Capteurs de pesage : Jauges de contrainte ou capteurs à ... - Mesures

SolutionsCAPTEURS DE PESAGEJauges de contrainte oucapteurs à compensationélectromagnétique ?C’est une question de précision et de prix. La jauge de contrainte, largementrépandue dans l’industrie a prouvé sa robustesse et sa fiabilité pour toutes lesapplications de pesage industriel. Ses coûts de fabrication sont imbattables. Lescapteurs à compensation électromagnétique de force coûtent beaucoup plus chermais ils apportent des qualités métrologiques supérieures. Longtemps restée dansles laboratoires, cette technologie pénètre aussi le monde de l’industrie grâce audéveloppement de cellule monobloc.La célèbre jauge de contrainte.52L’industriel, ne se pose pas toujoursla question du principe de mesure.Lui, ce qui l’intéresse c’est avanttout une plage de mesure, un niveaud’incertitude, une solution techniquequi réponde et s’adapte à son application.Ainsi, il ne sait pas forcément quel élémentsensible ou quel capteur se cache sous sabalance.De toute façon, dans leL’essentiel Dans le domaine du pesageindustriel, il existe principalementdeux types decapteurs : la jauge decontrainte et la cellule parcompensation électromagnétiquede charge La première, la plusrépandue, offre un capteurrobuste et fiable La seconde, développéeinitialement pour du pesagede précision en laboratoire,apporte de plus grandesqualités métrologiques De conception plussophistiquée, elle estégalement plus chèredomaine du pesage, iln’y a pas pléthore deprincipes de mesure.On peut dire qu’il y ena essentiellement deux :la jauge de contrainteet la cellule par compensationélectromagnétiquede force.Tout le monde connaîtla première. Les qualitésdes jauges de contraintesne sont plus àdémontrer. Cette technologiesimple, quis’appuie sur la modificationde la résistanceélectrique d’un matériauqui se déforme(sous l’effet d’unecharge dans le cas dupesage) est largement éprouvée depuis denombreuses années et pas uniquement dansle domaine du pesage industriel. Elle peutêtre utilisée pour des pesées du gramme jusqu’àplusieurs tonnes. Soit une étendue deQuel principe choisir ?mesure de plus de 10 6 ! Rares sont les principes,dans le domaine de la mesure, quisavent faire un tel grand écart. La robustesse,la fiabilité, les performances métrologiquesrendent les jauges de contraintes tout à faitBalance à jauge La très connue jauge Balance de contrainte à compensationCritèresde contrainteélectromagnétiquedes forcesLinéarité (g) ± 0,5 ± 0,05Charge+ +++d’encoignureRépétabilité (g) 0,5 0,03Stabilité de++ +++températureTemps deEnviron 1 Environ 1stabilisation (s)Résolution 0,5 0,01Hystérésis + ++++Précision (g) 5 0,1Prix * 600 à 1 000 euros 1 500 à 3 000 eurosExemple pour une balance de capacité 35 kg (valeur moyenne). Les caractéristiques métrologiques d’un capteur à compensationélectromagnétique sont toujours supérieures ou égales à celles d’un capteur à jauge de contrainte. Après c’est une question de prix…* Prix HT sur la base d’une balance complète mono capteur 35 kg.MESURES 803 - MARS 2008 - www.mesures.com

SolutionsPas un objet, pas un produitne sort d’une usinesans échapper au pesage.aptes pour une grande majorité des applicationsindustrielles. Elle se prête aux conditionsdifficiles, elle est facile à installer. Troispesons sous une cuve, c’est tout ! Autre avantagede taille, leurs prix dus à des coûts deproduction faibles.Une question de précisionMoins connue dans l’industrie, la compensationélectromagnétique à effet de chargen’est pourtant pas toute nouvelle. Les premierscapteurs ont une bonne trentained’années, et en raison de leur grande qualitémétrologique, ils étaient réservés aux balancesde précision exclusivement pour les laboratoires.Le principe en lui-même est “relativement”simple. Il utilise le fait qu’une charge exercéesur le noyau d’une bobine nécessite uneaugmentation du courant de la bobine pourremettre le noyau à sa position initiale. Cettevariation, permettant cette compensation,est alors proportionnelle à la force (et doncaux poids). Les qualités métrologiques de cecapteur sont indéniablement supérieures àla jauge de contrainte : dix fois mieux enrépétabilité, dix fois mieux en linéarité…Au final, ces caractéristiques permettent deréduire l’incertitude globale de mesure d’unfacteur dix. Dans le domaine du pesage, onparle plus volontiers de résolution (chargemaximale de la balance divisée par la précisiond’affichage, i.e. la différence entre deuxpas d’affichage. Une balance de précisionprésente une résolution aussi élevée que possible).A titre indicatif, une balance d’unecharge maximale de 30 kg présentera unerésolution de 6000 points avec jauge decontrainte (5 g) et de 300 000 points (0,1 g)avec une cellule à compensation électro- ➜MESURES 803 - MARS 2008 - www.mesures.com53

