Un jour, quelqu’un demanda à un collègue quelle était sa profession. Il répondit sans hésiter : « Je suis ingénieur en instrumentation et contrôle. »

« Et qu’est-ce que c’est ? » demanda son interlocuteur.

« … Oh. Euh… » « Eh bien, me voilà dans de beaux draps », pensa l’ingénieur.

 

Qu’est-ce que l’instrumentation et le contrôle ?

Il est relativement facile d’expliquer ce que fait un ingénieur en mécanique, en électricité ou en chimie, mais c’est une autre histoire de décrire succinctement le travail effectué par un ingénieur spécialisé en instrumentation et contrôle.

L’instrumentation et le contrôle sont des domaines interdisciplinaires. Ils nécessitent des connaissances en chimie, en mécanique, en électricité et en magnétisme, en électronique, en microcontrôleurs et microprocesseurs, en langages logiciels, en contrôle des procédés, ainsi que dans d’autres domaines comme les principes de la pneumatique, de l’hydraulique et des communications.

C’est ce qui rend l’instrumentation et le contrôle si intéressants et instructifs.

Dans cet article, je donnerai une vue d’ensemble complète des principes fondamentaux de l’instrumentation et du contrôle (I & C) utilisés pour le fonctionnement et l’exploitation d’installations industrielles telles que celles de l’industrie pétrolière et gazière, des pâtes et papiers, du sucre, des produits pharmaceutiques, de l’agroalimentaire et de la chimie.

Tout d’abord, nous devons voir comment mesurer. Pour cela, nous avons besoin d’un instrument de mesure.

 

Qu’est-ce qu’un instrument de mesure ?

Un instrument de mesure est un dispositif capable de détecter une modification, physique ou autre, dans un processus donné. Il convertit ensuite ces changements physiques en une forme d’information compréhensible par l’utilisateur.

Considérons l’exemple de la figure 1.

 

Figure 1. Un exemple d’instrument de mesure.

 

Lorsque l’interrupteur est fermé, la résistance produit de la chaleur, ce qui augmente la température du liquide dans le réservoir. Cette augmentation est détectée par l’instrument de mesure et affichée sur l’échelle de cet instrument.

Nous pouvons obtenir des informations sur les changements physiques d’un processus au moyen d’une indication directe ou d’un enregistreur.

 

Indication

Il s’agit de la forme la plus simple de mesure ; elle nous permet de connaître l’état actuel de la variable.

 

Figure 2. Surveillance d’une variable au moyen d’un indicateur visuel simple.

 

Enregistreur

Un dispositif capable de stocker des données nous permet d’observer l’état actuel de la variable et la manière dont elle s’est comportée dans le passé. Un enregistreur nous fournit l’historique de la variable.

 

Figure 3. Un affichage montrant comment les mesures ont évolué au fil du temps.

 

Composants d’un instrument de mesure

Les instruments de mesure se composent principalement des éléments suivants :

• Capteur : Cet élément est un dispositif qui subit des changements de ses propriétés physiques en raison des changements survenant dans le processus qu’il mesure.
• Amplificateur/conditionneur : Les variations détectées par le capteur peuvent être très faibles ; elles doivent donc être amplifiées, puis conditionnées afin de pouvoir être affichées correctement.
• Affichage : Les données mesurées doivent être présentées de manière compréhensible. Cela peut se faire à l’aide d’un instrument gradué ou d’un affichage électronique. Parfois, l’affichage fait également office d’enregistreur afin de restituer l’historique ou les tendances de la mesure.

 

Figure 4. Éléments d’un instrument de mesure.

 

Habituellement, les informations de mesure générées par un instrument doivent être envoyées à un centre de contrôle (ou une salle de commande) physiquement éloigné de l’instrument. En général, ces informations doivent être conformes à des spécifications établies.

 

Figure 5. Les informations de mesure sont envoyées de l’instrument vers la salle de commande.

 

Lorsqu’un instrument est capable d’envoyer des informations, on l’appelle un transmetteur (souvent abrégé en XMTR).

 

Classification des instruments

Il existe différentes classifications des instruments de mesure. On peut par exemple les classer en instruments de terrain ou en instruments de panneau. L’instrument de terrain est installé à proximité du procédé ou du point de mesure. Il doit être physiquement robuste s’il est exposé à des conditions environnementales difficiles. Les instruments de panneau se trouvent dans une pièce à environnement contrôlé (souvent un espace propre doté de la climatisation et d’une humidité contrôlée).

Une autre classification oppose les instruments pneumatiques aux instruments électriques/électroniques.

 

Instruments pneumatiques

Comme leur nom l’indique, ce sont des dispositifs alimentés par de l’air.

L’un des avantages de ces instruments est qu’ils ne consomment pas d’électricité, ce qui permet de les utiliser dans les zones où l’emploi de l’énergie électrique serait dangereux ou peu pratique. Ils fonctionnent avec une seule variable, sont imprécis, sont affectés par les vibrations et les variations de température, et nécessitent beaucoup d’entretien. Le signal de sortie des transmetteurs est compris entre 3 et 15 psi, et la distance maximale de transmission est d’environ 200 mètres.

 

Figure 6. Schéma de principe d’un instrument pneumatique.

 

Instruments électriques/électroniques

Les instruments électroniques peuvent être répartis en trois grandes catégories : analogiques, analogiques intelligents et numériques.

 

Appareils analogiques :

• Signal de sortie : 4–20 mA
• Distance de transmission : 1 200 m (valeur typique)
• Les données d’une seule variable sont transmises
• Bonne précision
• Entretien facile

 

Figure 7. Schéma de base d’un instrument électronique (XMTR).

