L’instrumentation est un domaine d’étude et de travail centré sur la mesure et le contrôle des processus physiques. Ces processus physiques comprennent la pression, la température, le débit et la consistance chimique. Un instrument est un dispositif qui mesure et / ou agit pour contrôler tout type de processus physique. Étant donné que les quantités électriques de tension et de courant sont faciles à mesurer, à manipuler et à transmettre sur de longues distances, elles sont largement utilisées pour représenter de telles variables physiques et transmettre les informations à des endroits éloignés.

Un signal est tout type de grandeur physique qui transmet des informations. La parole audible est certainement une sorte de signal, car elle transmet les pensées (informations) d’une personne à une autre à travers le support physique du son. Les gestes de la main sont aussi des signaux, transmettant des informations au moyen de la lumière.

Ce texte est un autre type de signal, interprété par votre esprit formé en anglais comme une information sur les circuits électriques. Dans ce chapitre, le mot signal sera utilisé principalement en référence à une quantité électrique de tension ou de courant utilisée pour représenter ou signifier une autre quantité physique.

Analogique vs Numérique

Un signal analogique est un type de signal qui est variable en continu, par opposition à un nombre limité de pas le long de sa plage (appelé numérique). Un exemple bien connu de l’analogique par rapport au numérique est celui des horloges: analogique étant le type avec des pointeurs qui tournent lentement autour d’une échelle circulaire, et numérique étant le type avec des affichages de nombres décimaux ou une « seconde main” qui se branle plutôt que de tourner doucement.

L’horloge analogique n’a pas de limite physique à la finesse avec laquelle elle peut afficher l’heure, car ses « aiguilles” se déplacent de manière fluide et sans pause. L’horloge numérique, en revanche, ne peut transmettre aucune unité de temps inférieure à ce que son affichage permettra. Le type d’horloge avec une « seconde main” qui se branle à intervalles de 1 seconde est un appareil numérique avec une résolution minimale d’une seconde.

Les signaux analogiques et numériques trouvent une application dans l’électronique moderne, et les distinctions entre ces deux formes d’information de base doivent être abordées de manière beaucoup plus détaillée plus loin dans ce livre. Pour l’instant, je limiterai la portée de cette discussion aux signaux analogiques, car les systèmes qui les utilisent ont tendance à être de conception plus simple.

Pour un aperçu plus basique de ce sujet, voir ce tutoriel vidéo sur l’électronique analogique et numérique.

Avec de nombreuses grandeurs physiques, en particulier électriques, la variabilité analogique est facile à trouver. Si une telle grandeur physique est utilisée comme support de signal, elle pourra représenter des variations d’informations avec une résolution presque illimitée.

Système d’instrumentation industrielle

Dans les premiers temps de l’instrumentation industrielle, l’air comprimé était utilisé comme moyen de signalisation pour transmettre les informations des instruments de mesure aux dispositifs d’indication et de contrôle situés à distance. La quantité de pression d’air correspondait à l’ampleur de la variable mesurée. De l’air propre et sec à environ 20 livres par pouce carré (PSI) a été fourni par un compresseur d’air à travers un tube à l’instrument de mesure et a ensuite été réglé par cet instrument en fonction de la quantité mesurée pour produire un signal de sortie correspondant.

Par exemple, un dispositif « transmetteur” de niveau pneumatique (signal d’air) configuré pour mesurer la hauteur d’eau (la « variable de processus”) dans un réservoir de stockage produirait une pression d’air basse lorsque le réservoir était vide, une pression moyenne lorsque le réservoir était partiellement plein et une pression élevée lorsque le réservoir était complètement plein.

L’”indicateur de niveau d’eau » (LI) n’est rien d’autre qu’un manomètre mesurant la pression d’air dans la ligne de signal pneumatique. Cette pression d’air, étant un signal, est à son tour une représentation du niveau d’eau dans le réservoir. Toute variation de niveau dans le réservoir peut être représentée par une variation appropriée de la pression du signal pneumatique.

Mis à part certaines limites pratiques imposées par la mécanique des dispositifs de pression d’air, ce signal pneumatique est infiniment variable, capable de représenter n’importe quel degré de variation du niveau de l’eau et est donc analogique dans le vrai sens du terme.

