Mesure de couple sur les arbres en rotation : le “sans

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MESURES 743 - MARS 2002
S olutions
D
e nombreuses grandeurs méca-
niques se mesurent de manière
indirecte. On accède par
exemple aux contraintes par des
mesures de déformation ou de température,
on mesure des distances en connaissant le
temps de propagation d’ondes ultraso-
nores… Même démarche pour la puissance
transmise par une machine tournante, qui
est souvent déduite du couple subi par l’arbre
de transmission.Le plus souvent,on intègre
dans la chaîne de transmission un couple-
mètre, qui comporte un corps d’épreuve
déformable sur lequel sont collées des jauges
de contraintes. Ces dernières traduisent en
signal électrique la déformation du corps
d’épreuve,donc la torsion que subit l’arbre
sous l’effet du couple de forces qu’on lui
applique…
Reste ensuite à transmettre l’information
donnée par les jauges (solidaires de l’arbre
tournant) à une chaîne de mesure fixe.
Pour cela,on utilise couramment des col-
lecteurs tournants qui assurent une liaison
entre le capteur et l’électronique de mesu-
re.Mais la méthode trouve vite ses limites
lorsqu’on a affaire à des vitesses de rota-
tion élevées :la qualité du contact peut être
altérée par des échauffements, des vibra-
tions ou des accélérations trop importantes.
Elle est aussi plus sensible à l’usure due aux
frottements…
Pour pallier ces inconvénients,on utilise de
plus en plus des systèmes de mesure sans
contact. En général, la mesure est faite de
façon classique (avec des jauges de
contraintes) et c’est la transmission du signal
qui se fait sans contact,à l’aide de transfor-
mateurs tournants ou encore par transmis-
sion radio.
Les couplemètres à transformateurs tour-
nants sont composés de deux bobines : l’une
est solidaire du corps d’épreuve (inséré dans
l’arbre de transmission dont on souhaite
mesurer le couple),l’autre,fixe, est reliée à
l’électronique de mesure. Lorsque la bobi-
ne fixe est traversée par un courant alterna-
tif,elle induit un courant dans la bobine pla-
cée sur l’arbre.(C’est l’effet transformateur).
Ce courant permet d’alimenter le pont de
jauges.Suivant le même principe,la bobine
mobile transmet à la bobine fixe le signal
provenant des jauges…
Les couplemètres associés à des systèmes
de télémesure radio se composent de
jauges de contraintes et d’une électronique
montées sur l’arbre en rotation. L’infor-
mation provenant du capteur est transmi-
se par ondes hertziennes (modulées en
amplitude,en fréquence ou en phase) vers
un récepteur de télémesure situé à proxi-
mité de l’arbre.
Ces deux techniques offrent une précision
importante (grâce à la sensibilité des
jauges de contraintes) mais leur mise en
œuvre peut être délicate. Il faut notam-
ment prendre le plus grand soin dans le
collage des jauges et de l’électronique asso-
ciée… et ce d’autant plus qu’elles sont
soumises à rude épreuve. Il n’est pas rare
que des fils électriques se dessoudent à
cause d’une trop forte accélération centri-
fuge,par exemple.
Dans le cas des transfor-
mateurs tournants, la
vitesse de rotation est éga-
lement limitée. Sans
compter les pertes…
Quant aux systèmes de
télémesure, ils requièrent
une certaine expérience
dans le choix des antennes
et de leur positionnement,
ainsi que dans la manière
d’alimenter l’émetteur :les
piles embarquées sur l’arbre
tournant,par exemple,sont
relativement simples à utili-
ser mais elles ne convien-
nent pas aux trop hautes
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Pour connaître la puissance transmise par un moteur, la méthode
classique consiste à mesurer le couple exercé sur l’arbre de trans-
mission. Cela nécessite de fixer des jauges de contraintes sur
l’arbre en rotation et de les relier à une électronique qui, elle, doit
rester fixe. Depuis quelques années, des solutions permettant de
mesurer le couple sans contact voient le jour. Basées sur un prin-
cipe magnétique, ces techniques sont plus robustes et plus
simples à mettre en œuvre que les méthodes à base de jauges de
contraintes.
MESURES MÉCANIQUES
Mesure de couple sur les arbres
en rotation : le “sans contact”
fait son chemin
L’essentiel
La mesure du couple exer-
cé sur un arbre de transmis-
sion est souvent délicate : elle
nécessite de coller des jauges
sur l'arbre en rotation et de
les relier à une électronique
fixe.
Deux nouvelles méthodes,
basées sur un principe
magnétique, permettent de
mesurer le couple sans qu'au-
cun circuit électronique ne
soit solidaire de l'arbre en
rotation. Elles sont donc plus
robustes que les méthodes
traditionnelles.
