Les cellules de mesure de tension de bande à rude épreuve

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1 Technology Review Les cellules de mesure de tension de bande à rude épreuve Robert Sarnelli Dans l industrie du papier, comme dans d autres secteurs, la vitesse est un paramètre essentiel. Par exemple, une machine à papier de cinq mètres de large peut produire un kilomètre de papier par minute. Imaginez le coût que représente la casse brusque de cette bande de papier pour le producteur et les problèmes qui résultent des centaines de mètres de papier qui se répandent sur le sol de l atelier; dans le jargon du métier, on appelle cela la «gâche». Dans ce contexte, on comprend aisément pourquoi il est impératif de mesurer avec fiabilité et précision la tension de bande dans des applications industrielles comme le film plastique, le textile et l impression. Malheureusement, les cellules de mesure de tension de bande sont souvent mal adaptées aux environnements difficiles de l industrie. Depuis plusieurs années, ABB propose des cellules de mesure hautes performances qui marquent une avancée majeure dans ce domaine. Basées sur la technologie Pressductor, exclusivité ABB, elles offrent la robustesse et la précision exigées par le monde 1 industriel. L es opérateurs de lignes de transformation en continu savent que la mesure de tension de bande doit être fiable s'ils veulent maximiser la qualité de leurs produits et la productivité de leurs machines. Mais, comme de nombreux autres équipements, si les cellules de mesure de tension de bande fonctionnent parfaitement en laboratoire, les difficultés commencent dès leur fonctionnement en conditions d exploitation «normales». De nombreux paramètres et événements fortuits peuvent compromettre la fiabilité et la précision des systèmes de mesure de tension de bande. Les problèmes se traduisent par la dérive ou l instabilité des valeurs de sortie, avec un impact sur les performances de la machine ou la qualité de production. En fait, le manque de fiabilité des mesures est fréquemment cité par les clients comme le principal Supply: 115 VAC 1 2 Control output: 0-5 V, 0-10 V or 4-20 ma Instrument output: 0-10 V 1 Exemple type de système de mesure de tension de bande avec rouleau de mesure, cellules de mesure (1) et unité de contrôle (2). Les signaux de sortie sont transmis à des dispositifs de visualisation et des régulateurs de tension de bande. Les cellules de mesure de type «Pillow block» sont montées entre les paliers supportant le rouleau de mesure et le bâti de la machine. 52 Revue ABB 3/2001

2 handicap de la mesure de tension de bande. Anatomie d un système de mesure de tension de bande Un système de mesure de tension de bande comprend habituellement deux cellules de mesure montées de part et d autre d un rouleau (généralement non entraîné) de la ligne de production et raccordées par un câble de signaux à une unité de contrôle 1. Ce rouleau est appelé rouleau de mesure. L électronique, qui peut soit être installée sur la machine elle-même, soit être déportée, amplifie, met en forme et éventuellement combine les signaux de sortie des cellules de mesure. On distingue deux modes de montage de base des cellules de mesure: d une part les cellules de type «pillow block» qui se montent entre les paliers à semelles supportant le rouleau et le bâti de la machine et, d autre part, les cellules de mesure couplées à l arbre qui sont montées directement sur chaque extrémité Control output 0-5 V, 0-10 V or 4-20 ma Instrument output: 0-10 V Supply: 115 VAC du rouleau de mesure et fixées au bâti de la machine 2. Le capteur à l intérieur de la cellule de mesure est l élément sensible qui convertit les forces mécaniques en signaux électriques. La cellule de mesure a un triple rôle: maintenir et protéger le capteur, et diriger les forces de la bande vers cet élément sensible. Déterminer l étendue de mesure appropriée d une cellule de mesure, c est-à-dire sa capacité nominale, est généralement la tâche la plus importante, et souvent la plus ardue, lors de la spécification des cellules de mesure pour l application envisagée. Pour obtenir une mesure fiable, cette étendue doit prendre en compte des facteurs comme la nature de la bande, le niveau de tension, la vitesse de défilement de la bande et la laize, de même que les angles d embarrage de la bande sur le rouleau de mesure. Impact des conditions d exploitation La maintenance ou