Validation d`un pressostat analogique

Transcription

MITHIEUX Benoit
Polytech’Nice-Sophia – c/o ESINSA
1645 route des lucioles – Parc de Sophia Antipolis
06410 BIOT
RAPPORT DE STAGE TECHNICIEN
été 2007
Validation d’un pressostat analogique
Mr. ROUGEAU Philippe
INVENSYS CONTROLS
Avenue des Sorbiers - Thyez
74311 CLUSES CEDEX
Tél. : 04 50 89 37 00
Invensys Controls 2007
MITHIEUX Benoit / Rapport de stage technicien
2
Remerciements
Je souhaite remercier les personnes de l’entreprise qui m’ont aidé dans mon travail, et tout
particulièrement les personnes suivantes :
Monsieur ROUGEAU Philippe, pour m’avoir guidé tout au long de mon stage ce qui m’en a
donné une meilleure approche.
Monsieur GAGNAIRE Thierry, pour toutes les informations concernant le pressostat qu’il
m’a fournit.
Monsieur FATTORINI Andrea, pour m’avoir aidé dans l’étude du capteur concurrent ainsi
que pour ses conseils concernant les rapports de tests.
Monsieur BENTAHAR Adil, pour m’avoir transmis ses connaissances concernant les tests
en chambre climatique et m’avoir conseillé sur la mise en place des tests.
Monsieur XARDEL François, pour avoir superviser le déroulement du projet.
Monsieur MITHIEUX Christophe, pour m’avoir fait découvrir le travail d’un chef de projet
ainsi que pour les nombreuses informations sur les métiers de l’électronique qu’il m’a fournit.
3
Table des matières
INTRODUCTION .......................................................................................................................................... 7
1
PRESENTATION DE INVENSYS CONTROLS ................................................................................. 8
1.1 HISTORIQUE DE L’ENTREPRISE .............................................................................................................. 8
1.2 INVENSYS DANS LE MONDE................................................................................................................... 8
1.3 LE SITE DE THYEZ .............................................................................................................................. 10
1.3.1
Situation générale .................................................................................................................... 10
1.3.2
Les principaux clients d’Invensys Controls pour le Wash&Dry ................................................. 11
1.3.3
Le bureau d’étude .................................................................................................................... 11
1.3.4
Organisation hiérarchique du BE ............................................................................................. 12
2
LE PRESSOSTAT LINEAIRE ........................................................................................................... 13
2.1 PRESENTATION GENERALE ................................................................................................................. 13
2.2 LE PRESSOSTAT 470830AD ................................................................................................................ 14
2.2.1
Partie mécanique ..................................................................................................................... 14
2.2.2
Partie électronique................................................................................................................... 15
2.3 SPECIFICATIONS CLIENT ..................................................................................................................... 17
2.4 OBJECTIFS DU STAGE ......................................................................................................................... 18
3
MESURES PARAMETRIQUES......................................................................................................... 19
3.1
3.2
3.3
3.4
4
LA BOBINE......................................................................................................................................... 19
LES CONDENSATEURS ........................................................................................................................ 20
L’INVERSEUR DU 4060 ....................................................................................................................... 22
CONCLUSION ..................................................................................................................................... 24
SIMULATIONS................................................................................................................................... 24
4.1 MULTISIM 10 .................................................................................................................................... 24
4.2 PRISE EN MAIN DU LOGICIEL ............................................................................................................... 24
4.2.1
Dysfonctionnent du model spice du 4060 .................................................................................. 25
4.2.2
Problème d’échantillonnage ..................................................................................................... 25
4.2.3
Réalisation du PCB complet sous MultiSim 10 .......................................................................... 26
4.3 SIMULATION CLIMATIQUES................................................................................................................. 26
4.3.1
Température ............................................................................................................................ 26
4.3.2
Humidité .................................................................................................................................. 27
4.4 CONCLUSION DES SIMULATIONS ......................................................................................................... 27
5
VALIDATION DU PROTOTYPE INVENSYS CONTROLS ............................................................ 28
5.1 ETUDE DE LA LINEARITE..................................................................................................................... 28
5.2 VARIATION DE LA TENSION D’ALIMENTATION ..................................................................................... 29
5.3 VARIATION DE LA TEMPERATURE ....................................................................................................... 30
5.3.1
Test de température sur la carte ............................................................................................... 30
5.3.2
Test de température sur le capteur complet ............................................................................... 30
5.4 VARIATION DE L’HUMIDITE ................................................................................................................ 31
5.5 BILAN DU CAPTEUR INVENSYS ............................................................................................................ 32
5.6 CONCLUSION ..................................................................................................................................... 32
6
ETUDE DU PRESSOSTAT CONCURRENT : MARQUARDT ........................................................ 33
6.1 ETUDE DU CIRCUIT ELECTRONIQUE ..................................................................................................... 33
6.2 VALIDATIONDU PRESSOSTAT MARQUARDT ......................................................................................... 33
6.2.1
Etude de la linéarité ................................................................................................................. 34
6.2.2
Variation de la tension d’alimentation ...................................................................................... 34
6.2.3
Variation de la température...................................................................................................... 35
6.2.4
Variation d’humidité ................................................................................................................ 35
6.3 BILAN DU CAPTEUR MARQUARDT ....................................................................................................... 36
6.4 CONCLUSION ..................................................................................................................................... 36
7
CONCLUSION .................................................................................................................................... 37
4
8
ANNEXES............................................................................................................................................ 38
ANNEXE 1 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB 470830AD INVENSYS ............................................................. 39
