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Installation Électrique des Accéléromètres

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INTRODUCTION

Après l’installation mécanique des capteurs, et plus particulièrement des accéléromètres, il est question, ici, de leur montage électrique. Les conséquences d’un mauvais montage peuvent aller d’une mauvaise alimentation du capteur ou une mesure erronée jusqu’à l’endommagement des circuits électriques. Il est pourtant très simple d’éviter ces problèmes en respectant des bonnes pratiques. Les accéléromètres, microphones, capteurs de pression et de force de PCB Piezotronics, d’Endevco et de Larson Davis s’appuient principalement sur les technologies résistive, capacitive et piézoélectrique. Chaque technologie délivre un signal électrique propre, associé à une variation (résistance, capacitance, charge électrique) et qui est l’image du mesurande. Il est ainsi primordial de surveiller toute incidence de l’environnement, peu importe la cause, pouvant impacter la sensibilité du circuit électronique.

FAIRE ATTENTION LORS DE LA MANIPULATION DU CAPTEUR

Lors de la manipulation d’un capteur, il apparaît un phénomène trop souvent mésestimé et qui est susceptible de créer des problèmes plus importants que vous croyez. Il s’agit de la décharge électrostatique (ESD) : elle est fréquemment associée à l’effet triboélectrique, qui se traduit par la séparation de charges par frottement, ou alors à l’accroche de circuits sous tension (arc électrique). Tant que la personne manipulant un capteur est isolée vis-à-vis de son environnement, il n’y a aucun risque. Si une différence de potentiel se crée, par contact ou par l’approche d’un élément conducteur d’électricité, la décharge de toute l’énergie accumulée peut se produire dans les fils du capteur.Son optimisation en termes de dimensions (miniaturisation) requiert moins d’énergie et assure une meilleure finesse de mesure, mais la contrepartie est une dissipation d’énergie trop importante et trop brièvement, qui brûle les composants électriques. PCB Piezotronics recommande les bonnes pratiques de protection suivantes :

  • Diode TVS : elle limite les trop grandes différences de potentiel. Vous devez toutefois garder en mémoire qu’ajouter des protectionsaméliore la tenue et la résistance, mais ne rend pas le capteur indestructible ;
  • Bracelet, veste et emballage antistatiques : dès qu’il y a un risque, l’usage d’un tel équipement permet de ne pas accumulerles charges arrachées et, ainsi, d’éviter tout risque de dommage.
  • Une telle protection est obligatoire dans le cas d’un capteur ICP®, afin d’éviter l’effet d’allumage de bougie, et d’un capteur avecun connecteur à quatre contacts centraux ou plus. Mais la protection n’est pas obligatoire avec un capteur avec un connecteur coaxial,parce que l’écart entre le conducteur central et la tresse est généralement suffisant pour ne pas provoquer d’arc électrique.
LES PRINCIPAUX CRITERES D’INSTALLATION

Lors du raccordement du corps du capteur, du blindage et du système de transmission de la mesure, deux des critères que PCB Piezotronics recommande de prendre en compte sont l’isolement électrique des conducteurs et la boucle de courant pour le raccordement des masses.

Isolement électrique

Toutes les voies électriques doivent être bien séparées et indépendantes les unes des autres, de telle sorte queles conducteurs ne soient pas impactés par l’environnement et que le signal électrique délivré par le capteur ne soit ainsi pas perturbé :

  • Un mauvais isolement électrique peut provoquer un défaut sur l’alimentation (surconsommation ou sous-alimentation du capteur,perturbation des autres voies), un défaut sur le signal avec une perte d’une partie du signal (fuite), la réception d’un signal non issudu capteur (bruit) ou jusqu’à une surtension « brûlant » les composants du circuit électrique ;
  • Ohmmètre vs testeur d’isolement : l’ohmmètre utilise une tension standardisée de 1 Vcc pour mesurer la résistance ;le mégohmmètre, ou testeur d’isolement, applique une tension plus élevée (jusqu’à 1 000 V), ce qui permet d’aller chercher les limites d’utilisation du capteur ou d’un bâti électrique. Le test d’isolement doit être effectué uniquement sur un système hors tension pour ne pas l’endommager ;
  • Les bonnes pratiques sont la présence d’une tresse, en plus des conducteurs, voire même d’une deuxième tresse, d’un surgainage, ainsi qu’un traitement en graphite, généralement (effet triboélectrique).
Boucles de courant

