résolution de 2048 plages.
Pour le traitement des valeurs analogiques, les types de données INT et REAL jouent un rôle important. En effet, les valeurs analogiques sont présentes sous forme d'entiers au format INT et du fait des erreurs d'arrondi que l'on rencontre avec INT, seuls les nombres à virgule flottante de type REAL sont utilisables pour assurer un traitement précis.
Conversion de la grandeur physique
en un signal analogique électrique
Le circuit qui permet de réaliser une telle opération est appelé « Transducteur ».
Il existe 3 types de signaux analogiques électriques :
- 0 à 10 VDC ou -10VDC à + 10VDC
- 0 à 20 mA
- 4 à 20 mA
Pour réaliser la conversion de la grandeur physique vers le signal électrique, il suffit
d’effectuer une règle de trois :
Exemple N°1 :
Capteur de température pouvant mesurer des températures entre 0 et 500°C.
Exemple N°2 :
Moteur triphasé dont la vitesse 0-4000 tr/min. serait contrôlée par un automate.
* Pour tous les calculs avec des signaux 4..20 mA, il faut, pour la règle de trois, utiliser une plage de 16 mA, puis ajouter 4 mA au courant obtenu. Dans le cas où l’on recherche la grandeur physique, il faut commencer par soustraire 4 mA au courant fourni.
Principe de fonctionnement d'un convertisseur A/N
Le circuit qui permet de convertir un signal analogique électrique en un code numérique est appelé « Convertisseur A/N ».
Les codes numériques sont nécessaires pour les rendre compréhensibles par le programme d’un API. Un programme n’est pas capable d’interpréter un signal analogique.
Le nombre de bit d’un convertisseur A/N défini le nombre de codes numériques possibles et par conséquent sa résolution et donc la qualité du signal converti.
Principe de fonctionnement d’un convertisseur A/N 2 bits Pour l’exemple prenons un convertisseur 0-10 VDC => 2 bits.
- la plage de tension en entrée est de 0 à 10 V
- les codes possibles en sortie sont : 00 – 01 – 10 – 11, soit 4 codes
Pour trouver le nombre de codes possibles, il suffit de faire :
Nombre de codes = 2n
où n = nombre de bit du convertisseur.
Ici le nombre de codes = 2n = 22 = 4 codes
Principe de fonctionnement d’un convertisseur A/N 3 bits Pour l’exemple prenons un convertisseur 0-10 VDC => 3 bits.
- la plage de tension en entrée est de 0 à 10 V
- les codes possibles en sortie sont : 000 – 001 – 010 – 011 – 100 – 101 – 110 - 111, soit 8 codes
Pour trouver le nombre de codes possibles, il suffit de faire :
Nombre de codes = 2n
où n = nombre de bit du convertisseur.
Ici le nombre de codes = 2n = 23 = 8 codes
On observe que le nombre de bit du convertisseur influence directement sa résolution.
Principe de fonctionnement d’un convertisseur A/N 8 bits Pour l’exemple prenons un convertisseur 0-10 VDC => 8 bits.
- la plage de tension en entrée est de 0 à 10 V
- les codes possibles en sortie sont : tous les codes de 0000 0000 à 1111 1111, soit 256 codes
Pour trouver le nombre de codes possibles, il suffit de faire :
Nombre de codes = 2n
où n = nombre de bit du convertisseur.
Ici le nombre de codes = 2n = 28 = 256 codes
On observe à nouveau que le nombre de bit du convertisseur influence directement sa résolution.
De la grandeur physique au signal numérique
La grandeur physique est d’abord convertie en un signal analogique à l’aide d’un transducteur. Ensuite le convertisseur A/N converti le signal analogique en un signal numérique.
Exemples : capteurs de température, vitesse, pression, humidité, ...
Le signal numérique est d’abord converti en un signal analogique à l’aide du convertisseur N/A. Ensuite un transducteur converti le signal analogique en une grandeur physique.
Exemples : ouverture d’une vanne, vitesse d’un moteur, température d’un four...
Exemples : ouverture d’une vanne, vitesse d’un moteur, température d’un four...
Formules fondamentales
Attention Si 0-20V => signal = 20V mais si 4-20mA => signal = 16mA
Attention Si 4-20mA => signal = 16mA et additioner les 4mA au résultat. Température max. pour 20-100degrés = 80 degrés. Retirer aussi 20 degrés à Température.
Exercices
Exercice 1
Soit un capteur de température 0 °C .. 210 °C fournissant un signal 0..10 V à un convertisseur A-N de 3 bits
La tension fournie par le transducteur sera comprise entre 0 et 10 V
Les codes possibles fournis par le convertisseur sont :
000 – 001 – 010 – 011 – 100 – 101 – 110 - 111, soit 8 codes
Soit un capteur de température 0 °C .. 210 °C fournissant un signal 0..10 V à un convertisseur A-N de 3 bits
La tension fournie par le transducteur sera comprise entre 0 et 10 V
Les codes possibles fournis par le convertisseur sont :
000 – 001 – 010 – 011 – 100 – 101 – 110 - 111, soit 8 codes
Exercice 2
Soit un capteur de distance 0.. 12 m fournissant un signal 0..20 mA à un convertisseur A-N de 8 bits
Le courant fourni par le transducteur sera compris entre 0 et 20 mA
Les codes possibles fournis par le convertisseur sont :
tous les codes de 0000 0000 à 1111 1111, soit 256 codes
Soit un capteur de distance 0.. 12 m fournissant un signal 0..20 mA à un convertisseur A-N de 8 bits
Le courant fourni par le transducteur sera compris entre 0 et 20 mA
Les codes possibles fournis par le convertisseur sont :
tous les codes de 0000 0000 à 1111 1111, soit 256 codes
Exercice 3
Soit un capteur de pression 0.. 10 bars fournissant un signal 4..20 mA à un convertisseur A-N de 8 bits.
Le courant fourni par le transducteur sera compris entre 4 et 20 mA. Le signal 0 correspondant à la rupture du signal.
Les codes possibles fournis par le convertisseur sont :
tous les codes de 0000 0000 à 1111 1111, soit 256 codes
Soit un capteur de pression 0.. 10 bars fournissant un signal 4..20 mA à un convertisseur A-N de 8 bits.
Le courant fourni par le transducteur sera compris entre 4 et 20 mA. Le signal 0 correspondant à la rupture du signal.
Les codes possibles fournis par le convertisseur sont :
tous les codes de 0000 0000 à 1111 1111, soit 256 codes
Blocs analogiques