 

Appareils analogiques « intelligents » :

• Caractérisation du capteur pour mesurer la température, la pression statique, etc.
• Excellente précision
• Autodiagnostic (c.-à-d. le capteur peut analyser les problèmes liés à son propre fonctionnement)
• Une variable

 

Appareils numériques :

• Plusieurs instruments peuvent utiliser un seul câble
• Transmission de plusieurs valeurs pour chaque instrument (variables de procédé, étalonnage, diagnostic, plage)
• Distance : environ 1 900 m sans répéteur
• La capacité de transmission des données dépend du mode de transmission (câble, fibre optique, sans fil)

 

Figure 8. Transmetteurs numériques.

 

Spécifications générales des capteurs

Plage : région comprise entre les limites dans laquelle une variable est mesurée. Elle indique les valeurs minimale et maximale qui délimitent cette région. La plage est exprimée par deux nombres, p. ex. 10 à 20 °C, 10 à 150 V, 0 à 100 %

Étendue : calculée en soustrayant la valeur minimale de la plage de sa valeur maximale. L’étendue est exprimée par un seul nombre dans les unités du procédé, p. ex. 120 °C, 30 V, 150 litres par seconde.

Élévation : Si la limite inférieure de la plage est une valeur positive, cette limite inférieure correspond à l’élévation. Exemple : si la plage va de 50 °C à 200 °C, on peut dire que l’élévation est de 50 °C, soit 33,3 % de l’étendue.

Suppression (également appelée décalage de zéro) : Si la limite inférieure de la plage est négative, la valeur absolue de cette limite inférieure correspond à la suppression. Exemple : si la plage va de -10 °C à 80 °C, on peut dire que la suppression est de 10 °C, soit 11,1 % de l’étendue.

Dépassement de plage : Lorsqu’un appareil est étalonné pour fonctionner dans une certaine plage, mais peut être soumis à des valeurs supérieures ou inférieures à cette plage, il nécessite un mécanisme de protection pour éviter d’endommager l’instrument ou d’empêcher l’indicateur de dépasser sa limite supérieure ou inférieure. Lorsque les valeurs mesurées sont supérieures à la valeur maximale, on parle de dépassement de plage positif. Lorsque les valeurs mesurées sont inférieures à la valeur minimale, on parle de dépassement de plage négatif.

 

Figure 9. Exemples de plage, d’étendue, d’élévation et de suppression.

 

Erreur : différence entre la valeur mesurée et la valeur réelle (ou attendue ou souhaitée) d’une variable physique. L’erreur peut être positive ou négative. Lorsque la valeur mesurée est supérieure à la valeur réelle, l’erreur est positive. Lorsque la valeur mesurée est inférieure à la valeur réelle, l’erreur est négative.

                        Si la valeur mesurée > la valeur réelle, l’erreur > 0

                        Si la valeur mesurée < la valeur réelle, l’erreur < 0

L’erreur peut être exprimée

• en unités d’ingénierie (p. ex. °C, psi)
• en pourcentage de l’étendue (p. ex. +/- 3 % de l’étendue)
• en pourcentage de la mesure (p. ex. +/- 5 % de la mesure)

Valeur de référence : de manière générale, il s’agit de la valeur réelle, attendue ou souhaitée d’une variable. Dans le contexte d’un système de commande en boucle fermée, la valeur mesurée est réinjectée et soustraite de la valeur de référence afin de générer le signal d’erreur.

Précision : nombre qui définit les limites de l’erreur. Lorsqu’un instrument a une précision de 0,1 % de l’étendue, cela signifie que, partout dans la plage, les relevés ne diffèrent pas de la valeur réelle de plus de 0,1 % de l’étendue.

 

Un exemple de mesure de procédé

Pour mieux comprendre les concepts présentés ci-dessus, considérons l’exemple suivant.

Nous avons un réservoir d’huile dans lequel nous devons mesurer la température en continu. Les conditions de fonctionnement de ce procédé sont les suivantes :

• Température minimale : -10 °C
• Température maximale : 90 °C
• La précision de mesure doit être de 1 % de l’étendue ou meilleure
• La température mesurée doit être affichée localement et à distance

 

Figure 10. Notre système d’exemple.

 

Tout d’abord, nous devons sélectionner un instrument de mesure qui nous permette de mesurer la température du liquide dans le réservoir. Comme l’information doit être disponible localement et à distance, nous choisirons un transmetteur de température.

Ce transmetteur doit présenter les caractéristiques suivantes :

• Plage : -10 °C à 90 °C
• Étendue : 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Décalage : 10 °C, soit 10 % de l’étendue
• Précision : 1 % de l’étendue = 1 % × 100 °C = 1 °C
  • Cette précision de 1 % garantit que, pour chaque mesure ou relevé de température, les variations ou les erreurs ne dépasseront pas +/- 1 °C

En outre, nous devons veiller à établir une relation correcte entre l’étendue et la sortie normalisée du transmetteur. Pour étalonner l’instrument, nous devons associer la valeur minimale de l’étendue (-10 °C) à la valeur minimale de la sortie (4 mA), et la valeur maximale de l’étendue (90 °C) à la valeur maximale de la sortie (20 mA).

 

Conclusion

Dans cet article, nous avons abordé les appareils de mesure et les concepts fondamentaux de la mesure dans le contexte des systèmes d’instrumentation et de contrôle. Nous avons également examiné un exemple simple de système comprenant un élément chauffant et un instrument capable de collecter et de transmettre des données de température. Dans le prochain article, nous traiterons les quatre variables de base utilisées dans les applications industrielles : le débit, le niveau, la température et la pression. Nous aborderons également différents capteurs tels que les plaques à orifice, les thermocouples et les sondes RTD, et nous passerons en revue les instruments et les transmetteurs utilisés pour mesurer ces quatre variables physiques.