Soutenance mémoire
Le Syscal R2 est l’un des matériels de géophysique très utilisé à l’IOGA. A part les étudiants à l’IOGA, beaucoup d’organismes extérieurs ont loué cet appareil. Vue la situation du problème et la défaillance du matériel au laboratoire de Géophysique d’Antananarivo, le Responsable du laboratoire de l’Instrumentation en Géophysique a créé une équipe capable de concevoir, et de réaliser ce matériel utilisé en prospection électrique. L’objectif de ce travail est d’élaborer ou de développer un logiciel d’acquisition des données en prospection électrique permettant de commander l’interface matérielle par l’intermédiaire d’une liaison série, de recevoir des données et d’en convertir sous forme de grandeurs physiques (résistivités) pour faciliter l’interprétation, d’essayer de simuler le fonctionnement d’un panneau à 32 électrodes. Les fonctions de base de ce résistivimetre sont reprises, puis rénovées en utilisant les technologies de la « communication série » et les « protocoles » y afférents. Nous avons mis à profit sa performance pour amener les données issues d’un capteur géophysique vers l’ordinateur. Le logiciel est écrit sous le logiciel courant Visual Basic orienté à l’objet. Le VB est un logiciel commercial de calcul interactif, capable de faire une interface graphique, de représenter les différentes fonctions et des boutons de commandes utilisés par les prospecteurs. Dans ce travail, nous essayons alors de répartir la chaîne de tâches pour la réalisation du Syscal R2 en deux parties : l’une concerne la réalisation d’une interface matérielle qui a été assurée par mes collègues Ralay Razafiarisera et Joely Andriambeloson, l’autre partie m’a été confiée et qui a pour objet la conception et la réalisation d’un logiciel en utilisant l’ordinateur pour l’acquisition de données électriques, on effectue des simulations et des tests en laboratoire pour la concrétisation de ce logiciel.
Procédure d’acquisition de données
Chaîne d’acquisition des données
Généralités
Pour mesurer des grandeurs physiques, et les transformer en signaux analogiques (normalement des tensions), nous avons besoin de transducteurs adéquats. Les signaux produits par ces transducteurs seront premièrement conditionnés, c’est-à-dire, amplifiés et filtrés selon le type de paramètre mesuré. Si plusieurs signaux sont acquis en même temps ou avec un appareil ayant une seule entrée, ils seront acheminés par l’entremise d’un multiplexeur. Puisque la plupart des systèmes numériques ne reconnaissent pas un signal analogique, les tensions acquises devront être converties en valeurs numériques avant d’être traitées par l’ordinateur. Le convertisseur analogique – numérique (analogue/digital converter : A/D ou ADC) s’occupe de cette dernière tâche.
Les capteurs
Introduction
Les capteurs sont les premiers éléments rencontrés dans une chaîne de mesures. Ils transforment les grandeurs physiques ou chimiques d’un processus ou d’une installation en signaux électriques au départ presque toujours analogiques. Cette transformation doit être le reflet aussi parfait que possible de ces grandeurs. Cet objectif n’est atteint que si l’on maîtrise en permanence la réponse des capteurs qui peut être affectée par des défauts produits par les parasites qui se superposent aux signaux, par les conditions d’utilisation, par le processus luimême et par le milieu qui l’entoure. Nous abordons dans ce chapitre quelques-uns des principes qui permettent de mettre correctement en œuvre les capteurs. Les bases de ces principes reposent sur l’étalonnage, l’évaluation des incertitudes, le calcul des temps de réponse et le conditionnement. Notre propos vise surtout à donner au lecteur un guide assez général ; certains calculs et de nombreux problèmes d’instrumentation ou de traitement du signal ne sont que cités, le lecteur trouvera dans la suite de cet ouvrage les développements nécessaires.
Généralités
Définitions fondamentales
La quantité que l’on cherche à mesurer sera appelée le mesurande, soit m. Le but assigné au capteur est de convertir m en une grandeur électrique que l’on appellera s. La mesure s peut être une impédance, une charge électrique, un courant ou une différence de potentiel. La relation qui lie s à m, soit s = F (m), dépend :
-de la loi physique régissant le capteur
-de la construction pratique du capteur
-de l’environnement du capteur .
Définitions secondaires
Il est important pour la suite de rappeler quelques définitions fréquemment utilisées quel que soit le type de capteur considéré :
– Capteurs actifs et passifs, Conditionneurs
Les capteurs dont le signal électrique délivré est une variation d’impédance sont dits passifs car ils nécessitent une source d’énergie électrique pour que l’on puisse lire s. Le circuit dans lequel ils sont incorporés s’appelle le conditionneur. Le conditionneur doit permettre de préparer le signal à un traitement et à une transmission. Il doit amplifier et convertir pour cela le signal électrique de sortie de capteur. Les autres capteurs sont dits actifs.
