Introduction de la charge sur les capteurs de pesage – Conseils aux utilisateurs

Introduire correctement la charge sur les capteurs de pesage est une condition essentielle pour obtenir des résultats de pesage précis. Que ce soit le sens de la charge, les pièces mécaniques d’appui ou de montage, de nombreux autres facteurs influencent l'introduction de la charge.

Il convient d’accorder une attention particulière aux points d'introduction de la charge dans les capteurs de pesage, c’est à dire aux points de contact entre la charge à peser et le corps du capteur de pesage mais aussi entre le capteur et la surface d’appui (fondation).

Il arrive très souvent, en effet, que des composantes de charge agissent en dehors de la direction de la charge (verticale) du peson et conduise alors à des charges parasites qui peuvent générer des erreurs sur le résultat de la pesée et même être déterminantes sur la durée de vie du capteur.

Les pesons doivent donc être uniquement utilisés dans leur sens spécifique de chargement. Sur beaucoup de capteurs de pesage HBM, ce sens de chargement est identifié par une flèche. Pour quelques capteurs (comme les Z6, Z7 et HLC), il est possible d’introduire la charge dans les deux sens de travail soit en +/-. Pour un pesage avec transaction commerciale, il est impératif de respecter le sens positif.

Autant que possible, il faut éviter que des forces latérales, des flexions ou des moments de torsion agissent sur le corps d’épreuve du capteur. Les figures ci-dessous montrent plusieurs types de chargement sur un capteur, avec dans le cas de la figure (a) une bonne introduction de la charge mais aussi des chargements incorrects pour les autres figures (b, c et d).

(a) Charge parfaitement centrée - (b) Charge décentrée - (c) Charge oblique ou radiale - (d) Charge avec un monement de torsion

Correct loading of load cells and some examples of incorrect loading
Chargement correct et quelques exemples de chargements incorrects

Structures d’appui des capteurs de pesage

Pour un chargement en compression, la base des capteurs de pesage doit reposer sur une surface d’appui massive et parfaitement plane. La fondation ne doit pas être déformée sous la charge. De manière à assurer une bonne transmission de la charge des pesons vers la fondation, il est indispensable de fixer les capteurs sur une plaque d’appui rigide. Cette mesure est impérative, lorsque les capteurs de pesage reposent sur des charpentes profilées dont la portance est principalement liée à leur raideur. La structure d’appui doit être capable de supporter la charge qui lui est appliquée.

Même, si la structure peut être sévèrement déformée sous l'effet de la charge dans certaines circonstances, la sécurité est complètement garantie.

Les déformations peuvent également provoquer une modification de la position d’appui du réservoir. De manière à éviter une position oblique de ce réservoir, la déformation doit être identique sous chaque appui pour conserver la bonne proportion de répartition de la charge par appui et de s’éviter ainsi des forces latérales.

En conséquence, il est préférable de prévoir une conception rigide appropriée plutôt que des fondations flexibles. Avec une conception souple, il est beaucoup plus difficile d’obtenir des déformations identiques.

Incorrect support structure of load cells
Exemples de capteurs montés sur de mauvais supports

Pièces de montage pour les capteurs de pesage

Sur des installations de contrôle de niveaux ou de pesage (réservoirs, silos, trémies..), les effets de la dilatation thermique peuvent produire d’importants efforts latéraux (horizontaux) au niveau des appuis. Il faut en tenir compte, car ils seraient suffisamment influents sur le résultat de mesure. Les capteurs de pesage pourraient être endommagés ou même détruits sous de tels effets. Si des moments de torsion et des forces latérales agissent en même temps que la charge principale, les conséquences sur les capteurs peuvent être désastreuses. Les raisons peuvent être diverses, nous pouvons citer par exemple un chargement effectué avec un angle d’inclinaison ou bien encore une charge excentrée sur le capteur. Dans ce cas, il important d’étudier le montage pour réduire au maximun ces effets parasites et en prenant aussi le soin de ne monter qu’un seul appui fixe, les effets dus à la dilatation thermique seront alors sans influence.

Pour cela et selon la forme du réservoir, les montages seront appropriés pour offrir une solution spécifique au problème. Les pièces de montage permettent de respecter les conseils d'installation donnés avec les capteurs de pesage. Les solutions pour éliminer les phénomènes perturbants sont extraordinairement diverses et chacune exige une approche spécifique. Finalement l'ingénieur d'étude, avec une connaissance détaillée du produit, peut déterminer l’importance de ces perturbations. Pour l’aider, il y a non seulement un large éventail de possibilités d’introduction de la charge grâce à un choix de pièces de montage mais aussi de modèles de capteurs différents.