le remplacement fréquent des cellules de mesure au sein 2 Les cellules de mesure circulaire (mesures radiales) sont montées à l intérieur des flancs de la machine et couplées à l arbre du rouleau de mesure. Glossaire Butée mécanique: empêche un capteur à déplacement d aller au-delà d un certain point lors de l application d une surcharge. Capteur: élément sensible d une cellule de mesure qui convertit les forces mécaniques en signaux électriques. Cellule de mesure: structure mécanique logeant un ou plusieurs capteurs. Charge nominale: ou capacité. Charge maximale qu une cellule de mesure peut mesurer avec une précision maximale. Chocs: charges transitoires brutales. Classe de précision: ou précision de mesure. Combinaison de plusieurs erreurs de la cellule de mesure exprimée en pourcentage de la charge nominale. Déplacement: mouvement physique dans la cellule de mesure provoqué par l application d une force mécanique. Dérive: variation du signal de sortie à une tension de bande constante. Dérive du zéro: variation du signal de sortie à une tension de bande nulle. Domaine d emploi: ou domaine d application. Rapport de la charge maxi sur la charge mini entre lesquelles les paramètres de calibration de la cellule de mesure sont conservés. Embarrage: arc de cercle d un rouleau recouvert par la bande de matériau. Généralement exprimé en degrés. Joint d étanchéité: joint caoutchouc ou plastique empêchant la pénétration de contaminants à l intérieur de la cellule de mesure. Perturbation électromagnétique: perturbation électrique d un système de mesure provenant notamment de câbles de puissance et d entraînements à vitesse variable. Perturbation radioélectrique: perturbation du système de mesure provenant des fréquences radio (ex., talkie-walkies et téléphones cellulaires). Réétalonnage: nouveau réglage du zéro et des valeurs de gain. Remise à zéro: réglage du zéro correspondant à l absence de tension de bande. Répétabilité: aptitude d un système de mesure à reproduire des résultats de mesure successifs d une même grandeur (tension de bande). Surcharge: valeur de charge provoquant une modification permanente des paramètres de calibration de la cellule de mesure. Unité de contrôle: convertit le signal de sortie de la cellule de mesure en un signal envoyé aux dispositifs de visualisation, de contrôle et de régulation. Revue ABB 3/

3 Technology Review des sites de fabrication peut être réellement problématique, voire remettre en cause l intérêt de la mesure de tension de bande. Mais pourquoi un tel manque de fiabilité? Alors que théoriquement les cellules de mesure sont conçues pour relever les défis d un environnement industriel, le nombre élevé de paramètres influents est un vecteur de non-fiabilité ou de réduction de la durée de vie (cf. Tableau). Paramètres d influence des performances des cellules de mesure Evénement Surcharges Chocs Application, installation et utilisation Type de roulement Disposition de montage Surdimensionnement et sousdimensionnement Valeur d embarrage Angles d embarrage Manutention Conditions d exploitation Produits chimiques Perturbations électromagnétiques et radioélectriques Fumées transportant des agents corrosifs et/ou dépôts Humidité Impuretés Température ambiante Gradient de température Contribution aux vibrations Effet des vibrations sur les mesures Les cellules de mesure fonctionnent en continu, elles sont en permanence soumises aux efforts exercés par la bande et aux contraintes d environnement; par conséquent, l effet cumulé de faibles probabilités de défaut peut être source de défaillance et de manque de fiabilité. Surcharges et chocs Lorsque le rouleau de mesure est sujet à des surcharges et des chocs, la cellule de mesure peut instantanément être décalibrée, voire détruite. L inertie d un rouleau à compenser lors d un arrêt d urgence peut engendrer des surcharges très élevées, tout comme la bande qui s enroule autour d un rouleau après une casse ou une personne qui marche par inadvertance sur un rouleau de mesure. Perturbations électromagnétiques et radioélectriques Les câbles de raccordement entre la cellule de mesure et l électronique agissent, en réalité, comme une grande antenne qui capte les perturbations d origines diverses. Les câbles de puissance et les systèmes d entraînement sont les principaux responsables, mais le phénomène est aujourd hui amplifié par la prolifération des téléphones mobiles et autres dispositifs