Exactitude améliorée sur les capteurs de force HBM

Grâce à de nombreux perfectionnements, HBM a amélioré l'exactitude de son capteur de force U10M. En pratique quels sont les avantages ? Le U10M a toujours été un capteur de précision, en plus de sa robustesse. Il est disponible dans de nombreuses variations pouvant aller jusqu'au degré de protection IP69, il est aussi antirouille. Le capteur est insensible aux moments de flexion et grâce à sa modularité il peut être configuré de plusieurs manières. Maintenant, ses caractéristiques techniques telles que la  linéarité, l'hystérésis, l’erreur relative de réversibilité qui peuvent influencer sur  l'exactitude du capteur, ont été toutes optimisées. L’incertitude de mesure du capteur est ainsi considérablement réduite avec pour conséquence de meilleurs résultats d’essai, une réduction des pertes en production (moins de déchets) et une baisse de coûts d’investissement pour l'utilisateur.

Analyse des erreurs de mesure avec capteurs de force

Lorsqu’on fait des mesures avec des capteurs de force il faut distinguer deux types d'erreur : les erreurs qui produisent sur le signal de sortie indépendamment de la force appliquée et les erreurs dont l’ampleur est proportionnelle à la force appliquée au moment de l'observation.

L'influence de la température sur le zéro est un exemple d'erreur indépendante de la charge : Cet écart de mesure génère une valeur spécifique qui est indépendante de la force mesurée. Si une telle erreur est prise en compte sur le signal de sortie, on peut voir que l'influence du TC0 est toujours particulièrement prononcée dès qu’il y a un petit pourcentage de la force nominale est appliqué. La valeur absolue est toujours la même, mais dans cette situation elle croît en raison du petit pourcentage du signal. En plus du TC0, l'erreur de linéarité se rapporte à la valeur finale.

Les erreurs relatives à la valeur réelle (erreurs dépendantes de valeur réelle) sont calculées par rapport au signal réel appliqué. Ceci comprend, par exemple, l’influence de la température sur la sensibilité (TCS), le fluage ou même la tolérance d'un étalonnage qui a pu avoir été réalisé.

Calcul d'erreurs

Les erreurs sont calculées de la manière suivante :

  • Chaque erreur individuelle est calculée à partir de l'information technique donnée par le fabricant. (TC0, linéarité, hystérésis, etc.). Il faut bien considérer si la caractéristique se réfère soit à la pleine échelle ou à la valeur mesurée réelle. Les paramètres du processus doivent également être pris en compte.
  • L'erreur doit maintenant être assignée d’un facteur statistique qui résulte du type de distribution. Comme cette étape réduit seulement l'incertitude de mesure calculée, on peut s’en dispenser pour l'évaluation.
  • Une fois toutes les erreurs connues, il est possible de les ajouter ensemble pour déterminer l’erreur totale, en faisant la somme quadratique des erreurs.
  • Le résultat est affecté d’un facteur qui détermine la probabilité que l'incertitude de mesure calculée sera atteinte.

Comme expliqué ci-dessus, les grandeurs d'influence relatives à la pleine échelle sont particulièrement importantes. Cependant, il est également important de regarder la plus grande erreur individuelle. Dans la méthode décrite plus haut, une amélioration n'a de sens que si les plus grandes caractéristiques d'influence sont optimisées de façon ciblée. Améliorer une seule option n'a pas de sens. Un bon capteur de force doit avoir de bonnes propriétés.

Quels sont les paramètres optimisés ?

En ce qui concerne les améliorations apportées au capteur U10M, toutes les caractéristiques qui ont pour conséquence une vraie amélioration ont été réellement optimisées. Ci-dessous vous trouverez une liste de ces caractéristiques avec de brèves explications.

Erreur relative de répétabilité

L'erreur relative de répétabilité décrit la précision de reproductibilité du capteur. Quelles la dispersion des résultats de mesure si un capteur de force est soumis à la même charge à plusieurs reprises ? L'erreur relative de répétabilité fournit des informations importantes à ce sujet. Plus cette valeur est faible plus le capteur reproduire de manière fiable les résultats et plus il est intéressant et sûr d’utiliser les valeurs d’étalonnage pour le réglage.

Linéarité

La linéarité décrit la déviation de la valeur mesurée par rapport à la courbe caractéristique idéale du capteur. Plus cette erreur de linéarité est faible, plus les forces entre les points d’étalonnage peuvent être identifiées avec précision.