Paliers élastomères

Les paliers élastomères comportent un empilage de plusieurs plaques d’acier et de caoutchouc, fixée entre elles par vulcanisation. Ils admettent des translations horizontales jusqu’à 15mm. Du fait de malléabilité des plaques de caoutchouc, les plaques de métal peuvent subir des translations latérales opposées sans nécessiter un effort important. La plaque supérieure peut se décaler suite à un effort latéral sans que la plaque inférieure introduise un effort de réaction dans le capteur. La précision de la pesée ne sera pas affectée.

Quand un débattement se produit, des forces de réaction se développent simultanément pour ramener de nouveau le réservoir dans sa position initiale. Cette force agit proportionnellement au débattement et indépendamment de la charge. Selon le type de palier élastomère, une force jusqu'à 800 N peut être appliquée. Le palier résiste aux forces latérales et corrigent les défauts du positionnement vertical du réservoir jusqu'à 1.7°.

Les paliers élastomères s’avèrent avantageux lorsqu’il s’agit d’amortir des mises en charges brutales, des chocs, des vibrations et autres effets externes. En raison même de leur conception, les paliers élastomères isolent le capteur de la chaleur transmise par la structure ou le réservoir.

Pour limiter les déplacements horizontaux, il suffit de placer de simples butées aux extrémités de la structure. Les barres de stabilisation ne sont pas nécessaires.

Attention
Quand le réservoir à peser est positionné sur ses appuis et lorsque la charge maximale est appliquée, le palier élastomère s'affaisse de 1 mm environ. C'est beaucoup plus que le déplacement réel du capteur lui-même et cela pourrait mener à de graves erreurs de mesure.

Bien que des barres ou des tiges de stabilisation ne soient pas utilisées, il faut prendre sur place des précautions pour la fixation du réservoir, particulièrement si le centre de la gravité est dans un endroit défavorable. Les paliers élastomères sont des composants peu coûteux dans le pesage de réservoirs. Ils sont faciles à utiliser grâce à leur conception et sont appropriés pour des précisions moyennes.

ZEL element and its degree of freedom for absorbing the load
Paliers élastomères ZEL et ses degrés de liberté pour absorber la charge

Capteurs de pesage pendulaires

C16 load cell (diagram) with degrees of freedom
Schéma d'un pesons C16 et ses degrés de liberté

Capteur de pesage pendulaire auto-centreur

Ces capteurs de pesage guident automatiquement la superstructure pour la ramener à sa position initiale lorsque la charge est introduite avec une inclinaison entrainant un déplacement latéral. Le processus mécanique se sert d'un principe bien connu de la physique, à savoir l'état de stabilité à l’équilibre. Le capteur de pesage, agissant comme le corps d’un pendule, a des surfaces d'application de charge ayant un rayon de courbure globalement plus grand que la hauteur du capteur.

Le débattement admissible maximum spécifié dans les fiches techniques (par exemple un maximum de 13 mm / 5° pour le capteur C16/40t) ne doit jamais être dépassé. Sinon, le capteur risque d’être détérioré ou les faces d'application de la charge peuvent être endommagées. Le problème peut facilement être résolu avec des butées réglables appropriées installées aux extrémités de la structure. Dans de nombreux cas, cependant, il sera également nécessaire d'utiliser des barres de stabilisation (raidisseurs).
HBM propose deux pièces d’appui, une sur le dessus et une sur le dessous, peu coûteuses et faciles à installer pour compléter le montage pendulaire. Un arrêt en rotation empêche tous mouvements de rotation autour de l'axe capteur.

Le C16 de HBM, capteur de pesage auto-centreur, est actuellement disponible avec des portées nominales de 20 t à 200 T. Ils conviennent parfaitement pour des précisions moyennes et élevées.

Palier pendulaire et montages pendulaires

Un palier pendulaire et montages pendulaires permettent aux capteurs de pesage, travaillant en flexion ou bien en compression comme les capteurs du type C, de fonctionner avec cette possibilité d’auto-centrage. De cette manière, l'installation du réservoir peut répondre à des exigences de grande précision. La conception des pièces d’appui du module pendulaire permettent une position oblique d’environ 3° sans aucune erreur de mesure significative. Le déplacement horizontal des points d’appui est donc possible dans certaines limites. Tandis que les paliers pendulaires ZPL se composent habituellement de deux pièces d’appui et d'un corps cylindrique, seule une pièce cylindrique et un ensemble d’appui EPO3 constituent l’accessoire pendulaire ZPS.

