Conception et structure des systèmes de pesage de réservoirs
1. Principes de base
Pour installer des capteurs de pesage sous des réservoirs, il est important de suivre quelques règles essentielles. Par exemple, les réservoirs sont fréquemment sujets aux conditions atmosphériques ou aux effets liés à la production même. Quand de nouveaux réservoirs verticaux sont érigés en extérieur (silos, trémies, etc.), des règles de construction doivent être respectées avec des structures appropriées. Il faut noter que d’installer ultérieurement des capteurs de pesage peut également être considéré comme des « changements cruciaux » en termes de règlementations de construction. Dans ce cas, le conseil d'un ingénieur en structure est recommandé. En construction, les règlements citent généralement la notion de « dans les règles de l’art » en ce qui concerne la sécurité. Par exemple, les effets du vent sont couverts par la norme DIN 1055 partie 4 au sujet des présomptions de charges pour les composants de structure ».
L'ingénieur travaillant sur un projet de réservoir doit être informé sur toutes les règles internes spécifiques à la société. Très souvent, les réservoirs doivent être fixés ainsi ils ne peuvent pas bouger, même s’ils sont placés sous un toit, dans le cas où le contenu est un produit dangereux ou si des chariots élévateurs circule à proximité de la zone de stockage.
2. Répartition des charges
Pour déterminer le poids d’un réservoir reposant sur trois appuis, il faut optimiser l’agencement des capteurs de pesage en plaçant un capteur sous chacun des pieds. De ce fait sur 3 appuis, l’installation est statique. La charge globale devrait également être répartie uniformément sur les pesons. Dans le cas d’un réservoir cylindrique suspendu ou vertical, la meilleure manière de répondre à cette exigence est que les trois capteurs soient placés à des distances égales de l'axe vertical du réservoir et soient disposés entre eux à 120° sur le même plan. La figure 1 montre la disposition des points d’appui pour des réservoirs horizontaux.
Si tous les appuis de l’installation ne sont pas équipés de capteurs de pesage, il est fortement recommandé d’avoir une répartition égale. Dans le cas contraire, les appuis équipés d’un capteur pourraient devoir supporter de plus grandes charges que les appuis sans capteurs. Si tout est correct, le fait d’équiper avec plusieurs capteurs cela peut améliorer l'exactitude globale du système de pesage. En étudiant le système et en choisissant les capteurs, il est préférable que tous supportent la même charge.
Si un réservoir est posé sur quatre points ou plus, le positionnement du réservoir est hyperstatique. Dans ce cas, un capteur doit être installé sous chaque pied. Lors du montage, il faut s’arranger pour que chaque capteur supporte la même charge pour avoir une bonne répartition des charges et éviter ainsi qu’un capteur soit surchargé ou bien délesté. Pour cela, la charge sur chaque capteur doit être mesurée individuellement. Alors si les capteurs présentent des différences de hauteur (très faibles même avec des tolérances infimes) il est nécessaire d’effectuer un réglage avec des cales compensatrices. Les capteurs qui présentent les plus faibles hauteurs doivent généralement être placés diagonalement opposés.
3. Centre de gravité d'un réservoir
Dans le meilleur des cas, le centre de la gravité d'un réservoir rempli ne devrait pas se trouver plus haut que les appuis de ce réservoir, une règle qui n’est pas fréquemment mis en application.
Pour des raisons de stabilité, il est en effet avantageux que le centre de gravité soit situé sous le plan défini par les appuis. La position du centre de gravité en fonction du niveau de remplissage ou de vidange a un impact considérable sur le choix du nombre de capteurs qui doit être employé. Si le remplissage se fait d’une manière symétrique par rapport aux pesons, il est alors possible de monter un seul capteur, puisque la position du centre de gravité se déplace suivant la ligne verticale dans l’axe du réservoir (voir également 6.3). Si le centre de gravité se décale par rapport à l’axe de la cuve pendant le remplissage ou la vidange, il est obligatoire d’installer un peson sous chaque appui. Les paliers pivotants et fixes ne doivent pas être employés dans les applications de ce type !
