Du 16 au 17 octobre, Nerys Group est présent au Salon Mesure Solutions Expo qui se déroule au Centre de Congrès de Lyon. Vous pouvez retrouver notre équipe au stand B41.
Nous avons eu aussi le plaisir d'animer pour la première journée de cet événement un exposé technique sur le thème « Performance des systèmes de mesure : est-il possible de transmettre des signaux sans “bruits” ? »
Un grand merci à tous les participants venus nombreux, au Réseau Mesure à l'initiative du salon pour cette opportunité et à notre binôme d'experts, Amaury Laurent et Frédéric Bernard, pour sa brillante et vivante présentation.
Sur une machine, dans un labo ou dans une usine, réaliser une mesure de qualité est un défi. Nos deux experts, forts de leurs années d’expérience professionnelle et issus de formations instrumentation et physique appliquée, racontent la folle histoire d’un signal analogique dans un monde hostile de bruit et de parasites.
Objectifs de cette présentation
Comprendre et traiter le bruit dans les différents éléments du système de mesure.
- Est-il possible de transmettre des signaux sans bruits ?
- La performance est fonction de votre application : performance = subjectif
- Comprendre les enjeux pour éviter les pièges
Notre présentation n’est pas un cours – c’est notre vision – notre expertise.
Qu’est-ce qu’un système de mesure ?
- C’est l'ensemble du matériel et du logiciel permettant de réaliser des mesures
- Une mesure est un processus qui consiste à évaluer une grandeur physique
- Il est indispensable de comprendre le rôle des éléments qui le constituent
La chaîne de mesure : grandeurs physiques, capteurs, conditionneur, systèmes d’entrée/sorties (acquisition et restitution), ordinateur, logiciel.
De la théorie à la pratique
Il suffit de brancher les éléments et ça mesure. Parfois en laboratoire… mais rarement dans la vraie vie. Pourquoi ? Parce qu’il y a du bruit sur la mesure…
Bruits de mesure : définition
Le bruit est l’ensemble des signaux parasites qui se superposent à une information.
- Dans notre cas, ils sont induits par des sources externes ou internes au système de mesure
- Origines diverses :
- Mécanique : vibrations, dilatation…
- Électrique : alimentation à découpage, terre de mauvaise qualité…
- Environnement : température, rayonnements…
- Câblage : interférences entre les signaux
- On quantifie généralement le rapport signal / bruit en dB
Mesure = signal + bruits. Les bruits possibles : périodique, impulsionnel, aléatoire, mathématique.
L’histoire commence par le capteur…
C’est l’origine de la mesure.
- Transducteur : convertit un signal physique en signal électrique
- Le capteur est celui par qui « le bruit » commence
- Quelques exemples de caractéristiques pour sélectionner un capteur : précision, étendue – pleine échelle…
… pour atteindre la numérisation…
- La numérisation convertit le signal électrique en information exploitable
- De nombreux critères sont à prendre en compte
- Il faut souvent faire des compromis : type de signaux, nombre de voies d’entrées/sorties, amplitude, fréquence d’acquisition, résolution, bande passante, prix…
Attention à ne pas introduire un nouveau bruit.
Bruits induits par la numérisation : bruit mathématique (Shannon), stabilité d’horloge (distorsion), quantification (crénelage).
… en passant par le conditionneur…
La grandeur électrique fournie par le capteur peut être une tension, une résistance, une fréquence ou tout autre attribut électrique.
- Conditionner le signal : adapter le type de grandeur électrique
- Amplifier : adapter la dynamique du signal
- Isoler : adapter la référence électrique du signal
Le capteur est rarement compatible avec le système de numérisation. Il a besoin d’être adapté.
En plus d’adapter le capteur, le conditionneur peut renforcer le signal pour diminuer l’influence du bruit :
- Amplifier car trop faible (100 µV → 10 V)
- Filtrer car bruité (réjecteur à 50 Hz)
- Isoler galvaniquement (adaptation de référence)
Le conditionneur doit être au plus proche du capteur pour éviter de propager le bruit.