sans fil utilisés en milieu industriel. Les câbles de raccordement, avec leurs résistances et leurs valeurs d impédance, sont très sensibles aux tensions et courants induits. En minimisant ces effets par une meilleure conception et construction des cellules de mesure, on renforce la tenue aux perturbations. Par ailleurs, le mode de cheminement des câbles et le blindage des câbles de puissance et de signaux jouent un rôle essentiel. Contamination L humidité et les fluides, les fumées qui déposent des agents polluants et corrosifs, ainsi que les impuretés peuvent compromettre le bon fonctionnement des cellules de mesure, des câbles et de l électronique. Qui plus est, ces contaminants sont souvent présents dans un environnement d exploitation «normal». Le capteur produisant un signal analogique basse tension, il est particulièrement sensible à l humidité par une mauvaise étanchéité. La corrosion affecte souvent les organes mécaniques un problème évident avec les capteurs à déplacement. Par ailleurs, le fonctionnement des butées mécaniques largement utilisées pour prévenir les surcharges peut être perturbé. Les butées enclenchent trop tôt, ce qui réduit l étendue de mesure de la cellule et diminue sa sensibilité et/ou sa précision. Incidence de la conception et du mode de fonctionnement de la machine La qualité des mesures est également influencée par des facteurs liés à la configuration et au montage d un système de mesure de tension de bande et au mode de fonctionnement de la ligne de transformation. Vibrations Parties intégrantes de la structure mécanique, les cellules de mesure sont tout à la fois victimes et responsables des vibrations naturelles de la machine. Ces vibrations compliquent les mises en route de la machine et ramènent une fréquence de résonance dans la plage de vitesse de fonctionnement de la machine. Le fonctionnement à grande vitesse, comme 54 Revue ABB 3/2001

4 pour le bobinage et l impression, est particulièrement sensible aux vibrations. Variations de température Du fait de la dilatation et la contraction thermiques du rouleau de mesure, des forces axiales agissent sur la cellule de mesure, forces qui doivent être atténuées pour garantir la précision des mesures. Cependant, la répartition thermique non homogène au sein de la cellule a généralement des effets importants. Les roulements à rouleaux et les roulements fraîchement graissés ont tendance à s échauffer, provoquant des gradients de température dans la cellule de mesure. Ils imposent des contraintes internes susceptibles d entraîner des dérives de mesure. Les cellules de mesure mettent généralement en œuvre une forme de compensation thermique visant à réduire l impact des gradients de température. Dimensionnement Pour les cellules de mesure, la tendance est au surdimensionnement en terme de capacité nominale, partant du principe que «qui peut le plus, peut le moins». Mais la classe de précision, la répétabilité et autres paramètres de calibration sont spécifiés pour une charge nominale, les cellules de mesure offrant leurs meilleures performances lorsqu elles fonctionnent en régime nominal. Exploitées à des valeurs de tension de bande inférieures, les grandeurs d influence (ex., température, perturbations électromagnétiques et radioélectriques) constituent une part plus importante de la force totale mesurée. Le rapport signal-bruit diminue, donnant des mesures moins fiables. Montage et alignement de la cellule de mesure Un montage insuffisamment rigide notamment des modes de fixation structurellement peu solides n est pas rare dans l industrie. On sous-estime facilement la tendance à la flexion des rouleaux soumis aux efforts de la bande. Un défaut d alignement du rouleau, des roulements inadaptés, et la non-prise en compte de la dilatation et de la contraction thermiques lors de la conception de la ligne de transformation, contribuent également à générer des efforts «parasites» qui faussent les mesures. Technologie des capteurs Alors que les cellules de mesure sont proposées dans un large éventail de conceptions par de nombreux constructeurs, elles ne mettent en œuvre généralement que quelques principes de fonctionnement au niveau du capteur. Deux de ces principes s appuient sur un déplacement dans la cellule de mesure et le capteur produisant un signal de mesure électrique proportionnel à la force mécanique appliquée. La technologie qui domine est celle des jauges de contrainte