Contrairement aux capteurs 4-20 mA de process, les boucles de courant non voulues avec les capteurs IEPE / ICP® 2 fils (alimentation en courant continu et signal en tension) posent des problèmes tels que la perturbation du fonctionnement du capteur ou l’ajout de bruit :

  • Ces boucles induites par des défauts d’isolement, et ce, souvent, dans les environnements perturbés (rayonnement magnétique ou puissance électrique), génèrent la circulation de charges en parallèle au signal de mesure. Le raccordement de blindages de points éloignés, à potentiels différents, à une masse commune fait apparaître deux polarités différentes. Si une continuité existe également dans le câble, via le circuit de mesure par exemple, une boucle est formée et un courant, autre que le signal de mesure, circule ;
  • Avec un système d’isolement, les deux raccordements sont toujours à la masse – c’est très important que toutes les masses soient raccordées entre elles. La structure est raccordée à la masse d’un côté et le système de mesure, isolé de cette structure et avec son propre chemin de câbles, est raccordé à la masse, mais sans la formation d’une boucle.
PROTECTION DU CABLAGE GRACE A UNE CAGE DE FARADAY

Dans l’idéal, le comportement d’un système électrique est très proche de celui d’une cage de Faraday, qui annule les perturbations électromagnétiques externes :

  • Continuité de masse : réalisée avec une tresse raccordée à 360° dans le câble, elle permet de « prolonger » la cage de Faraday sur tout le chemin de câbles. La tresse permet également de supprimer d’autres courants induits (boucles de courant) ;
  • Câbles torsadés et tresse : beaucoup de câbles électriques n’utilisent pas de tresse et sont souvent torsadés pour réduire les perturbations issues d’un champ magnétique. Les conducteurs étant en alternance exposés et opposés à la source de perturbation (sur 360°, en fait), ils se compensent et s’équilibrent. Une tresse multibrins fonctionne sur le même principe ;
  • Câbles monobrin et multibrins : malgré la fatigue (usure en flexion) ou un pincement du câble, les risques de faux contacts ou coupure sont réduits avec un câble multibrins, parce que plusieurs brins persistent.

Pour qu’elle soit efficace, la cage de Faraday doit couvrir l’intégralité du système. S’il y a la moindre coupure, elle perd de son efficacité et on risque de créer un phénomène d’antenne :

  • Tresse et blindage : il faut minimiser le nombre d’intermédiaires dans le circuit électrique (câble et connecteurs). Chaque nouvelle interface pourra au mieux préserver le signal inchangé; mais dans la majorité des cas, elle dégradera le signal à cause de la résistance de contact, de la chauffe, de l’effet d’antenne, de l’ajout de bruit, etc. ;
  • Connecteur : en maintenant le blindage séparé des conducteurs (corps métallique d’un connecteur ou bâti d’une électronique), on évite que les courants induits captés par le blindage affectent les conducteurs et les signaux par phénomène d’induction (transmission d’une partie du potentiel de la tresse sur les autres conducteurs). Il faut néanmoins éviter d’utiliser les contacts d’un connecteur pour effectuer une continuité de la tresse. PCB Piezotronics recommande de séparer le blindage de la référence 0 V (de l’alimentation et du signal).
D’AUTRES CRITERES A PRENDRE ENCORE EN COMPTE

Dans le cas d’un capteur charge, vous avez le choix entre une sortie coaxiale et une sortie différentielle :

  • Câble coaxial : il se distingue par plusieurs avantages majeurs, tels que la facilité de montage, la réduction de l’encombrementet un faible coût de fabrication (câble, connecteurs, branchements…). Comme la tresse sert de protection au conducteur centralet de référence du signal, l’inconvénient est que l’une des deux références est perturbée par l’environnement et l’autre non, d’oùl’apparition d’un déséquilibre et, donc, d’un bruit sur le signal via la tresse ;
  • Câble différentiel : la tresse est utilisée comme blindage uniquement, comme le corps du capteur, ce qui permet de préserver la cagede Faraday fermée. Les conducteurs étant isolés à l’identique, ils sont déjà moins perturbés et le bruit peut être soustrait par traitementélectrique du signal en opposant les signaux (réjection de mode commun). Cette construction, utilisée dans les milieux fortementperturbés, est toutefois plus volumineuse, plus contraignante et plus coûteuse.

