Mesure de la charge à l’aide de capteurs à pont

Que sont la force et la charge ?

La force mesure l’interaction entre les corps : pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. La force est aussi décrite comme une poussée ou une traction sur un objet. C’est une grandeur vectorielle avec à la fois une magnitude et une direction.

La charge est un terme souvent utilisé pour désigner la force exercée sur une structure ou un corps. L’unité reconnue par le Système international d’unités (SI) pour la force ou la charge est le Newton (N). Les cellules de charge mesurent directement la force ou le poids. Ces transducteurs convertissent la force mécanique en signaux électriques en mesurant les déformations produites par la force ou le poids. Ces appareils sont couramment utilisés pour mesurer des matériaux secs ou liquides dans une trémie. La mesure du poids à l’aide d’une cellule de charge donne une mesure de la quantité de matériau dans la trémie.

Mesure de la charge

La charge est mesurée à l’aide d’une cellule de charge. Les différents types de cellules de charge fonctionnent de différentes manières, mais la cellule de charge la plus couramment utilisée est la cellule de charge à jauge de contrainte. En général, vous utilisez un ensemble de faisceaux ou de palonniers qui dispose de plusieurs jauges de contrainte montées dans une configuration de pont de Wheatstone de sorte que l’application d’une force crée une contrainte dans l’assemblage mesuré par les jauges de contrainte. En général, ces périphériques sont étalonnés de manière à ce que la force soit directement liée à la variation de résistance. Les cellules de charge pneumatiques et hydrauliques moins couramment utilisées traduisent la force en mesures de pression. Lorsque la force est appliquée sur un côté du piston ou du diaphragme, on mesure la quantité de pression (pneumatique ou hydraulique) appliquée sur l’autre côté pour équilibrer cette force. La suite de ce livre blanc se concentre sur les cellules de charge à jauge de contrainte ou à pont.

L’élément mécanique le plus critique d’une cellule de charge ou d’un transducteur à jauge de contrainte est la structure (élément à ressort). La structure réagit à la charge appliquée et concentre cette charge dans un champ de contrainte isolé et uniforme où des jauges de contrainte peuvent être placées pour mesurer la charge. Les trois modèles courants de cellules de charge, notamment à flexion de faisceau multiple,à colonnes multiples et à faisceau de cisaillement, constituent les éléments de base de tous les profils et/ou configurations possibles de cellules de charge.

Figure 2. Les modèles de cellule de charge prévoient des jauges de contrainte pour mesurer la compression et la traction de différentes manières. [1].

Les cellules de charge à flexion de faisceau multiple ont une faible capacité (de 20 à 22 000 N) et disposent d’un élément à ressort en forme de roue qui s’adapte aux transducteurs à profil bas. Il contient quatre jauges actives ou des ensembles de jauges par branche de pont, avec des paires soumises à des contraintes égales et opposées (traction et compression).

Les cellules de charge à colonnes multiplesse composent de plusieurs colonnes pour une plus grande capacité (110 000 à 9 000 000 N). Dans cette disposition, chaque branche de pont contient quatre jauges de contrainte actives, dont deux sont alignées le long de l’axe principal de la contrainte et les deux autres dans la direction transversale de manière à compenser l’effet de Poisson.

Les cellules de charge à faisceau de cisaillement ont une capacité moyenne (de 2 000 à 1 000 000 N) et utilisent une forme de roue avec des nervures radiales soumises à un cisaillement direct. Les quatre jauges de contrainte actives par branche de pont sont collées aux parties latérales, à 45 degrés par rapport à l’axe du faisceau.

Choisir la cellule de charge appropriée

Les cellules de charge fonctionnent selon deux modes de base : le mode de compression pendant lequel le récipient de pesage repose sur une ou plusieurs cellules de charge, ou le mode de traction pendant lequel le récipient de pesage est suspendu à une ou plusieurs cellules de charge. Vous pouvez déterminer les différentes configurations de structure de cellules de charge discutées dans la section précédente en utilisant n’importe laquelle de ces configurations pour des forces de compression uniquement, ou vous pouvez les concevoir pour mesurer à la fois une force de traction et de compression.

