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Capteurs de force : expliqués

Systèmes de capteurs de force pour cuves et trémies de pesage

Balances industrielles pour cuves et trémies de pesage

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Résumé de la section
1. Qu'est-ce qu'un capteur de force ? Comment fonctionne-t-il ?
2. Quels sont les différents types de capteurs de force ?
3. Précision des capteurs de force
4. Étalonnage des capteurs de force
5. Points importants
6. Achat de capteurs de force : Fabricants de capteurs de force

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Cette page explore les différents types et conceptions de capteurs de force pouvant être utilisés dans les industries de procédés.

1. Qu'est-ce qu'un capteur de force ? Comment fonctionne-t-il ?

Les capteurs de force sont des instruments capables de convertir une force exercée sur eux (par exemple par une cuve ou une trémie) en un signal électrique.Plus la force (poids) est importante, plus le signal électrique produit est élevé. Un contrôleur correctement étalonné peut alors traduire le courant électrique en une unité de poids compréhensible par l'utilisateur.

Les capteurs de force jouent un rôle central dans de nombreux procédés de traitement des poudres, car ils permettent de mesurer le poids des solides traités. Ils sont utilisés pour le dosage ou la collecte de données pour les bilans massiques.

La spécification, l'étalonnage et la maintenance appropriés des systèmes de capteurs de force sont essentiels pour garantir que le procédé fonctionnera comme prévu, produira dans les spécifications de qualité et à un coût maîtrisé.

Figure 1 : Conception et installation typique d'un capteur de force

2. Quels sont les différents types de capteurs de force ?

Choix d'un capteur de force par type

Il existe différents principes technologiques pour les capteurs de force, mais la plupart sont des capteurs de force à jauges de contrainte, ce qui signifie que des jauges de contrainte sont fixées au corps du capteur. Lorsque le corps se déforme en raison de la force/poids appliqué par l'équipement sur lequel il est monté, la jauge de contrainte se déforme également, ce qui modifie sa résistance. Il est alors possible de mesurer cette variation via la tension et d'envoyer un signal numérique à un contrôleur grâce à un convertisseur analogique-numérique (par exemple HX711). La tension est proportionnelle à la déformation et donc à la force appliquée.

Les différents principes de pesage pour les capteurs de force à jauges de contrainte sont résumés ci-dessous :

Tableau 1 : Les différents principes des capteurs de force

Capteurs de force en compression (bouton de charge)

Capteurs de force en compression/traction

Capteurs de force à poutre fléchissante

Capteurs de force en S

Capteurs de force à cisaillement à point unique Capteurs de force à cisaillement à double extrémité

Capteurs de force à torsion annulaire

Capteurs de force en boîte

Il existe également des capteurs de force piézoélectriques qui n'utilisent pas de jauges de contrainte, mais plutôt un matériau piézoélectrique générant une tension en fonction de la force qui lui est appliquée.

Les capteurs de force industriels peuvent être installés à de nombreux endroits dans les procédés de solides en vrac. Les équipements courants sont les balances pour cuves et trémies, utilisées pour le dosage (trémie de pesage sur capteurs de force) ou pour connaître le stock de produit à un moment donné (cuves ou silos sur capteurs de force).

Les capteurs de force à poutre fléchissante sont très souvent utilisés pour mesurer le poids des trémies :

Figure 2 : Capteur de force à poutre fléchissante

Un autre choix pour une application similaire peut être les capteurs de force traction/compression (capteurs de type "galette") :

Figure 3 : Capteur de force traction/compression (type "galette")

3. Précision des capteurs de force : Quelle est la précision des capteurs de force ?

Pour obtenir une mesure fiable et de qualité, il est d'abord nécessaire de sélectionner les capteurs de force en fonction de leur plage de mesure et des surcharges auxquelles ils pourraient être soumis pendant leur fonctionnement.

L'opérateur du procédé doit déterminer la plage de mesure qui constituera les conditions normales de fonctionnement des capteurs de force et pour laquelle il exige une certaine précision. Cette plage définira la plage de mesure des capteurs de force. À partir de cette plage, différents facteurs de sécurité doivent être pris en compte pour éviter d'endommager les capteurs de force par surcharge.

Les valeurs indiquées ci-dessous constituent une approche générale ; une évaluation doit être effectuée pour vérifier que les capteurs de force ne subiront pas des charges plus élevées après l'installation (par exemple, lors de certaines opérations de maintenance).