suivie, loin derrière, par le transformateur différentiel LVDT (linear variable differential transformer). Une troisième technologie exploite les propriétés magnétiques intrinsèques de certains aciers pour produire un signal sans déplacement au sein du capteur. C est cette technologie de pointe qui est au centre des travaux de développement d ABB dans le domaine de la mesure de force, avec des produits commercialisés sous la marque Pressductor. En 1998, ABB a lancé une nouvelle gamme de cellules de mesure extrêmement fiable et robuste basée sur le principe de fonctionnement Pressductor, avec une conception mécanique qui contribue à accroître la qualité des mesures. Technologie des jauges de contrainte Soit un fil de cuivre de section et de résistance électrique données; sous l effet d une force, le fil s allonge. Au fur et à mesure que la section du fil diminue du fait de son allongement, sa résistance électrique augmente. En mesurant cette variation de résistance, un signal électrique peut être produit qui est proportionnel à la force mécanique appliquée. Tel est le principe de fonctionnement de base d un capteur à jauges de contrainte. L élément sensible de ce type de capteur est constitué essentiellement de fils très fins ou de feuilles métalliques Revue ABB 3/

5 Technology Review 3 Les jauges de contrainte collées de la cellule de mesure 4 Un signal est généré lorsque la poutre de mesure de la s allongent ou se contractent lorsqu une force mécanique leur cellule à jauges de contrainte fléchit sous les efforts mécaniques. est appliquée. L L R R minces formant une grille électrique sur un substrat. Au moins deux de ces éléments sensibles de la taille d un timbre poste sont reliés à des surfaces internes opposées de la cellule de mesure en des points stratégiques 3. La cellule de mesure à jauges de contrainte est conçue pour permettre aux surfaces internes opposées une traction sur un des côtés et une contraction sur l autre côté lorsque la cellule est soumise à une force mécanique. Les éléments sensibles, soigneusement positionnés et reliés aux surfaces, suivent étroitement ces mouvements 4. Les deux éléments sensibles sont montés en un circuit électrique classique de type pont de Wheatstone. Le déséquilibre électrique produit dans le pont par les variations de résistance des éléments sensibles engendre le signal de mesure. Le déplacement au sein des cellules de mesure à jauges de contrainte utilisées sur les lignes de transformation et autres applications de mesure de tension de bande se situe entre 0,11 et 0,22 mm. Les éléments résistifs sont généralement des dispositifs de 350 ohms, produisant des variations de résistivité à l échelle du micro-ohm. Le signal de sortie du pont de Wheatstone est de 30 millivolts environ, ce qui correspond à une puissance de l ordre de 2,5 microwatts. Capteur LVDT Un capteur à transformateur différentiel LVDT convertit le déplacement produit dans une poutre en flexion en porte à faux (lorsqu une force mécanique est appliquée à la cellule de mesure) en un déséquilibre dans deux bobines de transformateur pour générer un signal de mesure 5. La poutre en flexion déplace un noyau situé entre une bobine du primaire du transformateur et deux bobines du secondaire dans le sens de la force. Au fur et à Flex point Primary mesure que le noyau se déplace, il modifie le couplage magnétique entre le primaire et le secondaire. Le signal de sortie de la cellule de mesure est la différence entre les tensions induites dans les deux secondaires. Lorsque la cellule de mesure est au repos, le noyau reste dans une position neutre qui produit un couplage équilibré entre les bobines primaire et secondaires, créant une tension nulle et donc aucun signal de mesure. Le capteur LVDT fournit un signal fort en général une tension de sortie de 5 volts. Il exige, toutefois, un déplacement important pour produire un signal de 5 Dans la technologie à capteur LVDT, la tension de la bande déforme une plaque pivotante par rapport au corps de la cellule de mesure, provoquant le déplacement d un noyau de ferrite entre des bobines électromagnétiques pour produire un signal de mesure. S 1 S 2 V o =(S 2 -S 1 ) 56 Revue ABB 3/2001