La puissance transmise par un moteur se traduit par un couple de forces exercé sur l'arbre en rotation.Pour la connaître,on uti-
lise donc un couplemètre,que l'on insère dans la chaîne de transmission.
Magtrol

températures ni aux trop fortes accélérations…
Bref, si la transmission du signal se fait sans
contact, le fait d’avoir à fixer des éléments
sur l’arbre en rotation reste encore souvent
problématique.
Plus récemment sont apparus sur le mar-
ché des couplemètres où tout est sans
contact :la transmission du signal,bien sûr,
mais aussi la mesure proprement dite.Mag-
trol a par exemple développé une gamme
de capteurs,basés sur un principe magné-
tique,dans lesquels aucun composant élec-
tronique n’est en rotation.Ils reposent sur
un système de transformateurs à couplage
différentiel.
Vers une détection sans contact
Ces couplemètres intègrent un corps d’épreu-
ve de forme cylindrique qui se déforme en
fonction de la puissance engendrée par le
couple moteur. Jusque-là, rien d’inhabituel
pour un capteur de
couple… Mais de part et
d’autre de l’arbre dans
lequel est intégré le corps
d’épreuve sont fixées deux
branches cylindriques,en
vis-à-vis (voir schéma de prin-
cipe). Ces deux “cloches”
sont chacune dotées de
deux fenêtres rectangu-
laires.Sous l’effet de la tor-
sion appliquée à l’arbre,
les fenêtres se chevau-
chent. On peut alors faire
passer un champ magné-
tique à travers l’ouvertu-
re… La suite est simple :
plus la déformation angu-
laire due au couple appli-
qué est importante,plus la
zone de coïncidence entre les fenêtres est lar-
ge,donc plus le flux magnétique qui les tra-
verse est important.
Cette technique ne manque pas d’attraits.
«Les éléments en rotation sont uniquement mécaniques,
souligne Jocelyn Cattin,p.-d.g.de Magtrol en
Suisse. Aucun circuit électronique n’est solidaire de
l’arbre tournant.Ces capteurs sont donc robustes et leurs
besoins en maintenance sont très limités».Les cap-
teurs de Magtrol offrent une longue durée de
vie (près de 5000 heures) et autorisent des
vitesses de rotation élevées (jusqu’à
50000 t/min).Autre avantage,leur rigidité
torsionnelle est supérieure à celle des cap-
teurs “classiques”à base de jauges de
contraintes…
La société allemande Fast Technology s’est éga-
lement intéressée à la mesure de couple sans
contact sur arbre tournant. Il y a quelques
mois,elle a mis sur le marché une gamme de
capteurs basés eux aussi sur un principe
magnétique (voir notre numéro d’avril 2001
page 12). Ici aussi, ces capteurs intègrent un
arbre qu’il faut insérer dans la chaîne de
transmission.Mais l’arbre est ici magné-
tisé… et il suffit de placer un détecteur
magnétique à quelques millimètres pour
connaître l’amplitude et le sens du
couple qui lui est appliqué (voir schéma de
principe).
L’arbre doit pour cela être ferromagnétique:
une fois magnétisé,il conserve son aimanta-
tion même en l’absence d’un champ magné-
tique extérieur.
Cette aimantation varie en fonction des
contraintes mécaniques qu’on lui applique.
En mesurant les variations du champ magné-
Arbre tournant
Bobinage fixe
Entrefer Bobinage tournant
fixé à l’arbre
Jauges de contraintes
servant à mesurer
l’effort appliqué sur l’arbre
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Un peu de théorie…
Le couple désigne un système
de deux forces colinéaires,
de directions opposées et
de même intensité. Il est
caractérisé par son moment,
qui est égal au produit de
l’intensité de l’une des forces
par la distance qui sépare les
deux forces. Le moment
s’exprime donc en newton-
mètre (N. m).
La puissance P exercée par
un couple moteur est direc
tement reliée au couple C
que subit un arbre de trans
mission (tournant à la
vitesse ω):
P = C x ω
Arbre tournant
Antenne réceptrice (fixe)
Récepteur de télémesure
Antenne émettrice
(mobile)
Jauges de contraintes
servant à mesurer
l’effort appliqué sur l’arbre
Méthodes traditionnelles
Couplemètres à transformateurs tournants
Couplemètres à jauges avec système de télémesure
Structure physique
Schéma de principe
Pont
de jauges
Alimentation
Électronique de mesure
Alimentation et
électronique de mesure
Partie fixe
Partie en rotation

tique,on peut alors accéder au couple
subi par l’arbre... «Ce principe permet
d’obtenir des capteurs peu encombrants,plus
simples à utiliser et moins coûteux que les
capteurs à jauges de contraintes »,
indique Laurent Ameloot,
directeur commercial de
FGP Instrumentation (qui
distribue les capteurs de
Fast Technology en France). Le
couple est mesuré dans une
gamme comprise entre 2,5 et 1000 N.
m, jusqu’à une vitesse de rotation de
100000 t/min. En revanche, la résolu-
tion (de l’ordre de 0,8 % de l’étendue
de mesure) est plus faible que celle que
l’on obtient avec des jauges de contraintes
(près de 0,1 %).
