Comment choisir un matériel de mesure à pont de Wheatstone

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Ce document traite des considérations d'ordre général dont il faut tenir compte pour construire des systèmes d'instrumentation pour les capteurs à pont tels que les capteurs de force, de pression et de couple. Il fournit aussi une vue d'ensemble des matériels de mesure NI qui répondent aux besoins de ces types de capteurs.

Conditionnement du signal pour les jauges de contrainte et les capteurs à pont

Les mesures de jauge de contrainte requièrent la détection de variations extrêmement petites de la résistance. Par conséquent, il importe de sélectionner et d'utiliser correctement le pont, le conditionnement de signal, le câblage et les composants DAQ pour obtenir des mesures fiables. Pour assurer l'exactitude des mesures de contrainte, tenez compte des éléments suivants :    

  • Montage en pont
  • Excitation
  • Télédétection
  • Amplification
  • Filtrage
  • Offset
  • Étalonnage de shunt

Montage en pont — À moins d'avoir un capteur jauge de contrainte à pont complet équipé de quatre jauges actives, vous devez compléter le pont avec des résistances de référence. Par conséquent, les conditionneurs de signaux de jauges de contrainte offrent habituellement des réseaux de montage en demi-pont constitués de résistances de référence haute précision. La Figure 1 montre le câblage d'un circuit de jauge de contrainte en demi-pont à un conditionneur, avec les résistances R1 et R2 pour compléter le pont.

Figure 1. Connexion d'un circuit de jauge de contrainte en demi pont

Excitation — Les conditionneurs de signaux de jauges de contrainte offrent habituellement une source de tension constante pour alimenter le pont. Bien qu'il n'y ait pas de niveau de tension standard reconnu par l'industrie, les niveaux des tensions d'excitation sont souvent proches de 3 ou 10 V. Bien qu'une tension d'excitation plus élevée génère une tension en sortie proportionnellement plus élevée, une plus haute tension risque aussi de provoquer des erreurs importantes à cause de la chaleur générée.

Télédétection — Si le circuit de la jauge de contrainte est distant du conditionneur de signaux et de la source d'excitation, les chutes de tension causées par la résistance des fils connectant la tension d'excitation au pont représentent une source potentielle d'erreur. Pour compenser cette erreur, certains conditionneurs de signal comportent une fonctionnalité appelée télédétection. Les câbles de télédétection sont connectés au circuit du pont au même endroit que les câbles de la tension d'excitation, comme le montre la Figure 2. Les câbles de détection supplémentaires servent à réguler le courant d'excitation par le biais d'amplificateurs à contre réaction pour compenser les pertes sur les fils et fournir la tension nécessaire au pont.

Figure 2. Compensation d'erreur pour la télédétection

Amplification — La sortie des jauges de contrainte et des ponts est relativement petite. En pratique, la sortie de la plupart des ponts de jauge de contrainte et des transducteurs basés sur les déformations est inférieure à 10 mV/V, soit 10 millivolts en sortie pour chaque volt de la tension d'excitation. Avec une excitation de 10 V, le signal de sortie a 100 mV. Par conséquent, les conditionneurs de signaux de jauge de contrainte comportent généralement des amplificateurs qui augmentent le niveau du signal pour augmenter la résolution de la mesure et améliorer le rapport signal/bruit.

Filtrage — Les jauges de contrainte se trouvent souvent dans des environnements bruités. Il est donc essentiel de pouvoir éliminer le bruit susceptible de s'ajouter aux signaux des jauges de contrainte. Quand ils sont associés aux jauges de contraintes, les filtres passe-bas peuvent éliminer le bruit à haute fréquence courant dans la plupart des environnements.

Suppression de l'offset — Lorsqu'un pont est créé, il est peu probable qu'il renverra exactement 0 Volts quand aucune contrainte n'est appliquée. De légères variations de résistance le long des branches du pont et la résistance des fils génèrent une tension d'offset initiale qui n'est pas nulle. Vous pouvez effectuer la suppression de l'offset avec du matériel ou par le biais du logiciel.