Erreur relative de réversibilité (hystérésis)

Si un capteur est chargé jusqu'à la force nominale par une charge croissante et que la charge  est ensuite retirée, vous noterez une petite différence entre les deux séries d'essais à la même charge. Cette différence est l'erreur relative de réversibilité (hystérésis) du capteur de force. Dans le cas de mesures dynamiques avec une plage de mesure de force élevée, l'erreur relative de réversibilité est un facteur d’influence important.

Fluage

Grâce à l’effet élastique des éléments constituants un capteur de force (corps d’épreuve agissant comme un ressort équipé de jauges), une faible variation du signal se produit lorsqu’une charge constante est appliquée. Pour de nombreuses applications de mesure cela ne porte pas à conséquence. Toutefois dans le cas d’une surveillance longue durée même une faible valeur de fluage devient importante.

Coefficient de température du signal zéro (TC0)

TC0 est une propriété technique importante, dans beaucoup de cas elle est la plus importante. Cette valeur indique la dérive du point zéro d'un capteur de force quand il y a des changements de température. Cette information est très importante, en particulier quand de petites forces doivent être mesurées, car cette influence est vraiment significative. Cette influence relative augmente quand les valeurs mesurées diminuent.

Quelles sont les améliorations réalisées en optimisant le capteur de force U10M ?

Toutes les erreurs décrites ci-dessus ont été déterminées sur un banc d'essai et sont des facteurs d'influence à considérer pour le calcul des incertitudes de mesure :

Erreur de répétabilité sans modification de la position de montage (% de la valeur mesurée)

Fluage (% de la valeur mesurée)

Linéarité (% de la valeur nominale)

 

Hystérésis (% de la valeur nominale)


 

Pour de nombreuses applications, les valeurs TC0 étaient déjà très bonnes de l’ordre de 150ppm par 10°C, elles ont pu être encore améliorées. Pour arriver à cela, il faut vérifier si l’option étalonnage  200% a été effectuée. Cela signifie que le capteur de force U10M est étalonné sur le double de la force nominale, par exemple un capteur de force nominale 50kN est étalonné sur la plage 100kN. Ainsi vous obtenez également une valeur de sortie doublée. Avec ces dernières améliorations et cette option d’étalonnage, il a été possible de réduire la  TC0 à 75 ppm/10°C.

Mais deux choses doivent être considérées :

  • La plage d'entrée de l'amplificateur doit être compatible. Une sensibilité de 5mV/V est nécessaire pour travailler sur la force maximale d’étalonnage (dans notre exemple jusqu’à 100kN). Si l’on doit mesurer de plus petites forces, vous pouvez abaisser l’échelle selon un mode linéaire.
  • La bande passante admissible est plus petite. Cela veut dire qu’avec des charges dynamiques la valeur crête-crête peut seulement corresponde exactement à la force d’étalonnage.

Les avantages

Habituellement, pour mesurer des forces, il est souvent exigé une bonne exactitude. L'exactitude de la mesure de force dépend non seulement du capteur utilisée, mais également de la force à mesurer. Plus cette force est faible plus l’incertitude de mesure s’élève. Réciproquement, nous pouvons dire que  si une exactitude est définie, la gamme de mesure du capteur de force augmente avec son exactitude.

Les avantages d’une technologie moderne dans la pratique :

  • Plage de mesure étendue : avec les capteurs de grande portée, il est possible de mesurer de plus petites forces avec une exactitude prescrite (mesures dans la plage de mesure)
  • Les exigences pour les systèmes de mesure sont en hausse parce que les exigences d’essais sont également en augmentation. Si l'on considère la durée de vie utile des capteurs de force, il est certainement judicieux de compter sur l'avenir de l'étanchéité  avec la précision actuellement disponibles et l'insensibilité aux conditions ambiantes.
  • Une plus grande capacité disponible. Plus vous pouvez utiliser la plage inférieure du capteur, plus vous pouvez concevoir votre chaîne de mesure. S’il y a un risque de surcharge, il suffit de choisir le capteur un peu plus grand. Les possibilités de précision sont généralement pas suffisantes pour atteindre vos objectifs.
  • Réduire vos pertes : la précision de mesure du capteur doit être évaluée afin de permettre d’effectuer les mesures. Pour une évaluation bonne ou mauvaise, les composants doivent être jugés OK lorsqu’ils se trouvent dans la plage de consigne moins la tolérance de mesure (symbolisé dans les diagrammes par les lignes bleues). Comme on peut le voir, le nombre de pièces tolérables augmente lorsque la précision de mesure augmente (graphique de droite). Exprimé d'une autre manière, le nombre de pièces rejetées dépend aussi de la précision de mesure de la chaîne de mesure de force.  
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