ANNEXE 2 : DOCUMENTATION TECHNIQUE DU 4060 ..................................................................................... 40
ANNEXE 3 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB DE MARQUARDT .................................................................... 41
5
Table des illustrations
Figure 1 - Domaines d'activités d'Invensys .............................................................................8
Figure 2 - Invensys dans le monde ..........................................................................................9
Figure 3 - Invensys en Europe ................................................................................................9
Figure 4 - Wash and Dry....................................................................................................... 10
Figure 5 - Principaux clients du Wash&Dry.......................................................................... 11
Figure 6 - Organisation hiérarchique ..................................................................................... 12
Figure 7 - Electronic board ................................................................................................... 13
Figure 8 - Caractéristiques des pressostats mécaniques et analogiques .................................. 13
Figure 9 - Vue éclatée du pressostat 470830AD .................................................................... 14
Figure 10 – Mécanique du pressostat Invensys...................................................................... 14
Figure 11 - principe mécanique du pressostat........................................................................ 15
Figure 12 - Oscillateur de Colpits ......................................................................................... 15
Figure 14 – PCB + bobine Invensys ...................................................................................... 16
Figure 13 – Schéma bloc du pressostat ................................................................................. 16
Figure 15 – Spécifications clients ......................................................................................... 17
Figure 16 - Variation de L en fonction de la température ...................................................... 19
Figure 17 - Variation de C1 et C2 en fonction de la température ........................................... 20
Figure 18 - Variation de C1 et C2 en fonction de l'humidité .................................................. 20
Figure 19 - Variation de C1 lorsque la température et l'humidité changent ............................ 21
Figure 20 - Variation de C2 lorsque la température et l'humidité changent ............................ 21
Figure 21 - Test du 4060....................................................................................................... 22
Figure 22 - Signal en sortie de l'inverseur ............................................................................. 23
Figure 23 - Variation de la période d'oscillation .................................................................... 23
Figure 24 – MultiSim 10 ....................................................................................................... 24
Figure 25 - Simulation Oscillateur de Colpits ....................................................................... 25
Figure 26 – Simulation de température ................................................................................. 26
Figure 27 – Simulation de l’humidité .................................................................................... 27
Figure 28 – Effet de la pression sur la fréquence ................................................................... 28
Figure 29 – Effet de l’alimentation sur la fréquence à 0 Pa ................................................... 29
Figure 30 – Effet de l’alimentation en fonction de la pression ............................................... 29
Figure 31 – Effet de la température sur le PCB ..................................................................... 30
Figure 32 – Effet de la température sur le capteur INVENSYS ............................................. 31
Figure 33 – Effet de l’humidité sur le capteur INVENSYS ................................................... 31
Figure 34 – PCB Marquardt .................................................................................................. 33
Figure 35 – Etude de la linéarité du capteur Marquardt ......................................................... 34
Figure 36 – Effet de l’alimentation sur le capteur Marquardt ................................................ 34
Figure 37 – Effet de la température sur le capteur Marquardt ................................................ 35
Figure 38 – Effet de l’humidité sur le capteur Marquardt ...................................................... 35
6
Introduction
Dans le cadre de ma formation d’ingénieur, j’ai effectué un stage technicien d’une durée de
huit semaines à Invensys Controls Thyez en Haute-Savoie.
Cette entreprise, présente dans l’industrie de l’électroménager, s’occupe principalement de la
conception de la partie contrôle des machines à laver et des lave vaisselles. Le besoin d’un
stagiaire a été sollicité par une demande de validation d’un pressostat linéaire avant sa mise en
production.
Ma mission a été d’effectuer une validation du capteur conçu par Invensys pour permettre de
lancer sa production.
La présentation de l’entreprise va permettre, dans un premier temps, de situer dans quel
environnement j’ai travaillé pendant 8 semaines. Dans un second temps, nous décrirons le
pressostat linéaire et ses spécifications clients. Enfin, les objectifs du stage présenteront le
déroulement du travail que j’ai effectué afin de valider le capteur.
7
1 Présentation de Invensys Controls
1.1 Historique de l’entreprise
 1868 : Louis CARPANO acquière une société à Cluses spécialisée dans la fabrication et la
vente de pièces d’horlogerie.
 1902-1926 : l’entreprise connaît un développement rapide grâce aux efforts de Constant
CARPANO.
 1927 : l’entreprise est rachetée par Charles PONS qui créa « CARPANO & PONS ». Il
poursuivit dans l’horlogerie avec une spécialisation dans la technologie de précision
miniature. C&P commença à étendre son marché, l’entreprise concevait et fabriquait à
présent : des composants et des systèmes de commandes pour les appareils domestiques
ainsi que des équipements de connexion pour l’industrie de télécommunication.
CARPANO & PONS vendait ses produit dans plus de 30 pays sous les noms de « SIBEL »
et « SO.FY.COM ».
 1988 : CARPANO & PONS fut rachetée par EATON CONTROLS. C’est un groupe
international fabriquant principalement des produits hydrauliques, des connecteurs liquides,
des équipements de distribution électrique, des éléments moteurs ainsi qu’une grande
variété de commandes.
 1997 : SIEBE reprend EATON et lance de nouvelles applications de contrôle tel que :
contrôle de climatisation, contrôle de bouilloire, la réfrigération…
 1999 : c’est la naissance d’INVENSYS (Invention System) suite à la fusion de BTR et de
SIEBE.
1.2 Invensys dans le monde
Invensys est une entreprise internationale présente dans l’industrie les équipements pour
l’électroménager et l’habitat, mais aussi dans les équipements pour la pétrochimie,
l’alimentaire, les logiciels dédiés à la fabrication et le ferroviaire.
Figure 1 - Domaines d'activités d'Invensys
La division « Invensys Controls » comporte 41 sites dans différents pays du monde : Europe,
Amérique du Nord, Amérique du Sud et en Asie Pacifique.
Invensys Controls représente 16000 employés dans le monde.
8
Figure 2 - Invensys dans le monde
Voici la répartition des différents sites d’Invensys Controls en Europe. Le siège européen se
trouve à Archamps.
Figure 3 - Invensys en Europe
9
1.3 Le site de Thyez
1.3.1 Situation générale
Le site comptait 331 employés jusqu’au mois d’août car elle regroupait une unité de
production en plus du bureau d’étude et de contrôle qualité. Mais l’unité de production du site
a été stoppée et transférée sur l’usine de Trnava (en Slovaquie) pour cause de résultats
financiers insuffisants.
Seul le bureau d’étude a été conservé sur le site de Thyez. Le site ne compte donc plus que 55
employés dont la plupart sont techniciens ou ingénieurs, tout en conservant une petite cellule
marketing.
Son activité est la conception, réalisation et la mise en production de composants
électromécaniques et électroniques pour l’industrie de l’électroménager (Lave-linge et Sèchelinge).
Invensys est une compagnie qui propose du full design, du co-design et de l’ECM à ses
clients.