La figure 2 montre la nécessité d'utiliser un capteur sur tous les appuis si la position du centre de gravité change
4. Raccordements des conduites sur les réservoirs
Très souvent les réservoirs exigent des raccordements spécifiques pour les conduites d'approvisionnement, par exemple pour remplir le silo ou bien le vider de son contenu. Il en est de même pour l’alimentation électrique, hydraulique ou pneumatique qui demande des éléments à mettre en place sur le conteneur.
Ces raccordements peuvent amener des dérivations de force (shunt de force), qui se traduisent comme des erreurs qui affectent l'exactitude de la pesée. Ces raccordements doivent être flexibles pour ne pas influencer dans le sens vertical. Les figures 3 à 7 montrent quelques exemples de conceptions appropriées et recommandée pour réaliser les raccordements. Dans tous les cas, cet aspect devrait toujours être pris en compte financièrement dans la phase de conception et de planification.
Si des conduites rigides sont utilisées sans liaison flexible, le réservoir devra de préférence être relié à la section horizontale la plus longue de la conduite. Cette section de conduite devrait également être équipée de partie souple dans le sens longitudinal (fig 3). La partie horizontale a un effet de ressort vis-à-vis de la direction verticale et devient de plus en souple à mesure que la longueur augmente. La force mécanique exercée par la conduite sous forme d’une pseudo charge (de traction ou compression) sur les capteurs de pesage devient également plus faible et n'est plus une gêne quant à l'exactitude de mesure.
Plusieurs liaisons flexibles peuvent également être employées au lieu de la solution de grande longueur pour la conduite (fig 4). Pour bons résultats sont obtenus pour empêcher les shunts de force, il s’agit d’utiliser des tuyaux de raccordement en matériaux élastiques aisément malléables. Mais dans ce cas, il faut vérifier la compatibilité des matériaux élastiques avec le produit de remplissage et les produits de nettoyage (dans l'industrie alimentaire ou pharmaceutique, par exemple).
Une autre possibilité pour réduire les shunts de force indésirables est d’employer des raccordements coudés (fig 5). Dans le cas où une conduite verticale est imposée (c.-à-d. dans la direction de la gravité) ou bien que des tuyaux ne peuvent pas être employés, des raccordements de conduite avec compensateurs (tels que des soufflets métalliques) ont prouvé leur efficacité (fig 6). Toutefois, lors de leur installation, l’on doit observer des tolérances strictes. Avec un deuxième ensemble de soufflets métalliques relié au premier par une section de conduite, il est possible de compenser de plus grandes tolérances. Les soufflets ne sont pas toujours autorisés dans certains secteurs de l’industrie alimentaire surtout dans les zones à fort nettoyage.
Le branchement, montré dans la figure 7, représente la meilleure solution en termes de réduction des dérivations de force. Une entretoise ouverte évite le contact entre la conduite et le réservoir. Cette solution ne peut évidemment pas être employée dans les réservoirs devant être fermés, par exemple pour ceux sous pression.
Il faut toujours penser que les systèmes de raccordement interviennent en tant que poids. Le niveau de remplissage des conduites d’approvisionnement et de celles de vidange qui sont directement reliés au réservoir devra donc être reproductible quand le poids est mesuré. Cela signifie donc que ces conduites devront être toujours vides ou pleine quand la pesée est effectuée.
5. Réservoirs pressurisés
Dans les usines fermées, la pression dans le système peut affecter les résultats du pesage. Particulièrement dans l'industrie chimique, des pressions positives élevées sont exigées pour certains process. D'autre part, des usines d'extraction pour le pesage de matières poudreuses créent des pressions négatives de 100… 300 mbar. Si la tuyauterie est reliée verticalement au réservoir, suivant les indications des figures 5 et 6, une force est alors exercée affectant directement les résultats de mesure. L'effet est équivalent au produit de la force et de la section de la tuyauterie. Si les conditions de pression pendant le process de pesage sont constantes, cette quantité peut être prise en compte (calculée) dans la mesure. Dans tous les cas, une disposition horizontale de la conduite est plus appropriée et préférable à un raccordement vertical. Les forces parasites qui sont produites sont absorbées par les appuis.
