Certains points de mesure, par exemple sur des ouvrages d’art (ponts..) ou sur des ailes d'avions, sont souvent situées très loin des instruments de mesure. Pour raccorder ces points de mesure, qui ne sont pas toujours directement accessibles, il est nécessaire d’utiliser de grandes longueurs de câble. Cette solution soulève un inconvénient majeur: en effet la résistance des fils constituants le câble peut s'élever de plusieurs ohms et affecter ainsi la mesure. La résistance du câble peut varier tout particulièrement pendant la mesure, en raison par exemple des variations de la température. Cette variation de résistance induite a des conséquences négatives sur le résultat des mesures.

Avec les fils qui sont en série avec les jauges de contrainte (SG) dans le même bras du pont, la réponse en température due à l’échauffement du câble est calculée selon la formule suivante :

 

 Q = Conductivité du matériau constituant le fil du câble      

Exemple:

Un fil de cuivre de longueur 1 m (0.5 m pour chaque fil d’alimentation et fil de retour) et de 0.15 mm² de section, en série avec une jauge de contrainte de 120 ohms, provoque une réponse en température de 20 µm/m pour une variation de température de 10°C. Dans les mêmes conditions, la réponse en température d’une jauge de contrainte de 350 ohms est seulement de 7 µm/m.

Il existe différents types de montage des jauges de contrainte qui permettent de pouvoir compenser les résistances des fils du câble. Cet article vous présente trois types de montage (ou circuits) construits sur le principe des jauges câblées en pont de Wheatstone, en vous expliquant leurs avantages et leurs inconvénients.

Montage 2 fils

Avec un montage 2 fils, les jauges de contrainte sont reliés à l'amplificateur par deux fils (voir fig. 1). Le schéma de ce circuit montre bien que la résistance du câble est ajoutée deux fois (alimentation et retour signal) à la résistance de la jauge de contrainte.

Cela affecte à la fois le zéro et la sensibilité du pont de jauge. Même avec des câbles ayant des longueurs de quelques centimètres, il est essentiel de tenir compte de la résistance du câble. Le montage 2 fils est particulièrement sensible à toute variation de température pendant la mesure, puisque le changement de résistance affecte immédiatement la valeur mesurée.

La stabilité en température du circuit 2 fils a été testée à l'aide d’une jauge de contrainte et d’un amplificateur QuantumX MX1615

Sur un montage 2 fils, le résultat est très significatif : ce circuit n’a pas d’intérêt. En effet une variation de température se traduit par une très grande variation de résistance du câble et par conséquence la mesure est entièrement pertubée.

Une résistance asymétrique change considérablement le résultat d’un circuit de jauge de contrainte et introduit trop des erreurs de mesure. Les changements de résistance ne sont pas corrigés. 

 

 

 

Fig. 1 : Raccordement d’une jauge de contrainte en liaison 2 fils

 

Montage 3 fils

Avec un circuit 3 fils, une liaison supplémentaire relie la jauge à l’amplificateur ce qui permet par conséquence de constituer un deuxième circuit de mesure qui est utilisé comme référence. Dans ce montage le troisième fils mesure la tension au point de jauge et l’amplificateur augmente  l’alimentation de manière à compenser la perte de tension issue de l’augmentation de résistance du câble. De cette façon, la tension traversant la jauge de contrainte est identique avec ou sans câble. Le câble n'a aucune influence sur la sensibilité.

Le montage 3 fils exige que les deux fils transportant le courant aient la même résistance, puisque la tension est mesurée seulement avec un fil, cependant, la correction est faite en doublant la valeur. Par conséquent, avec un câble de quatre fils, il serait fâcheux de relier deux fils en parallèle pour réduire la résistance du câble. Le résultat serait une erreur significative du zéro. D'autre part, avec des jauges du type rosettes et chaînettes, il est essentiel de s'assurer que la résistance RKab1 correspond à toutes les résistances RKab2 reliées en parallèle.

 

Nos essais montrent bien que les changements de résistance sont corrigés dans un fil de câble seulement. Les changements asymétriques de résistance, par exemple une interférence aux points de contact, impactent complètement le résultat de mesure. Les changements symétriques de résistance, comme une variation de la température pendant la mesure, sont compensés par le fil de retour.

 

Fig. 2: Strain gauge connection in 3-wire configuration

Montage 4 fils

Seul le circuit 4 fils ou bien le circuit Kreuzer de HBM (breveté), permet aux différentes résistances de câble d'être compensées. Un courant électrique connu traverse la résistance par l'intermédiaire de deux des fils. La chute de tension à la résistance RKab1 est corrigée (haute impédance) par l'intermédiaire de deux fils additionnels.

Le circuit Kreuzer mesure la tension à travers la résistance RKab2 et l'ajoute à l'alimentation. La tension et le courant au travers de la résistance de complément Rerg sont ainsi indépendants de la résistance du câble. Les erreurs sur le zéro et la sensibilité occasionnées par les effets de câble sont compensées électroniquement

Note : les trois graphiques montrent une mesure faite à partir d’une jauge câblée en 2, 3 et 4 fils. Ici, il semble que chacune des trois techniques offre une stabilité identique. Dans le meilleur des cas, nous voyons des étapes dans les graphiques 2 et 3 fils; avec la liaison 4 fils, le graphique demeure stable.

Notre essai démontre que le circuit breveté de Kreuzer offre des résultats de mesure précis grâce à

  • une stabilité aux hautes températures
  • et une correction des changements de résistance dans les deux fils de câble.

Les changements asymétriques de résistance, par exemple aux niveaux des connecteurs et les changements symétriques de résistance, comme une variation de température, sont corrigés et n'affectent pas le résultat de mesure. 

 

Fig. 3 : Raccordement d’une jauge de contrainte à l'aide du circuit (breveté) Kreuzer de HBM

 

Jauges de contraintes HBM

Compensation des résistances des fils de liaison - avec QuantumX MX1615

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