1. Compensation par logiciel — Avec cette méthode, vous relevez une mesure initiale avant d'appliquer une contrainte, et vous utilisez cet offset pour corriger les mesures ultérieures. Cette méthode est simple et rapide, et ne requiert pas d'ajustement manuel. L'inconvénient de la méthode de compensation par logiciel est que l'offset du pont n'est pas supprimé. Si l'offset est suffisamment important, il limite le gain d'amplification que vous pouvez appliquer à la tension en sortie et, par conséquent, la gamme dynamique de la mesure.

2. Circuit de suppression d'offset — La deuxième méthode d'équilibrage utilise une résistance ajustable, un potentiomètre, pour ajuster physiquement la sortie du pont à 0. En faisant varier la résistance du potentiomètre, vous pouvez contrôler le niveau de la sortie du pont et définir la sortie initiale à 0 Volts.

Étalonnage de shunt — La procédure normale pour vérifier la sortie d'un système de mesure de jauge de contrainte par rapport à une entrée mécanique ou une déformation prédéterminée est appelée étalonnage de shunt. L'étalonnage de shunt consiste à simuler l'entrée d'une contrainte en changeant d'une quantité inconnue la résistance d'une branche du pont. Ceci est effectué en connectant une résistance élevée de valeur connue, Rs, en parallèle à une branche du pont, créant ainsi une DR connue comme l'illustre la Figure 3. La sortie du pont peut alors être mesurée et comparée à la valeur de tension attendue. Les résultats sont utilisés pour corriger les erreurs dues à la longueur des câbles du chemin de la mesure ou tout simplement pour vérifier que la configuration produit un fonctionnement général correct.

Figure 3. Résistance de shunt connectée en parallèle à R3

 

Plates-formes pour les capteurs de déformation et en pont

Mesures compactes

Mesures en laboratoire ou sur le terrain

Un système CompactDAQ est constitué d'un châssis, de modules d'E/S NI de la Série C et d'un logiciel. Le châssis peut être connecté à un ordinateur hôte via USB, Ethernet ou 802.11 sans fil, ou fonctionner en mode autonome avec son contrôleur intégré. Avec plus de 50 modules conçus spécialement pour la mesure et un châssis à 1, 4 ou 8 emplacements, le CompactDAQ fournit une plate-forme extensible et adaptable qui répond aux besoins de n'importe quel système de mesure de tension ou par capteur.

  • Plusieurs moteurs de cadencement pour plusieurs fréquences d'acquisition
  • Fonctionnalité de compteur avancée utilisant la technologie NI-STC3

En quoi consiste CompactDAQ ?

Systèmes de mesure et d'enregistrement de données embarqués

Les contrôleurs CompactDAQ proposent une plate-forme hautes performances pour la mesure et l'enregistrement de données embarqués. Les contrôleurs sont dotés d'un ordinateur intégré et de mémoire non volatile qui permettent de déployer le CompactDAQ sans ordinateur externe.

  • Processeur Intel multicœur, avec jusqu'à 32 Go de mémoire non volatile et 2 Go de RAM
  • Transfert simultané de mesures en continu avec des fréquences d'échantillonnage jusqu'à 1Méch./s/voie

En quoi consiste CompactDAQ ?

Robustesse extrême et contrôle avancé

Le CompactRIO est un système de contrôle et d'acquisition embarqué reconfigurable. L'architecture du matériel CompactRIO inclut un châssis FPGA reconfigurable et un contrôleur embarqué. Vous pouvez utiliser le CompactRIO dans bon nombre d'applications de contrôle et de surveillance embarqués.

  • Une gamme de châssis reconfigurables comportant un FPGA pour personnaliser le cadencement, l'analyse et le contrôle
  • Architecture ouverte embarquée compacte et extrêmement robuste

Qu'est-ce que le CompactRIO ?