Tableau 2 : Définitions des capacités des capteurs de force

Variable de capacité	Définition
Plage de mesure du capteur de force	Plage pour laquelle la lecture doit être dans les limites de l'erreur maximale admissible Il s'agit du poids attendu à mesurer par le procédé (par exemple, le poids maximal à doser pour une recette).
Limite de charge sécurisée	Charge maximale pouvant être appliquée aux capteurs de force sans causer de dommage. Règle empirique : 150 % de la plage de mesure
Charge ultime	Charge maximale pouvant être appliquée sans entraîner de dommage physique. La précision peut cependant être affectée si de telles charges sont atteintes. Règle empirique : 300 % de la plage de mesure
Charge latérale sécurisée	Charge maximale pouvant être appliquée à 90 degrés (sur le côté) sans causer de dommage. Règle empirique : 100 % de la plage de mesure

Certains fabricants proposent également des modules de traction. La charge exerce alors une traction sur le capteur de force au lieu d'une compression, comme dans la plupart des applications.

Les événements pouvant entraîner une surcharge incluent : les chocs de charge, les agitateurs en mouvement (charge dynamique), les charges excentrées, le surdosage d'une balance.

Des formules de calcul doivent être appliquées pour prendre en compte la situation dans laquelle le capteur de force sera installé, puis sélectionner les bonnes capacités des capteurs de force.

Figure 4 : Capacités et charges - représentation graphique

Pour un procédé industriel, dans un environnement industriel, une précision de 0,1 % du poids appliqué peut être atteinte. Les capteurs de force de haute précision peuvent atteindre environ 0,03 % de la capacité nominale (plage de mesure maximale).

L'erreur de la balance est la combinaison des erreurs d'étalonnage, de linéarité, d'hystérésis et de répétabilité. Il est possible de réaliser une séquence d'étalonnage de sorte que l'erreur d'étalonnage soit réduite à environ 0, tandis que les erreurs de répétabilité doivent être très minimes (moins de 0,03 % de la capacité nominale). En pratique, la précision du système de balance sera égale à l'erreur combinée.

Erreur combinée = Non-linéarité + Hystérésis = 0,02 à 0,03 % de la capacité nominale. Ceci pour 1 capteur de force.

Toutes les lectures, de 0 kg à la capacité nominale, doivent être dans les limites de la précision (Erreur combinée × Capacité nominale × Nombre de capteurs de force). Cela signifie qu'à faible charge, l'erreur (en % du poids appliqué) doit être plus élevée qu'à charge élevée.

Figure 5 : Graphique de performance des capteurs de force

En outre, l'erreur de répétabilité, qui doit être très minimale, doit être contrôlée après l'installation pour s'assurer qu'il n'y a pas de problème.

Une autre caractéristique importante est l'intervalle de vérification minimal (vmin). Il s'agit de la quantité minimale de masse qui doit être appliquée aux capteurs de force sans dépasser l'erreur maximale admissible. Cela doit être mis en relation avec l'erreur combinée, exprimée en % de la capacité nominale. Lors de la conception, il faut vérifier que (vmin = Emax/gamma < h ; poids minimal attendu sur la balance).

La résolution de la balance doit également être définie. Elle est liée au nombre de chiffres affichés par la balance, bien qu'elle ne soit pas directement liée à la précision des capteurs de force (il est illusoire de demander plus de chiffres que la précision réelle de la balance).

Synthèse : caractéristiques importantes des capteurs à cellules de charge à définir lors de la conception d’une installation

Tableau 3 : Définition des valeurs de conception pour les cellules de charge

Paramètre de conception	Définition
Erreur combinée	L’**erreur combinée** indique la meilleure précision que l’on peut attendre de cellules de charge correctement étalonnées. Pour des cellules individuelles, elle doit se situer dans une plage de **0,03 % de la capacité nominale** (Emax). Par conséquent, la précision sera meilleure à charge élevée qu’à charge faible.
Intervalle de vérification minimal (vmin)	Il s’agit du **poids minimal** devant être appliqué aux cellules de charge pour maintenir la précision de conception.
Résolution	Il s’agit du **nombre de chiffres** affichables par les cellules de charge. Ce paramètre n’est **pas lié à la précision**.

4. Vérification de l’étalonnage des cellules de charge

Pour réaliser l’étalonnage des cellules de charge, il est nécessaire d de disposer d’une **référence**, généralement fournie par des **masses d’essai** étalonnées par des instituts reconnus.

Il est ensuite indispensable de suivre une **procédure définie par le fournisseur** pour charger la balance avec une masse déterminée, vérifier et enregistrer les lectures, puis corriger les éventuelles erreurs. Dans certains cas, pour des balances de très grande taille, il peut être nécessaire de les remplir d’**eau** pour effectuer l’étalonnage.

