L fabricant allemand HBM. 'industrie demande aux fabricants de proposer des techniques de mesure toujours plus performantes, notamment parce que les applications sont de plus en plus exigeantes. Pour comprendre l'importance de ce sujet, il faut savoir que les jauges à trame pelliculaire sont couramment utilisées depuis déjà des décennies dans les mesures de force, de couple et de pression, ainsi que pour la traçabilité. Comme il offre les incertitudes les plus faibles, ce principe de mesure est utilisé dans des instituts de métrologie nationaux du monde entier. Avec les modèles récents dédiés aux forces élevées

Pour des valeurs nominales de force et de couple aussi élevées, il faut que les étalons de transfert (ici un capteur de force C18 [1a], un capteur de force [1b] et un système composé [1c]) assurent la traçabilité jusqu'à une quantité en rapport avec l'étalon de référence national. Les étalons de transfert servent ainsi à réduire l'incertitude de mesure dans les applications industrielles.

(jusqu'au meganewton ou MN), aux couples élevés (jusqu'au meganewton. mètre ou MN.m) et aux pressions élevées (gigapascal ou GPa), les jauges d'extensométrie ont montré qu'elles étaient parfaitement adaptées aux grandeurs élevées.

L'emploi de ce principe de mesureper-met d'avoir un très bon rapport signal/ bruit et de bénéficier d'une technologie établie qui est très bien connue. Les in-certitudes de mesure sont souvent assez importantes lorsqu'il s'agit de mesurer des forces, des couples ou des pressions très élevés. Ces incertitudes sont cependant essentielles pour l'utilité des mesures et pour exploiter l'avantage de ces toutes nouvelles applications. Parmi les applications qui nécessiteront rapidement des mesures plus précises, le contrôle de procédés industriels a un besoin urgent de disposer d'une traçabilité de la force, du couple et de la pression sur de nombreux points. Dans tous ces cas de figure, il est important de surveiller les paramètres du process,afin de pouvoir reproduire ce dernier aisément. Étudions donc un exemple d'application en partant du principe que le process puisse être reproduit aisément.

Les capteurs «étalons de transfert »

Les capteurs sont appelés «étalons de transfert» lorsqu'ils répondent aux exigences les plus élevées, à savoir lorsque leur incertitude de mesure est estimée être très faible, car ils sont mis en œuvre pour définir et déterminer la grandeur physique. En général, on peut affirmer que la technologie à jauges d'extensométrie permet de réaliser un large éventail de capteurs très différents pour mesurer une force, un couple ou une pression, ces capteurs ayant été testés et optimisés depuis des décennies et ayant montré une excellente incertitude de mesure. La mesure de force et de couple dans les laboratoires est souvent importante pour de nombreuses branches de l'industrie. Cette mesure peut aller dans la plage des meganewtons ou fait appel depuis peu à des machines d'étalonnage du couple allant jusqu'aux meganewtons.mètre.

Les couplemètres étalons représentent des modèles différents. Le couplemètre étalon TB2 (2a) de HBM est un capteur de type «disque », alors que le couplemètre de transfert de la série TN (2b) est un capteur de type «arbre».

Pour des valeurs nominales de force et de couple aussi élevées, il faut que les étalons de transfert assurent la traçabilité jusqu'à une quantité en rapport avec l'étalon de référence national. Ces étalons servent ainsi à réduire l'incertitude de mesure dans les applications industrielles. Ils sont également utilisés pour ce qu'on appelle la «comparaison interlaboratoire», ou «intercomparaison», afin de permettre une comparaison entre les instituts de métrologie nationaux de différents pays. Les étalons de transfert et l'amplificateur de précision sont ainsi envoyés d'un laboratoire à l'autre pour effectuer des mesurages de comparaison.