6.1 Exemples d’installation de capteurs de pesage
Des conceptions typiques de réservoir sont représentées de façon stylisée à titre d'exemple. Les détails et les références de ces concepts aux problèmes sont présentés plus en détail dans les sections appropriées.
6.1 Réservoirs verticaux
La disposition avec deux appuis fixes et un peson est possible pour le pesage de liquides et aux produits en vrac avec un remplissage central. Le réservoir doit avoir disposé symétriquement, sorte que la ligne représentant le centre de gravité du contenu tout au long du remplissage ou du vidage reste dans l’axe du réservoir, la précision sera assurée. Dans tous autres cas, particulièrement si une plus grande exactitude est exigée, le positionnement sur trois capteurs (dans quelques circonstances sur plus) est nécessaire.
6.1.1 Installation rigide d'un capteur
Cette conception simple d’un capteur monté rigide avec l’appui n'est pas recommandée. Cette solution aura pour seul résultat des effets problématiques sur le capteur. En raison des déformations occasionnées pendant le remplissage, mais aussi des vibrations et des changements de température, les effets produits sur les capteurs ne pourront pas être éliminés.
6.1.2 Réservoir vertical sur deux appuis fixes et un peson oscillant
Cette solution utilise un capteur disposé dans un anneau avec deux paliers fixes, qui servent également à retenir le mouvement horizontal du réservoir. Ce concept économique protège le peson des effets inacceptables.
6.1.3 Silo cylindrique sur trois ou quatre capteurs
Habituellement sur trois pesons, les pesées sont faites avec une bonne précision. Mais certaines installations sont parfois réalisées sur quatre pesons comme pour des réservoirs rectangulaires symétriques par exemple. Cet agencement est généralement défavorable sur le plan statique et présence un coût supérieur. Les capteurs sont faciles à installer dans la structure. Les paliers élastomères sont auto-centreurs et n'exigent pas la mise en place de tirant. A la place, ils sont habituellement combinés avec les appuis fixes. Des tirants additionnels sont nécessaires dans la partie supérieure pour les réservoirs de très grande hauteur. Dans l'exemple, ceux sont des tiges libres de contrainte, bloquées d’un côté. Des butées fixes se continuellement en contact avec le réservoir à chaque fois qu’il se déplace légèrement par rapport à sa position idéale et le frottement de contact génèrerait des shunts de force. Des rouleaux d’arrêt ou des câbles sont des solutions de rechange moins fréquemment utilisées.
6.1.4 Silo rond sur trois modules de pesage
Trois modules de pesage avec des raidisseurs intégrés sont placés tangentiellement à la périphérie de la structure et maintiendront le réservoir horizontalement sans avoir besoin de toutes les mesures de précautions additionnelles. Le dispositif anti-basculement, également intégré dans le module de pesage, empêche le réservoir de s’incliner et de basculer. Ces modules permettent d’éliminer plusieurs éléments de structure lors de la construction de l’installation. A titre d'exemple, certains modules de pesage typiques pour de petites et moyennes charges ou pour des charges plus élevées sont également illustrés ici. Ces montages normalisés simplifient la conception de la structure et permettent de gagner des coûts de construction considérables. D'autre part, il ne faut oublier que de nombreuses exigences, génératrices de coûts importants, sont demandées pour par exemple obtenir des surfaces parallèles ou bien encore des hauteurs parfaitement alignées. Les modules de pesage garantissent cela.
6.1.5 Réservoirs à jupe posés sur des modules de pesage
Les réservoirs à jupe sont employés fréquemment dans des applications précises comme en extérieur par exemple. Ils disposent d’un enveloppe extérieure qui se prolonge jusqu’au sol et sert à assurer la bonne stabilité de l’ensemble. L'installation sur des capteurs de pesage n'est pas chose facile. La figure 12 montre une variante de réalisation d’un réservoir à jupe posé sur des capteurs. Il est également relativement facile mettre en oeuvre ce type de solution dans des systèmes existants.