– Chaîne de mesure : généralement, le signal s n’est pas directement utilisable. On appelle chaîne de mesure l’ensemble des circuits ou appareils qui amplifient, adaptent, convertissent, linéarisent, digitalisent le signal avant sa lecture sur le support de sortie.
– Corps d’épreuve : En mécanique, notamment, la conversion de m en s n’est pas directe. Tout corps intermédiaire entre le capteur et le mesurande, est appelé corps d’épreuve.
– Etalonnage : On distingue l’étalonnage du capteur proprement dit et l’étalonnage global appliqué à l’ensemble corps d’épreuve – capteur – conditionneur – chaîne de mesure.
– Grandeurs d’influence : La fonction F (m) dépend souvent d’autres grandeurs physiques propres à l’environnement (par exemple la température ou l’humidité). Ces grandeurs sont appelées grandeurs d’influence.
– Durée de vie et temps de réponse : Parmi ces grandeurs d’influence on peut, de façon un peu abusive, aborder le cas particulier du temps qui intervient dans les mesures de deux façons :
– par des dérives à long terme qui modifient F (m). On parle alors de durée de vie du capteur.
– par l’aptitude du capteur à répondre aux variations du mesurande avec le temps. On parle de temps de réponse.
– bande passante :
Lorsque le capteur mesure un mesurande dont la dépendance temporelle est sinusoïdale, on montre que la sensibilité du capteur dépend de la fréquence du mesurande. La gamme de fréquence dans laquelle le capteur présente une sensibilité constante est appelée « bande passante ». Le temps de réponse et la bande passante sont évidemment liés.
Caractéristiques métrologiques des capteurs
Erreurs systématiques
L’erreur systématique est toujours due à une mauvaise connaissance ou à une mauvaise utilisation du capteur. L’erreur systématique se détecte en comparant les valeurs moyennes d’un même mesurande, données par deux capteurs différents.
Les causes les plus fréquentes d’erreurs systématiques sont les suivantes :
– étalonnage incorrect ou non effectué au delà de la durée de vie ou après une altération du capteur.
– emploi incorrect. Par exemple, non attente du régime permanent, erreur sur l’un des éléments d’un conditionneur, modification du mesurande par le capteur lui- même.
– exploitation inadéquate des données. Par exemple, erreur de linéarisation dans le chaîne de mesure, saturation d’un amplificateur de la chaîne de mesure… Il est clair que la détection de l’erreur systématique conduit toujours à son élimination.
Incertitudes aléatoires
Ce sont les erreurs dont on peut connaître la cause sans que cette connaissance permette de prévoir la valeur de la mesure. Leur évaluation ne peut être que statistique. La cause principale de ces incertitudes est la présence de signaux ou d’influences « parasites » dont l’amplitude est aléatoire et que l’on qualifie par le terme assez vague de « bruit », citons à titre d’exemples :
– la fluctuation des sources d’alimentation de la chaîne de mesure ou du conditionneur (fluctuation de la force électromotrice dans un pont…).
– les signaux électromagnétiques produits dans l’environnement et captés par un élément de l’ensemble capteur, conditionneur, chaîne de mesure.
– la fluctuation thermique (agitation thermique des porteurs de courant…).
– la fluctuation des grandeurs d’influence…
Contrairement aux erreurs systématiques, les erreurs aléatoires ne peuvent pas être annulées, mais on doit cependant les réduire, soit en utilisant des dispositifs de protection (régulations des f e m, stabilisation de la température, isolation mécanique, blindage électromagnétique…), soit en mettant en œuvre des procédures adaptées (filtrage, détection synchrone, traitement du signal…). Il est, en tout cas, toujours indispensable de les évaluer.
Protocole de transmission
Afin que les éléments communicants puissent se comprendre, il est nécessaire d’établir un protocole de transmission. Ce protocole devra être le même pour les deux éléments afin que la transmission fonctionne correctement. Il faut connaître les différents paramètres aussi bien que du récepteur que de l’émetteur à savoir :
➤ Longueur des mots : 7 bits (ex : caractère ascii) ou 8 bits
➤ La vitesse de transmission : les différentes vitesses de transmission sont réglables à partir de 110 bauds (bits par seconde) de la façon suivante : 110 bds, 150 bds, 300 bds, 600 bds, 1200 bds, 2400 bds, 4800 bds, 9600 bds.