Au-delà de la mesure principale, le choix d’une cellule de charge dépend principalement de sa capacité, de sa précision et des contraintes de montage physique ou de la protection de l’environnement. Aucun facteur ne permet de déterminer les performances attendues. Vous devez les déterminer en combinant les différents paramètres de capteur et de la manière dont vous avez conçu la cellule de charge dans votre système. Reportez-vous au tableau pour comparer la portée, la précision, la sensibilité et le prix des différents types de cellules de charge.

Capacité — Définissez vos exigences en matière de capacité minimale et maximale. Veillez à sélectionner la capacité par rapport à la charge de fonctionnement maximale et à déterminer toutes les charges et tous les moments externes avant de choisir une cellule de charge. La capacité de charge doit être capable de supporter les éléments suivants :

• Poids de la structure de pesée (poids mort)
• Charge mobile maximale qui peut être appliquée (y compris toute surcharge statique) 
• Surcharge supplémentaire résultant de facteurs externes tels que la charge due au vent ou l’activité sismique

Fréquence de mesure — Les cellules de charge sont conçues pour un usage général ou sont classées pour résister à des millions de cycles de charge sans que cela n’affecte leurs performances. Les cellules de charge à usage général sont conçues pour les applications de charge statique ou à faible fréquence de cycle. Ils résistent généralement jusqu’à 1 million de cycles en fonction du niveau de charge et du matériau du transducteur. Les cellules de charge résistantes à la fatigue sont généralement conçues pour supporter de 50 à 100 millions de cycles de charge entièrement inversés, en fonction du niveau et de l’amplitude de charge.

Contraintes physiques et environnementales – L’une des principales caractéristiques à prendre en compte est la manière dont vous intégrez la cellule de charge dans votre système. Identifiez toute restriction physique limitant la taille (largeur, hauteur, longueur, etc.) ou la façon dont la cellule de charge peut être montée. La plupart des cellules de charge de traction et de compression présentent des filets intérieurs centraux sur le haut et le bas pour la fixation, mais elles peuvent aussi être dotées de filets extérieurs ou un mélange des deux. Tenez compte de la manière dont le système fonctionnera et des pires conditions de fonctionnement, à savoir la gamme de température la plus large, la plus petite variation de poids à mesurer, les pires conditions environnementales (inondations, tempêtes, activité sismique) et les conditions de surcharge maximales.

Conditionnement du signal pour les cellules de charge

Les cellules de charge peuvent être conditionnées ou non. Vous pouvez directement connecter des capteurs conditionnés à un périphérique DAQ, car ils contiennent les composants nécessaires au filtrage et à l’amplification du signal et aux fils d’excitation, ainsi que les circuits habituels pour les mesures. 

Si vous travaillez avec des capteurs non conditionnés, vous devez prendre en compte plusieurs éléments de conditionnement du signal pour créer un système de mesure de la charge efficace reposant sur un pont. Vous aurez besoin d’un ou plusieurs des éléments suivants :

• Une excitation pour alimenter le circuit de pont de Wheatstone. Pour en savoir plus, consultez la ressource sur les contraintes de mesure.
• La télédétection pour compenser les erreurs de tension d’excitation dues aux longs fils conducteurs
• L’amplification pour augmenter la résolution de la mesure et améliorer le rapport signal/bruit
• Le filtrage pour supprimer les bruits externes à haute fréquence
• L’annulation de l’offset pour équilibrer le pont afin de produire 0 V lorsqu’aucune contrainte n’est appliquée
• L’étalonnage du shunt pour vérifier que la sortie du pont corresponde à une valeur connue et attendue

Pour apprendre comment compenser ces erreurs et passer en revue d’autres aspects matériels pour les mesures de la charge utilisant un pont, téléchargez le Guide de l’ingénieur pour des mesures précises avec un capteur.

Connexion des cellules de charge au matériel NI

Une fois que vous connaissez vos besoins en matière de capteur ou de test, la prochaine étape importante consiste à choisir le matériel pour collecter ces données. La qualité du matériel d’acquisition détermine la qualité des données que vous collectez.

NI propose une gamme de matériels de mesure de déformation et de force conçue pour acquérir des données relatives à la charge et compatibles avec une variété de capteurs de charge à pont.