Analyse des raisons des différences significatives dans les données de pesage après le remplacement et la réparation de capteurs analogiques avec la même plage de mesure

Analyse des raisons des différences significatives dans les données de pesage après le remplacement et la réparation de capteurs analogiques avec la même plage de mesure

Dans l'exploitation et la maintenance quotidiennes des systèmes de pesage industriels, ce type de problème est fréquemment rencontré : après le remplacement ou la réparation d'une cellule de charge analogique, même si sa plage nominale est la même que celle du capteur d'origine, le résultat de la pesée s'écarte toujours de manière significative. Dans certains cas, l'erreur dépasse même la plage admissible normale, affectant gravement la précision de la mesure de la production.

Ce phénomène semble simple, mais en réalité, il est étroitement lié aux différences subtiles dans le processus de fabrication, le contrôle des paramètres de performance et les exigences des normes nationales des cellules de charge analogiques. Cet article, en combinaison avec la norme nationale chinoise GB/T 7551-2019 Cellules de charge, part des exigences de fabrication des principaux paramètres de performance des cellules de charge et analyse les raisons plus profondes de la déviation des données, même lorsque les plages sont identiques.

1. Exigences de fabrication pour les principaux paramètres de performance des cellules de charge analogiques dans les normes nationales

La norme GB/T 7551-2019 Cellules de charge, en tant que norme de base pour la production et les tests des cellules de charge analogiques en Chine, spécifie clairement les exigences de précision de fabrication pour plusieurs paramètres de performance clés des cellules de charge de même plage. Ces paramètres déterminent directement la précision de la pesée de la cellule de charge et sont également la source principale des différences de données ultérieures.

Parmi ceux-ci, les paramètres les plus étroitement liés à la déviation des données comprennent principalement les quatre catégories suivantes :

(1) Sensibilité et coefficient de température de la sensibilité

La sensibilité est l'un des indicateurs clés des cellules de charge analogiques. Elle fait référence à la variation du signal de sortie du capteur sous la charge nominale (c'est-à-dire la limite supérieure de la pleine échelle).

Selon la norme, la sensibilité typique des cellules de charge analogiques est généralement de
2,0 mV/V ± 0,02 mV/V (ou d'autres valeurs nominales fixes avec de petits écarts admissibles).

Dans le même temps, la norme spécifie également la limite du coefficient de température de la sensibilité :
Dans la plage de température de fonctionnement de −10°C à +40°C, la variation de la sensibilité avec la température doit être ≤ 0,002 % FS/°C (FS = pleine échelle).

Cela signifie que même si deux cellules de charge ont la même plage nominale, de petites différences dans les valeurs de sensibilité (par exemple, l'une est de 2,01 mV/V et l'autre de 1,99 mV/V) ou le non-respect du coefficient de température de la sensibilité entraîneront des signaux de sortie analogiques différents (tension/courant) sous la même charge, ce qui se traduira finalement par des écarts dans les données de pesage.

(2) Erreur de non-linéarité

L'erreur de non-linéarité fait référence à l'écart maximal entre la relation réelle du signal de sortie du capteur et la charge, et la relation linéaire idéale.

La norme nationale exige :

• Pour les cellules de charge analogiques, l'erreur de non-linéarité doit être ≤ 0,02 % FS (Classe C), ou

• ≤ 0,01 % FS (Classe B).

Pour les cellules de charge de même plage, des différences de non-linéarité peuvent survenir en raison de variations dans les processus de fabrication, tels que :

• Précision d'usinage de l'élément élastique

• Planéité et uniformité de l'épaisseur de la zone de la jauge de contrainte

• Écarts de la position de collage de la jauge de contrainte

Par exemple :
La cellule de charge d'origine a une erreur de non-linéarité de 0,01 % FS, tandis que celle remplacée a 0,018 % FS.
À une charge proche de la pleine capacité (par exemple, une cellule de charge de 100 kg chargée avec 90 kg), la différence de signal de sortie peut atteindre :
[(0,018 % − 0,01 %) × 100 kg = 0,008 kg]

Si la plage est plus grande (par exemple, 1000 kg), l'écart s'étendra encore à :
[(0,018 % − 0,01 %) × 1000 kg = 0,08 kg]

Cela suffit déjà à affecter de manière significative la précision de la pesée.

(3) Erreur d'hystérésis

L'erreur d'hystérésis fait référence à la différence maximale du signal de sortie d'une cellule de charge sous la même charge pendant les processus de chargement et de déchargement.

Selon la norme nationale, l'erreur d'hystérésis doit être :
≤ 0,02 % FS (Classe C) ou
≤ 0,01 % FS (Classe B).

