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Instrumentation et Régulation − Normes et Applications Page 1/70
Cours de DU CII
Université du Havre, Mai 2012.
Instrumentation et Régulation:
Normes, théorie et applications
Université du Havre, IUT du Havre, Département GEII
(1) Laboratoire Ondes et Milieux Complexes (LOMC), UMR 6294 CNRS
(2) Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du
Havre (GREAH), UPRES EA 3220
Pierre Maréchal(1), François Guérin(2)

Plan
I) Introduction
♦ Contrôle des procédés
♦ Grandeurs physiques
♦ Métrologie
II) Capteur
♦ Type de capteur: passif, actif, intégré
♦ Caractéristiques
♦ Transmetteur
III) Normes
♦ Schéma fonctionnel
♦ Fonction de transfert
♦ Norme NF E 04-203
♦ Schéma PCF
♦ Schéma TI
IV) Régulation
♦ Instrumentation
♦ Contrôle
♦ Correction
Instrumentation et Régulation

Plan
I) Introduction
♦ Métrologie
II) Capteur
♦ Transmetteur
III) Normes
♦ Schéma PCF
♦ Schéma TI
IV) Régulation
♦ Instrumentation
♦ Contrôle
♦ Correction

ActionRéflexion
Observation
Progression
/ Résultats
Procédé
/ Mesures
Objectifs / Moyens
Contrôle
industriel
I) Introduction
Contrôle industriel
Procédé et processus de "contrôle et régulation":

♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,
toutes les autres étant déduites de celles-ci:
I) Introduction
Système international d'unités mks
Grandeurs et unités:
Système de référence:
Grandeur physique
Longueur
Masse
Temps
Courant électrique
Température
Quantité de matière
Intensité lumineuse
Unité
mètre
kilogramme
seconde
ampère
kelvin
mole
candela
Symbole
m
kg
s
A
K
mol
cd
Dimension
L
M
T
I
Θ
N
J
http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_fr.pdf
♦ Exercice:
1) Déterminer l'unité SI d'une force: ……………………………………………….
2) Déterminer l'unité SI d'une pression: ………………………………………….

♦ Le système de référence mks repose sur sept unités imposées,
toutes les autres étant déduites de celles-ci:
I) Introduction

♦ Etalonnage :
Mesurer, c’est comparer sa mesure par rapport à celle donnée par
un appareil de référence.
I) Introduction
♦ Sachant qu’une once vaut 28,35 g, qu'une livre anglaise vaut 453,6
g, qu’un pouce (inch) vaut 2,54 mm, qu'un pied vaut 30,48 cm, qu'un
mile vaut 1,609 km, qu'un cheval vapeur vaut 746 W et qu’un gallon
(USA) vaut 3,785 L, compléter le tableau suivant.
Nom
Gallon (USA) per min
Inch of water
Pound-force per square inch
90 cv
Grandeur
…………
pression
…………
…………
Conversion
cm3/s
Pa
Pa
…………
Dimension
…………
…………
…………
…………
Symbole
Gal(USA)/min
inH2O
lbf/in2
………………

♦ Mesurande:
La grandeur physique objet de la mesure (température, pression...)
est désignée comme le mesurande. L’ensemble des opérations
expérimentales qui concourent à la connaissance de la valeur
numérique du mesurande constitue son mesurage.
I) Introduction
Métrologie
Chaîne de mesurage:
Définitions:
♦ Chaîne de mesurage:
La chaîne de mesurage est constituée de l’ensemble des dispositifs,
y compris le capteur, rendant possible dans les meilleures conditions
la détermination précise de la valeur du mesurande.
C’est l’étalonnage de la chaîne de mesurage dans son ensemble qui
permet d’attribuer à chaque indication en sortie la valeur
correspondante du mesurande agissant à l’entrée.
♦ Exemple:
Thermocouple Voltmètre
T (°C) U (V) Mesure

♦ Température:
Dans la notice d’un multimètre de haute précision, il est recommandé
de ne commencer les mesures qu’après un temps de stabilisation en
température de tous ses circuits électroniques. Lorsque ce temps
n’est pas respecté, il peut conduire à une ou plusieurs valeurs
aberrantes, notamment en début d’étalonnage. L’appareil étalonné
peut alors être déclaré non conforme à ces caractéristiques
métrologiques, alors qu’il est conforme !
I) Introduction
Métrologie
Chaîne de mesurage:
Perturbations:
♦ Temps de réponse:
Dans le cas d'une perturbation en température, la mesure peut être
ou compensée, ou effectuée à température de fonctionnement.
♦ Exemple:
T (°C)
t (s)
Te (°C)
Ts (°C)