Elle s’occupe de concevoir :
le software implanté dans les cartes électroniques
le HW regroupant l’IHM (interface Homme Machine : touches, sélecteurs, voyants
lumineux…) et l’électronique de puissance
les éléments électromécaniques : minuteurs, capteurs de pression…
les pièces plastiques telles que les boîtiers de fixation, les guide lumière…
Elle fabrique les cartes électroniques de faibles et fortes puissances, elle monte les pièces
électromécaniques (minuteurs, capteur de pression…).
Le site de Thyez s’occupe principalement des lave-linges et des sèche-linges. Le bureau
d’étude qui était initialement composé en majorité de mécanicien (pour les « timers »
électromécaniques) puis actuellement composé en majorité d’électronicien, s’est forgé une
solide expérience dans le full design destiné aux produits blancs.
Cependant son activité tend à s’intégrer de plus en plus dans le groupe international, avec des
axes de recherche orientés vers le marché du chaud et du froid (réfrigérateur, plaque de
cuisson...). Les produits Invensys développés sur le site de Thyez :
Figure 4 - Wash and Dry
10
1.3.2 Les principaux clients d’Invensys Controls pour le Wash&Dry
Figure 5 - Principaux clients du Wash&Dry
Electrolux, Bosch, Whirlpool, Arcelik, et Indesit représentent 60% du chiffre d’affaire, mais
Invensys s’ouvre de plus en plus sur les petits constructeurs émergeants (comme Gorenje,
Vestel) car ces clients recherchent des fournisseurs ayant une certaine expérience dans le
secteur du Wash&Dry.
1.3.3 Le bureau d’étude
Le bureau d’étude regroupe 55 personnes dans différents domaines qui travaillent dans un
local de 800 m2 regroupant bureaux et laboratoire.
Le B.E atteste de 25 années d’expériences en full design Hardware/Software/Mécanique.
L’activité de l’entreprise se situant dans un domaine nécessitant différentes compétences, le
bureau d’étude se compose de plusieurs équipes :
L’équipe logicielle
Une section Software (Firmware = Informatique Industrielle) crée les logiciels de
contrôle, les membres de cette équipe rédigent les programmes en différents langages
(C, C++ et Assembleur). Ces codes sont implémentés dans des microcontrôleurs pour
gérer l’intelligence du système utilisé.
L’équipe qualité
La section qualité a deux activités principales :
-La partie fiabilité teste les produits dans différents environnements (Environnement
climatique, vibrations) pour déterminer leur robustesse, leur endurance ...
-Le laboratoire CEM (Compatibilité Electromagnétique) mesure les capacités des
systèmes à fonctionner dans leurs environnements opérationnels avec un respect des
différentes normes.
L’équipe mécanique
Conception des éléments plastiques et électromécanique
11
L’équipe électronique
Conception des cartes électroniques (PCB, alimentation SMPS, commandes moteur et
vanne...), choix et dimensionnement des composants, validation des produits, test des
cycles de lavage...
L’équipe CAO
Placement/routage des cartes électroniques selon les contraintes industrielles, règles de
fabrication de circuit imprimé et les règles CEM.
1.3.4 Organisation hiérarchique du BE
Le bureau d’étude est organisé de façon matricielle. C'est-à-dire qu’il y a des responsables de
fonctions (verticales) chargées du développement des technologies, et des responsables de
projets (fonctions horizontales) chargées du développement des projets de la pré étude
jusqu’au démarrage de la production.
Figure 6 - Organisation hiérarchique
12
2 Le pressostat linéaire
2.1 Présentation générale
Toute la partie contrôle d’une machine à laver le linge est gérée par une carte principale :
Figure 7 - Electronic board
Sur cette carte principale on reçoit une information sur le niveau d’eau dans la machine à
laver. Pour cela on peut utiliser deux types de capteur de pression :
pressostat mécanique
Ce type de pressostat ne donne que trois
valeurs en sortie : niveau vide (/N1),
niveau plein (N1) et Overflow.
Le niveau d’eau n’est pas ajusté en
fonction de la quantité de linge présent
dans la machine.
pressostat analogique
On utilise maintenant des pressostats
linéaires qui donnent une meilleure
précision du niveau d’eau dans la machine
à laver. Cela permet de rendre le lavage
plus efficace en ajustant le niveau d’eau en
fonction de la quantité de linge présent
dans la machine et du textile lavé. Ceci
pour objectif d’optimiser la quantité d’eau
utilisée et la consommation électrique dans
le but de mettre sur le marché des
machines en classe A, A+…
.
Figure 8 - Caractéristiques des pressostats mécaniques et analogiques
13
2.2 Le pressostat 470830AD
Le pressostat a été conçus par Invensys Controls de Thyez en collaboration avec le site
Invensys de Belluno situé en Italie. Il a été basé sur les spécifications du client BOSCH. Le
site de Belluno a développé la partie mécanique et le site de Thyez à conçus l’électronique de
controle du pressostat. C’est un capteur de pression linéaire de type analogique, dont on peut
voir le schéma ci-dessous :
Figure 9 - Vue éclatée du pressostat 470830AD
L’information que donne le pressostat en sortie du connecteur est une fréquence dont la valeur
varie en fonction de la pression en entrée qui correspond au niveau d’eau dans la machine à
laver.
2.2.1 Partie mécanique
On peut voir ci-dessous la partie mécanique du pressostat en éclaté ainsi qu’une vue de dessus
du capteur sans la membrane, le support du noyau et le capuchon.
Figure 10 – Mécanique du pressostat Invensys
14
On peut voir ci-dessous une représentation simplifiée du principe mécanique du capteur :
Figure 11 - principe mécanique du pressostat
L’eau qui rentre dans la cuve va exercer une pression d’air sur la membrane et va déplacer le
noyau vers l’intérieur de la bobine. Le noyau en ferrite va modifier le champ émis par la
bobine et l’inductance de sortie de la bobine va varier. Le ressort va plus ou moins se tendre
en fonction de la pression exercée par l’eau.
On a donc en sortie une inductance qui varie en fonction de la pression.
La vis d’ajustement sert à positionner le noyau en position initial de manière à avoir la valeur
d’inductance correspondant à un niveau vide dans la machine à laver.