➤ Parité : le mot transmis peut être suivi ou non d’un bit de parité qui sert à détecter les erreurs éventuelles de transmission. Il existe deux types de parité.
✦ parité paire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit pair sur l’ensemble donné + bit de parité
✦ parité impaire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit impair sur l’ensemble donné + bit de parité
➤ Bit de start : Le début de la transmission d’un mot binaire (octet en général), est marqué par le passage du signal au niveau logique « 0 ». Ce niveau doit être maintenu pendant un temps « T » dont la valeur est une caractéristique de la transmission. Valeur commune au transmetteur et au récepteur. On l’appelle temps de bit. Par ce moyen, l’émetteur indique au récepteur le début de la transmission d’un mot binaire.
➤ Bit de stop : après la transmission, la ligne est positionnée au repos pendant 1, 2 ou 1,5 périodes d’horloge selon le nombre de bits de stop. La ligne doit être au niveau logique « 1 » avant de commencer à émettre un mot binaire. Si le bit de parité (ou le dernier bit émis si pas de parité) sont à 0, il faudra bien que la ligne soit remontée systématiquement à « 1 ». C’est l’un des rôles du bit de stop. Par ailleurs, le fonctionnement de la machine réceptrice exige un certain temps de fonctionnement pour mémoriser le mot de données arrivées, calculer sa parité, prévenir le logiciel de réception etc. C’est aussi une deuxième vocation du bit de stop.
➤ Format des trames : Le bit de start apparaît en premier dans la trame puis les données (poids faible en premier), la parité éventuelle et le (les) bit(s) de stops.
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Table des matières
Introduction
1ère Partie : Procédure d’acquisition de données
I.1 – Chaîne d’acquisition des données
1. Généralités
2. Les capteurs
Introduction
2.1 Généralités
2.2. Caractéristiques métrologiques des capteurs
2.3. Etalonnage des capteurs
2.4 Bande passante et temps de réponse
3. Amplificateur d’instrumentation
3.1 Amplification
3.2 Amplificateur de tension
3.3 Convertisseur courant/tension
4. L’échantillonneur
4.1 Rôle
4.2 Principe
5. Le convertisseur analogique numérique (CAN)
5.1 –définition
5.2 – Nécessité de numérisation
5.3 La zone de stockage
5.4 Le convertisseur numérique analogique (CNA)
6. Les filtres d’entrée et de sortie
7. Performance globale
7.1 Fréquence de fonctionnement
7.2 Résolution de la chaîne
8. PC d’acquisition
8.1 Interfaces : types et différences
8.2 Les cartes d’acquisitions enfichables
8.3 Les systèmes d’acquisition avec communication
8.4 Enregistrement des données
8.5 Les interfaces de communication
I .2 – Etude théorique des matériels : le résistivimetre électrique
2.1 Méthode électrique
1.1- Principe
1.2 Dispositifs et acquisition
2.2 Configuration du PIC 16F877
2.1 Notion sur le PIC
2.2 Architecture du PIC 16F877
2.3 Brochage du PIC 16f877
2.4. Structure interne du PIC
2ème Partie: Commande automatique pilotée par ordinateur
II.1 Généralités sur l’interface matérielle
1.1 Injection de courant
1.2 Mesure de la tension entre M et N
1.3 Commande de mise en marche
II.2. Les ports de communication
2.1 Les signaux ports séries
2.2 Brochage du port série
2.3 Protocole de transmission
2.4 Transmission sérielle des données
2.4.1 Format des trames de données
2.4.2 Lecture et enregistrement des données
II.3. Simulation et réalisation de l’interface
3.1 L’interface d’acquisition : le PIC 16f877
3.1.1 Programmation du PIC
3.1.2 Introduction sur MPLAB
3.1.3 Les étapes de programmation d’un microcontrôleur PIC
3.2 Réalisation du programmateur Pic
3.3 Programmation sur IcProg
II.4. Langage de programmation :Visual Basic
4.1 Introduction en Visual Basic
4.2 Visual Basic comme interface logicielle
3ème Partie : Le logiciel d’acquisition des données électriques
III.1. Conception de l’interface logicielle pilote du resistivimètre
3.1.1. Configuration des périphériques
3.1.2 Traitement de données
2.1 La mesure de la tension
2.2 Les modes de calcul de résistivité
III.2. Réalisation du logiciel
3.2.1 Authentification du personnel
3.2.2. Menu Sondage
3.2.3 Menu Panneau à 32 électrodes
4ème Partie : Résultats et discussions
IV.1.Résultats obtenus
IV.2.Interprétation et discussions
Conclusion
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