6 2 mesure: environ 0,66 mm à charge nominale. La conception de la cellule de mesure s appuie entièrement sur des butées mécaniques pour la protection contre les surcharges 6. Le capteur luimême n intègre aucune protection contre les surcharges. 1 1 Technologie du capteur magnéto-élastique La magnéto-élasticité de certains aciers décrit le phénomène métallurgique par lequel une force mécanique modifie la perméabilité magnétique. Tel est le principe de fonctionnement du capteur magnéto-élastique. Comme pour la technologie LVDT, le fonctionnement du capteur magnétoélastique veut que ce sont les variations de champ électromagnétique qui produisent les signaux de mesure. Mais, contrairement au capteur LVDT, ces variations ne sont pas le fait d un déplacement au sein de la cellule de mesure, mais plutôt de la nature magnéto-élastique de l acier utilisé à la fois dans le capteur et dans la structure de la cellule de mesure 7. L effet magnéto-élastique convertit une partie de l énergie d une force mécanique appliquée à la cellule de mesure en variations de perméabilité de l acier. L aptitude de l acier à supporter des champs magnétiques varie à la fois en amplitude et en direction. Tout comme la résistivité et la conductivité sont des termes utilisés pour décrire le flux d électricité, la perméabilité décrit le flux magnétique, ou l aptitude à supporter un champ magnétique. C est ce principe qu ABB utilise pour ses nouvelles cellules de mesure Pressductor. Conçues pour des niveaux de tension 6 S 1 P S 2 Configuration de la cellule de mesure. Un plongeur (centre) amortit le déplacement dans la cellule de mesure à capteur LVDT et une butée mécanique (droite) protège des surcharges. 1 Tension de bande 2 Force appliquée 7 Technologie des capteurs magnéto-élastiques en action. La force appliquée au bloc d acier modifie le flux magnétique interne pour produire le signal de mesure. Revue ABB 3/

7 Technology Review 8 Vue partielle de l intérieur de la cellule de mesure magnéto-élastique. Le courant constant dans l enroulement primaire crée un champ magnétique. Le sens du flux varie lorsqu une force est appliquée à la cellule de mesure, produisant un signal dans l enroulement secondaire perpendiculaire. de bande types des lignes de transformation de produits, film plastique, textile, et des machines d impression, leur structure mécanique contribue à la qualité des mesures en limitant les forces appliquées au capteur aux seules forces dans le sens de la mesure. Les contraintes dans toutes les autres directions qui dégradent la précision de mesure sont annulées. Fondamentalement, le capteur Pressductor est constitué de deux enroulements perpendiculaires de fil de cuivre passant dans une membrane d acier percée de quatre trous la zone de mesure 8. Un champ magnétique est créé dans un des enroulements par un courant d excitation constant. Lorsque le capteur est soumis à une force mécanique, la propriété magnéto-élastique de l acier modifie le sens du champ magnétique de sorte qu une partie de ce champ est dirigée vers l enroulement secondaire pour induire une tension alternative proportionnelle à la force. Le signal de l ordre de microwatts est exceptionnellement puissant pour un capteur conçu pour des lignes de transformation et applications similaires. Le principe de fonctionnement confère également à la cellule de mesure une tolérance naturelle élevée aux surcharges et une grande rigidité deux qualités très appréciables. Le niveau de contrainte physique reste faible dans le métal de la membrane du capteur, même à charge nominale, laissant une marge naturelle pour les surcharges de 300 à 500% de la capacité de la cellule, selon le type de cellule de mesure. La déformation à charge nominale des cellules de mesure magnéto-élastiques pour les applications industrielles de transformation est d environ un centième de millimètre (0,01 mm). Usinées dans un bloc d acier inoxydable, leur déplacement sous charge est de 10 à 100 fois inférieur à celui des dispositifs à déplacement. Impact de la technologie de mesure sur la conception et les performances des cellules Cellules de mesure à jauges de contrainte Ce type de cellule de mesure est économique, très répandu et technologiquement adapté à un large éventail d étendues de mesure, de formes physiques et de performances. Les constructeurs proposent souvent des solutions globales intégrant mesure et contrôle de tension de bande. Les capteurs sont fabriqués par des fournisseurs spécialisés. Les cellules à jauges de contrainte sont, toutefois, plus sensibles aux contraintes d environnement et d exploitation de la machine et autres facteurs: Un signal relativement faible de l ordre de 2,5 microwatts associé à la résistance électrique élevée du capteur en font une technologie sensible à la perte de qualité du signal du fait des perturbations 58 Revue ABB 3/2001