Cette erreur provient principalement des propriétés des matériaux de l'élément élastique de la cellule de charge (telles que les caractéristiques d'hystérésis mécanique) et des incohérences dans les propriétés de liaison de la jauge de contrainte. Si la structure élastique utilise différents lots de matériaux en alliage, ou si les caractéristiques de durcissement de l'adhésif de liaison pour les jauges de contrainte sont incohérentes, les erreurs d'hystérésis différeront de celles du capteur d'origine.

Par exemple, dans les applications de chargement-déchargement fréquents (telles que la pesée dynamique sur convoyeur) :

• La cellule de charge d'origine sort 1,000 mV à 50 kg de chargement et 0,999 mV à 50 kg de déchargement, ce qui entraîne une erreur d'hystérésis de 0,001 mV.

• La cellule de charge de remplacement sort 1,000 mV à 50 kg de chargement et 0,997 mV à 50 kg de déchargement, ce qui entraîne une erreur d'hystérésis de 0,003 mV.

Sur une longue période de fonctionnement, cela entraînera des écarts de répétabilité dans les données de pesage.

(4) Dérive du zéro et coefficient de température du zéro

La dérive du zéro fait référence à la variation du signal de sortie de la cellule de charge dans le temps en l'absence de charge (zéro).
Le coefficient de température du zéro indique l'amplitude de la variation du point zéro avec les changements de température.

Selon la norme nationale, le coefficient de température du zéro doit être ≤ 0,002 % FS/°C.

La stabilité du zéro des cellules de charge analogiques dépend en grande partie de la stabilité de la température de la jauge de contrainte et de la conception de la compensation du circuit. Si la nouvelle cellule de charge ne subit pas une compensation de température suffisante pendant la production (par exemple, un écart dans le choix des valeurs des résistances de compensation), ou si la sensibilité à la température de la jauge de contrainte diffère de celle du capteur d'origine, les changements de température ambiante (tels que les différences de température jour-nuit ou les effets thermiques du fonctionnement de l'équipement) provoqueront des écarts importants du point zéro de sortie.

Par exemple :

• La cellule de charge d'origine sort 0,000 mV à 20°C sans charge et 0,001 mV à 30°C.

• La cellule de charge de remplacement sort 0,000 mV à 20°C et 0,003 mV à 30°C.

Un changement de température de seulement 10°C entraîne une dérive du signal de 0,002 mV, ce qui, lorsqu'il est converti en données de poids, peut amener la balance à afficher une valeur positive ou négative à charge nulle, affectant gravement les résultats de pesée réels.

2. Scénarios pratiques et analyse des causes des écarts de données malgré la même plage nominale

Même si la plage nominale de la cellule de charge de remplacement est identique à celle de l'originale, lors du remplacement et de la maintenance réels, les différences subtiles dans les paramètres standard ci-dessus seront amplifiées tout au long de la chaîne
d'acquisition du signal → transmission → traitement,
et apparaîtront finalement sous forme d'écarts importants dans les données de pesage.

Sur la base des scénarios d'exploitation et de maintenance réels, les causes spécifiques peuvent être classées dans les trois catégories suivantes :

**(I) Variations du processus de production : « Différences de performance cachées » dans les capteurs de la même plage**

Les normes nationales spécifient les plages admissibles pour les paramètres de performance, mais n'exigent pas que les paramètres des capteurs de la même plage soient identiques. Tant qu'ils se situent dans les limites, les capteurs de différents fabricants ou lots peuvent toujours présenter des différences mineures, qui deviennent directement apparentes après le remplacement.

Par exemple, une usine utilise un capteur analogique de 100 kg (Classe C). Le capteur d'origine du fabricant A a une sensibilité de 2,005 mV/V, une erreur de non-linéarité de 0,012 % FS et un coefficient de température du zéro de 0,0015 % FS/°C. Le capteur nouvellement remplacé du fabricant B a une sensibilité de 1,995 mV/V, une erreur de non-linéarité de 0,018 % FS et un coefficient de température du zéro de 0,0018 % FS/°C. Du point de vue des normes, les deux répondent aux exigences de la classe C. Cependant, en pratique :

* Lorsqu'une charge de 50 kg est appliquée, le signal de sortie du capteur d'origine est (50 kg / 100 kg) × 2,005 mV/V × Tension d'excitation (généralement 10 V) = 1,0025 mV. La sortie du nouveau capteur est (50 kg / 100 kg) × 1,995 mV/V × 10 V = 0,9975 mV. La seule différence de sensibilité provoque un écart de signal de 0,005 mV, correspondant à un écart de données de poids de 0,005 mV ÷ (2,0 mV/V × 10 V / 100 kg) = 0,025 kg.
* Si la température ambiante augmente de 20°C à 30°C, la dérive du zéro du capteur d'origine est de 0,0015 % FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,15 kg, tandis que pour le nouveau capteur, elle est de 0,0018 % FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,18 kg. Le changement de température ajoute encore 0,03 kg d'écart. L'écart total combiné atteint 0,055 kg. S'il est utilisé pour l'emballage alimentaire (par exemple, nécessitant une précision de ±0,05 kg), cela entraînerait directement des produits en surpoids ou en sous-poids.

