Cellule de charge

Les capteurs des instruments de mesure de la force ou les dispositifs de mesure de la force sont appelés " cellule de charge ". Les cellules de charge ont les formes et les tailles les plus diverses. Il existe des cellules de charge qui sont fortement liées à l'affichage de la force, mais aussi des cellules de charge qui peuvent être liées à différents appareils de mesure de la force ou à des affichages de la force. L'avantage des cellules de charge externes est que le point de mesure et le point d'affichage peuvent être distants dans l'espace et qu'elles peuvent également être utilisées dans des conditions d'espace très limitées. Avec certains principes de mesure électrique, les signaux de plusieurs cellules de charge peuvent être évalués ensemble. Cette possibilité est souvent utilisée dans la technologie de pesage. Comme la masse peut être déterminée à partir de la force du poids lorsque la valeur gravitationnelle est connue, les cellules de charge sont utilisées avec un très grand nombre de balances. Les cellules de charge spéciales peuvent enregistrer plusieurs directions de force le long d'un axe ou simultanément les valeurs de plusieurs axes de force.
La directive VDI 2638 régit les paramètres des cellules de charge. Selon le communiqué de presse du VDI :
En définissant les valeurs caractéristiques des cellules de charge, la directive permet "au consommateur d'attribuer clairement les caractéristiques du produit et de faire un choix en fonction de ses besoins".

Principes de fonctionnement des cellules de charge
Cellule de charge à ressort
Des cellules de charge mécaniques simples peuvent être fabriquées à partir de ressorts métalliques en spirale. Si le ressort en spirale est poussé ou tiré le long de l'axe, la variation de longueur dans la plage de mesure est proportionnelle à la force exercée. Lorsqu'il est relâché, la cellule de charge du ressort reprend sa forme initiale. Selon le matériau, l'épaisseur du matériau et le type et le nombre d'enroulements, les ressorts peuvent être conçus pour différentes plages de mesure. La course du ressort est affichée sur une échelle sous la forme d'une valeur de force. Certains dynamomètres à ressort disposent d’un pointeur de traînée distinct, lorsqu'ils sont chargés, qui ne revient pas à la position initiale lorsque la charge est relâchée. La valeur maximale d'une série de mesures est ainsi mémorisée.

Cellule de charge avec fluide hydraulique
Les cellules de charge hydrauliques ont souvent la forme d'une cellule de charge. Dans la forme la plus courante, la force agit sur un piston, qui fait généralement légèrement saillie, et qui est pressé dans le cylindre rempli de liquide hydraulique. Des pistons annulaires spéciaux sont disponibles pour les points de mesure où la cellule de charge est positionnée et maintenue par un arbre.
Comme les liquides sont difficiles à comprimer, ils transmettent la force appliquée dans le système. Ils peuvent être affichés mécaniquement, par exemple via des manomètres, des transmetteurs de pression ou des contacts spéciaux. Une cellule de charge hydraulique ne requière aucune énergie auxiliaire, est résistante et peut être utilisée dans de larges plages de température avec le fluide hydraulique approprié.

Cellule de charge avec jauge de contrainte (DMS)
Les cellules de charge à jauge de contrainte utilisent également la déformation élastique des fils métalliques. Toutefois, ce n'est pas la variation de longueur qui est mesurée, mais la variation de la résistance électrique qui en résulte. Lorsque le fil est étiré, la résistance augmente et elle diminue lorsque le fil est comprimé. Le fil fin appliqué sur une feuille porteuse, généralement en forme de méandres, est appelé jauge de contrainte. Le corps de base sur lequel les jauges sont appliquées est appelé corps à ressort, car il se déforme également de manière élastique.
En utilisant plusieurs résistances interconnectées, il est possible d'éviter les erreurs de mesure dues aux forces transversales, aux moments de flexion et aux changements de température. Ceci est réalisé par le circuit en pont de Wheatstone, dans lequel quatre jauges de contrainte sont montées sur le corps à ressort de la cellule de charge de telle manière que lorsqu'une force est appliquée, deux sont comprimées et deux sont étirées. Si la température change, la résistance de toutes les jauges de contrainte change mais, en raison de l'alignement opposé, aucune tension de sortie n'est générée. Grâce à ce circuit, des cellules de charge très précises peuvent être produites à un coût relativement faible. La forme et le matériau du corps du ressort peuvent également être utilisés pour couvrir un large éventail de plages de mesure différentes.

Cellule de charge à compensation électromagnétique
Dans les cellules de charge à compensation électromagnétique (également appelés EMFC pour electromagnetic force compensation), un champ magnétique est généré autour d'une bobine sous tension. Un capteur de position détecte quand la bobine est abaissée par l'application d'une force. Le capteur envoie le signal à un contrôleur qui augmente le courant de la bobine jusqu'à ce que la position initiale soit à nouveau atteinte. La position est donc la même à l'état chargé et non chargé, car la cellule de charge compense électromagnétiquement l'effet de la force. Les cellules de charge EMFC peuvent également mesurer avec précision de très petites forces. Le courant nécessaire est proportionnel à la charge.

