Les cellules de mesure de tension de bande à rude épreuve

52 Revue ABB 3/2001
Technology Review
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 commen-
cent dès leur fonctionnement en conditions d’exploita-
tion «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 perfor-
mances 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
Les cellules de mesure
de tension de bande à
rude épreuve
Robert Sarnelli
L
Control output:
0-5 V, 0-10 V
or 4-20 mA
Instrument output:
0-10 V
Supply:
115 VAC
2
1
1
Exemple type de système de mesure de tension de bande
avec rouleau de mesure, cellules de mesure (1) et unité de con-
trôle (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.
1
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
industriel.

Revue ABB 3/2001 53
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 . 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
du rouleau de mesure et fixées au bâti de
la machine .
Le capteur à l’intérieur de la cellule de
mesure est l’élément sensible qui convertit
les forces mécaniques en signaux élec-
triques. 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 appro-
priée 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
1
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 empê-
chant la pénétration de contaminants à l’intérieur de la cel-
lule de mesure.
Perturbation électromagnétique : perturbation élec-
trique 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.
Control output
0-5 V, 0-10 V or 4-20 mA
Instrument output:
0-10 V
Supply:
115 VAC
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.
2

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des sites de fabrication peut être réelle-
ment 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).
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 cel-
lule 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 respon-
sables, mais le phénomène est aujourd’hui
amplifié par la prolifération des télépho-
nes 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 construc-
tion 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 compro-
mettre 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 analo-
gique basse tension, il est particulièrement
sensible à l’humidité par une mauvaise
étanchéité.
La corrosion affecte souvent les orga-
nes 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 méca-
nique, 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
Paramètres d’influence des
performances des cellules
de mesure
Evénement
Surcharges
Chocs
Application,
installation et utilisation
Type de roulement
Disposition de montage
Surdimensionnement et sous-
dimensionnement
Valeur d’embarrage
Angles d’embarrage
Manutention
Conditions d’exploitation
Produits chimiques
Perturbations électromagné-
tiques 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

Revue ABB 3/2001 55
pour le bobinage et l’impression, est parti-
culièrement 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 structu-
rellement 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 contrac-
tion 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 pro-
posées dans un large éventail de concep-
tions 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 propor-
tionnel 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 fonction-
nement 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 élec-
trique peut être produit qui est propor-
tionnel 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

56 Revue ABB 3/2001
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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 .
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 .
Les deux éléments sensibles sont
montés en un circuit électrique classique
de type pont de Wheatstone. Le déséquili-
bre 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 .
La poutre en flexion déplace un noyau
situé entre une bobine du primaire du
transformateur et deux bobines du secon-
daire dans le sens de la force. Au fur et à
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
4
3
L∆L
∆RR
Les jauges de contrainte collées de la cellule de mesure
s’allongent ou se contractent lorsqu’une force mécanique leur
est appliquée.
3Un signal est généré lorsque la poutre de mesure de la
cellule à jauges de contrainte fléchit sous les efforts mécaniques.
4
Primary
Flex point
Vo=(S2-S1)
S1
S2
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.
5