Aussi grossier qu’il puisse paraître, ce type de système de signalisation pneumatique a constitué l’épine dorsale de nombreux systèmes de mesure et de contrôle industriels à travers le monde, et est toujours utilisé aujourd’hui en raison de sa simplicité, de sa sécurité et de sa fiabilité. Les signaux de pression d’air sont facilement transmis à travers des tubes peu coûteux, facilement mesurés (avec des manomètres mécaniques) et sont facilement manipulés par des dispositifs mécaniques utilisant des soufflets, des diaphragmes, des vannes et d’autres dispositifs pneumatiques. Les signaux de pression d’air ne sont pas seulement utiles pour mesurer les processus physiques, mais aussi pour les contrôler.

Avec un piston ou un diaphragme suffisamment grand, un petit signal de pression d’air peut être utilisé pour générer une force mécanique importante, qui peut être utilisée pour déplacer une vanne ou un autre dispositif de commande. Des systèmes de contrôle automatique complets ont été réalisés en utilisant la pression de l’air comme support de signal. Ils sont simples, fiables et relativement faciles à comprendre. Cependant, les limites pratiques de précision du signal de pression d’air peuvent être trop limitatives dans certains cas, en particulier lorsque l’air comprimé n’est pas propre et sec, et lorsqu’il existe un risque de fuite des tubes.

Avec l’avènement des amplificateurs électroniques à semi-conducteurs et d’autres avancées technologiques, les quantités électriques de tension et de courant sont devenues pratiques pour être utilisées comme supports de signalisation d’instruments analogiques. Au lieu d’utiliser des signaux de pression pneumatiques pour relayer des informations sur la plénitude d’un réservoir de stockage d’eau, les signaux électriques pourraient relayer ces mêmes informations sur des fils minces (au lieu de tubes) et ne pas nécessiter le support d’un équipement aussi coûteux que les compresseurs d’air pour fonctionner:

Les signaux électroniques analogiques sont toujours les principaux types de signaux utilisés dans le monde de l’instrumentation aujourd’hui (janvier 2001), mais ils cèdent la place aux modes de communication numériques dans de nombreuses applications (plus à ce sujet plus tard). Malgré les changements technologiques, il est toujours bon d’avoir une compréhension approfondie des principes fondamentaux, de sorte que les informations suivantes ne deviendront jamais vraiment obsolètes.

Zéro vivant

Un concept important appliqué dans de nombreux systèmes de signaux d’instrumentation analogique est celui du ”zéro vivant », une façon standard de mettre à l’échelle un signal de sorte qu’une indication de 0% puisse être distinguée de l’état d’un système ”mort ». Prenons l’exemple du système de signalisation pneumatique: si la plage de pression du signal pour l’émetteur et l’indicateur a été conçue pour être de 0 à 12 PSI, 0 PSI représentant 0% de la mesure du processus et 12 PSI représentant 100%, un signal reçu de 0% pourrait être une lecture légitime de la mesure de 0% ou cela pourrait signifier que le système fonctionnait mal (compresseur d’air arrêté, tube cassé, dysfonctionnement de l’émetteur, etc.). Avec le point de pourcentage 0 représenté par 0 PSI, il n’y aurait pas de moyen facile de distinguer l’un de l’autre.

Si, cependant, nous devions mettre à l’échelle les instruments (émetteur et indicateur) pour utiliser une échelle de 3 à 15 PSI, avec 3 PSI représentant 0% et 15 PSI représentant 100%, tout dysfonctionnement entraînant une pression d’air nulle au niveau de l’indicateur générerait une lecture de -25% (0 PSI), ce qui est clairement une valeur défectueuse. La personne qui regarde l’indicateur serait alors en mesure de dire immédiatement que quelque chose n’allait pas.

Toutes les normes de signaux n’ont pas été configurées avec des lignes de base zéro en direct, mais les normes de signaux plus robustes (3-15 PSI, 4-20 mA) l’ont, et pour cause.

REVUE:

• Un signal est tout type de quantité détectable utilisée pour communiquer des informations.
• Un signal analogique est un signal qui peut être continuellement, ou infiniment, varié pour représenter n’importe quelle petite quantité de changement.
• Les signaux pneumatiques, ou de pression d’air, étaient autrefois courants dans les systèmes de signaux d’instrumentation industrielle. Ceux-ci ont été largement remplacés par des signaux électriques analogiques tels que la tension et le courant.
• Un zéro actif fait référence à une échelle de signal analogique utilisant une quantité non nulle pour représenter 0% de la mesure réelle afin que tout dysfonctionnement du système entraînant un état de « repos” naturel de pression, tension ou courant de signal nul puisse être immédiatement reconnu.