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  Page mise à jour le 19/08/2019 (Tous droits réservés - TECHNETEA)  

Instrumentation de laboratoire
Instrumentation de terrain

Développements Electroniques




... Page en développement ...




Très attachée à l'innovation, Technetea adore relever des challenges dans le domaine de l'instrumentation, que ce soit dans la recherche de la performance, dans l'optimisation des matériels, ou dans le développement d'électroniques pour environnements difficiles. L'instrumentation constitue notre coeur de métier et notre spécialité se situe principalement entre le capteur et le moyen d'utiliser l'information qu'il fournit. Notre activité consiste donc pour une grande partie à extraire de l'information et d'en assurer le transport.

De nos jours les besoins en instrumentation se retrouvent partout :

- dans les laboratoires et sur le terrain, sous la forme d'équipements pour la Recherche

- sur les chantiers et les sites industriels, où capteurs et systèmes servent à la fois à la prévention et au contrôle des process

- dans les machines outils et la robotique, avec l'intégration de capteurs de mouvement et l'émergence de la mécatronique

- dans les bancs de test et les simulateurs, où la précision doit être supérieure à celle de l'équipement en test

- dans le domaine médical, l'automobile, l'avionique, la domotique, sous la forme d'objets connectés, etc ...


MEMS à coté d'un pépin

De plus depuis quelques années, les capteurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) apportent encore une nouvelle dimension en s'invitant partout pour répondre à un besoin toujours croissant d'informations et de confort d'utilisation, comme par exemple l'intégration de gyroscopes et de magnétomètres dans les téléphones portables.

Il n'y a actuellement quasiment plus aucun domaine qui ne s'enrichisse continuellement des informations provenant de nouveaux capteurs, ou ne bénéficie des dernières nouveautés en matière de composants électroniques dédiés à l'instrumentation.



Les capteurs

Quiconque parle d'instrumentation doit d'abord parler du capteur qui est la source primaire de l'information. Chez Technetea, nous avons tendance à utiliser le mot "senseur" lorsqu'il s'agit de l'élément qui transforme une manifestation physique en une grandeur électrique, et le mot "capteur" lorsqu'il s'agit d'un élément qui délivre une information.

Lors d'une visite, un chercheur qui travaillait sur des minéraux avait dit : "Ça bouge donc c'est un capteur. Il ne reste plus qu'à le caractériser." A notre sens c'est un "senseur", et quand il sera caractérisé et sera capable de donner une information (compensée en température, etc ...), cela deviendra un "capteur".

Partir d'un senseur et développer une électronique pour en faire un capteur, cela fait justement partie des compétences de Technetea.

Depuis plus de 10 ans maintenant, Technetea propose des capteurs numériques. Ils occupent un volume réduit de quelques cm3 seulement, intègrent toute l'électronique de traitement et de communication, ainsi que la table d'étalonnage pour assurer une donnée fiable en sortie. De tels capteurs peuvent également être traités ATEX pour pouvoir réaliser par exemple des études de modélisation sur des gaz comme le méthane ou l'hydrogène.

L'intérêt de traiter directement plusieurs paramètres physiques au niveau de la tête de capteur comme la température, l'humidité, la pression (etc ...), permet de pouvoir assurer une donnée compensée de toutes les influences environnementales et donc réellement représentative de la caractéristique physique mesurée.



Sonde d'instrumentation Autres illustrations à venir ...  
Développement d'une sonde d'instrumentation
 
   


Les systèmes d'acquisition

Entendu lors d'une visite : "L'important est le capteur, ensuite on le connecte à n'importe quelle centrale d'acquisition".

Là nous parlons de capteurs à sortie analogique et la remarque est totalement fausse. La centrale d'acquisition, mais également le câblage entre le capteur et la centrale d'acquisition, font partie intégrante de la chaîne d'instrumentation. Il est évident qu'un manque de qualité dans le capteur ne peut généralement pas être récupéré en aval ("Shit in, shit out."), mais les caractéristiques du module d'acquisition comme l'étage analogique de l'interface électronique d'entrée, l'étage de conversion numérique, le traitement associé pour le filtrage du bruit, (etc ...) font partie intégrante de la qualité de la chaîne de mesure.

Bruit, linéarité, reproductibilité, précision, stabilité en température, stabilité dans le temps, sont des critères importants de la chaîne d'instrumentation vue dans sa globalité, et il peut y avoir de grosses différences dans les résultats entre un matériel du commerce et un autre.

Etant développés pour répondre aux besoins spécifiques du client, les matériels développés par Technetea sont conçus de manière à optimiser le point technique particulièrement recherché. Selon la destination du produit, la conception même et la construction du matériel sont généralement très différentes. La conception d'un matériel tient compte des caractéristiques de l'environnement de travail et du mode d'utilisation. Robustesse, encombrement, poids, consommation électrique, sécurité, redondances, normes applicables, coût de fabrication, coût d'installation, coût de maintenance, options, évolutivité (etc ...), sont des critères à prendre en compte de manière à concevoir le matériel le plus adapté.

Facilités d'installation et de montage, connectique robuste voire étanche, tropicalisation des cartes électroniques, indice IP du boîtier de protection, température de fonctionnement étendue avec évaluation de la température en plein soleil, protections contre des vibrations destructives, (etc ...) constituent des points techniques qui sont obligatoirement étudiés lors de la conception d'un matériel industriel de terrain, contrairement à un matériel de laboratoire pour lequel les décisions se font sur des critères différents.