2.2.2 Partie électronique
L’électronique de controle doit être capable de traduire une variation de l’inductance due au
déplacement mécanique de la membrane en un changement de fréquence. La bobine fera
partie du circuit résonant de l’oscillateur.
Invensys Thyez doit concevoir un circuit oscillant basé sur les variations de la bobine.
Un circuit oscillant a été conçu sur la base d’un oscillateur de Colpits comme ci-dessous :
Figure 12 - Oscillateur de Colpits
La sortie de cet oscillateur est un signal carré dont la fréquence est égale à :
15
La bobine est l’élément qui va varier de manière mécanique, ce qui va faire varier la
fréquence en sortie de l’oscillateur.
La fréquence de sortie de l’oscillateur de Colpits va alors varier en fonction de la pression
d’air en entrée.
Avant de renvoyer cette fréquence en sortie du capteur on va la diviser à l’aide d’un diviseur
de fréquence :
Pression
d’air
Système
mécanique
mécanique
L (H)
Oscillateur
de Coolpits
Fc (Hz)
Diviseur de
fréquence
Fout (Hz)
Figure 13 – Schéma bloc du pressostat
Pour réaliser la division de fréquence on utilise le circuit intégré CD4060BM de Texas
Instruments (voir documentation technique en annexe 2).
Ce composant est utilisé pour deux fonctions :
Amplificateur de l’oscillateur de Colpits : on utilise l’inverseur situé entre les pins 10
et 11 pour notre oscillateur.
Division de fréquence : on divise notre fréquence de sortie par une valeur multiple de
2^n, allant de 16 à 16384 selon la sortie que l’on utilise.
Schéma électrique complet en annexe 1.
Figure 14 – PCB + bobine Invensys
16
2.3 Spécifications client
Le graphique ci-dessous représente la variation de la fréquence de sortie du capteur en
fonction du niveau d’eau dans la machine à laver.
630,00
Fréquence idéal
Tolérance négative
Tolérance positive
610,00
Fréquence / Hz
590,00
570,00
550,00
530,00
510,00
490,00
0
250
500
750
1000
1250
1500
Pression
1750
2000
2250
2500
/ Pa
Figure 15 – Spécifications clients
La fréquence de sortie du capteur est demandée linéaire entre 625 Hz et 500 Hz. Plus il y a
d’eau et plus la fréquence diminue.
Les tolérances à respecter :
De 0 à 750 Pa : +/- 1.875 Hz
De 750 à 3000 Pa : +/- 5 Hz
La pression de 3000 Pa correspond à un niveau d’eau maximum dans la machine à laver de
300 mm (1Hz = 2.4 mm).
Le capteur doit aussi répondre à des critères de fiabilité en température et humidité.
Température : le signal de sortie doit respecter les caractéristiques précédentes de
20°C à 70°C.
Humidité : elle ne doit pas influencer la fréquence de sortie de 50% à 95% d’humidité.
Le site de Belluno a constaté des variations des performances du produit dues à la température
alors que celui-ci était prêt pour démarrer la production.
17
2.4 Objectifs du stage
Mon objectif est de vérifier si le pressostat correspond bien aux spécifications clients afin de
remplacer le produit concurrent de Marquardt.
Le plan de validation du pressostat est le suivant :
Il faut réaliser en parallèle la validation du schéma électrique du pressostat ainsi que la
validation d’un prototype.
La validation du schéma va se faire à l’aide d’une simulation du circuit pour différent
environnement climatique. Cette étude va se dérouler en deux étapes :
 Etude paramètrique des composants qui constituent l’oscillateur lors de changement
climatiques.
 Simulation du comportement du pressostat linéaire aux perturbations climatiques.
La simulation du pressostat linéaire va permmettre de voir les variations que la température et
l’humidité ont sur le fonctionnement du capteur. Il est nécessaire, dans un premier temps, de
réaliser une étude paramètrique des composants avant de lancer les simulations
La validation du prototype sera effectuée dans des étuves pour les changements climatiques,
et en laboratoire pour les tests annexes. On va effectuer quatre tests différents :
 Vérification de la linéarité
 Vérification des effets de la variation d’alimentation
 Vérification des effets de la température
 Vérification des effets de l’humidité
Le but d’effectuer ces deux validations en parallèle est ensuite de comparer les résultats de la
simulation et ceux obtenus en pratique et ainsi d’avoir : « simulation = pratique ».
18
3 Mesures paramétriques
Afin de connaître le comportement du capteur lorsqu’il est soumis à différentes températures,
ou à un pourcentage d’humidité changeant, il faut connaître le comportement des composants
de ce produit dans les tolérances demandées. Les composants qui ont le plus d’incidence sur
la variation de la fréquence de sortie sont ceux qui composent l’oscillateur de Colpits.
L’étude va donc porté sur :
 L’inductance de la bobine
 Les capacités
 L’inverseur du 4060
Conformément aux spécifications demandées par le client, voici les valeurs des composants
qui forment l’oscillateur de Colpits :
 C1 = 270 pF et C2 = 150 pF
 L1 = 5 mH sans le noyau
3.1 La bobine
Test de température : le test a été réalisé en étuve dans laquelle la température varie et avec
une humidité ambiante de 47%.
Voici les résultats obtenus :
% variation de L
0,10%
0,00%
-0,10%
20 25 30 35
40 45 50 55 60
65 70 75 80
-0,20%
-0,30%
-0,40%
L1
L2
Moyenne
-0,50%
Température
Figure 16 - Variation de L en fonction de la température
On peut voir ci-dessus les tolérances de variation de la bobine en fonction de la température.
Deux bobines ont été testées en température avec lesquelles nous avons établis une moyenne
(en vert). On peut remarquer que cette variation est quasiment linéaire. Par contre la valeur de
la bobine ne varie pas plus de 0.4% ce qui peut amener à conclure que la température sur L est
négligeable.
Test d’humidité : l’humidité n’a pas d’effet sur la valeur de l’inductance de la bobine après
vérification pratique.
En conclusion, seule la température fait diminuer l’inductance de la bobine. La résistance
série de la bobine augmente elle aussi avec la température, mais sa valeur n’intervient pas
dans la valeur de la fréquence de sortie.
19
3.2 Les condensateurs
Test de température : le test a été réalisé en étuve dans laquelle la température varie et avec
une humidité ambiante de 47%.