Un câble est assimilé à un circuit électrique RLC et agit comme un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est fonction de ses valeurs de résistance R et de capacitance C, associées à la longueur du câble – plus le câble est long, moins la réponse en fréquence est bonne :

  • Bobine de câble : un câble étant cylindrique, il représente une bobine d’inductance L et, au même titre, tout enroulement du câble, pour éviter de marcher dessus, par exemple, pourra aussi générer un courant induit sur les conducteurs et la tresse, et donc perturber le signal du capteur, si un champ magnétique le traverse. Un câble droit, à la juste longueur et sans bobinage est le mieux adapté et réduira le bruit et les interférences. Il est encore préférable, éventuellement, de laisser un câble en vrac, plutôt qu’en bobine ;
  • Impédance d’entrée et de sortie : le rapport entre l’impédance d’entrée d’un capteur et la résistance du câble influe sur la consommation globale du circuit électrique. Si le ratio RECapt/RCabl est trop faible, la chute de tension réduira l’alimentation d’un capteur ratiométrique (résistif) ou limitera le fonctionnement de son circuit d’amplification, s’il est intégré. A l’inverse, une impédance de sortie de capteur est souvent très faible et celle d’un système d’acquisition de donnée / de régulation très élevée, pour réduire au minimum les pertes sur le signal de mesure.
NE SOUS-ESTIMEZ PAS LE COMPORTEMENT DU CABLE

Vous avez installé vos capteurs en respectant toutes les bonnes pratiques en termes d’isolement électrique, de boucles de courant, de tresse, de connecteur, etc. Mais avez-vous installé correctement tous les câbles pour ne pas rajouter encore d’erreurs de mesure ?

  • Chocs : le mouvement du câble d’un capteur peut également libérer des charges (effet triboélectrique) lors d’un essai, et le signalainsi généré se combine au signal de mesure, sans pouvoir dissocier les deux informations, d’où une erreur de mesure. Il est possible d’améliorer la situation grâce à l’ajout d’une couche de protection en graphite autour des conducteurs ;
  • Maintien du câble : les essais dynamiques, incluant des chocs et des vibrations, nécessitent des précautions sur toute la chaîne de mesure, du câble au capteur, en passant par le connecteur, le filetage, etc. Si le câble vibre, par exemple, cette vibration associée à la masse de la partie mobile se transforme en un effort, de flexion généralement, et se traduit par une usure des câbles, un jeu au niveau des points de contact mâle-femelle du connecteur, voire la création de microfissures dans les contacts ou l’endommagement du filetage. L’ensemble doit donc être tenu de façon rigide, les parties non fixées devant avoir la masse la plus faible possible pour limiter la force résultante lors de mouvements, et de façon suffisamment souple en cas de mouvement pour éviter des efforts de tension ou de flexion entre les interfaces. PCB Piezotronics indique que, pour un même standard (connecteur 10-32 coaxial, par exemple), les différentes tolérances de production peuvent rendre incompatible la mixité des fabrications, et que certaines conditions d’essais ne permettent pas de changer de paires embase & connecteur autre que les produits validés pour la réalisation des capteurs.
PCB Piezotronics et ses différentes marques

Luc Migeon, ingénieur d’applications chez PCB Piezotronics France. PCB Piezotronics développe et fabrique des solutions de mesure de grandeur physique, sous différentes marques : des accéléromètres piézoélectriques/Mems, des capteurs de pression piézoélectriques/piézorésistifs, des capteurs de force piézoélectriques et à jauge de contraintes, des microphones de mesure (PCB Piezotronics), des accéléromètres piézoélectriques/Mems, des capteurs de pression piézorésistifs (Endevco), des produits industriels basés sur la technologie piézoélectrique (IMI Sensors), des pots vibrants et des stations d’étalonnage (The Modal Shop), ainsi que des sonomètres et des dosimètres (Larson Davis).

Conclusion

Pour réussir l’installation électrique de vos accéléromètres, appliquez ces bonnes pratiques. Assurez-vous d’un bon isolement, gérez les boucles de courant et protégez les câbles contre les interférences. En respectant ces étapes, vous prolongerez la durée de vie de vos capteurs et garantirez des mesures fiables.

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