Des croisillons sont montés ou soudés à l’intérieur de la jupe du réservoir. La charge est appliquée sur le capteur de façon rigide. Dans ce cas de figure, les modules de pesage devraient être utilisés de préférence, puisqu’ils contiennent un dispositif d'anti-basculement, etc. (non représenté dans la fig 12 pour ne pas gêner la compréhension). Le relèvement de la structure est suffisant pour diriger entièrement le poids dans les capteurs de pesage. La base de la jupe doit être fréquemment étanchéifiée. Cela est fait avec un joint d’étanchéité circulaire qui ne cause aucun shunt de force grâce à sa flexibilité.
6.1.6 Distributeur rectangulaire dans une station d'essence sur quatre capteurs
Les conditions sont très dures dans les stations d’essence. Les causes sont nombreuses par exemple les vibrations des systèmes de transport, les oscillations des équipements d’approvisionnement raccordés et si le distributeur fait partie d'un ensemble mobile, les accélérations interviennent également. Lorsque les produits sont versés dans le réservoir, ils peuvent heurter les surfaces latérales inclinées avec suffisamment de force pour occasionner des charges considérables de cisaillement. Dans le cas d'efforts initiaux élevés, il est important de mettre un raidisseur spécial pour la stabilité. Parfois, le réservoir est maintenu par une attache additionnelle de sorte qu’il soit uniquement libre en mouvement pour le processus de pesage. La symétrie rectangulaire est avantageuse pour des raisons de stabilité et cela convient habituellement à l'installation de pesons. Les capteurs de pesage avec paliers élastomères ou comme dans l'exemple les capteurs pendulaires sont employés justement.
6.2 Réservoirs suspendus
Les problèmes de centrage peuvent souvent être éliminés ou simplifiés avec les réservoirs suspendus équipés de tiges de maintien rondes, flexibles et simples. En plus de protéger contre l’inclinaison les raidisseurs sont toujours nécessaires pour empêcher le réservoir d’osciller et de tourner.
6.2.1 Suspension sur deux ou trois capteurs
La conception globale simple exige plusieurs raidisseurs à disposer tangentiellement. Dans le cas avec des efforts réduits leurs fonctions peuvent être assurées par la conduite de sortie latérale inférieure.
6.2.2 Suspension centrale sur un capteur
Un dispositif spécial est indispensable dans ce type de montage pour empêcher le réservoir d’osciller et de tourner.
6.3 Réservoirs horizontaux pour liquides
Les réservoirs horizontaux, destinés aux liquides, remplissent habituellement la condition suivante : le centre de gravité du contenu doit se déplacer approximativement suivant une ligne verticale quel que soit la masse du produit, en fonction des changements pendant le remplissage ou la vidange. La solution avec un capteur placé au-dessous du réservoir sous un support et de deux paliers fixes sous l'autre support de l’autre côté du réservoir est donc suffisant pour des mesures de niveau relativement simples.
Idéalement le réservoir doit reposer avec la moitié de son poids sur un capteur de pesage pendulaire et sur deux paliers fixes. Aucune mesure supplémentaire n'est exigée dans des circonstances normales. Dans le cas de réservoirs très longs, cependant, comme protection additionnelle contre le renversement à cause d’un impact latéral contre le réservoir, des butées fixes peuvent être montées contre les mouvements latéraux limites aux deux extrémités du berceau support du réservoir qui repose sur le capteur.
Dans de nombreuses applications pratiques, cependant, la symétrie de remplissage du contenu est souvent troublée par une légère inclinaison volontaire longitudinale là où se trouve la sortie du réservoir. L’installation de trois capteurs auto-centreurs est la meilleure solution pour un pesage plus exact, sans oublier les butées fixes pour contrer les mouvements horizontaux.
