Un seul corps d’épreuve pour tous les cas de figure Un seul corps d’épreuve pour tous les cas de figure | HBM

Mesure de couple avec Technologie FlexRange pour avoir une précision élevée sur n’importe quelle gamme de mesure

Dans les applications automobiles, la mesure de couple représente un vrai défi. Dans certains cas, il est nécessaire de couvrir une multitude de plages de mesure avec un seul et unique capteur de couple. Pour relever ce défi, il existe plusieurs approches en termes de solutions. La plage de mesure du couplemètre peut être faite par une adaptation électrique ou par une conception mécanique particulière. Toutefois, dans la première solution, l'exactitude peut être influencée par certains facteurs importants comme par exemple l'hystérésis, le rapport signal bruit et la réponse en température sur le zéro qui se trouvent être renforcés par cette extension de la plage de mesure. Dans la seconde solution, les propriétés mécaniques se détériorent en raison de la structure beaucoup plus complexe du corps d’épreuve. HBM a donc poursuivi une approche différente, avec le capteur de couple T12HP, en développant la Technologie FlexRange. Le flasque de mesure permet de mesurer avec une très grande exactitude sur toute la plage de mesure et cela uniquement avec un seul capteur.

Les moteurs et les composants automobiles exigent sans cesse une plus grande efficacité énergétique, une consommation bien inférieure et une plus grande durabilité. Cela se traduit par des demandes spécifiques pour une précision beaucoup plus élevée en Recherche et Développement mais aussi des équipements d'essai et de mesure bien plus performants. Les mesures de couple représentent l’élément crucial dans de nombreuses applications de l'industrie automobile. Par exemple, lors d’un essai moteur, il est parfois demandé de faire des mesures sur des différentes plages de couple. Pour cela, le même capteur de couple doit pouvoir acquérir deux couples : par exemple un gros couple et un plus petit selon les tests à mener. La précision doit donc être uniforme sur toute la plage du capteur. Le principal défi est de pouvoir réaliser un équilibre entre l'exactitude de mesure et la tolérance d'erreur.

Dans beaucoup d'applications, comme les essais de freinage, des pics de couple se produisent bien au-delà des couples moyens mesurés. La plage de mesure nominale du couplemètre doit être choisie en conséquence, de sorte que le capteur ne puisse être surchargé ce qui pourrait entraîner son endommagement ou même sa destruction. Ces pics de couple  définissent donc le couple maxi de l'application. En choisissant le capteur correspondant à cette valeur maximale, il pourra supporter tous les couples qui pourraient se produire lors de l’essai. On dit, dans ce cas, que le capteur est surdimensionné. Mais le surdimensionnement du capteur a un inconvénient : les informations importantes de la fiche technique, sur lesquelles vous devez vous baser pour calculer les différentes erreurs, se réfèrent à la portée nominale, non au couple mesuré.

Nous pouvons donc avoir à un résultat défavorable concernant l’évaluation des erreurs sur les paramètres importants comme la dérive en température TC0, la non-linéarité et l'hystérésis mais aussi sur les effets dus aux charges parasites ; toutes ces données se rapportant à la portée nominale du capteur.

Capteurs Double Echelle ... Deux approches existent

La solution idéale pour l’acquisition de plusieurs plages de mesure pendant un essai serait d’avoir une adaptation continue de la gamme de mesure correspondant au couple maximal possible. En pratique, cette fonction est vraiment difficile à réaliser pour des raisons techniques. Dans la réalité, il existe un certain nombre de variantes différentes de capteurs double échelle permettant de couvrir une petite et une grande plage de mesure. Ce type de capteurs suit deux principes différents : le capteur possède deux corps d’épreuve (solution mécanique) et le capteur dispose de deux échelles (solution électrique) à partir de deux voies de mesure séparées sur un seul corps d’épreuve.