Plan
I) Introduction
♦ Métrologie
II) Capteur
♦ Transmetteur
III) Normes
♦ Schéma PCF
♦ Schéma TI
IV) Régulation
♦ Instrumentation
♦ Contrôle
♦ Correction

♦ Définition:
Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à
partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature
différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la
grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
♦ Types de capteurs:
Un capteur peut être passif, actif, composite ou encore intégré.
II) Capteurs
1) Définitions
Structure de type "Capteur et Transmetteur":

Température →→→→ Caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles
enceinte thermostatée
Pression, accélération →→→→ Déformations
enveloppe rigide, supports antivibratoires
Humidité →→→→ Constante diélectrique, résistivité (isolation électrique ↓↓↓↓)
enceinte étanche
Champs magnétiques variables ou statiques →→→→ f.e.m. induites pour les premiers
et augmentation de la résistivité pour les seconds (matériau magnéto-résistant)
blindages magnétiques, liaison à la terre
Tension d’alimentation (amplitude, fréquence) →→→→ Caractéristiques électriques
alimentation régulée
1) Définitions: Grandeurs d’influence
e s
Variable
physique
Variable
signal
Grandeurs
d’influence
Capteur
Déduire e de s malgré gi :
Réduire l’importance: isolation, blindage…
Stabiliser: enceintes, régulation…
Compenser: pont de Wheatstone.
♦ Définition:
Grandeurs physiques susceptibles d’entraîner un changement du
signal de sortie. On cherche donc à minimiser leurs effets.
II) Capteurs
s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …)
Idéal: →→→→ Réel:

• Capteur passif:
Il est en général associés à une source d ’alimentation et
présentent une impédance variable :
ex: Jauge de contrainte (capteur d ’accélération),
Capteurs résistifs (photorésistance),
Capacitifs (mesures de déplacement).
• Capteur actif:
Système dont la sortie présente une source f.e.m., courant, charge.
ex : Capteur piezo-électrique  échographie,
Variation de charges,
Génératrice tachimétrique (induction E.M.).
1) Définitions:
II) Capteurs

Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie
Température Thermoélectricité Tension
Flux de rayonne-
ment optique
Pyroélectricité
Photoémission
Effet photovoltaïque
Charge
Courant
Tension
Force
Pression
Accélération
Piézoélectricité Charge
Vitesse
Induction
électromagnétique Tension
Position Effet Hall Tension
1) Définitions: Capteur actif
Tableau de synthèse
II) Capteurs

Mesurande Caractéristique
électrique sensible
Matériaux
Température
Très basse température
Résistivité
Cste diélectrique
Métaux, semiconducteurs
Verre
Flux de rayonnement
optique Résistivité Semi conducteur
Déformation Résistivité
Perméabilité électrique
Alliage de Ni, SI dopé
Alliages ferromagnétiques
Position (aimant) Résistivité
Matériaux magnéto-
résistants : bismuth, …
Niveau Cste diélectrique Liquides isolants
Humidité
Résistivité
Cste diélectrique
Chlorure de lithium
Polymères
1) Définitions: Capteur passif
Définition
Impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.
Tableau de synthèse
II) Capteurs

♦ Constitution:
Un capteur est le premier élément de la chaîne de mesurage.
Lorsque le capteur est constitué de plusieurs éléments, le corps d’épreuve
est celui en contact direct avec le mesurande.
Il génère une grandeur physique intermédiaire (déplacement, déformation,
force…) traduite en une grandeur électrique (tension, capacité, induction…)
par le transducteur.
II) Capteurs
1) Définitions
Structure du Capteur:
Corps
d'épreuve
Transducteur
Mesurande
Grandeur
physique
intermédiaire
Grandeur
électrique
Capteur
Mesurande
Grandeur
électrique