Par exemple, le peson étalon C18 ( voir photographie1a ) du fabricant allemand HBM mesure des forces en compression, selon le principe de l'anneau de torsion et est donc particulièrement insensible aux gradients de température, aux forces de cisaillement et aux moments de flexion. Pour les forces nominales proposées, le capteur est plutôt petit, léger et, donc, très facile à transporter et à installer dans divers endroits. Sa conception en acier inoxydable soudé hermétiquement et son indice de protection IP68 garantissent robustesse et stabilité à long terme. Pour le capteur de force de la série U15 ( voir photographie 1b ), qui peut être sollicité par des forces en traction et en compression jusqu'à une charge nominale de 2,5 MN, HBM garantit une classe de précision (selon la norme ISO 376: 2011) de 10% à 100% de la valeur nominale. Il est également pos-sible d'atteindre ces valeurs grâce à son élément de mesure monolithique, qui permet en outre d'avoir une hystérésis beaucoup plus faible.

Les «systèmes composés »

Un moyen de plus en plus utilisé, car très efficace, d'obtenir des forces nominales plus élevées est de mettre en œuvre des «systèmes composés», tels que le BU18 ( voir photographie 1c ). Ces systèmes sont de plus en plus populaires, car ils représentent un moyen très efficace d'augmenter la plage nominale. Pour l'étalonnage de capteurs de force, les instituts nationaux font générale-ment appel à des machines à charge directe. En raison des forces très élevées, de l'ordre du meganewton,ces systèmes d'étalonnage sont très imposants, et donc onéreux. De tels systèmes composés conviennent également pour les applications industrielles et les laboratoires d'étalonnage.Le système composé BU18 repose sur trois capteurs de force, ayant chacun une force nominale de 1 MN. Il peut ainsi être utilisé pour des forces en compression jusqu'à 3MN.

Avec le capteur ultra haute pression P3 Top Class BlueLine, il est possible de détecter un désalignement éventuel. Ce capteur repose sur le principe de mesure utilisant des jauges à trame pelliculaire.

Dans la plupart des cas, chaque capteur de force du système composé est raccordé à sa propre voie d'amplificateur. La force peut alors être aisément calculée en additionnant les forces via la sortie numérique de l'amplificateur de précision dans le PC. Les capteurs peuvent aussi être branchés en parallèle, mais il est alors important d'effectuer un ajustement R/C. À défaut, les signaux de sortie des trois capteurs individuels sont branchés en parallèle par l'intermédiaire d'un boîtier de raccordement.Cette solution de système composé est souvent bien moins chère qu'un seul capteur de force de grande taille. La hauteur de tels systèmes est aussi sensiblement moins élevée. Ils sont ainsi moins encombrants et plus légers qu'un montage avec un seul capteur.

Les couplemètres étalons représentent des modèles différents. Le couplemètre étalonTB2 ( voir photographie 2a ) de HBM est un capteur de type «disque», alors que le couplemètre de transfert de la sérieTN ( voir photographie 2b ) est un capteur de type «arbre». Le TN est doté d'une voie «couple» et de moments de flexion dans les directions X et Y. Ces voies supplémentaires permettent de détecter un désalignement éventuel. Il est possible de faire la même chose avec le capteur ultra-haute pression P3 Top Class BlueLine ( voir photographie ci-contre ).

Ce capteur repose sur le principe de mesure utilisant des jauges à trame pelliculaire. Le fait d'installer les jauges sur la surface extérieure de l'élément de mesure permet d'avoir une conception monolithique. L'absence totale de soudures et de moyens de serrage des différentes pièces offre la robustesse requise. Cette conception peut supporter un très grand nombre de cycles de charge, tout en offrant des incertitudes de mesure plutôt faibles à des pressions très élevées. C'est aussi pour cette raison que la linéarité et les performances globales sont nettement meilleures que celles des autres conceptions. De plus, la série P3 Top Class BlueLine présente une meilleure tenue en température et une faible tolérance de sensibilité.

L'instrument de mesure numérique de précision DMP41 est particulièrement bien adapté pour les mesures comparatives de haute précision de grandeurs mécaniques comme la force, le couple et bien sûr la pression.

Les amplificateurs ouvrent de nouvelles possibilités

Le capteur est fourni avec un rapport d'essais individuel très détaillé, comprenant des informations sur l'erreur d'in-terpolation maximale en pourcent et le coefficient de la fonction cubique de compensation du capteur en question selon l'équation suivante : X=RxY ³ +SxY ² +TxY.Avecunconnec-teur Lemo, le capteur P3 Top Class BlueLine représente le choix idéal pour les applications à haute pression. Le capteur est disponible pour les étendues de mesure de 500 MPa (référence 1-P3MBP/5000BAR), 1 GPa (1-P3MBP/10000BAR) et 1,5 GPa (1-P3MBP/15000BAR). Quelle que soit l'étendue de mesure, une sonde Pt100 est intégrée dans le capteur afin de pouvoir effectuer une compensation thermique éventuelle.

