Dans le cas des équipements d’essais, il ne suffit pas de fournir des mesures et des résultats précis. Ces résultats doivent être cohérents à chaque utilisation de la machine. La variabilité entre les données d’essai indique que les résultats obtenus sont potentiellement discutables et, éventuellement, inutiles. Non seulement cette incohérence nuit à la validité des essais, mais elle fait également perdre du temps et de l’argent à l’opérateur en l’obligeant à analyser davantage d’échantillons pour obtenir une moyenne quantifiable significative. Au lieu d’effectuer 25 ou 50 essais sur un composant, il faudra peut-être en effectuer 100.
Normes industrielles
Avant d’aborder les différentes technologies, il est important de comprendre comment l’industrie mesure la fiabilité et la cohérence. Historiquement, les efforts visant à quantifier ces facteurs ont rencontré plus ou moins de succès. En 2005, cependant, une nouvelle norme, ASTM E2309, a été publiée pour normaliser les méthodologies et les mesures de déplacement linéaire dans les équipements d’essais. Conformément aux exigences décrites dans la norme ASTM E2309, la cohérence et la fiabilité des données obtenues par des capteurs de position linéaire peuvent être mesurées et comparées entre les technologies.
La norme ASTM E2309 prévoit quatre niveaux de clarification de la précision :
Classe A : +/- 0,5 % de la valeur lue ou ± 0,025 mm (0,001 pouce)
Classe B : +/- 1,0 % de la valeur lue ou ± 0,075 mm (0,003 pouce)
Classe C : +/- 2,0 % de la valeur lue ou ± 0,125 mm (0,005 pouce)
Classe D : +/- 3,0 % de la valeur lue ou ± 0,250 mm (0,010 pouce)
Comme illustré ci-dessus, chaque classification comprend deux spécifications de précision : l’erreur relative, qui fait référence au pourcentage de la valeur lue et l’erreur fixe, qui fait référence à l’erreur de mesure réelle à proprement parler. Il existe une troisième spécification associée à la résolution de mesure, qui n’est pas significative pour les points décrits ici.
Pour déterminer une classification selon la norme ASTM E3209, deux séries de données sont nécessaires. Les écarts entre ces séries sont ensuite utilisés pour illustrer le niveau de confiance dans la reproductibilité des mesures.
Ces classifications sont importantes pour les fabricants, car elles permettent aux entreprises de choisir l’équipement d’essais qui répond aux paramètres exacts de leurs applications, ainsi qu’aux attentes et normes du secteur, tout en tenant compte d’autres facteurs, tels que les coûts d’exploitation, la facilité d’installation et les conditions environnementales.
Technologies de mesure
L’une des méthodes les plus couramment utilisées pour mesurer le déplacement linéaire dans les équipements d’essais aujourd’hui consiste à utiliser un LVDT (Transformateur de déplacement variable linéaire). Le principe de fonctionnement des LVDT consiste à mesurer un courant électrique le long d’un noyau ferromagnétique cylindrique. Un objet métallique se déplace le long du noyau et génère un signal, qui est, à son tour, mesuré par trois bobines placées le long d’un tube. Cette technologie offre plusieurs avantages, notamment la compatibilité avec la plupart des équipements industriels, une installation facile et une mise en route rapide (aucun réétalonnage requis).
Quant à la deuxième technologie, la magnétostriction, elle fonctionne en induisant une impulsion de déformation sonique dans un guide d’ondes magnétostrictif conçu à cet effet par l’interaction momentanée de deux champs magnétiques. Le premier champ provient d’un aimant permanent mobile qui passe à l’extérieur du tube du capteur ; l’autre champ provient d’une impulsion de courant ou d’interrogation placée le long du guide d’ondes. Cette interaction produit une impulsion de déformation, qui se déplace à la vitesse du son le long du guide d’ondes jusqu’à ce que l’impulsion soit détectée au niveau de la tête du capteur.
La position de l’aimant est déterminée avec une grande précision en mesurant le temps écoulé entre l’application de l’impulsion d’interrogation et l’arrivée de l’impulsion de déformation qui en résulte. Cela permet d’obtenir un retour de position précis et sans contact, sans la moindre usure des composants de détection. La magnétostriction ne nécessite également aucun réétalonnage et peut être facilement installée dans la plupart des environnements industriels.
Facteurs affectant la précision
Dans un environnement de laboratoire parfait (température, interférences électriques/magnétiques, chocs, vibrations,… contrôlés), la plupart des capteurs fourniront des résultats assez cohérents. C’est le comportement du produit dans des environnements réels qui sert de véritable indicateur.
Les LVDT, en particulier, sont sensibles aux influences environnementales. De par leur conception, les LVDT sont des transformateurs à courant alternatif variable et sont donc sujets à des erreurs provenant de la capacité de câble, de l’impédance, des variations de phase du démodulateur et de la variabilité mineure dans l’enroulement physique du transformateur et de son noyau apparié. En outre, étant donné que le noyau et le transformateur restent dans un alignement concentrique et angulaire, l’élément peut se dégrader avec le temps, en particulier lorsqu’il est associé à du gravier ou à une autre contamination.
Comparaison : les avantages de la magnétostriction
Bien que les LVDT occupent toujours une place importante sur le marché, les avantages de la magnétostriction sont évidents si l’on compare directement les résultats obtenus avec la norme ASTM E2309. Alors que les LVDT ont du mal à respecter les spécifications de la classe C (± 2,0 % de la valeur lue ou ± 0,005 pouce) sur la plage physique à des longueurs de plus de 25 cm en utilisant des algorithmes de linéarisation classiques, la plupart des capteurs de position linéaire magnétostrictifs conservent facilement une classification de classe A (± 0,5 % de la valeur lue ou ± 0,001 pouce), en particulier lors de mesures dans des conditions réelles de terrain. Cet avantage devient encore plus prépondérant dans les applications où de très grandes longueurs de course (>100 cm) ou des lectures à grande vitesse (50 cm/seconde) sont requises.
Les capteurs magnétostrictifs sont également moins sensibles aux facteurs environnementaux, tels que les inférences électromagnétiques, les chocs et les vibrations, par rapport aux LVDT. En outre, les capteurs magnétostrictifs ne contiennent aucune pièce mobile ; il n’y a donc pas d’usure due à une utilisation continue. Ces capteurs peuvent fonctionner indéfiniment avec peu ou pas d’entretien. Ils peuvent être installés dans pratiquement n’importe quel espace sans nuire aux performances.
Les capteurs magnétostrictifs sont compatibles avec de nombreux protocoles électroniques différents, notamment EtherNet/IP™, EtherCAT®, Profibus, DeviceNet, CANbus, SSI, Ethernet analogique et général. La division Capteurs de MTS Systems Corp. a récemment lancé un modèle intégrant de l’électronique séparée. En séparant l’électronique, les fabricants peuvent retirer les équipements sensibles des environnements difficiles où ils peuvent être endommagés par la température, les chocs, les vibrations ou d’autres conditions, sans que cela ait un impact sur les performances du capteur.
Conclusions
Bien que les LVDT soient toujours utiles dans les applications aux performances moins élevées, la magnétostriction offre des avantages tangibles dans les équipements qui nécessitent des données fiables à long terme. Dans les équipements d’essais, les capteurs de position linéaire magnétostrictifs fourniront des résultats plus cohérents et moins d’usure et permettront d’obtenir une classification selon la norme ASTM E2309 nettement plus élevée, ce qui permet aux fabricants de mieux répondre aux spécifications des applications, aux attentes des clients et aux réglementations de l’industrie.