♦ Définition:
D’après la norme NF C 46-303, un transmetteur est un appareil qui,
recevant une vraie variable mesurée, produit un signal de sortie normalisé
pouvant être transmis et ayant une relation continue et définie avec la valeur
de la variable mesurée.
♦ Constitution:
Pour élaborer un signal normalisé à partir du signal généré par le capteur,
le transmetteur comprend globalement un amplificateur, un filtre, et un
traitement du signal.
II) Capteurs
1) Définitions
Capteur-transmetteur de pression
Corps
d'épreuve
Transducteur
D
Amplificateur
Traitement
du signal
E3
Filtre
Alimentation Alimentation
E2E1P I
Capteur Transmetteur

Capteur : Organe chargé de prélever une grandeur physique à mesurer
et de la transformer en une grandeur exploitable.
Capteur
Mesurande
e s
Processus
physique
Affichage
Variable
physique
Variable
signal
Mesure
s = f(e)Lois physiques
régissant le capteur
Mesure de s Connaissance de e
La grandeur physique à mesurer, souvent appelée mesurande, n'est
en général pas directement utilisable. Elle constitue la variable d'entrée
(ou stimulus) du capteur.
2) Caractéristiques: Mesurande
II) Capteurs

e(t)
t
s(t)
t
Capteur
e(t)
s(t)
Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur
e
s
→ Inconnu
→ Connu
ee2e1
s2
s1
ei
si
s
Etablissement ⇒⇒⇒⇒ étalons de m Exploitation
2) Caractéristiques: Etalonnage
Correspondance entre s(t) et e(t): fonction de transfert
II) Capteurs

Etalonnage Validité d’un étalonnage:
s
e
s = f(e)
La répétabilité est la qualité du capteur qui assure
l’utilisateur de l’identité de la grandeur de sortie dans des
limites spécifiées, chaque fois que ce même capteur est
utilisé dans des conditions identiques: même mesurande et
mêmes paramètres additionnels.
L’interchangeabilité d’une série de capteur d’un même
type est la qualité de cette série qui garantie à l’utilisateur
des résultats identiques, aux tolérance près, chaque fois
qu’un quelconque capteur de cette série est utilisé dans des
conditions identiques. l’interchangeabilité résulte de la
rigueur des procédés de fabrication et des contrôle en fin de
fabrication.
2) Caractéristiques: Etalonnage
II) Capteurs

Sensibilité d’un capteur
ee0
s
∆e
∆s
- réponse linéaire pour e < e0
- sensibilité:
ds s
S
de e
∆
= =
∆
Domaine de
mesure
du capteur
Contrainte: constance de la sensibilité
dépend de:
- la valeur de e (linéarité)
- la fréquence de variation de e (bande passante)
- temps (vieillissement)
- grandeurs physiques parasites (grandeurs d’influence)
2) Caractéristiques: Sensibilité
Domaine de
saturation
du capteur
ds
S
de
=
0
ds
S
de
= →
- réponse faible pour e > e0
- sensibilité:
II) Capteurs

2) Caractéristiques: Définitions
II) Capteurs
T (°C)
−200
−10
….
70
260
340
530
610
800
R (Ω)
18,53
96,07
….
127,07
197,7
226,18
290,87
316,86
375,61
♦ Application:
1) Déterminer la sensibilité de la sonde sur chaque tronçon.
2) La sensibilité est-elle linéaire ?
Sensibilité d'une sonde Pt100:
S ( )
…………
…………
…………
…………
…………
…………
…………
…………
…………

Grandeur à mesurer
Grandeurd’influence
Domaine Nominal
d’Utilisation
Etendue de Mesure (EM)
DNU : Répétabilité sans que les caractéristiques du capteur soient altérées
2) Caractéristiques métrologiques
II) Capteurs

Grandeur à mesurer
Domaine de Non Détérioration
DNDétérioration : plage de surcharge que le capteur peut supporter
Domaine Nominal
d’Utilisation
II) Capteurs

Domaine de Non Destruction
DNDestruction : les caractéristiques sont irréversiblement altérées >étalonnage
Grandeur à mesurer
Domaine de Non Détérioration
Domaine Nominal
d’Utilisation
II) Capteurs

• Erreur de mesure: Ecart entre valeur mesurée et valeur vraie:
- Erreur systématique (corrigée ou non),
- Incertitude de mesure (estimée).
• Erreurs systématiques (causes systématiques que l’on peut
calculer et éventuellement corriger):
- de zéro, d’étalonnage,
- provoquées par les grandeurs d’influence,
- dues aux sources d ’alimentation, dérives, offset,
- de linéarité.
• Incertitudes (causes accidentelles non répétitives non corrigibles) liées:
- indéterminations intrinsèques au système (hystérésis),
- signaux parasites (nature aléatoire),
- grandeurs d’influence non contrôlées.
2) Caractéristiques: Erreurs et incertitudes
II) Capteurs