8 électriques et du déplacement du point d application des forces. Les défauts de terre et autres défauts peuvent également être sources de problème; la résistance de sortie type du capteur étant approximativement de 350 ohms, un défaut de terre de 10 kohms réduit de 4% le niveau des signaux. Sensibilité aux contaminants environnants précités. Tolérance limitée aux surcharges. Le capteur à déplacement fonctionne proche du point de déformation plastique du métal de la grille de feuilles. La tolérance aux surcharges est limitée à environ 150 à 200% de la capacité de la cellule. Contribution aux vibrations de la machine. Cellules de mesure à capteur LVDT Le signal de sortie des cellules de mesure LVDT est fort, améliorant leur tolérance aux perturbations électriques. Le déplacement important dans la cellule de mesure nécessaire pour générer les signaux plus de 0,66 mm restreint cependant énormément la rigidité. La sensibilité indirecte aux mouvements du rouleau et la contribution aux vibrations de la machine limitent l intérêt de la cellule de mesure lorsqu une précision de mesure élevée est impérative, notamment dans les applications d impression. Le fort déplacement entraîne également une certaine sensibilité à la présence d impuretés et de fluides dans l environnement d exploitation, de sorte que l efficacité de l étanchéité est importante. Alors que les capteurs à jauges de contrainte utilisent des joints d étanchéité en plastique, les plus grands déplacements des cellules à capteurs LVDT exigent plus de flexibilité, donc l utilisation de joints en caoutchouc, plus fragiles. En bref, les cellules LVDT sont mécaniquement complexes et exigent de nombreux réglages mécaniques ainsi que de fréquentes interventions de maintenance pour leur bon fonctionnement. Cellules de mesure à technologie magnéto-élastique Les cellules de mesure de haute capacité basées sur la technologie ABB Pressductor à capteur magnéto-élastique sont exploitées depuis des décennies dans les environnements industriels difficiles de la sidérurgie et du papier. Des développements au cours des récentes années dans les domaines de la métallurgie, du génie mécanique et des techniques de production ont permis de concevoir des cellules Pressductor beaucoup plus précises. Ces cellules de mesure n imposent aucun déplacement du capteur pour produire le signal de mesure. Les cellules Pressductor plus compactes sont usinées dans des blocs d acier inoxydable, conférant solidité et rigidité, et ne nécessitant aucun joint d étanchéité. Leur plage de variation de tension de bande est importante approximativement 30:1 et l étendue de mesure linéaire est égale à deux fois la charge nominale. Aucune butée mécanique n est utilisée. La mesure s effectuant à l intérieur d un noyau d acier, la contamination environnementale n influence en aucune façon les performances et la fiabilité de la cellule de mesure. Un signal c.a. puissant environ microwatts contribue à l intégrité des signaux de même qu à la bonne tenue aux perturbations électriques. La faible impédance des enroulements électromagnétiques qui font partie intégrante du capteur magnéto-élastique les quelques spires de fil de cuivre produisent moins de 1 ohm réduit encore plus la sensibilité des cellules de mesure aux perturbations électromagnétiques et radioélectriques. Cette faible impédance limite également l impact des défauts de terre; un défaut de 10 kohms entraîne une erreur du signal inférieure à 0,1%. Les cellules de mesure magnéto-élastiques sont en général un peu plus chères que les autres types de cellules, du fait essentiellement des procédés métallurgiques et de fabrication plus complexes. La conception des cellules antidéflagrantes présente des difficultés, essentiellement en raison du niveau de courant d excitation élevé des cellules de mesure. La contribution majeure de la technologie des capteurs magnéto-élastiques à l amélioration des performances des cellules de mesure de force se situe sur le plan de la tenue aux surcharges, aux perturbations électriques et thermiques, et aux défauts de spécification et d installation. Auteur Robert Sarnelli ABB Automation Inc 20 Farrington Road Brewster, New York 10509, USA bob.sarnelli@us.abb.com Revue ABB 3/