SolutionsLa cellule à compensation électromagnétique, précise et robuste.➜ magnétique. Ces qualités métrologiquesse révèlent d’autant plus importantes au niveaude la partie basse de la plage de mesure.En effet, l’incertitude relative augmente aufur et à mesure que la valeur du poids diminue.Dans bon nombre de domaines, lessystèmes d’assurance qualité ou les guidesde bonnes pratiques de fabrication imposentde définir une valeur limite, c’est-à-dire unpoids minimal au-dessous duquel l’incertitudede mesure est plus élevée que les critèresd’acceptation. On donne généralementun poids minimal type pour une tolérancede 1 %. Mais cela ne suffit pas. Il est toujoursnécessaire d’effectuer des mesures sur siteLes critères qui font la différenceLinéaritéLa linéarité d’une balance caractériseson aptitude à suivre le rapport linéaireentre le poids effectif et la valeur demesure affichée. La qualité d’une balanceest caractérisée par une ligne droiteentre le zéro et le maximum de la portée.Charge d’encoignureUne balance de qualité indique le mêmepoids sur toute la plate-forme quelleque soit l’excentration de la charge.Stabilité de températureUne série de pesées du même poidsdonne toujours le même résultat mêmeà différentes températures.pour déterminer précisément la pesée minimalenette. Pour une balance par ailleurséquivalente, cette valeur de pesée minimalesera toujours plus basse dans le cas d’unecellule à compensation électromagnétique.Si avec une balance à jauge de contrainte, ilparaît difficile d’aller en deçà du gramme,une balance avec cellule à compensationélectromagnétique permet d’atteindre ledixième de microgramme (10 - 7 g).Temps de stabilisationTemps entre le moment où le poids estposé et la stabilisation de l’indicateur.Il doit être le plus court possible.RésolutionSi l’on divise la plage de mesure(la charge maximale) d’une balance parla précision d’affichage, on obtientla résolution de la balance. Une balancede qualité présente une résolutionaussi élevée que possible.Exemple d’une balance de 32 kg decharge maximale avec une précisiond’affichage de 0,1 g : ceci équivautà une résolution de 320 000 points.Répétabilité, linéarisation, résolution, erreurliée à l’excentration de charge, la cellule parcompensation électromagnétique offre entout point de meilleurs résultats que la jaugede contrainte.La jauge de contrainte garde cependant unatout pour elle : sa minceur. La structure “endeux dimensions” de la cellule à compensationélectromagnétique est relativementépaisse. Il faut compter au minimum uneLes deux principes de pesageCompensation électromagnétique des forcesJauge de contraintePrincipe :Principe :Le principe est basé sur la transformation électrodynamique. Le courant est conduit par une bobine Les capteurs à jauge de contrainte sont constitués d’un corps élastique sur lesquels des résistancesplacée entre les deux pôles d‘un aimant permanent. Au repos, le système est équilibré.électriques (ou jauge de contrainte) sont installées et dont la résistance se modifie sous laSi le système est déséquilibré par une force externe, il est remis à l’équilibre par une régulation déformation. La mesure utilise un pont de Wheatstones pour déterminer le changement relatifdu courant de la bobine. La construction en deux dimensions assure une résistance contrede la résistance. Ce changement est proportionnel à la force. Cette technologie peut être utiliséeles coups et les torsions. La résistance mécanique du capteur est augmentée en utilisant des leviers pour mesurer des charges jusqu’à plusieurs tonnes. Elle est robuste et adaptée aux plates-formeset une protection intégrée.de faible hauteur (idéal sous les silos ou les cuves).Caractéristiques principales :Caractéristiques principales : Haute résolution,Technologie simple, largement éprouvée,Bonnes performances métrologiques,Réduction de force par leviers,Sophistiquée mais relativement chère.Faible coût de fabrication, basse consommation de courant,Apte pour les balances extra-plates,Existe en multiples versions : capteurs de flexion, capteurs annulaires de charges…54MESURES 803 - MARS 2008 - www.mesures.com