• Fidélité: Aptitude d ’un instrument à donner des indications
exemptes d ’erreurs systématiques (faible écart-type).
• Justesse: Aptitude d ’un instrument à donner des indications exemptes
d ’erreurs systématiques.
Pas juste Juste
Pas fidèle
Fidèle
Le centre représente la valeur vraie
2) Caractéristiques: Fidélité, justesse et exactitude
• Exactitude: Un système
exact est juste et fidèle.
II) Capteurs

♦ Exemple:
Capteur-transmetteur de température à entrée thermocouple
type K de 500 °C à 900 °C, et sortie courant 4-20 mA . Ce capteur n’est
pas linéaire, et c’est le transmetteur qui rend la relation linéaire:
I = 0,04 × T − 16.
II) Capteurs
3) Transmetteur
Capteur-transmetteur de température
U (mV)
T (°C)
500 900
17,6
43,2
I (mA)
U (mV)
17,6 43,2
4
20
I (mA)
T (°C)4
20
500 900
Capteur Transmetteur Capteur-Transmetteur

♦ Transmetteur universel: intégré ou déporté
Le capteur est fixé sur le procédé et il délivre un signal de mesure de faible
intensité, qui ne peut être transmis sur de grandes longueurs. Le
transmetteur universel, est soit intégré dans le boîtier du capteur, soit
déporté et monté sur rail dans un coffret d’instrumentation distant.
II) Capteurs
3) Transmetteur
♦ Les transmetteurs actuels s’adaptent à un très grand nombre de capteurs
industriels par configuration numérique. Elle permet notamment le réglage
de la nature de l’entrée et de son étendue, du temps de réponse souhaité,
de la linéarisation éventuelle, et de la nature de la sortie et de son étendue.
Ils peuvent être de type universel ou bien spécifique à un capteur comme
pour les thermocouples ou les sondes RTD.
Transmetteur intégré Transmetteur déporté

♦ Signaux universels:
– Un capteur délivre un signal de faible intensité désigné par l’appellation
« signal bas niveau ». Pour l’étendue de mesure du capteur, les signaux «
bas niveau » sont : potentiomètrique, thermocouple, RTD (Resistor
Thermometer Detector), tension (exemples : – 20 mV à + 20 mV, 0 à 100
mV), ou courant.
– Un transmetteur délivre un signal appelé « signal haut niveau » puisque
son énergie permet la transmission de la mesure à une grande distance
(plusieurs centaines de mètres) du point de mesure. Ces signaux « haut
niveau » sont : 0-5 V, 1-5 V, 0-10 V, 0-20 mA et 4-20 mA.
♦ Malgré un signal « bas niveau », un capteur peut être relié à l’entrée de
mesure d’un dispositif de contrôle tel qu’un automate programmable
industriel (API) ou un régulateur.
Dans ce cas, la carte d’entrée se substitue au transmetteur absent et réalise
par exemple l’amplification et le traitement de linéarisation du signal délivré
par un thermocouple.
II) Capteurs
3) Transmetteur

♦ Le standard 4-20 mA:
Les avantages du signal analogique en courant 4-20 mA:
– il n’est pas affecté par les chutes ohmiques de tension;
– les tensions parasites ne l’influencent pas, grâce à l’impédance interne
du générateur de courant en série dans la boucle;
– il autorise la transmission de la mesure sur une longue distance (>1 km);
– il possède une bonne immunité aux parasites de type magnétique;
– il est économique, puisque deux fils par instrument suffisent pour
l’alimentation en tension et la transmission de la mesure;
– la valeur 4 mA permet de différentier le zéro de mesure de la rupture de
la transmission, et d’alimenter le transmetteur dans le cas d’un « 2 fils »;
– il admet la superposition d’un signal de communication HART.
♦ En instrumentation industrielle, le signal 4-20 mA est maintenant un
standard, et tous les fabricants d’instruments proposent ce signal.
II) Capteurs
3) Transmetteur