 

Modules d'E/S de la Série C avec conditionnement de signal intégré pour les mesures de déformation

Le NI 9237, un module à pont 24 bits  

National Instruments propose les modules d'E/S de la Série C NI 9235, NI 9236 et NI 9237 spécialement conçus pour les mesures de déformation. Ces modules à pont contiennent tout le conditionnement de signal requis pour alimenter et mesurer simultanément les capteurs à pont. Les NI 9235 et NI 9236 ont un nombre de voies plus élevé et incluent un montage pour les capteurs quart de pont. Le NI 9237 supporte un maximum de quatre capteurs pont complet ou demi-pont et peut relever des mesures de jauges de contrainte quart de pont en utilisant un accessoire de complément. Le NI 9237 permet d'exécuter les fonctions offset/null ainsi qu'un étalonnage de shunt et une détection à distance, ce qui en fait le meilleur choix pour les mesures de contraintes et de ponts à nombre de voies petit ou moyen.

Système de mesure NI 9237

Le NI 9219, un module d'entrée analogique universel 24 bits

Le NI 9219 est un module universel 4 voies de la Série C conçu pour les tests polyvalents, dans n'importe quel châssis CompactDAQ ou CompactRIO. Le module NI 9219 permet de mesurer plusieurs signaux provenant de capteurs tels que des jauges de contrainte, des sondes RTD, des thermocouples, des capteurs de force et autres capteurs alimentés. Les voies sont sélectionnables individuellement, pour vous permettre d'effectuer un type de mesure différent sur chacune des quatre voies. Le NI 9219 utilise des connecteurs à 6 bornes à ressort sur chaque voie pour une connectivité directe du signal ; il est doté d'un support intégré du quart de pont, du demi pont et du pont complet.

Système de mesure NI 9219


 

Systèmes hautes performances à grand nombre de voies

 

La plate-forme PXI offre diverses options de châssis, contrôleurs et modules pour vous permettre de créer un système de mesure qui répond aux exigences spécifiques de votre application. Les modules SC Express pour les mesures de déformation fournissent une précision de mesure de l'ordre de 0,02 % à des vitesses d'échantillonnage pouvant atteindre 102,4 Kéch./s. La plate-forme PXI peut être configurée pour des milliers de voies pour les mesures de déformation et les mesures à pont dans des applications d'envergure. Elle fournit également des options de synchronisation câblée ou sans fil.

  • Solutions multichâssis configurables pour le bureau, le montage en baie et distribuées
  • Compatibilité avec un large éventail de capteurs et transducteurs
  • Plus de 1500 modules PXI, y compris CAN, GPS, vision et commande d'axes

Modules d'E/S PXI avec conditionnement de signal intégré pour les mesures de déformation

La famille SC Express est constituée de modules DAQ PXI Express avec conditionnement de signal intégré pour les mesures de capteurs, tels que les jauges de contrainte et autres transducteurs à pont de Wheatstone.

 

Le NI PXIe-4330, un module de mesure à pont 8 voies 24 bits

Destiné aux mesures de déformation hautes performances, le NI PXIe-4330 est un module de mesure à pont à 8 voies d’entrée simultanées 24 bits qui offre une précision de 0,02 % et une fréquence d’échantillonnage par voie de 25 Kéch./s. Le NI PXIe-4330 peut relever des mesures par quart de pont, demi pont et pont complet avec des délais entre les voies pouvant atteindre 5 parties par milliard. Ce matériel fournit une excitation allant de 0,625 à 10 V par voie avec détection à distance. Pour un maximum de flexibilité, le montage en pont intégré et l'étalonnage de shunt peuvent être sélectionnés dans le logiciel voie par voie.

Système de mesure de déformation SC Express

Le NI PXIe-4331, un module de mesure à pont 8 voies 24 bits

Le NI PXIe-4331 est un module de mesure à pont à 8 voies d’entrées simultanées qui offre les mêmes résolution 24 bits et précision, avec une fréquence d'échantillonnage de 102,4 Kéch./s/voie.

 


Ressources supplémentaires pour les mesures de déformation

  1. Comprendre les déformations et choisir des jauges de contrainte
  2. Choisir un système de mesure par jauge de contrainte
  3. Effectuer une mesure de déformation avec LabVIEW
  4. Obtenir une meilleure mesure de déformation