SolutionsEtalonnage : de 1 milligramme à 5 tonnesA Béthune, site historique de Testut,rachetée par Mettler Toledo en 1999,le fabricant réalise 20 000 étalonnagesenviron par an dans le domainedes masses. Il a investi 700 000 eurosrécemment pour étendre ses prestations.La dernière accréditation obtenue endécembre dernier porte sur la gammede 1 mg à 1 kg dans la classe E2.Le laboratoire est donc accrédité parle Cofrac pour l’étalonnage de poidset masses de 1 mg à 5 t de classe M1,1 mg à 20 kg de classe F1 et 1 mg à 1 kgde classe E2. La classe de précision E2impose quelques précautions : pouratténuer les vibrations, le sol a été isolédu reste du bâtiment et les comparateurssont installés sur des marbres de prèsd’une tonne. Une installation deconditionnement d’air permet de régulerles salles d’étalonnage et maintenir unevitesse de circulation d’air inférieure à0,2 m/s (principalement grâce à desmicroperforations du plafond). Pouréviter l’échauffement de l’air (lié entreautres à la présence des opérateurs),l’air est renouvelé 30 fois par heure avec,au final, une température régulée à± 0,4 °C et ± 5 % d’humidité relative.Ici, seul des comparateurs équipésde cellules à compensationélectromagnétique peuvent garantirun niveau de précision suffisantpour ce type d’activité.hauteur de 180 mm. Cet inconvénient peutêtre rédhibitoire notamment pour des balancesultraplates ou lorsqu’il s’agit de “glisser”des capteurs sous des silos ou des cuvesposées sur le sol.Une question de prixMais on l’aura déjà compris, la contrepartiela plus importante de la qualité des cellulesà compensation électromagnétique est leprix. Leur fabrication relève de la mécaniquehorlogère de haute précision. Au sein deMettler Toledo, elles sont d’ailleurs fabriquéesexclusivement en Suisse.En réalité, l’élément sensible est associé à unearchitecture mécanique qui par un jeu deleviers et d’axes permet de “concentrer” laforce sur la cellule. On parle ainsi parfois debalance hybride. Il y a 20 ans, pour fabriquerun capteur de ce type, il ne fallait pas moinsde 350 pièces, toutes assemblées les unesaprès les autres, manuellement.Les constructeurs ont, ces dernières années,réussi à réduire le nombre de pièces à unecentaine de pièces et à construire une celluleen un seul bloc. Ce monobloc est réalisé,chez Mettler Toledo, dans un alliage d’aluminiumrésistant, utilisé dans l’aéronautique.Une découpe spécifique est réalisée dans cebloc compact par une machine à électroérosion.Ces découpes à l’intérieur même dubloc créent des parties plus ou moins mobiles.L’agencement “très calculé” de ces partiesmobiles induit une démultiplication desphénomènes remplaçant ainsi les axes et lesleviers d’une structure mécanique classique.Cette cellule compacte développée initialementpour du pesage de précision en laboratoireest de plus en plus utilisée pour desapplications industrielles. Sur le marché desbalances industrielles, Mettler Toledo réaliseaujourd’hui près d’un quart de ses ventes(en valeur) avec des capteurs à compensationélectromagnétique.Là où il y a des matières premières de valeurqui doivent être ajoutées avec parcimoniepour produire le bon mélange : en pharmacie,en cosmétique, en agro-alimentaire. Pourtoutes ces fabrications qui nécessitent desformulations ou des recettes, avec parfois desécarts très grands. Dans le domaine de lamécanique aussi, pour le comptage parexemple de petites pièces. Pour toutes cesapplications, la cellule à compensation électromagnétiqueprend l’avantage.Marie-Pierre Vivarat-PerrinArticle rédigé à partir d’éléments techniques fournis parla société Mettler - ToledoMESURES 803 - MARS 2008 - www.mesures.com55