Capteur de couple
Un couplemètre est un transmetteur qui transforme une torsion mécanique en un signal électrique proportionnel au couple appliqué.
Comment les différents types de capteurs de couple (ou « couplemètre ») sont-ils utilisés pour la mesure du couple et quelles sont les différences entre eux ?
Nous allons détailler les points à prendre en compte lors de votre choix.
sous-catégories
Une large gamme de nos capteurs est conçue avec la technologie : Jauge de contrainte. Cette dernière est utilisée pour la mesure du couple, qui convertit un couple mécanique d'entrée en un signal de sortie électrique. Les capteurs de torsion sont également connus sous le nom de couplemètre ou de capteur de couple. Il existe deux principaux types de capteurs de couple: les capteurs de couple statique ou de réaction ou les capteurs de couple rotatifs.
Qu'est-ce qu'un capteur de couple ?
Par définition, le capteur de couple est un type de transducteur, qui convertit une mesure de couple (réaction, dynamique ou rotative) en une autre variable physique, dans ce cas, en un signal électrique qui peut être mesuré, converti et normalisé. Lorsque le couple appliqué au capteur augmente, le signal de sortie électrique évolue proportionnellement (détecteur de couple).
Capteur de couple de réaction à jauge de contrainte
Quels sont les types de capteur de couple ?
Il existe deux catégories principales de couplemètre : le capteur de couple rotatif et les capteurs de couple statique de réaction.
En résumé, un capteur de réaction mesure le couple stationnaire (statique ou non rotationnel) et le capteur rotatif mesure le couple de rotation (capteur de couple dynamique).
Capteur de couple rotatifs (couplemètre dynamique)
Le couplemètre rotatif est utilisé pour effectuer des mesures de couple dans les deux sens de rotation en dynamique. Nous disposons d’une très large gamme de mesure de couple de +/- 0.2Nm à +/- 5000 Nm, avec des précisions adaptées à vos applications et budget (1%, 0.2%, 0.1%) et une vitesse de rotation pouvant atteindre 20 000 tours minute.
Les capteurs de couple rotatif à jauges de contrainte peuvent être à contact (série TRS300 sortie 2m/V) ou sans contact (TRS600 sortie 0..5V) donc sans usure des balais de contact lors de la transmission du signal.
Nous disposons également d’une gamme de couplemètre rotatif sans contact à transmission électromagnétique (série SM2000, SM3000, SM4000 avec un signal de sortie amplifiée) à moindre coût ET à utiliser avec précaution.(à protéger d’un champs EM pouvant provenir du moteur ou du système de freinage)
Les capteurs de rotation (ou capteur de couple dynamique) sont utilisés dans les applications où la mesure du couple doit être prise sur un arbre tournant, une machine ou un moteur. Dans ce cas, le capteur doit tourner en ligne attaché à l'arbre. Un capteur de couple rotatif est équipé d’un collecteur tournant ou d'une électronique sans fil permettant la transmission du signal de couple lors de la rotation (capteur sans contact).
Les capteurs de couple rotatif sont fréquemment utilisés comme outils de test / d'audit pour les moteurs, les outils électriques, les turbines et les générateurs pour mesurer le couple de rotation. Un capteur de couple de rotation à flasque « Shaft-to-Shaft » peut également être utilisé pour le contrôle de rétroaction, la surveillance du couple et l'analyse de l'efficacité des bancs d'essai.
La mesure du couple de rotation est couplée entre le moteur et la charge. Lorsque l'arbre tourne, le capteur mesure le couple produit par le moteur en réponse à la charge appliquée à l'arbre en rotation. Certains capteurs rotatifs sont équipés de codeur intégrés. Ces codeurs mesurent l'angle / la vitesse de rotation produit pendant le test. Les mesures peuvent être surveillées sur un écran, tel qu'un indicateur monté sur panneau, un afficheur portatif, ou connecté à un API (Automate Programmable Industriel) ou transféré en en temps réel vers un PC à l'aide d'une liaison USB.
Le capteur de couple rotatif est également un élément crucial des dynamomètres (ou dyno en abrégé), car il fournit une mesure de couple et de vitesse angulaire (RPM) pour calculer facilement la puissance de sortie, permettant un chiffrage précis des performances du moteur ou de la machine en Kw ou HP, ainsi que son efficacité électromécanique.
Capteurs de couple de réaction statique
Les capteurs de couple statique sont des capteurs à jauge de contraintes utilisés fréquemment pour effectuer des mesures de couple de serrage, contrôler et calibrer visseuse et clefs dynamométrique, mais aussi pour des mesures sur banc moteur.
Nous disposons d’une très large gamme de mesure de couple de +/- 0.04 Nm à +/- 5000 Nm, de haute précision (1%, 0.25%). Les capteurs à jauge de contraintes sont généralement alimentés en 10V, avec une sensibilité (signal de sortie) de 2 mV par Volt d’excitation. La sortie sera donc de 20 mV pleine échelle.
Nous préconisons l’utilisation d’un amplificateur conditionneur de signal (CSG110 ou SM18-GAGE) ou encore un indicateur numérique pour capteurs à jauges de contrainte (PAXS0000, IPM650, IHH500)
Un capteur de couple statique équipé de deux brides de montage (capteur bride à bride). Une bride est fixée au sol ou à un élément structurel rigide et l'autre à l'arbre rotatif ou à l'élément rotatif. La rotation génère des forces de cisaillement entre les brides, qui sont mesurés par les jauges de contrainte et converties en courant électrique par le pont de Wheatstone.