II) Capteurs
Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 fils
♦ Raccordement électrique d'un transmetteur:
– Les transmetteurs 2 fils (dits passifs) ne sont pas alimentés en direct.
– Les transmetteurs 3 fils sont des transmetteur 4 fils, avec les entrées
moins reliées.
– Les transmetteurs 4 fils (dits actifs) sont alimentés et fournissent le
courant I. Leur schéma de câblage est identique à celui des régulateurs.
♦ Alimentation électrique:
Elle est directement liée et dépend de la résistance interne vue par la
sortie du transmetteur.
3) Transmetteur

II) Capteurs
Transmetteur 2 fils Transmetteur 3 fils Transmetteur 4 fils
♦ Raccordement électrique d'un transmetteur:
Le raccordement électrique d’un transmetteur au dispositif d’exploitation
de la mesure, dépend de la nature du signal de mesure et de son
alimentation. Il existe des transmetteurs à "2 fils", "3 fils" ou "4 fils".
La résistance de charge Rc correspond à la résistance comprenant celle du
ou des récepteurs (API, régulateur, indicateur ou bien centrale d’acquisition)
et de la ligne de transmission.
♦ Standard "2fils":
En instrumentation industrielle, par économie et souci de standardisation,
les transmetteurs à "2 fils" en signal 4-20 mA sont les plus répandus.
3) Transmetteur

II) Capteurs
Caractéristiques métrologiques des instruments de mesure:
♦ Étendue d’échelle:
L’échelle de mesure (EIS=[INF; SUP]) est donnée par les limites
inférieure (INF) et supérieure (SUP) de mesure de l’instrument.
L’étendue d’échelle (EE) est la différence algébrique entre les
valeurs extrêmes du mesurande qui peuvent être appliquées à
l’instrument, et pour laquelle les caractéristiques métrologiques sont
garanties.
♦ Exercice: Déterminer les échelle de mesure et étendues d’échelle :
1) Débitmètre : de 1 à 10 m3.h–1.
EIS = [………; ...……] et EE = ……….
2) Sonde de température : de –100 à +300°C.
EIS = [………; ...……] et EE = ……….
3) Transmetteur de pression différentielle : de –20 à +40 hPa.
EIS = [………; ...……] et EE = ……….
3) Transmetteur

♦ Configuration:
Un transmetteur est un élément permettant de configurer la
plage de mesure et de compenser les éventuelles non-linéarités
du capteur.
♦ Équation de correspondance du transmetteur:
Caractéristique de sortie (Y) en fonction de celle d'entrée (X):
II) Capteurs
Valeur maximale mesurable: MAX
Valeur minimale mesurable: MIN
Étendue de mesure: EM = MAX-MIN
Valeur du zéro: VZ = MIN
Décalage négatif si: EM < MAX
Décalage positif si: EM > MAX
Équation de correspondance:
Pente a et ordonnée à l'origine:
a = …………………. b = ……………………
3) Transmetteur
.( )MAX MIN MIN
X VZ
Y Y Y Y
EM
−
= − +
Y
X
0 MIN MAX
YMIN
YMAX

♦ Exemple:
Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur
de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal de
mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.
II) Capteurs
Étendue d'échelle: EE = …. °C
Valeur maximale mesurable: MAX = …. °C
Valeur minimale mesurable: MIN = …. °C
Étendue de mesure: EM = …. °C
Valeur du zéro: VZ = …. °C
Décalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...)
…………………………………………………………......
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
3) Transmetteur
I (mA)
T (°C)
0 20 80
4
20

♦ Exercice:
Caractéristiques obtenues par deux réglages d’un transmetteur
de température d’échelle –100 °C à 300 °C délivrant un signal de
mesure normalisé 4-20 mA proportionnel à la température.
II) Capteurs
3) Transmetteur
I (mA)
T (°C)
0−30 90
4
20
Étendue d'échelle: EE = …. °C
Valeur maximale mesurable: MAX = …. °C
Valeur minimale mesurable: MIN = …. °C
Étendue de mesure: EM = …. °C
Valeur du zéro: VZ = …. °C
Décalage ……….. car : EM (…) …… MAX (...)
…………………………………………………………......
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................
………………………………………………....................