Il faut bien sûr que l’arbre soit ferromagné-
tique.D’autre part,cette technique nécessite de
prendre quelques précautions. En présence
d’un faible champ extérieur contraire à leur
aimantation,les matériaux ferromagnétiques
peuvent perdre facilement leur aimantation.
Dans ce cas, impossible de mesurer les
contraintes qui leur sont appliquées… De
même,lorsque la température atteint une
certaine limite (appelée point de Curie),
le matériau perd ses propriétés ferroma-
gnétiques. Pour ces raisons, on ne peut
pas utiliser le capteur dans un champ
magnétique environnant intense (supé-
rieur à 5 mT) ou à trop haute tempéra-
ture (le point de Curie du fer, par
exemple, est de 770 °C). Dans la plupart
des applications industrielles, toutefois,
ces conditions sont réunies.Reste alors à
maîtriser le procédé de magnétisation des
arbres... Pour l’instant, Fast Technology pro-
pose des capteurs intégrant un arbre déjà
magnétisé. Il suffit alors de le raccorder
de part et d’autre à un moteur,une pom-
pe, un outil de coupe,etc.
Marie-Line Zani
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Étendue de mesure De 1 à 10 000 N. m De 2,5 à 1000 N. m
Vitesse de rotation maximale 50000 t/min 100000 t/min
Résolution (en % de l’étendue de mesure) De l’ordre de 0,1 % De l’ordre de 0,8 %
Principales caractéristiques techniques
Type de couplemètres à transformateur différentiel avec arbre magnétisé
Méthodes sans contact
Arbre tournant
magnétisé
Électronique de conditionnement
du signal (Asic)
Détecteur du champ magnétique
Arbre tournant
"Fenêtres" dont l’ouverture varie en fonction
de la torsion subie par l’arbre
Bobines primaires
Bobines secondaires
Couplemètres basés sur une magnétisation de l’arbre
Couplemètres à transformateur différentiel
Le capteur intègre un arbre (qu’il faut ensuite insérer dans la chaîne de transmission),un détecteur magnétique et une
électronique de conditionnement du signal.Pour connaître l’amplitude et le sens du couple,il suffit de placer le détecteur
à quelques millimètres de l’arbre en rotation.
Le principe repose sur le comportement de certains matériaux (dits ferromagnétiques) lorsqu’ils sont aimantés.En pré-
sence d’un champ extérieur,les moments magnétiques atomiques de ces matériaux s’orientent tous dans le même sens.Le
champ magnétique résultant est alors renforcé.Si l’on atteint une certaine limite de magnétisation,le matériau est dit
“saturé”et son aimantation est rémanente.Si l’arbre est ferromagnétique,il conserve donc son aimantation même en
l’absence d’un champ magnétique extérieur.Mais l’orientation de ses moments magnétiques varie en fonction de nom-
breux facteurs,tels que les contraintes mécaniques auxquelles il est soumis.En mesurant la variation de champ magné-
tique,on accède alors aux contraintes,donc au couple appliqué à l’arbre…
L’arbre qu’intègre le couplemètre a une structure particulière.Il est rattaché de part et d’autre à deux “cloches”en vis-à-
vis.Elles sont chacune dotées de deux fenêtres rectangulaires.Au centre du capteur,ces deux cylindres se chevauchent et
deux bobines fixes (traversées par un courant alternatif) les encerclent,à quelques millimètres de distance.
Lorsque l’arbre est au repos,les fenêtres des deux cylindres ne coïncident pas :aucun champ magnétique ne peut les traver-
ser.Lorsque l’arbre transmet une certaine puissance,les deux cylindres traduisent la déformation qu’il subit en tournant en
sens contraire l’un de l’autre,de telle sorte que les fenêtres commencent à se chevaucher.Un flux magnétique peut alors les
traverser.En le mesurant,on accède à la déformation angulaire des cylindres,donc au couple appliqué à l’arbre.
Les couplemètres de Fast Technology intègrent un arbre magnétisé qu'il
suffit de relier à une machine tournante d'un côté,et à une pompe de
l'autre,par exemple.
Les couplemètres basés
sur un transformateur à
couplage différentiel
sont robustes et autori-
sent des vitesses de
rotation élevées.
Magtrol
Fast Technology