0,00%
-0,50%
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
% variation de C
-1,00%
-1,50%
-2,00%
-2,50%
-3,00%
C1
-3,50%
C2
-4,00%
-4,50%
Tem pérature
Figure 17 - Variation de C1 et C2 en fonction de la température
La variation des condensateurs est linéaire, en revanche ces courbes montrent que la
température a une influence, car à 80°C la valeur des capacités est plus faible de 4% que celle
à 20°C. Cela fait une variation de 11 pF, ce qui n’est pas négligeable. Par conséquent, la
température sur C fait varier la fréquence de sortie.
Test d’humidité : le test a été réalisé en étuve dans laquelle l’humidité varie entre 40% et
90% avec une température ambiante de 20°C.
Figure 18 - Variation de C1 et C2 en fonction de l'humidité
La valeur des capacités varie moins en humidité qu’en température. De plus on peut voir que
cette variation ne va pas dans le même sens qu’en température et qu’elle n’est pas linéaire.
L’humidité n’a d’effet que sur les capacités mais de façon moins importante que la
température. Ces résultats nous montre que lors d’une forte température, l’augmentation de
l’humidité aura pour effet de diminuer la variation des capacités.
20
Test de température et d’humidité : les deux paramètres varient en même temps.
L’humidité varie entre 40% et 95% pour différentes températures.
2,00%
% variation de C1
1,00%
0,00%
40°C
60°C
80°C
40%
60%
80%
95%
-1,00%
-2,00%
-3,00%
-4,00%
% d'humidité
Figure 19 - Variation de C1 lorsque la température et l'humidité changent
0,50%
% variation de C2
0,00%
-0,50%
40%
60%
80%
95%
-1,00%
-1,50%
-2,00%
40°C
-2,50%
60°C
-3,00%
80°C
-3,50%
% d'humidité
Figure 20 - Variation de C2 lorsque la température et l'humidité changent
Lorsque la température et l’humidité augmentent, la variation des capacités diminue, car
l’humidité compense les variations dues à la température.
En conclusion de ces tests, la température a beaucoup d’influence sur la variation des
capacités. L’humidité compense les variation dues à la température. La situation la plus
critique pour le circuit est lorsque la température est élevée et que l’humidité ambiante est
faible.
21
3.3 L’inverseur du 4060
L’inverseur de l’oscillateur, situé entre les pins 10 et 11, peut entraîner une variation de la
fréquence. En effet son temps de basculement ne doit pas varier avec la température car cela
va modifier la fréquence d’oscillation de l’oscillateur. Le 4060 est placé à l’intérieur d’une
étuve dans laquelle la température varie entre 25°C et 80°C.
Figure 21 - Test du 4060
Pour étudier l’inverseur il est nécessaire, dans un premier temps, d’étudier le PCB complet
pour connaître la fréquence à la sortie de l’oscillateur de Colpits.
A l’aide d’un fréquencemètre on obtient : Fc = 155.15 kHz
Un GBF, qui délivrera un signal carré de 155.15 kHz, est connecté en entrée de l’inverseur
(pin 11).
En sortie (pin 10), le signal est observé sur un oscilloscope pour mesurer le temps de
basculement de l’inverseur.
Dans un deuxième temps, le 4060 est placé dans une étuve dont la température va varier entre
25°C et 80°C.
22
Le signal en sortie de l’inverseur est le suivant :
Figure 22 - Signal en sortie de l'inverseur
On mesure les temps de monté et de descente à 63% de leur valeur final.
La somme du temps de monté et du temps de descente pour une température de 25°C sera
prise comme référence. Pour chaque température, ces temps de basculement vont varier. Voici
la variation du temps de propagation du signal :
variation de la période (ns)
120
100
80
60
40
20
temps de propagation
0
25
30
40
50
60
Température
70
80
Figure 23 - Variation de la période d'oscillation
Sur la courbe ci-dessus le temps de propagation augmente avec la température ce qui va faire
varier la période d’oscillation.
A 25°C, la période d’oscillation est de : 1/(155.15 kHz) = 6.4454 µs.
Plus la température augmente et plus cette période augmente.
Pour 80°C, la période augmente de 114 ns ce qui entraîne automatiquement une variation
importante de la fréquence de l’oscillateur d’environ 2.7 kHz.
Le 4060 ne varie pas lorsque l’humidité change. Il n’y a que la température qui intervient sur
le changement de son temps de basculement.
23
3.4 Conclusion
La température est le facteur le plus important de la variation des composants. La situation la
plus critique pour la variation des capacités est lorsque la température est élevée et que
l’humidité ambiante est faible. L’environnement climatique fait varier de façon négligeable la
valeur de l’inductance de la bobine.
La température modifie le temps de basculement de l’inverseur du 4060, ce qui fait varier la
fréquence de l’oscillateur. En revanche l’humidité n’a aucun effet sur cet inverseur.
Les variations de ces composant vont nous permettre de simuler les variations du capteur.
4 Simulations
4.1 MultiSim 10
Pour réaliser des simulations du pressostat linéaire, on utilise un logiciel de simulation
développé pas National Instruments : « MultiSim 10 ».
Figure 24 – MultiSim 10
Le bureau d’étude n’avait pas logiciel de simulation, mais il en était en phase de recherche
pour vérifier leur conceptions.
L’entreprise a fait venir un vendeur du logiciel qui nous en a fait une présentation complète et
nous en a fourni une version de démonstration.
J’ai utilisé cette version démonstration pour faire mes tests mais aussi pour fournir une
évaluation du logiciel sur ses fonctionnalités au bureau d’étude.
L’étude avec logiciel va se dérouler de la manière suivante :
 Réalisation de l’oscillateur
 Simulation du comportement de la carte électronique dans différents environnements
climatiques
4.2 Prise en main du logiciel
Pendant les premières semaines d’utilisation, il était nécessaire de comprendre comment
fonctionnait ce nouveau logiciel au travers de tutoriaux et de schémas préconçus. De
nombreux problèmes ont été rencontrés avant de pouvoir faire une simulation du pressostat.
24
4.2.1 Dysfonctionnent du model spice du 4060
Dans un premier temps, le montage de l’oscillateur de colpits a été simulé avec le logiciel.