Sonde de température PT100 Transmetteur
II) Capteurs
3) Transmetteur: Chaîne de mesure
Exemple:

II) Capteurs
3) Transmetteur: Réseau bus de terrain
♦ Signal de communication HART:
Le protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer) permet la
communication simultanée de données analogiques et numériques. Ce
protocole de communication de type série est spécifique au contrôle
industriel et compatible avec les boucles de courant analogique 4-20 mA.
Le protocole est basé sur une modulation FSK (Frequency Shift Key):
f = 1,2 kHz pour l’état logique 1, et f = 2,2 kHz pour l’état logique 0.
Raccordement d‘un transmetteur à protocole HART

II) Capteurs
♦ Bus de terrain:
Le principe d’un bus de terrain est de relier tous les transmetteurs,
actionneurs et dispositifs de contrôle, d’un secteur industriel en un réseau où
tous les instruments communiquent les uns avec les autres.
– Fieldbus Fondation FF-H1,
– Profibus PA,
– FIP WorldFip.
Ils sont reconnus par la norme internationale
IEC 61158-2. La liaison unique sert au
dialogue, à la configuration, et à l’alimentation.
La structure en réseau permet la liaison
de 32 instruments par bus linéaire. Bus de terrain FF-H1
3) Transmetteur: Réseau bus de terrain

Plan
I) Introduction
♦ Métrologie
II) Capteur
♦ Transmetteur
III) Normes
♦ Schéma PCF
♦ Schéma TI
IV) Régulation
♦ Instrumentation
♦ Contrôle
♦ Correction

III) Normes
1) Représentations normalisées
Représentation libre et personnelle d'un procédé industriel:
Exemple d’application: Echangeur thermique

III) Normes
Représentation d'un procédé industriel:
Schéma fonctionnel: Exemple général
(W)
(Y)
(X)
Régulation:
Réponse Y = f(W-X).
+
- A
B
(E) (S)(E')
Fonction de transfert:
………………………………………………………………………………

III) Normes
Norme Française NF E 04-203 (août 1987):
Contexte international:
♦ "Fonction de régulation, de mesure et d'automatisme des
processus industriels: Représentation symbolique".
♦ Elle a des correspondances internationales (ISO 3511/1-1977),
allemande (DIN 19227 blatt 1-1973), ou encore américaine (ISA-
S5.1-1984) traitant du même sujet.
♦ Elle est articulée en quatre parties :
• E 04-203-1 : Principes de base,
• E 04-203-2 : Capteurs, signaux, dispositifs réglants,
• E 04-203-3 : Transducteurs et dispositifs de traitement
des signaux,
• E 04-203-4 : Symboles détaillés complémentaires pour
les schémas d’interconnexion d’instruments.

III) Normes
Objet et domaine d’application:
♦ La présente norme expérimentale présente la symbolisation des
dispositifs de traitement des signaux émis par un capteur ou reçus
par un organe de réglage.
♦ Elle comporte des symboles destinés à la communication des
fonctions de mesure, de régulation et d’automatisme entre
spécialistes des instruments et autres techniciens impliqués dans
la conception (réservoirs, conduites, machines tournantes...) de
leur disposition et de leur mise en oeuvre.
♦ Les symboles sont utilisés pour la représentation de
l’instrumentation sur les schémas suivants :
– plan de circulation des fluides (PCF)
Process Flow Sheet (PFS),
– plan de tuyauterie et d’instrumentation (TI)
Piping and Instrument Diagram (PID)

III) Normes
♦ Le Plan de Circulation des Fluides (PCF) est un schéma de
représentation symbolique avec:
– les cuves, les réacteurs chimiques, les échangeurs thermiques ;
– les conduites, représentées par un trait continu épais ;
– la nature, gaz ou liquide, et le sens d’écoulement des fluides ;
– les organes de puissance:
pompes, agitateurs, résistances de chauffage ;
– l’indication des grandeurs physiques utiles:
débit, pression, température...
♦ Le PCF peut aussi faire apparaître les boucles de régulation
sans préciser le détail des instruments ou des stratégies de
régulation complexes.

III) Normes
PCF brut PCF avec régulations incluses

III) Normes
♦ Le plan de Tuyauterie et d'Instrumentation (TI) complète le plan
de circulation des fluides en lui ajoutant :
– les appareils de mesure ; capteurs, transmetteurs, indicateurs ;
– les appareils de contrôle ; régulateurs et opérateurs de calcul ;
– les actionneurs comme les vannes de réglage ;
– les liaisons d’information entre ces appareils.
♦ Le TI fait apparaître toutes les boucles de régulation en précisant
le détail des instruments et des liaisons de régulation.