Corps d’épreuve multiples pour des plages de mesure multiples

Les capteurs de couple Double Plage de mesure ont deux plages de couple différentes. Pour ce faire, ils possèdent deux corps d’épreuve ou éléments sensibles qui diffèrent en taille pour correspondre à des plages différentes. Ils sont disposés alignés (l’un derrière l’autre) ou parallèlement (l’un à coté de l’autre). Chacun de ces éléments de mesure est équipé d’un pont de jauges de contrainte particulièrement agencées, raccordé à un amplificateur de mesure. Ces jauges permettent de mesurer les contraintes à partir desquelles est déterminé le couple. Ces capteurs sont appelés « vrais » capteurs double échelle. L'inconvénient de cette solution avec les corps d’épreuve montés en ligne est que le capteur est seulement approprié aux mesures de couple statiques ou quasi-statiques.

Dans les applications dynamiques, la protection contre les surcharges du plus petit corps d’épreuve pourrait masquer le signal de mesure. Comme celui-ci voit le même couple (donc aussi les plus élevés) que le plus gros corps d’épreuve, il doit être équipé d’une protection mécanique contre les surcharges qui en pratique le déconnecte quand les couples sont trop élevés, pour les transférer au plus gros corps de mesure. Sans cette protection de surcharge, il y a un fort risque de casse. Lorsque cette protection fonctionne, alors le signal de mesure est moins net. Cela peut amener des interprétations imprécises lorsque l’on fait les mesures. Cette partie « petite plage de mesure », de conception soft, doit pouvoir générer un signal élevé à de faibles couples. Pour cette raison, cette partie est également très sensible aux charges parasites telles que les forces axiales, qui ont pour conséquence une influence sur le couple et peuvent même endommager ou détruire le capteur dans certains cas extrêmes.

Dans une autre variante de « vrais » capteurs double échelle, les corps d’épreuve de tailles différentes sont montés parallèlement. Ce type de capteur est fait sans protection de surcharge, évitant de ce fait le problème de signal masqué. Mais le plus petit des éléments de mesure doit supporter les grands couples. Il y a donc un risque de surcharge pouvant aller jusqu’à une déformation  plastique. Pour empêcher cela, le capteur doit être conçu de telle sorte que le corps de mesure le plus grand puisse supporter le couple maximum. Cependant, cela a pour conséquence une faible valeur caractéristique sur le deuxième pont de jauge. Résultat : Nous avons une résolution insuffisante, une trop grande imprécision et une mauvaise réponse en température.

Capteur double échelle avec solution électrique pour la petite plage de mesure

Le capteur de couple T12HP diffère également des capteurs dits « faux » capteurs double échelle qui possède un seul corps d’épreuve et qui simulent électriquement un deuxième élément de mesure.

Ce type de couplemètre dispose d’un amplificateur de mesure additionnel relié au capteur avec un réglage effectué sur la plus petite plage de mesure. Ce deuxième amplificateur de mesure amplifie le signal de sortie, généralement avec un facteur de 5 ou de 10. Ainsi, un deuxième signal très utile est disponible pour mesurer les petits couples. L'inconvénient de ce principe est que la deuxième plage augmente en réalité uniquement la précision. Les autres caractéristiques essentielles pour mesurer l’incertitude se réfèrent à la portée nominale mais pas au signal utile amplifié. Puisque le deuxième signal dans un « faux » capteur double plage est le fruit d’un signal électrique, ces facteurs d’influence sont aussi amplifiés. Si aucune valeur supplémentaire n'est pas explicitement spécifiée dans la fiche technique en ce qui concerne la deuxième plage de mesure, cela augmente sans conteste l'incertitude de mesure.

Les facteurs importants sont :

  1. Bruit de fond
  2. 2. Réponse en Température TC0 sur le Zéro
  3. Hystérésis (Erreur Relative de Réversibilité)
  4. Charges parasites

1. Bruit de fond

Chaque signal comporte un bruit de fond qui se voit dans la mesure. Pour la petite plage de mesure d’un capteur double range, le signal est inférieur en termes de qualité de par sa nature, parce que le bruit augmente également avec l'amplification. Une comparaison du bruit sur le signal zéro dans la grande page (1:1) et dans la petite plage (1: 5) montre que l'amplification électrique augmente également le bruit autour de 5 fois. Ainsi les tolérances du signal de mesure sont également amplifiées, par exemple celles dues aux effets de température. Le bruit sur le signal est extrêmement faible sur le couplemètre T12HP parce que la deuxième plage (la plus petite) n'est pas produite par amplification électronique. De base, l’exactitude est élevée grâce à la très bonne résolution du capteur, fonctionnalité du FlexRange qui couvre entièrement la plage de mesure. Par conséquent, le bruit sur le signal demeure faible même lorsque le signal est faible dans la gamme de mesure inférieure.