Quand le palier pendulaire est sollicité en translation, la charge est légèrement soulevée par rapport à sa position initiale. Cela provoque une force de réaction qui tend à ramener le système dans sa position initiale. Les montages pendulaires peuvent être considérés comme auto-centreurs. De plus, ces accessoires sont faciles à manipuler et extrêmement simples à installer. Ils ne nécessitent aucun raidisseur pour retenir la plate-forme ou le réservoir. La limitation du déplacement latéral peut se faire à l’aide de butées mécaniques. Toutefois, pour des installations équipées d’agitateurs, la mise en place de raidisseurs est impérative. Comme pour les paliers élastomères, il est important de garantir la sécurité du réservoir contre tout basculement.

C2A avec ZPS

Z7 avec ZPL

Pieds de pesage

Les pieds de chargement sont particulièrement adaptés pour les capteurs de pesage de la série HLC de HBM qui peuvent ainsi équiper une plate-forme de pesage. La charge est introduire par l'intermédiaire d'une pièce rotulée. La mobilité de la rotule permet de compenser les mouvements à n’importe quelle charge et quel que soit le changement de température sur la balance. Le système permet un réglage de hauteur du pied ce qui rend facile le réglage en hauteur de la plate forme une fois installée. Aucun autre élément mécanique ou pièce de montage n'est nécessaire. Les pieds de pesage répondent ainsi à la demande des plates-formes de pesage extrêmement plates. Grâce à toutes ces propriétés décrites ci-dessus, de tels systèmes sont fréquemment employés lorsque l’emplacement de la balance est sujet à des déplacements.

HBM HLC load cells with mounted ZFP load feet
Pesons HLC de HBM équipés du pied de chargement ZFP

Pièces de montage additionnelles

Ensemble "Pointeau Coupelle"

Z6 with ZK

La fabrication traditionnelle de balances mécaniques pouvait atteindre une précision extrêmement élevée. Le système « pointeau coupelle » peut être utilisé sur des capteurs de pesage pour obtenir une grande précision de mesure comme cela se fait sur les balances hybrides avec le principe du «couteau et lame »

Ces accessoires de montage sont particulièrement prescrits dans les applications de pesage ayant des exigences de précision élevée et pour les installations destinées aux transactions commerciales. Ce type de montage ne peut être employé dans les applications dynamiques et installations soumises à des vibrations.

Pièces de montage en S

Z6 with ZRR

Les pièces de montage en S, sorte de bras formant un retour, sont montées de part et d’autre des capteurs de flexion. Ce système permet d’appliquer la charge en traction et compression sur un seul axe centré sur le corps d’épreuve. Les utilisations possibles avec ce montage capteur sont pratiquement limitées aux applications comme les plate-formes utilisant un seul capteur de pesage ou dans un pesage suspendu, dans ce cas des anneaux à rotule sont montés sur ces pièces de montage.

Anneaux à rotule

RSC with ZGW

Les anneaux à rotule conviennent bien pour un usage de chargement quasi-statique en traction (cycle de charge = 10 hertz). Le reste de la liaison mécanique se fait généralement à l’aide de chapes. Pour des charges dynamiques avec de plus hautes fréquences, des barres de tension flexibles devront être employées.
Pour faciliter le choix des accessoires de montage en fonction du capteur utilisé, le tableau 4-10 présente les différentes solutions possibles et appropriées.

La dernière information HBM sur les autres nouveaux composants est donnée comme information supplémentaire.

Paliers fixes ou rotulés

Si tous les supports du réservoir ne sont pas équipés d’un capteur de pesage, des paliers fixes ou rotulés doivent être placés en lieu et place. Si un palier fixe est utilisé, des composants prêts à l'emploi peuvent être employés dans une certaine mesure. L'illustration montre le palier fixe fourni par HBM qui se compose d’un double profilé en T équipé d’entretoises. Les entretoises produisent une zone de flexion définie. Le palier fixe retient le réservoir dans le sens horizontal en offrant ainsi la possibilité de se passer de raidisseurs. Il faut noter que la zone de flexion du palier fixe peut-être augmentée légèrement par le déplacement du capteur de pesage, qui aura pour conséquence un impact sur le signal de mesure. Cependant, cet impact peut être réduit considérablement en faisant des ajustements avec des poids définis.


Vue d'ensemble des accessoires de montage HBM selon les capteurs

Paliers fixes de HBM

Une variation du signal de mesure est pratiquement absente avec des paliers rotulés, parce que dans ce cas il a uniquement un léger frottement de de rotule au lieu d'une contrainte de flexion (⇒). Cependant, la retenue horizontale du palier rotulé est moins significative qu'avec les paliers fixes, il est nécessaire d’installer des tringleries de maintient selon l'application. Dans la pratique, les enveloppes étant élastiques et offrant une certaine flexibilité ont prouvé leur grande efficacité à empêcher toute perturbation et dégradation possible de la fonctionnalité du palier rotulé.

