Dans cet article, Stefan Schmidt explique comment fonctionne un capteur de pesage. Que dit-il sur les capteurs de pesage ! :
"Toujours de nouvelles et intéressantes tâches ! Ce n’est jamais ennuyant"
1. Conception et Fonctionnement
Les capteurs de pesage sont bien évidemment utilisés pour mesurer le poids. Ils font partie de notre vie quotidienne. «Dans votre voiture ou dans les balances poids/prix des supermarchés destinées par exemple à peser votre fromage, nous trouvons des capteurs. Ils sont partout » explique Stefan Schmidt - Product Manager chez HBM. Naturellement, ils ne sont pas toujours et immédiatement reconnaissables, parce bien souvent ils sont cachés à l’intérieur de la balance.
Les capteurs de pesage se composent généralement d'un corps d’épreuve (élément sensible) sur lequel ont été appliquées des jauges de contraintes. Ce corps d’épreuve est habituellement construit en acier ou aluminium. Le capteur est à la fois robuste mais il présente également un comportement élastique minimum. Grâce à cette élasticité, le corps d’épreuve se déforme légèrement lorsqu’il est soumis à une charge et reviens dans sa position initiale quand cette charge est retirée. Ces déformations extrêmement faibles peuvent être acquises avec des jauges de contrainte (abréviation SG pour Strain Gage). En final, les jauges se déforment aussi et le signal correspondant est traité par l'électronique associé au capteur qui indique ainsi le poids à l’opérateur.
Pour comprendre ce dernier point, voyons ensemble et plus en détail ce qu’est une jauge de contrainte. C’est une grille de mesure constituée d’un matériau conducteur photo-gravée sur un support spécifique. Quand le support de jauge est étiré, la grille de mesure s’allonge ; lorsqu’il est comprimé, la grille se rétracte. De ce fait, la résistance de la grille varie. La contrainte peut alors être déterminée par cette variation, la résistance augmente avec la traction et diminue avec la compression.
Les jauges sont collées sur le corps d’épreuve et subissent donc les mêmes effets que celui-ci. Elles sont disposées de telle manière à constituer un montage en pont de Wheatstone (voir le diagramme capteur). Cela signifie que quatre jauges sont reliées entre elles autour du corps d’épreuve et alignées en conséquence.
Si une charge est appliquée sur le capteur ou suspendue à celui-ci, le poids peut être déterminé. La charge prévue sur un capteur de pesage doit toujours être alignée dans l’axe menant au centre de la terre, en d'autres termes dans le sens de la pesanteur. Seul ce composant de charge devra être mesuré. Ce n'est pas le cas pour les capteurs de pesage, bien qu’ils soient similaire en termes de conception ils sont généralement conçus pour mesures des forces se produisent dans n’importe quelle direction.
1.1 Le choix des capteurs dépend de l'application
Il existe différents types de capteurs de pesage pour différentes applications. Les principaux modèles sont :
- A point d'appui central : Un seul de ces capteurs se place sous une plate-forme sur laquelle la charge est déposée.
- En flexion :Plusieurs capteurs de ce genre sont montés sous une structure métallique et mesurent ainsi le poids appliqué dessus..
- Compression : Plusieurs capteurs de grande capacité sont placés sous la structure (ponts bascule) qui reçoit la charge.
- Traction : Le poids est suspendu sous un ou plusieurs capteurs.
Beaucoup de pesons peuvent également avoir des propriétés spéciales comme un design spécial ou des caractéristiques de matériau particulières. Cela peut être très important selon l'application, par exemple, dans le cas où l’installation de pesage doit être entièrement nettoyée au quotidien. Quelques capteurs de pesage peuvent résister sans difficulté à ce type de traitement, d'autres ne le peuvent pas.
Les capteurs peuvent aussi être classés en fonction du type de signal : Les capteurs numériques ont une électronique intégrée permettant de traiter les résultats de mesure et de les rendre disponibles dans un format convenu. Pour les capteurs analogiques, il est nécessaire de les raccorder à un amplificateur de mesure.
Dans les capteurs représentés ci-dessous, le capteur est équipé de quatre jauges placées dans la zone où il y a la plus grande déformation. Les flèches indiquent le sens de l’application de la force.
1.2 Autres considérations importantes pour les capteurs de pesage
Un facteur très important pour les capteurs de pesage est l'environnement dans lequel ils travaillent. Dans un nombre de fois, l’environnement joue un rôle essentiel.
Températures ambiantes
Chaque matériau varie avec la température, il s’allonge en réponse à la chaleur et se rétracte en réponse au froid. Naturellement la même chose s'applique aux capteurs de pesage et à leurs jauges de contrainte. Cela change également la résistance électrique des conducteurs. Pourtant les capteurs doivent mesurer correctement le poids exact partout dans le monde, indépendamment de la température ambiante. Pour atteindre cet objectif, un système sophistiqué de compensation de température est mis en place dans chaque capteur HBM.
Les pesons doivent pouvoir résister à divers effets. « Considérons un pont bascule pour camions. Ces plates-formes sont exposées à de nombreux éléments difficiles : pluie, saleté ou chaleur. Ils doivent pouvoir résister à ces conditions ambiantes extérieures. Et nous parlons du monde entier : Un pont bascule pour camions situé en Sibérie, par exemple, est exposée à des effets bien différents de celui se trouvant en Afrique du Sud. Mais ils ont une chose en commun : Ils doivent être conçus pour des environnements extrêmement sévères, des climats particuliers et doivent donc être aussi très robustes, » confirme Stefan Schmidt.