Les cellules de charge doivent ensuite être vérifiées à l’aide des tests suivants, à réaliser **dans l’ordre indiqué** :

Tableau 4 : Définition des tests d’étalonnage pour les cellules de charge

Test	Définition
Test de frottement	Le test consiste à **ajouter et retirer plusieurs fois** le même poids sur la balance. L’affichage doit rester **identique** et ne doit pas varier de plus de **0,02 % de la capacité nominale** de la balance. Le test de frottement permet de s’assurer qu’il n’y a **aucune déviation de la répétabilité** (décrite ci-dessus) due à des **interactions de l’environnement** avec les cellules de charge (ex. : frottement de la balance avec une autre pièce).
Test de fluage (*creep*)	Le test est réalisé en **appliquant un poids** sur la balance et en attendant pendant une **durée définie**. Pendant le temps d’attente, la lecture ne doit pas varier de plus de **0,01 % de la capacité nominale** de la balance. Le test de fluage permet de détecter toute **tension résiduelle** qui se relâche sous l’effet de l’application du poids (ex. : tension dans un élément flexible).
Linéarité et hystérésis (= erreur combinée)	Des poids sont **ajoutés progressivement** sur la balance, puis retirés. Les valeurs lues sont comparées aux valeurs étalonnées des poids. Ce test permet de détecter toute **dérive de linéarité ou d’hystérésis**, pouvant indiquer un **étalonnage incorrect** des cellules de charge ou une **interaction de l’environnement** avec la balance. Il n’est pas toujours possible de tester toute la plage de la balance. Dans ce cas, un minimum de **10 % de la capacité nominale** doit au moins être ciblé.

Les tests et valeurs de référence présentés ci-dessus sont **généraux**. Les recommandations des fournisseurs peuvent varier. Ils sont donnés à titre d’**indications préliminaires** et pour effectuer un contrôle de cohérence. La vérification des **spécifications et manuels des fournisseurs** doit toujours être réalisée. Les **3 tests** ci-dessus constituent un **minimum** ; d’autres tests peuvent être exigés par les fabricants, notamment pour les **alimenteurs de précision**.

5. Points importants

Installation des cellules de charge

Les cellules de charge sont **très sensibles aux courants électriques**. Un point particulièrement critique consiste à s’assurer qu’elles sont **isolées électriquement** si des travaux de **soudage** sont effectués à proximité. Une **bonne pratique** consiste à installer les cellules de charge **une fois tous les travaux de soudage terminés**. Si l’isolation n’est pas adéquate ou si la **mise à la terre du poste de soudage** est mal réalisée, des **courants de fuite** peuvent endommager les cellules.

Cellules de charge en environnements difficiles : prise en compte des contraintes environnementales

Dans les procédés industriels, les cellules de charge sont souvent exposées à des **conditions environnementales exigeantes** pouvant affecter leurs performances. Des facteurs tels que les **variations de température**, l’**humidité** ou les **substances corrosives** peuvent influencer la **précision** et la **durabilité** des cellules de charge. Les ingénieurs doivent prendre en compte ces contraintes dès les phases de **conception et d’installation** pour garantir la **fiabilité** du système de pesage.

Un aspect clé réside dans **l’étanchéité et la protection** des cellules de charge contre la **poussière**, l’**humidité** et les **produits chimiques agressifs**. La mise en œuvre d’**enceintes adaptées** et de mesures de protection, telles que des **classements IP**, permet de les préserver des éléments externes. Par ailleurs, il est recommandé de sélectionner des **modèles de cellules de charge à résistance environnementale renforcée**, spécialement conçus pour des applications en milieux **corrosifs** ou **extrêmes**.

Les routines de maintenance doivent inclure des **contrôles réguliers** de l’intégrité des mesures de protection et de l’état général des cellules de charge. Des **inspections périodiques** permettent de détecter précocement d’éventuels problèmes, évitant ainsi les défaillances du système et garantissant des **mesures de poids précises** sur le long terme. En résumé, la prise en compte des **contraintes environnementales** est essentielle pour maintenir la **précision** et la **fiabilité** des cellules de charge en milieu industriel.

6. Achat de cellules de charge : fabricants de cellules de charge

Il est crucial de s’appuyer sur des **fabricants éprouvés de cellules de charge** afin d’obtenir un système de pesage **précis**, **fiable** et **durable**.

Le lecteur peut se référer à l’entreprise **GAROS** (www.garos.fr) pour obtenir des informations sur les cellules de charge, des conseils d’experts et des devis (note : PowderProcess.net n’a **aucun lien** avec cette entreprise).

D’autres fabricants incluent : **HBM**, **OMEGA**, **FLINTEC**, **Tedea-Huntleigh**, **Sensortronics**, **Mettler Toledo**, **Vishay** et **HARDY** (note : PowderProcess.net n’a **aucun lien** avec ces entreprises).