Malheureusement, Le model spice du diviseur de fréquence, le 4060, ne fonctionnait pas.
On a contacté le vendeur pour savoir si une nouvelle version du 4060 était disponible pour
réaliser nos tests. Il n’y avait pas de mise à jour pour composant pour le moment, donc nous
avons utilisé d’autres composants pour le remplacer.
L’inverseur situé entre les pins 10 et 11 du 4060 permet de réaliser l’oscillateur. Un inverseur
quelconque, de technologie CMOS 5V, a été utiliser pour remplacer celui du 4060.
Cet inverseur ne présentait pas les mêmes caractéristiques que celui utilisé dans le diviseur de
fréquence. L’étude du temps de basculement de l’inverseur du 4060 nous a permis de
modifier le model spice de l’inverseur utilisé pour la simulation.
4.2.2 Problème d’échantillonnage
Lors des simulations de l’oscillateur de Colpits, la théorie ne correspondait pas aux résultats
des tests effectués sur le capteur en laboratoire. Le schéma simulé est le suivant :
Figure 25 - Simulation Oscillateur de Colpits
Ci-dessus le schéma complet de l’oscillateur de Colpits présent sur le PCB. Les mêmes
valeurs des composants que ceux présent sur la carte ont été utilisés, mais la fréquence
obtenue en sortie n’est pas la même qu’en pratique.
L’échantillonnage est deux fois plus élevé que la fréquence de l’oscillateur. Si on
échantillonne plus rapidement, la fréquence de sortie augmente.
Le vendeur du logiciel n’a pas pu nous donner plus d’explication sur ce phénomène, qui n’a
pas été résolus par la suite.
La fréquence d’échantillonnage a été fixée pour toutes les mesures, et les variations de
fréquence obtenues ont été converties en pourcentage de variation.
25
4.2.3 Réalisation du PCB complet sous MultiSim 10
Après avoir réussit à faire fonctionner l’oscillateur de Colpits, le schéma complet du PCB a
été réalisé. Le problème était que le model spice du 4060 ne fonctionnait pas. On a alors
utiliseé le 4040 dont la fonction était similaire mais ne comportait pas l’inverseur servant pour
l’oscillateur de Colpits.
Le montage complet de la carte électronique a été réalisé et testé. La simulation des variations
de la fréquence en température et en humidité vont être réalisés à partir de ce circuit
4.3 Simulation climatiques
Grâce aux études de température qui ont été effectuées sur les composants précédemment, il
est possible de simuler le comportement de la carte lorsqu’il est soumis à de fortes
températures et à une certaine humidité.
Les valeurs des composants testés ont été utilisées pour déterminer la variation de la
fréquence due au changement climatique.
4.3.1 Température
Effet de la température sur la fréquence
1,00%
0,80%
Simulation
% variation Fréquence
0,60%
0,40%
0,20%
0,00%
-0,20%
20
30
40
50
60
70
80
-0,40%
-0,60%
-0,80%
-1,00%
Température (°C)
Figure 26 – Simulation de température
D’après la simulation, on peut dire que la température a un effet négligeable sur la fréquence
de sortie. La variation de fréquence maximum est de 0.45%.
26
4.3.2 Humidité
Effet de l'humidité sur la fréquence
0,00%
40%
45%
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
-0,05%
% variation fréquence
Simulation
-0,10%
-0,15%
-0,20%
-0,25%
-0,30%
-0,35%
-0,40%
Température
Figure 27 – Simulation de l’humidité
De même pour l’humidité, la fréquence diminue mais de manière négligeable car il n’y a que
0.35% de variation.
4.4 Conclusion des simulations
En conclusion, les simulations ont montré que les variations d’humidités et de température
avaient un effet négligeable sur la variation de la fréquence. Lorsque la température et
l’humidité sont élevées, la variation de fréquence est faible aussi. D’après ces simulations, la
fréquence en sortie du pressostat ne devrait pas être affectée par des changements climatiques.
On peut déduire de ces simulations que le capteur conçus par Invensys Thyez correspond aux
spécifications clients. Il faut à présent vérifier que les résultats sont similaire à la validation du
prototype.
27
5 Validation du prototype Invensys Controls
Pour continuer le plan de validation exposé au départ, des essais climatiques doivent être
réalisés sur le pressostat pour valider son fonctionnement.
L’étude suivante a été réalisée :
 Etude de la linéarité du pressostat
 Effet de la variation de l’alimentation
 Essais de température
 Essais d’humidité
5.1 Etude de la linéarité.
La linéarité du pressostat est la première chose à regarder pour vérifier si le capteur
correspond aux spécifications client. Pour simuler la pression à l’intérieur du pressostat, on
utilise un calibreur de pression qui permet d’injecter la pression souhaiter.
Effet de la pression sur la fréquence
630
PCB1
610
PCB2
PCB3
Fréquence (Hz)
590
PCB4
Neg.tolerance
570
Pos.tolerance
550
530
510
490
0
2
4
6
8
10
12
14 16
18
20
Pression (mbar)
22
24
26
28
30
Figure 28 – Effet de la pression sur la fréquence
Les résultats ci-dessus montrent que la sortie du pressostat n’est pas complètement linéaire. A
partir de 1700 Pa, la courbe ne suit plus les spécifications. Ce problème est dû au ressort qui,
lorsqu’il est compressé, devient de plus en plus résistant. Ce problème est peut-être dû aux
échantillons envoyés par Invensys Belluno, qui ne comportaient pas les bonnes pièces.
28
5.2 Variation de la tension d’alimentation
La tension d’alimentation des produits Invensys peut varier. C’est pourquoi ce test doit être
fait pour vérifier que la fréquence de sortie du pressostat n’est pas affectée par cette variation.
Un tests avec une tension variant de 4.5V à 5.5V a été exécuté. Le fonctionnement nominal de
ce produit est 5V.
Effet de la variation de la te nsion d'alimentation
635
633
fréquence (Hz)
631
629
627
625
623
621
619
0 Pa
617
Linéaire (0 Pa)
615
5
4,
6
4,
7
4,
8
4,
1
9
2
5
4,
5,
5,
Tension d'alimentation (V)
3
5,
4
5,
5
5,
Figure 29 – Effet de l’alimentation sur la fréquence à 0 Pa
Ce test a été effectué avec une pression nulle et on peut voir que la variation est linéaire. Par
contre, cette variation de tension entraîne une grande dispersion sur la fréquence.