De plus, certains fabricants plus petits, pour réduire les coûts, pourraient ne pas calibrer strictement les paramètres conformément aux normes nationales. Par exemple, l'écart de sensibilité réel pourrait atteindre 0,05 mV/V (dépassant l'exigence standard de ±0,02 mV/V), mais le capteur est toujours étiqueté comme « plage de 100 kg ». Les différences de données après le remplacement par de tels capteurs seraient encore plus prononcées.

**(II) Processus d'installation et d'étalonnage : Ne pas respecter les « exigences d'adaptation du signal » du système d'origine**

La précision des données des capteurs analogiques dépend non seulement de leurs propres performances, mais est également étroitement liée à la méthode d'installation et à l'étalonnage du système. Même si les paramètres d'un capteur de remplacement sont conformes aux normes nationales, le fait de ne pas fonctionner conformément aux exigences d'adaptation du système d'origine lors du remplacement peut entraîner des écarts de données.

1. **Écart de la position d'installation et de l'état de la charge**
Le signal de sortie d'un capteur analogique est directement lié à la direction de la force et à la planéité de l'installation. Les normes nationales exigent que lors de l'installation du capteur, la charge agisse verticalement sur le centre de l'élément élastique et que l'erreur de planéité de la surface de montage soit ≤ 0,1 mm/m. Si le capteur de remplacement est installé avec un décalage de position (par exemple, un décalage de 5 mm par rapport à la position centrale d'origine) ou si la surface de montage n'est pas mise à niveau (par exemple, une inclinaison de 0,2 mm/m), la force réelle sur le capteur ne s'alignera pas sur la « direction de charge nominale » de sa plage nominale. Par exemple, un capteur de 100 kg pourrait subir une charge verticale de 98 kg, mais également supporter une force latérale supplémentaire de 2 kg, ce qui amènerait le signal de sortie à être inférieur à la normale, se manifestant par un « écart des données de pesage ».
De plus, dans les scénarios impliquant plusieurs ensembles de capteurs (par exemple, dans les véhicules, les trémies), les normes nationales exigent que l'écart d'uniformité de la répartition de la charge entre les capteurs soit ≤ 1 % FS. Si, lors du remplacement d'un capteur, sa hauteur n'est pas ajustée (par exemple, créant une différence de hauteur supérieure à 0,5 mm par rapport aux autres capteurs), la charge peut se concentrer sur les autres capteurs, laissant le nouveau capteur sous-chargé. Cela entraîne des données de pesage globales inférieures aux attentes.

**2. Ne pas effectuer à nouveau l'étalonnage du système**

Le signal d'un capteur analogique doit subir une « amplification - filtrage - conversion analogique-numérique » par un instrument avant de pouvoir être converti en données de pesage. Les normes nationales exigent qu'un système de pesage analogique subisse un « étalonnage du système » après le remplacement d'un capteur. Cela implique de charger des poids standard et d'ajuster le facteur d'amplification et la valeur de compensation du point zéro de l'instrument pour correspondre au signal de sortie du capteur au poids standard.

Si l'étalonnage n'est pas effectué après le remplacement et que l'instrument continue d'utiliser les paramètres du capteur d'origine (par exemple, la sensibilité d'origine du capteur de 2,005 mV/V par rapport à celle du nouveau capteur de 1,995 mV/V), le poids calculé par l'instrument sera dévié. Par exemple, lorsqu'un poids standard de 50 kg est chargé, le nouveau capteur sort 0,9975 mV (comme dans le cas précédent), mais si l'instrument calcule toujours en fonction de la sensibilité de 2,005 mV/V, le poids résultant est de 0,9975 mV ÷ (2,005 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 49,75 kg, ce qui diffère des 50 kg réels de 0,25 kg, un écart dépassant de loin la plage admissible standard.

Certains utilisateurs croient à tort que « les capteurs de la même plage peuvent être directement remplacés » et négligent l'étape d'étalonnage du système, ce qui est une cause fréquente d'écarts de données.

**(III) Vieillissement et usure : « Différences de dégradation des performances » entre les anciens et les nouveaux capteurs**

Après une utilisation à long terme, les capteurs analogiques subissent des changements de paramètres de performance par rapport à leur état initial en raison du vieillissement et de l'usure. Les nouveaux capteurs sont dans leur « état de performance initial ». Même si la plage est la même, les différences de paramètres entre les anciens et les nouveaux capteurs peuvent entraîner des écarts de données, un phénomène particulièrement évident lors du remplacement de capteurs utilisés depuis plus de 5 ans.