Application de force dans d'autres directions ("Forces parasites")
En fonction de l'environnement technique dans lequel le capteur de pesage est installé, par exemple, dans une installation de pesage de containers ou dans convoyeur à bande, il peut se produire d’autres charges en plus de celle du poids. « Les forces parasites » sont des forces agissant sur le peson non seulement dans la direction principale désirée, mais également sur les côtés, en dessous ou toute autre manière. Le capteur de pesage n'a pas été conçu dans ce but et les résultats de mesure peuvent être imprécis ou simplement erronés. L’installation doit être faite avec grand soin pour s'assurer qu'il n'y ait aucune force parasite ou peu si possible. Les pièces de montage ou modules de pesage HBM permettent de minimiser ces forces parasites et d’obtenir des pesées beaucoup plus précises.
2. Utilisation des capteurs de pesage
Naturellement, les capteurs de pesage sont souvent installés dans des balances ou installations de pesage. Mais il y a également beaucoup d'autres applications où ces pesons sont utiles. Nous pensons aux usines de mise en bouteille d’un liquide ou les machines de remplissage. Les machines de dosage employées dans les sucreries ou usines de traitement de la pomme de terre permettent de remplir les sacs au juste poids et qu’ils aient tous le même poids en sortie de production.
"C’est vraiment étonnant le nombre d’application exigeant la mesure d’un poids" dixit Stefan Schmidt
Il existe également des utilisations peu communes des capteurs de pesage, comme le précise Stephan Schmidt : « Par exemple, notre capteur à point d'appui central PW15iA est employé par un fabricant de tenues de bain dans le cadre du développement de nouvelles combinaisons pour améliorer les performances des triathlètes : Il permet de mesurer la résistance à l'eau des combinaisons destinées aux des nageurs de classe mondiale. »
2.1 Exactitude
Dans n'importe quelle application avec capteur de pesage, l'exactitude joue un rôle extrêmement important. Les pesons sont disponibles en plusieurs capacités maximum (cette capacité maximum définit la charge maximale prévue) et en classes d'exactitude différentes. La technologie des jauge de contrainte est principalement employée pour avoir les classes C et D. Les jauges avec une correction électronique sont utilisées pour obtenir des classes d'exactitude plus élevées.
"Le pesage joue un rôle majeur dans l'industrie car les marchandises sont vendues principalement au poids. » Stefan Schmidt
Pour cette raison, le pesage est strictement réglementé. L'utilisation de différentes balances est autorisée selon les marchandises : Pour les marchandises ayant une faible valeur marchande (comme le sable ou le gravier), l’installation n’a pas besoin d'être extrêmement précise, la classe D est suffisante. Pour les produits pharmaceutiques, c’est différent en effet les classes plus élevées A ou B sont exigées. Les biens de consommation les plus courants tels que la viande, les fruits et les légumes sont pesés avec la classe C. Cela impose déjà des conditions élevées en termes d’exactitude du système de pesage employé. Mais la classe C est également exigée en construction mécanique ou pour les matériaux de construction.
Les règlementations et les normes strictes en pesage apportent continuellement de nouveaux défis aux concepteurs de capteurs de pesage. Pour les capteurs en classe OIML plus élevée, une dérive d’exactitude de seulement quelques ppm (parts par million) de la portée nominale du capteur est autorisée.
« C’est réellement impressionnant de voir comment un morceau d'acier et une jauge de contrainte collée dessus peut faire d’excellentes mesures» indique Stefan Schmidt. « Mais elles ne peuvent pas être faites sans un certain savoir-faire. Ces dernières années, HBM a systématiquement augmenté l'exactitude de beaucoup de ses capteurs de pesage. Un processus de développement continu ne finit jamais. »
2.2 Ajustement, Etalonnage et Vérification Légale
Pour s'assurer qu'un peson travaille correctement et comme prévu, il doit être non seulement ajusté et étalonné en usine, mais aussi vérifié sur place dans son installation. L’étalonnage et la vérification légale sont des processus pour lesquels le capteur est chargé avec une charge connue. Si un kilogramme est placé sur le capteur ou la balance, alors selon la classe d'exactitude, le poids indiqué devra être d'un kilogramme et non 857 grammes, par exemple. De cette façon, des effets indésirables tels que les forces parasites peuvent également être détectées.
Perspectives
Les capteurs de pesage construit sur le principe des jauges de contrainte peuvent être utilisés dans une très large variété d'applications et pour des systèmes de pesage de grande précision. Cette précision peut seulement être réalisée avec le savoir-faire approprié, basé aussi sur l'expérience. HBM travaille, depuis plus de 65 ans, au développement de capteurs de pesage de plus en plus performants tout en travaillant continuellement sur de nouvelles solutions pour répondre favorablement aux exigences de demain.
Il y a « dix ans, nos clients nous ont souvent demandé ce qui viendrait après la technologie des jauges de contrainte, puisque cette technologie éprouvée était maintenant entièrement exploitée. Naturellement nous nous sommes posés la même question, » continue Stefan Schmidt. « Mais nous avons pu déterminer au cours de nos recherches que la technologie des jauges est loin d’être entièrement exploitée et il y a encore d’innombrables autres possibilités pour améliorer fortement nos capteurs et par là même les produits de nos clients ». Toujours plus rapides, plus intelligents, plus précis et plus robustes ainsi il n'y a aucune fin prévisible au développement technologique des capteurs de pesage.