Ci-dessous, la variation de la fréquence en fonction de la pression pour différentes tensions
d’alimentation.
Effet de l'alimentation en fonction de la pression
640
Fréquence (Hz)
620
Vcc = 4,5V
600
Vcc = 4,75V
580
Vcc = 5V
Vcc = 5,25V
560
Vcc = 5,5V
Tolerence Pos.
540
Tolerance Neg.
520
500
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Pression (mbar)
Figure 30 – Effet de l’alimentation en fonction de la pression
La variation de fréquence dépasse le gabarit et ne correspond pas aux spécifications clients
dans les limites des tolérances.
29
5.3 Variation de la température
Précédemment nous avons réalisé des simulations de la variation de la fréquence en fonction
de la température. Ces essais doivent permettre de confirmer les résultats obtenus. Deux tests
ont été effectués: la carte seul puis le capteur complet.
5.3.1 Test de température sur la carte
Comme pour les simulations, la température varie entre 20°C et 80°C, et la carte est à
l’intérieur d’une «étuve climatique ». Le résultat est le suivant :
Effet de la température sur le PCB
732
Fréquence (Hz)
730
728
726
Sans le noyau
724
722
720
20
30
40
50
60
Température (°C)
70
80
Figure 31 – Effet de la température sur le PCB
On peut remarquer que la variation ci-dessus ne correspond pas aux simulations effectuées.
En effet, lors des simulations la fréquence ne variait pas avec la température. La simulation
effectuée n’est pas assez complète. Il y a des facteurs que nous avons jugé négligeables au
départ qui ne l’étaient pas, comme par exemple l’échauffement du PCB qui doit avoir une
influence sur le fonctionnement.
Toutes les simulations de variation de la fréquence en fonction de l’environnement climatique
ne prennent pas tous les facteurs en compte. Les résultats obtenus ne prennent en
considération que la variation des composants de l’oscillateur de colpits.
Au vu des résultats négatifs en tension, nous n’avons pas jugé utile de creuser la raison de
l’erreur simulation/pratique, mais de poursuivre par une étude de la concurrence.
5.3.2 Test de température sur le capteur complet
Les mêmes tests que précédemment dans les mêmes conditions ont été fait avec le pressostat
complet dans l’étuve.
30
Effet de la température sur la fréquence du capteur
630
capteur
Fréquence (Hz)
625
620
615
610
605
20
30
40
50
60
Température (°C)
70
80
Figure 32 – Effet de la température sur le capteur INVENSYS
La courbe ci-dessus montre que la variation de la fréquence diminue aussi mais de manière
plus importante. L’effet de la température sur les éléments mécanique entraîne une variation
supplémentaire sur la fréquence. Cela est un phénomène mécanique sur lequel je n’ai pas
travaillé car je n’avais pas les compétences pour l’étudier.
5.4 Variation de l’humidité
Dans la même étuve, on effectue les tests d’humidité pour une température de 40°C et une
humidité variant entre 50% et 90%.
624
capteur
Fréquence (Hz)
623
622
621
620
619
618
50%
60%
70%
Humidité (%)
80%
90%
Figure 33 – Effet de l’humidité sur le capteur INVENSYS
Pour une humidité sur 95% et une température de 80°C, on est dans le cas le plus critique car
il y a une variation de la fréquence d’environ 20Hz par rapport à un fonctionnement à
température et humidité ambiante.
31
A température ambiante, l’humidité n’a pas beaucoup d’effet sur la fréquence de sortie. En
revanche lorsque la température est élevée, c’est le cas le plus critique car on observe une
forte variation de fréquence.
5.5 Bilan du capteur Invensys
Voici les résultats des mesures effectuées :
TEST1
Etude de la linéarité
Pression (mbar)
Delta f =
Max % variation f =
Niveau d'eau
TEST2
0 to 30
92.13
-73.7
221,11
mbar
Hz
%
mm
Variation de la tension d'alimentation
Volt
4,5 to 5,5 V
Delta f
14.31
Hz
Max % variation f
11.45
%
Niveau d'eau
34,34
mm
TEST3.2
TEST3.1
Test de température sur le PCB
Humidité
47
t amb. °C
20 to 80
Delta f
9.81
Max % variation f
-7.85
Niveau d'eau
23,54
Test de température sur le capteur
Humidité
47
t amb. °C
20 to 80
Delta f
16.33
Max % variation f
-13.06
Niveau d'eau
39,19
%
°C
Hz
%
mm
TEST4.1
Variation de l'humidité
RH
t amb. °C
Delta f
Max % variation f
Niveau d'eau
%
°C
Hz
%
mm
TEST4.2
50 to 95
40
5.93
-4.74
14,23
%
°C
Hz
%
mm
RH
t amb. °C
Delta f
Max % variation f
Niveau d'eau
95
40 to 80
19.92
15.94
47,8
%
°C
Hz
%
mm
5.6 Conclusion
Le capteur de Invensys ne correspond pas aux spécifications de leur client. En effet, rien que
la variation de la tension fait varier de 34 mm la hauteur d’eau dans la machine à laver alors
que la tolérance maximum imposé est de 24 mm de variation. En ajoutant toutes les variations
de fréquence on voit que le capteur n’est pas conforme aux spécifications.
Les résultats de la validation du prototype étant négatifs, il a été jugé nécessaire de concevoir
un nouveau prototype en s’appuiant sur l’étude d’un capteur concurrent.
32
6 Etude du pressostat concurrent : Marquardt
6.1 Etude du circuit électronique
Nous avons voulus regarder ce que la concurrence faisait sur le marché pour voir si leur
capteur présentait les mêmes variations lorsqu’ils sont soumis à des perturbations. Avec l’aide
de Mr. FATTORINI Andrea, un ingénieur HW du bureau d’étude, nous avons étudié le
schéma électronique du PCB concurrent.
Figure 34 – PCB Marquardt
Avec la documentation technique de chaque composant et en regardant les connexions des
pistes sur le PCB nous avons pu reconstituer le circuit électronique. (Voir en annexe 3).