Exemple : conditionneur discret. Exemple d’une tension faible : le conditionneur amplifie, isole et filtre un signal faible. Amplifier le signal augmente le rapport signal/bruit, si le bruit ne s’est pas introduit avant…
Exemple : conditionneur intégré. Exemple d’une jauge de contrainte : le module pont de jauges NI 9237 offre des options pour se configurer en quart, en demi et en pont complet. L’utilisation d’une connectique et de câbles blindés améliore l’immunité de la mesure aux bruits.
… de câbles en câbles…
L’influence du câblage est trop souvent oubliée ! De bonnes pratiques sont indispensables. Ne pas les respecter peut vous conduire à mesurer plus de bruit que de signal.
Quelques rappels
- Certains signaux sont plus sensibles au bruit : une tension est plus facilement bruitée qu’un courant ou une fréquence
- Une mesure est souvent une tension
- La tension est la différence de potentiel électrique entre deux points
- La masse est la référence des potentiels électriques
- La masse est souvent référencée à 0 V en étant reliée à la terre
Les bonnes pratiques…
- Séparer les courants forts et les courants faibles
- Respecter les modes de référencement (référencé, non référencé, différentiel, pseudo-différentiel)
- Éviter les courants de circulation :
- Éviter les boucles de masse
- Assurer la bonne qualité des équipotentielles
- Équilibrer les impédances
- Éviter les signaux flottants
… pour éviter
- Les couplages capacitifs et inductifs
- Les courants circulant dans des boucles de masse
- Les signaux flottants ou mal référencés
- L’apparition de diaphonie
- L’apparition de signaux fantômes
Le choix du câble est déterminant : paires torsadées, blindées…
Exemple : boucle de masse. Deux points de masse distants ne sont pas équipotentiels : une tension existe.
- Connectés, ils donnent naissance à une circulation de courant
- Ce courant induit une tension entre la masse de la source du signal et la masse du système de mesure
- Ces deux tensions sont un bruit qui altère la mesure
Si possible : câbler les capteurs en différentiel.
Exemple : impact d’un hacheur. Quel est l’impact d’une voiture électrique dont le chargeur est mal filtré ? Ça fait mal à la tête et aux appareils électriques !
Attention aux ordinateurs. L’ordinateur est actuellement la plate-forme privilégiée pour les systèmes d’instrumentation. Un matériel d’acquisition partage souvent la même référence que son ordinateur.
- Un ordinateur de bureau est référencé à la terre via la prise murale : le système d’acquisition peut être mal référencé.
- Un ordinateur portable est non référencé sur batterie et rarement référencé par son chargeur : le système d’acquisition peut être flottant. L’ajout d'une référence au système doit alors être envisagé en raccordant son 0 V à la masse.
N'oublions pas que pour une mesure de qualité il est impératif d’avoir un seul point de contact à la masse.
… et finit dans le logiciel
Trop tard !
- Le bruit s’est imposé
- Il a été amplifié
- Il s'est multiplié
- Il a distordu le signal
Il reste possible de l’atténuer à l’aide du logiciel (filtrage) ou de le quantifier (FFT…).
Quelques points d’attention
- La résolution doit être cohérente avec la précision
- Attention aux calculs non linéaires (RMS, log…)
- L’encodage des données peut dégrader le signal
- Des arrondis ou des troncatures peuvent se nicher dans les algorithmes
- Des accumulations de résidus sont possibles (filtres récursifs)
- Des phénomènes mathématiques peuvent modifier le signal (convolution, fenêtrage…)
Conclusions
Transmettre des signaux sans bruit dans un système de mesure performant :
- Pas de mesures sans bruit, l’objectif est de le minimiser
- Plus un bruit pénètre en amont dans la chaîne de mesure plus son impact est important
- Pour bien transmettre un signal, il est important de le connaître
- Traiter le bruit au plus tôt évite sa propagation
- Le respect de la référence électrique est un point fondamental
Bibliographie
- NI, Measurement fundamentals
- LabVIEW Programmation et applications (Dunod – ISBN : 978-2-10-078283-3)
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