Carte d'intrumentation USB Autres illustrations à venir ...  
Carte d'instrumentation USB
(Pour matériel de laboratoire)
   


Le traitement

Il n'est pas possible de parler d'instrumentation sans parler de traitement numérique. Outre le gain de place lors de l'implantation sur le circuit imprimé, le filtrage numérique apporte en premier lieu des avantages de qualité par rapport à son équivalent en analogique, comme la précision et la stabilité dans le temps et en température.

Mais pouvoir réaliser la synthèse de filtres en numérique n'est pas tout. Filtrage adaptatif, FFT, convolutions (etc ...) sont autant d'autres outils numériques offrant un grand éventail de traitements possibles, qui en étant programmés dans les microcontrôleurs des équipements modernes, permettent d'extraire de l'information en temps réel avec une efficacité toujours accrue.


A titre de premier exemple figurent ci-contre les réponses en fréquence des deux filtres numériques réjecteurs écrits au début d'un logiciel de traitement de signal ILS (Instrument Landing System), dans le but de séparer les fréquences 90 Hz et 150 Hz sous la forme de deux canaux indépendants avant traitement individuel des deux fréquences.

Tout l'avantage de l'utilisation des filtres numériques se retrouve dans cet exemple, où la réponse des filtres doit être de type connu et garantie stable, aussi bien en température que dans le temps.

Ce système de filtrage a été implémenté il y a bien longtemps sur un microcontrôleur Intel® 8031, à l'époque où ce composant était d'un emploi très classique en avionique dans les matériels de radionavigation. Ce type de microcontrôleur 8-bit n'intègre bien sûr ni étage DSP ni FPU, mais les ingénieurs de l'époque n'en avaient pas besoin et savaient en tirer le maximum.

Filtres ILS

Cet autre exemple provient d'un traitement pour capteur LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Le capteur est alimenté avec un signal d'excitation de fréquence 3.5 KHz, et un filtrage numérique de type passe-bande est utilisé en entrée de traitement pour réjecter tous les parasites électriques d'un milieu industriel fortement perturbé.

La bande passante du filtre est choisie pour être compatible avec le temps de réponse attendu sur le matériel où ce dispositif a été installé.

Pour ce sujet il aurait été impensable de réaliser l'équivalent en analogique car le filtre passe-bande du 2me ordre utilisé a un Q de 350 !

Ce traitement numérique qui consistait à mesurer simultanément les positions de plusieurs LVDT avec une grande précision, a été réalisé il y a pas loin de 10 ans sur un microcontrôleur 16-bit en utilisant des moyens classiques, c'est à dire sans DSP ni FPU.


Depuis quelques années, l'industrie des composants électroniques a totalement bouleversé le secteur du traitement numérique embarqué, en mettant à disposition de l'ingénieur un vaste choix de microcontrôleurs très performants comme par exemple les multiples produits équipés d'un coeur ARM® Cortex® -M0+ et surtout ARM® Cortex® -M4 avec FPU, mais aussi quelques autres produits tout aussi intéressants ...

Tout ce déballage de technologie donne encore plus de possibilités pour améliorer les algorithmes de traitement temps réel embarqués en y intégrant des outils mathématiques puissants, sans oublier qu'à la base la source de l'information provient toujours d'un senseur analogique.

Zoom Filtre LVDT

La synthèse des filtres en numérique est particulièrement souvent utilisée au début de l'algorithme de traitement numérique, en guise de prétraitement juste après la conversion analogique digitale, afin d'éliminer une part des fréquences indésirables.

Il faut être conscient que selon la méthode utilisée pour le synthétiser, la réaction de tout filtre numérique diffère de son modèle mathématique théorique duquel il ne peut que s'approcher. Aussi, disserter sur la "meilleure méthode" de synthèse des filtres numériques (invariance indicielle, transformation bilinéaire, etc ...) n'a aucun sens. L'important est que le résultat numérique obtenu satisfasse au besoin sur le critère retenu. D'ailleurs un filtre analogique n'est pas non plus un filtre idéal. Il s'en suit que le test de la chaine numérique s'avère être une étape importante du processus de développement d'un matériel.

Afin de faciliter la phase de mise au point et faire les meilleurs choix parmi les options possibles, Technetea met au point en interne ses propres outils d'analyse afin de vérifier le comportement du traitement numérique, et également pouvoir simuler informatiquement des situations difficiles à reproduire en laboratoire comme par exemple les percussions.

Les images utilisées pour illustrer cette page proviennent de ces outils informatiques.

En toute fin d'un traitement numérique se trouve souvent un filtre passe bas. Les représentations ci-dessous représentent différents tests sur des filtres élémentaires synthétisés numériquement.

Filtre Bessel
Réponses impulsionnelles de filtres passe-bas Réponses indicielles de filtres passe-bas
Réponses impulsionnelles de 4 filtres passe-bas (Fc = 1 Hz)
(1er ordre, Bessel, Butterworth)
Réponses indicielles de 4 filtres passe-bas (Fc = 1 Hz)
(1er ordre, Bessel, Butterworth, Legendre)



... à suivre ...