Intéressons-nous maintenant aux nouvelles possibilités existantes pour créer une chaîne de mesure de référence à partir de la famille de capteurs de pression mentionnée précédemment. L'instrument de mesure numérique de précision DMP41 (voir photographie 4 ) de HBM est particulièrement bien adapté pour les mesures comparatives de haute précision de grandeurs mécaniques comme la force, le couple et bien sûr la pression, car il s'agit de l'amplificateur de mesure le plus précis au monde pour les mesures à l'aide de jauges d'extensométrie. Le DMP41 offre des fonctionnalités encore plus polyvalentes que son prédécesseur, le modèle DMP40, à l'instar de la stabilité à long terme (dérive typique sur 24 h de ±2 ppm) ou des fonctions conviviales comme la commande par écran tactile et la fonction brevetée background calibration .

Le principal atout de cette fonction brevetée d'étalonnage en arrière-plan est d'une grande aide au quotidien. Contrairement aux modèles précédents, la mesure n'est plus interrompue par le processus d'étalonnage de la voie concernée. En outre, l'amplificateur permet une mesure simultanée avec au moins 2 voies et jusqu'à 6 voies. Par ailleurs, le DMP41 offre une immunité aux bruits plus élevée et garantit la classe de précision 0,0005, même dans un champ électrique puissant de 10V/m par exemple. Ses interfaces modernes USB et Ethernet permettent enfin d'intégrer l'amplificateur dans les environnements en réseau actuels des laboratoires de plusieurs manières différentes. Il est important de sélectionner les paramètres de filtrage appropriés pour la chaîne de mesure. Il existe désormais un plus grand choix de filtres et plus d'étapes de filtrage pour répondre à de nombreuses applications.

Les signaux de mesure doivent être disponibles avec toujours plus de précision et, en même temps, présenter une grande stabilité afin qu'il soit possible d'exploiter pleinement le potentiel des mesures statiques pour les étalonnages. C'est le cas avec le module QuantumX MX238B.

Mais le DMP41 n'est pas le seul choix possible. Les signaux de mesure doivent être disponibles avec toujours plus de précision et, en même temps, présenter une grande stabilité afin qu'il soit possible d'exploiter pleinement le potentiel des mesures statiques pour les étalonnages. Le nouveau module compact de précision à 2 voies QuantumX MX238B ( voir photographie ci-contre ) de HBM offre une classe de précision de 0,0025 (25ppm) et est idéal pour les mesures de haute précision via des capteurs à pont de jauges complet. Il est en outre compact, ce qui le rend idéal pour les interventions sur site. L'étalonnage en arrière-plan garantit une mesure ininterrompue, même pendant la comparaison avec le signal de calibrage interne. La compatibilité avec les bus de terrain ou la synchronisation de l'horloge avec d'autres modules QuantumX ou d'autres systèmes du constructeur allemand (MGCplus via Ethernet PTPv2, par exemple) permet une intégration facile avec le système d'acquisition de données QuantumX. Sans oublier ce qui constitue sans doute le principal avantage: l'amplificateur de mesure QuantumX MX238B peut être combiné avec le QuantumX MX410B, un module conçu pour l'étalonnage dynamique et offrant une large bande passante.

En conclusion, les chaînes de mesure à jauges d'extensométrie offrent une précision maximale, ce qui leur permet de faire office d'étalon, mais aussi de répondre aux exigences de l'industrie pour les applications de force, de couple et de pression. Certaines mesures de précision peuvent être combinées avec les fonctionnalités des capteurs étalons afin de mesurer des valeurs de force,de couple et de pression plus élevées, tout en assurant des incertitudes de mesure minimales de la chaîne de mesure. Pour les utilisateurs, cela présente l'avantage indéniable d'améliorer la qualité des produits dans les applications industrielles, par exemple la construction mécanique. Avec un excellent rapport qualité/prix, cette technologie aide à inventer des applications entièrement nouvelles.