III) Normes
TI [avec boucles de régulations]

III) Normes
Norme Française NF E 04-203:
Exemple: Régulation de température d'un échangeur thermique.
2) Schéma TI

III) Normes
Éléments de normalisation.
2) Schéma TI

III) Normes
TCV
SCV
PCV
LCV
KCV
HCV
Catalogue:
2) Schéma TI

III) Normes
Application:
2) Schéma TI

Plan
I) Introduction
♦ Métrologie
II) Capteur
♦ Transmetteur
III) Normes
♦ Schéma PCF
♦ Schéma TI
IV) Régulation
♦ Instrumentation
♦ Contrôle
♦ Correction

IV) Régulation
Boucle Ouverte (BO): (Open Loop Control):
Processus de Commande:
Contrôle de Commande Automatique
♦ Pas de mesure de la grandeur de sortie et absence de correction.
Exemples:
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……

IV) Régulation
♦ Mesure de la grandeur de sortie (capteur) et correction de l'action
pour que la sortie ait le comportement souhaité…
♦ Asservissement : Sortie fidèle à l’entrée de consigne (poursuite).
♦ Régulation : Pour une entrée de consigne donnée, on souhaite que la
sortie reste insensible aux perturbations.
Exemples:
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
Boucle Fermée (BF): (Closed Loop Control):
Processus de Commande:

IV) Régulation
Application:
Régulation de niveau d'eau:
Schéma fonctionnel:

IV) Régulation
Type de Régulation
Asservissement:
Rejet des perturbations pouvant affecter la mesure.
Poursuite:
Suivi de trajectoire imposée à une mesure.
Continue:
La commande peut prendre toutes les valeurs possibles.
Discontinue:
Tout ou rien (TOR):
• la commande ne peut prendre que deux valeurs.
Modulée (discrète):
• la commande prend des créneaux de largeur variable.
C
t (s)Cmin
Cmax

IV) Régulation
Type de Régulation
En cascade:
Imbrication d'un régulateur "esclave" dont la consigne est la
sortie d'un régulateur "maître".

IV) Régulation
Type de Régulation
Prédictive:
Compensation de perturbation principale.

IV) Régulation
Type de Régulation
Auto-adaptative:
Calcul et application d'un modèle de processus en temps réel.

Etendue de mesure (range), décalage du zéro (offset), temps de réponse (time
response), sensibilité (sensitivity)…
II) Capteurs
Chaîne de mesure
Performance d'une chaîne de mesure:
Caractéristiques:

IV) Régulation
Structure d'un régulateur industriel
Type de Commande:
Régulation: Consigne, Mesure, Commande:
♦ Commande "Tout Ou Rien" (TOR)
♦ Commande "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)

IV) Régulation
Performance d'un régulateur industriel
Performance d'une Commande:
Dépassement, erreur statique…

IV) Régulation
Performance d'un régulateur industriel
Performance d'une Commande:
Temps de réponse, amortissement…

Régulateur TOR
IV) Régulation
Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
Régulation TOR:
Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:
Capteur

IV) Régulation
Régulation "Tout Ou Rien" (TOR)
Régulation TOR:
Réponse Y = f(W-X) à hystérésis:

IV) Régulation
Régulation "Proportionnelle / Intégrale / Dérivée" (PID)
Régulation PID:
Structures possibles:

Références
Quelques ouvrages pour approfondir
[1] "Instrumentation et régulation en 30 Fiches", Patrick Prouvost,
Edition Dunod.
[2] "La métrologie en PME-PMI", Michel Vallès, Edition AFNOR.
[3] "Les bus de terrain", Guy Farges , Editions techniques Schneider.
[4] "Les capteurs en instrumentation industrielle", Georges Asch,
Edition Dunod.
[5] "La mesure et l'instrumentation", G.Prieur et M.Nadi,
Edition Masson.
[6] "Le Carnet du régleur", J.M.Valance, p.253-264, p.265-277, p.312
Edition Valance.
[7] "Guide d'instrumentation contrôle commande automatique",
F.M.Després, Kirk Editions Collection industries.
[8] "Systèmes asservis : Commande et régulation", Collection Eyrolles
Mentor Sciences, Edition Eyrolles.
[9] "Aide-mémoire de régulation et automatisme des systèmes frigorifiques",
P.Prigent, M.Auclerc, p.5-17, p.171-184, p.185-194, Edition Dunod.
http://btscira.perso.sfr.fr/page3/page3.html

Notes
Quelques notes:
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