Cellule de charge à éléments piézoélectriques
Lorsqu'une charge est appliquée, une charge est créée à la surface des cristaux piézoélectriques, dont la quantité est proportionnelle à la force appliquée. Cet effet sur certains cristaux à axes polaires a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie. Comme cette charge n'est conservée que pendant une courte période, le principe convient principalement aux changements de charge rapides, aux pics de charge de courte durée ou aux mesures en continu avec enregistrement continu. Même les charges dynamiques avec des fréquences allant jusqu'à 100 Hz peuvent être mesurées avec une cellule de charge piézoélectrique. Avec un positionnement approprié de plusieurs éléments, des mesures multiaxes sont également possibles.
Les cellules de charge, qui sont souvent constituées de cristaux de quartz, disposent d'un amplificateur de charge qui détecte les changements d'état, les convertit puis les transmet à un écran, à des interfaces ou à des supports de stockage. La cellule de charge piézoélectrique mesure les charges dynamiques très rapidement et avec une grande sensibilité.

Critères de sélection pour les cellules de charge
Les questions de base suivantes aident à trouver une cellule de charge adaptée :
- Quel type de force doit être mesuré par la cellule de charge?
- Avez-vous besoin d'adaptateurs spéciaux pour la tâche de mesure ?
- Quelles sont les forces maximales ?
- Quelle est la précision attendue ?
- Les résultats des mesures doivent-ils être sauvegardés ?
- La cellule de charge est-elle utilisée dans des conditions de travail ou d’utilisation particulières ?

Types de force au niveau de la cellule de charge
La conception des cellules de charge diffère selon la tâche de mesure. Il est important de savoir si les forces statiques ou dynamiques doivent être mesurées. Une distinction est alors faite entre :
- Les cellules de charge qui mesurent uniquement les forces de traction ou uniquement les forces de compression,
- Les cellules de charge qui mesurent les forces de tension et de compression de manière bidirectionnelle,
- Les cellules de charge qui peuvent enregistrer les couples.

Adaptateur pour cellules de charge
Certaines cellules de charge offrent la possibilité de connecter des adaptateurs spéciaux. Les cellules de charge à jauges de contrainte en forme de S sont dotées de trous filetés métriques sur les branches supérieure et inférieure, en plus de l'option de connexion pour l'affichage de la force. On peut y connecter :
- Différents embouts de mesure avec des surfaces circulaires, sphériques ou coniques définies pour la mesure de la pression, ou
- Des crochets, des œillets ou des éléments de serrage pour fixer les échantillons pour les mesures en traction sont disponible sur les cellules de charge.

Force maximale pour une cellule de charge
Une force maximale est spécifiée pour chaque cellule de charge. Jusqu'à cette charge, la précision de mesure spécifiée peut être atteinte. Certaines cellules de charge sont détruites si cette charge est dépassée de quelques pour cent.

Pour les autres cellules de charge, un facteur est spécifié pour définir la surcharge que la cellule de charge peut supporter sans dommage. On peut distinguer la charge nominale, la charge limite et la charge de rupture. Certaines cellules de charge ou appareils de mesure de la force sont dotés d'une protection séparée contre les surcharges afin que les cellules de charge ne soient pas détruites. Par conséquent, lors de la sélection d'une cellule de charge, il faut tenir compte non seulement de la plage de mesure prévue, mais aussi de la possibilité de surcharges involontaires.

Précision de la cellule de charge
Selon la conception et la plage de mesure, les cellules de charge peuvent atteindre différentes précisions. Il convient de noter que les cellules de charge à haute précision de mesure n'atteignent cette précision que si les conditions ambiantes spécifiées sont respectées. La précision de mesure et la résolution d'affichage ne sont pas identiques. Elles doivent être prises en compte à la fois lors de la sélection des cellules de charge et lors de l'évaluation des résultats des mesures.

Options de stockage de la cellule de charge
Pour certaines mesures, par exemple pour le contrôle des fruits, l'affichage direct est suffisant. Cependant, si les valeurs mesurées doivent être stockées directement ou être utilisées pour des calculs, des cellules de charge pouvant transmettre des données sont adéquates. Une simple cellule de charge à ressort ou une cellule de charge hydraulique peut stocker la valeur maximale d'une série de mesures via un pointeur de traînée. Les cellules de charge électroniques offrent beaucoup plus de possibilités. Grâce aux valeurs électriques qu'elles transmettent à l'unité d'affichage et d'évaluation, les valeurs mesurées peuvent être stockées, converties et transmises. Les signaux des cellules de charge électriques peuvent être directement évalués et transmis à des transmetteurs d'alarme ou à des contacts de commutation, ou être affichés et stockés dans un PC. Lors de la mesure des forces dynamiques, il faut tenir compte de l'intervalle de temps pendant lequel la cellule de charge peut détecter les changements de force.

Exigences des cellules de charge pour l'environnement
Selon le principe de mesure, les cellules de charge ne fonctionnent de manière fiable que dans certaines conditions de température, d'humidité, de charge électrique ou magnétique. Une cellule de charge dans lequel des variables électriques sont évaluées est beaucoup plus sensible qu'une cellule de charge mécanique. Les affichages numériques des cellules de charge ne peuvent être utilisés que si les valeurs de température et d'humidité sont appropriées. Pour certaines applications, les systèmes mécaniques et hydrauliques sont donc indiqués.