Les paliers fixes et rotulés sont seulement recommandés si la précision de mesure recherchée n’est pas élevée et si la position du centre de gravité dans le réservoir ne change pas horizontalement. Cette condition se retrouve principalement dans le cas de pesage de liquides et de matériaux fluides.

Example of a rocker bearing

Exemples de paliers rotulés

Maintien des réservoirs

Butées

La conception d'un réservoir peseur doit être établie en tenant compte des capteurs de pesage, de manière à permettre le mouvement au moyen d'accessoires de montage appropriés. Selon leur principe mécanique, les accessoires de montage sont dans une certaine mesure auto-centreur ou réactifs. Cela signifie qu’une butée mécanique serait seulement nécessaire et placé à la distance du déplacement latéral maximum admissible. Les butées d’angle comme des garnitures en caoutchouc ont prouvé leur efficacité dans ce cas-la.

Stops

Butées

Systèmes anti-basculement

Si le centre de gravité du réservoir est au-dessus des points d’appui, si les effets d’un vent fort deviennent importants ou si d'autres forces extérieures ne peuvent pas être exclues, le réservoir doit également être protégé contre une inclinaison, un soulèvement ou même un éventuel basculement.

Cette protection peut se faire par la mise en place de butées ou bien encore mieux par un dispositif spécial d'anti-basculement. Par exemple, ce système peut être constitué de tiges filetées verticales placées à proximité des points d’appui du réservoir. La tige filetée est guidée au travers d’un trou réalisé dans le pied du réservoir, sans aucun contact. Dans ce cas, la distance maximale entre la fondation et le pied du réservoir est déterminée par un écrou réglé sur la tige filetée. La bonne taille du trou dans le pied du réservoir permet également de limiter le déplacement latéral maximum.

Dispositif anti-basculementAnti-liftoff device

Raidisseurs

Lorsque le réservoir n’est pas équipé de paliers auto-centreurs, il est recommandé de monter des raidisseurs pour retenir le réservoir. Ces raidisseurs  doivent être parfaitement dimensionnés et alignés de manière à reçoivent correctement les forces extérieurement appliquées, mais surtout ne pas générer de forces en opposition au mouvement de pesée du réservoir.

Les modèles suivants ont prouvé une très grande efficacité:

Câbles de tension : Les câbles de tension ne génèrent aucune force dans le sens vertical, ce qui les rend excellents dans la prévention de forces parasites qui pourraient perturber la mesure

Câble de tension

Raidisseurs cylindriques:
Les tiges cylindriques sont soumises sont sollicité en traction dans le sens longitudinale par les efforts horizontaux.

Pour un maintien parfait du réservoir, il faut monter deux raidisseurs dans chaque axe horizontal.

Raidisseur cylindrique

Raidisseurs plats:
Le déplacement horizontal provoque une traction dans le sens longitudinal du raidisseur. La déflexion des capteurs crée une flexion des raidisseurs permettant la mesure du poids. Les effets parasites sont relativement mineurs puisque le raidisseur est monté dans le sens où il oppose le moins de résistance à la flexion, si bien qu’il est possible de le concevoir avec une section assez importante et de le fixer aux deux extrémités. Pendant le calibrage de l’installation de pesage, il faudra tenir compte des moments de flexion résistants dus aux raidisseurs.

Raidisseurs plats

La fixation du raidisseur avec des fixations symétriques et des liaisons par vis (dessus et dessous) est particulièrement recommandée lorsque le pesage est dynamique, les distances de flexion doivent identiques quand on a un chargement répétitif.

Raidisseurs à tourillons:
Les raidisseurs à tourillons offrent une très légère résistance verticale. Toutefois, ils sont sensibles au désalignement et donc au frottement. Le montage exige donc des précautions. La fixation sur le réservoir doit être faite de manière à ce que déplacements latéraux ne provoquent pas le coinçage des tourillons.

Raidisseurs à tourillons

Raidisseurs cylindriques avec anneaux à rotule :
Les raidisseurs cylindriques avec embouts à rotule se comportent essentiellement de la même manière que les raidisseurs à tourillons. Du faite de leur conception avec un point de pivot libre, ils seront moins sensibles au phénomène de coincement. En dehors du réglage horizontal à effectuer dans tous les cas, ces raidisseurs sont peu sensibles aux tolérances de fabrication et d'installation des réservoirs.
Par contre, lorsque le réservoir est installé à l’extérieur, il faudra prendre de grandes précautions de protection des rotules, voir d’entretien, pour éviter un blocage des anneaux dû aux saletés et à la corrosion.

Raidisseur cylindrique avec anneaux à rotule

En position finale de montage, il est recommandé de disposer les deux anneaux à 90° l’un par rapport à l’autre (contrairement à ce qui est montré sur le figure 4-18), l’une compensant l’autre.

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Load application in load cells
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