Ce capteur s’appuit sur le même principe de fonctionnement que le capteur conçus par
Invensys Controls : c’est la variation d’une bobine qui va créé une variation de fréquence. En
revanche, l’oscillateur n’a pas la même structure que celui d’Invensys.
Dans un premier temps, il n’a pas été jugé utile d’étudier le fonctionnement du circuit mais de
réaliser des tests de validation. Les résultats permettront de situer le capteur d’Invensys par
rapport au concurrent.
6.2 Validationdu pressostat Marquardt
Le même plan de validation du capteur Marquardt à été réalisé à par la validation du schéma
par simulation. Les tests réalisés en étuve ont été similaire à ceux effectués sur le prototype
d’Invensys.
Détail de l’étude :
 Etude de la linéarité du pressostat
 Effet de la variation de l’alimentation
 Essais de température
 Essais d’humidité
33
6.2.1 Etude de la linéarité
La sortie du capteur est linéaire :
Effet de la pression sur la fréquence
630
Marquardt
Fréquence (Hz)
610
Linéaire (Marquardt)
590
570
550
530
510
490
0
2
4
6
8
10
12 14 16 18 2 0
Pression (mbar)
22
24
26
28
30
Figure 35 – Etude de la linéarité du capteur Marquardt
6.2.2 Variation de la tension d’alimentation
Pour le capteur d’Invensys l’alimentation faisait varier la fréquence de manière critique. Pour
celui-ci la fréquence ne bouge pratiquement pas.
Effet de l'alimentation sur la fréquence
619,5
619,45
Marquardt
Fréquence (Hz)
619,4
Linéaire (Marquardt)
619,35
619,3
619,25
619,2
619,15
619,1
619,05
619
5
4,
6
4,
7
4,
8
4,
9
4,
5
1
5,
2
5,
3
5,
4
5,
5
5,
Alimentation (V)
Figure 36 – Effet de l’alimentation sur le capteur Marquardt
34
6.2.3 Variation de la température
Test de température pour une humidité de 47% :
Effet de la température sur la fréquence
622
Fréquence (Hz)
621,5
621
620,5
620
619,5
619
Marquardt
618,5
20
30
40
50
60
Température (°C)
70
80
Figure 37 – Effet de la température sur le capteur Marquardt
Cette courbe montre bien que la variation de fréquence est plus faible que celle du capteur
d’Invensys.
6.2.4 Variation d’humidité
Test d’humidité pour une température de 40°C :
620,15
Fréquence (Hz)
620,1
Marquardt
620,05
620
619,95
619,9
619,85
50%
60%
70%
80%
90%
Humidité (%)
Figure 38 – Effet de l’humidité sur le capteur Marquardt
L’humidité a un effet négligeable sur le capteur de Marquardt. Pour une condition critique de
80°C et 95% d’humidité, la variation est de 1.82 Hz ce qui faible en comparaison avec l’autre
capteur.
35
6.3 Bilan du capteur Marquardt
Voici les résultats des mesures effectuées :
TEST1
TEST2
Etude de la linéarité
Pression (mbar)
Delta f =
Max % variation f =
Niveau d'eau
Variation de la tension d'alimentation
Volt
4,5 to 5,5 V
Delta f
0,39 Hz
Max % variation f
0,31 %
Niveau d'eau
0,94
mm
0 to 30
120,71
-96,57
289,7
mbar
Hz
%
mm
TEST3
Test de température sur le capteur
Humidité
47
%
t amb. °C
20 to 80 °C
Delta f
2,92 Hz
Max % variation f
2,34 %
Niveau d'eau
7,01
mm
TEST4.1
TEST4.2
RH
50 to 95 %
t amb. °C
40
°C
Delta f
0,13 Hz
Max % variation f
-0,1 %
Niveau d'eau
0,31
mm
RH
95
%
t amb. °C
40 to 80
°C
Delta f
1,82 Hz
Max % variation f
1,45 %
Niveau d'eau
4,37
mm
6.4 Conclusion
La perturbation qui a le plus gros effet sur la fréquence est la température à humidité
ambiante. Ces résultats permmettent de voir que ce capteur est plus robuste que celui
d’Invensys.
On a fait une comparaison des deux capteurs en cumulant les variations et on arrive au
résultat ci-dessous.
Variation de l'alimentation
Température et humidité critique
Max % variation f
Variation niveau d'eau
Capteur Invensys Capteur Marquardt
11,45
0,31
15,94
2,34
27,39
2,65
82,17
7,95
%
%
%
mm
Le capteur de Marquardt correspond aux spécifications du client et il a moins de variations
que celui d’Invensys.
Le capteur proposé actuellement par Invensys ne correspond donc pas aux spécifications
clients.
36
7 Conclusion
Le but du stage était de valider le fonctionnement d’un pressostat linéaire avant sa mise en
production. Il avait été observé que le capteur avait des variations de son signal de sortie dues
à l’environnement climatique.
Les résultats des essais ont montré que la sortie du capteur varie de manière non négligeable
lorsque la température augmente. De plus, la variation de la tension d’alimentation a un
impacte important sur la fréquence de sortie. Les résultats ont montré que le pressostat ne
correspond pas aux spécifications du client.
Après discussion des résultats avec l’équipe R&D, afin de livrer des prototypes selon les
planifications client, nous avons convenu de réaliser un nouveau prototype. Pour accélérer son
développement, une étude du produit concurrent a été réalisée afin de partir sur de bonnes
bases et d’avoir un prototype opérationnel le plus rapidement possible.
J’ai pu observer durant mon stage l’importance d’une bonne communication. Les échanges
entre le site de Thyez et celui de Belluno n’ont pas toujours été clairs, ce qui a ralenti le
développement du projet.
37
8
Annexes
ANNEXE 1 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB 470830AD INVENSYS ............................................................. 39
ANNEXE 2 : DOCUMENTATION TECHNIQUE DU 4060 ..................................................................................... 40
ANNEXE 3 : SCHEMA ELECTRONIQUE DU PCB DE MARQUARDT .................................................................... 41
38
Annexe 1 : schéma électronique du PCB 470830AD Invensys
39
Annexe 2 : Documentation technique du 4060
40
Annexe 3 : Schéma électronique du PCB de Marquardt
41

Validation d`un pressostat analogique

Transcription

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