2. Réponse en Température TC0 au point Zéro

La température affecte la précision de mesure des capteurs de couple. Si le signal est amplifié de façon électrique dans le cas d’un capteur double plage, la réponse en température TC0 du  zéro absolu augmente également. Le pont de jauges est ajusté sur la plage nominale (1:1).  Le signal généré 1:5 augmente la précision avec un facteur de 5 si rien de contraire n'est indiqué dans la fiche technique. Si la réponse en température de la gamme la plus grande est indiquée  par ex à 0.1 % /10°C, une valeur calculée de 0.5 % /10°C est alors applicable à la deuxième plage de mesure ou bien il faut prendre en compte celle indiquée dans la fiche technique, si c’est le cas, pour la réponse en température de la deuxième plage. Sinon, rien ne pourra améliorer l'exactitude. Grâce à la technologie FlexRange de HBM, le T12HP peut couvrir toute la plage de mesure avec seulement une amplification. Avec une valeur extrêmement basse de seulement 0.005 % /10°C, une très grande précision est obtenue même sur une plage de mesure inférieure.

3. Hystérésis (Erreur Relative de Réversibilité)

Si la courbe caractéristique du signal de mesure est d'abord enregistrée avec un couple continuellement croissant puis avec un couple continuellement décroissant identique, les signaux de sortie ne seront pas exactement égaux. Chacun sera dévié de la courbe caractéristique. La dérive maximum entre le couple descendant et le couple montant est désigné sous le nom d'hystérésis ou erreur relative de réversibilité. Elle dépend des propriétés élastiques du matériau constituant le corps d’épreuve et de sa propre conception.

La caractéristique « Hystérésis » dépend de la déformation et de la contrainte résultant dans le corps de mesure, ainsi que du couple maximum. S'il y a un changement sur une petite plage de mesure pendant la mesure du couple, par exemple lors des essais de freinage, avec des mesures frein ouvert et fermé, l’hystérésis demeure « sauvegardée » dans l’élément de mesure due à la charge initiale élevée ou à la contrainte dans le corps d’épreuve. Quand la plage de mesure change, la variation de la courbe caractéristique se fait de la grande plage vers la petite.

Dans la courbe du signal de mesure là où se produit le changement, il y a un écart appelé point de discontinuité ou décalage de zéro. Cette erreur est amplifiée pareillement au facteur de gain du signal de mesure. Par exemple, si l'erreur relative de réversibilité pour un capteur double plage électrique est de 0.05 % du couple nominal dans la gamme de mesure (1 : 1), après le changement direct sur la petite plage de mesure (1:5), une erreur de 0.25 % du couple nominal peut se produire. Comme le capteur de couple T12HP couvre la plage entière, il n'y a aucun changement de plage de mesure. La technologie FlexRange délivre donc un signal continu sans point de discontinuité dans la mesure et dans l'évaluation de la précision.

Un point de discontinuité se produit toujours si par exemple il y a différents niveaux d'exactitude dans un capteur double échelle qui dépendent toujours de leur application ou de l’interprétation du pré-chargement et ainsi de l'hystérésis.

4. Charges Parasites

Dans pratiquement toutes les applications de mesure comme sur les transmissions ou boites de vitesses et selon la conception et l'assemblage, des désalignements axiaux peuvent se produire. Cela est dû en partie aux tolérances dimensionnelles de tous les éléments mécaniques assemblés qui peuvent poser un problème en créant des désalignements et en plus il peut y avoir d’autres influences comme la température. Les effets de désalignement peuvent être pratiquement compensés en utilisant des accouplements appropriés. Cependant, l'influence résultant de charges parasites ne peut pas être compensée sans des systèmes de mesure additionnels élaborés. Ces effets sont réduits au minimum dans le T12HP grâce à la géométrie sophistiquée du corps d’épreuve, des jauges de contraintes utilisées particulièrement précises et de la qualité d'application des jauges sur le capteur. Les capteurs produisent en général de grandes erreurs de mesure sur la plus petite plage de mesure. Avec le T12HP, les charges parasites sont parfaitement gérées.