Selon les normes nationales, la durée de vie typique d'un capteur analogique est de 10 ans. Cependant, la dégradation des performances s'accélère dans les environnements difficiles (par exemple, température élevée, humidité, poussière) :
* L'élément élastique peut subir une « déformation plastique » sous une charge à long terme, entraînant une diminution de la sensibilité (par exemple, de 2,0 mV/V à 1,98 mV/V).
* Le vieillissement de la couche de liaison de la jauge de contrainte peut augmenter l'erreur d'hystérésis (par exemple, de 0,01 % FS à 0,03 % FS).
* L'oxydation des résistances de compensation dans le circuit peut exacerber la dérive du zéro (par exemple, de 0,001 mV/h à 0,005 mV/h).

Lorsqu'un nouveau capteur est installé, ses paramètres sont conformes aux « exigences initiales » de la norme nationale (par exemple, sensibilité 2,005 mV/V, erreur d'hystérésis 0,012 % FS). Cependant, l'instrument du système peut s'être adapté aux « paramètres dégradés » de l'ancien capteur (par exemple, calcul basé sur une sensibilité effective de 1,98 mV/V). S'il n'est pas recalibré, le signal de sortie du nouveau capteur sera « suramplifié » par l'instrument, se manifestant par des « données de pesage plus lourdes ». Par exemple, sous une charge de 50 kg, le nouveau capteur sort 1,0025 mV. Si l'instrument calcule en utilisant la sensibilité de l'ancien capteur de 1,98 mV/V, le poids résultant est de 1,0025 mV ÷ (1,98 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 50,63 kg, différant des 50 kg réels de 0,63 kg.

**III. Solutions : Réduire les écarts de données grâce à la conformité aux normes et à l'optimisation opérationnelle**

Pour éviter les écarts de données après le remplacement des capteurs analogiques de la même plage pendant la maintenance, il est essentiel de gérer l'ensemble du processus de « sélection - installation - étalonnage », en respectant strictement les exigences des normes nationales tout en optimisant les opérations en fonction du scénario d'application réel :

**(I) Sélection : Privilégier les produits conformes avec des paramètres correspondants**

* Lors du remplacement, la priorité doit être donnée aux produits du « même fabricant et du même modèle » que le capteur d'origine pour garantir que les paramètres tels que la sensibilité, l'erreur de non-linéarité et les coefficients de température sont cohérents (écart ≤ 0,01 mV/V ou 0,005 % FS).
* Si le même modèle n'est pas disponible, il est nécessaire de demander des rapports de test de paramètres au fabricant conformes à « GB/T 7551-2019 », en se concentrant sur la vérification des indicateurs clés tels que la sensibilité, l'erreur de non-linéarité et le coefficient de température du zéro, en veillant à ce que les écarts soient minimisés (par exemple, écart de sensibilité ≤ 0,005 mV/V).

**(II) Installation : Respecter strictement les exigences de la norme pour garantir une répartition uniforme de la charge**

* Avant l'installation, vérifiez la planéité de la surface de montage (utilisez un niveau pour garantir une erreur ≤ 0,1 mm/m). Lors de l'installation, assurez-vous que la force agit verticalement sur le capteur, en évitant les forces latérales.
* Pour les ensembles multi-capteurs, utilisez des jauges de hauteur pour ajuster la différence de hauteur entre les capteurs à ≤ 0,2 mm, assurant une répartition uniforme de la charge.

**(III) Étalonnage : L'étalonnage du système est obligatoire après le remplacement**

* Selon la norme nationale « GB/T 14249.1-2008 Instruments de pesage - Exigences techniques générales », après le remplacement d'un capteur analogique, un « étalonnage multipoint » doit être effectué à l'aide de poids standard (classe de précision non inférieure à M1), comprenant au moins cinq points : zéro, 25 % FS, 50 % FS, 75 % FS et 100 % FS.
* Ajustez le facteur d'amplification et la compensation du point zéro via l'instrument afin que l'erreur des données de pesage à chaque point d'étalonnage se situe dans la plage autorisée par la norme nationale (par exemple, pour les instruments de classe III, l'erreur autorisée est ≤ 0,1 %).

**IV. Résumé**

L'apparition d'écarts de données de pesage après le remplacement des capteurs analogiques de la même plage découle essentiellement du conflit entre les « écarts de paramètres autorisés par les normes nationales » et les « exigences de précision des scénarios d'application pratiques », associés aux oublis opérationnels lors de l'installation et de l'étalonnage.

Bien que « GB/T 7551-2019 » fournisse un cadre conforme pour la production de capteurs, il n'élimine pas les subtiles variations de performance entre les produits de la même plage. Ces variations sont amplifiées en pratique par la chaîne de traitement du signal, affectant finalement la précision de la pesée.