Fonctionnalité FlexRange

Dans le développement du T12HP, HBM a atteint les limites physiques de la technologie des jauges de contrainte. L'utilisation de la fréquence porteuse HBM garantit une qualité optimale du signal. Nous avons donc un système de mesure de couple avec une excellente précision, une très grande stabilité et une haute résolution de la valeur mesurée. Cette combinaison unique de performances permet de pouvoir travailler sur différentes plages de mesure comme une « loupe », avec suffisamment de précision et de résolution sur chaque plage.

C'est cette philosophie qui rend la fonctionnalité FlexRange possible : Exactitude, Stabilité et Résolution pour chaque valeur mesurée avec seulement un corps d’épreuve et un seul signal de mesure. Aucune autre plage de mesure n'est nécessaire pour répondre aux exigences d'exactitude et de résolution attendues, même dans les plus petites plages de mesure.

Conclusion

Il existe diverses possibilités pour mesurer des couples sur deux plages de mesure. Dans la plupart des variantes existantes, il y a des pertes au niveau précision souvent dues à la conception des systèmes, particulièrement en ce qui concerne la plus petite plage de mesure. Les véritables capteurs double-range construits avec deux corps de mesure ne sont pas vraiment appropriés aux applications dynamiques en raison de la protection contre les surcharges nécessaire pour protéger le petit corps d’épreuve. Comme la deuxième plage de mesure est habituellement conçue pour être plus sensible afin de générer un signal plus grand à faibles couples, les charges limites autorisées sont également plus faibles et les influences sont plus importantes avec une proportion d’erreurs relativement plus élevée.

Dans les capteurs double échelle électrique avec seulement un corps de mesure, le signal de  mesure amplifie les propriétés d’influence telles que le bruit de fond, l'hystérésis, la réponse en température TC0 au point zéro et les charges parasites. Sans indication contraire précisée dans les fiches techniques, cela n'augmente pas l'exactitude de mesure de la deuxième plage de couple. La réponse en température TC0 du zéro mais aussi le bruit de fond sont largement amplifiés et au changement de plage de mesure un point de discontinuité peut se produire. Le principe de ce capteur avec solution électrique amplifie également les charges parasites selon l'application.

La fonction FlexRange du T12HP permet de réduire au minima toutes ces influences. Le capteur combine les avantages du numérique : flexibilité des filtres, stabilité des signaux, grande exactitude des mesures et haute résolution, en offrant plus que les capteurs double range mais sans leurs inconvénients.

Grâce à son corps de mesure étudié et breveté, sa précision, son excellente résolution et l’utilisation de la fréquence porteuse, le T12HP offre de très bonnes performances en termes de linéarité et d’hystérésis avec une erreur max de 0.007 %, de dérive de température TCO de  0.005 % /10°C. Le T12HP avec sa fonctionnalité FlexRange est ainsi très nettement supérieur aux capteurs doubles échelles sur beaucoup d'aspects. La philosophie du T12HP, à savoir utiliser pleinement les capacités de la technologie des jauges de contrainte jusqu'à leurs limites physiques, permet d’augmenter dès le départ et de manière significative l'exactitude du capteur et de simplifier considérablement la technologie pour les utilisateurs.

Ainsi le flasque de mesure de couple T12HP de HBM n'a définitivement pas besoin d'un deuxième amplificateur pour la mesure de plages inférieures à celle de la portée nominale. Avec ses excellentes propriétés mécaniques, il offre une très grande précision sur toute la plage de mesure. Le capteur de couple T12HP est approprié aux mesures de haute précision mais aussi aux mesures dynamiques sur différentes plages de mesure. Son terrain de jeux se situe par exemple dans les essais de fonctionnement ou de performance des moteurs, les tests de systèmes de freinage ou les essais de transmissions et de pneumatiques.