Dans certain cas, un couplemètre statique de réaction est souvent moins complexe et donc moins coûteux qu'un capteur de couple rotatif.
Comment fonctionne un capteur de couple ?
Premièrement, nous devons comprendre la physique et la science des matériaux sous-jacentes au principe de fonctionnement du capteur de couple, qui est la jauge de contrainte. La jauge de contrainte est un capteur dont la résistance électrique varie avec la force appliquée. En d'autres termes, il convertit la force, la pression, la tension, la compression, le couple, le poids, etc… en une variation de résistance électrique, qui peut ensuite être mesuré.
Structurellement, un capteur de couple statique est constitué d'un corps métallique sur lequel des jauges de contrainte sont collées. Le corps du capteur est généralement en aluminium ou en acier inoxydable, ce qui confère au capteur deux caractéristiques importantes :
- fournit la robustesse pour résister à des couples élevés ;
- l'élasticité pour se déformer au minimum et revenir à sa forme d'origine lorsque le couple est supprimé. Lorsque le couple est appliqué (dans le sens horaire ou antihoraire), le corps du capteur agit comme un « ressort » et est légèrement déformé, à moins qu'il ne soit surchargé, il reprend sa forme d'origine.
Lorsque le corps se déforme, la jauge de contrainte change également de forme et par conséquent de résistance électrique, créant une variation de tension différentielle à travers un circuit de pont de Wheatstone.
Ainsi, la variation de tension est proportionnelle au couple appliqué au capteur, qui peut être calculé via la sortie de tension du circuit du couplemètre.
Dans un capteur de couple rotatif, des jauges de contrainte sont collées sur l'arbre d’entrainement rotatif qui se déforme légèrement lorsque le couple est appliqué. La déformation de l'arbre induit une contrainte dans la jauge de contrainte qui modifie sa résistance. Une combinaison de jauges de contrainte (généralement 4) est disposée dans un circuit électrique (le pont de Wheatstone) convertissant les variations de résistance en une sortie de tension, qui peut être calibrée et mesurée.
Jauge de contrainte collés sur un arbre rotatif
Les capteurs de couple rotatifs sont conçus pour mesurer le couple d'un arbre rotatif.
Ainsi, il est nécessaire de transférer le signal de l'arbre rotatif émanant du pont de jauge à l'aide d’un collecteur tournant, d’un système de télémètre sans fil ou de transformateurs rotatifs.
En option, les capteurs peuvent également intégrer un codeur pour la mesure d'angle ou de vitesse.
Capteur de couple rotatif et ses composants internes
Les capteurs doivent être soigneusement conçus afin d'éliminer les charges parasites (également appelées charges ou moments latérales ou transversales ) et doivent être sensibles uniquement aux de couple dans le sens de rotation horaire et antihoraire.
Fonctionnement des capteurs de couple magnétostrictifs
Le principe de la magnétostriction de nos capteurs de couple rotatifs est basé sur le processus physique suivant : La longueur d'un corps change sous l'influence d'un champ magnétique externe. Notre technologie utilise l'effet magnétostrictif inverse.
Lorsqu'une force ou un couple agit sur l’arbre d’entrainement du capteur de couple chargé magnétiquement, le champ magnétique varie. Nous pouvons le détecter et le mesurer avec une excellente fiabilité, répétabilité et précision sur une longue période de temps, même dans des conditions extérieures difficiles.
Notre solution fonctionne à des intensités de champ très faibles, le composant ne devenant pas lui-même un aimant.
Afin de garantir que notre technologie fonctionne également en présence de champs magnétiques externes, nous générons toujours au moins deux champs magnétiques dans le sens inverse.
Nous avons équipé nos capteurs de récepteurs de champ magnétique miniatures haute résolution placés à proximité de l’arbre d’entrainement chargé magnétiquement soumis à effort. Ces récepteurs détectent les moindres variations de champ magnétique grâce à un entrefer de plusieurs millimètres sans contact.
Les variations de champs détectées se comportent de manière strictement linéaire en fonction du couple appliqué et sont stables à long terme - même dans des conditions difficiles.
Comment choisir un capteur de couple pour votre application ?
La question fréquemment posée est : "Quel est le bon capteur pour mon application ?".
La raison pour laquelle cela est demandé si souvent est qu'il peut être difficile de naviguer et choisir parmi les différentes offres de capteurs sur le marché.
Pour vous aider à sélectionner votre couplemètre et à réaliser votre mesure de couple nous vous proposons un guide en 5 étapes facile à suivre. Voici un aperçu pour vous aider à affiner vos choix.
- Tout d'abord, comprenez votre application et définissez le type de couple que vous souhaitez mesurer : couple de réaction ou couple de rotation ?
- Définissez les caractéristiques de montage du capteur et son assemblage.
Comment allez-vous monter le capteur ? (Bride à bride, carré d'entraînement, entraînement à Arbre rond ou hexagonal, etc.)
L'utiliserez-vous dans le sens horaire, antihoraire ou les deux ? - Définissez vos exigences de performances telle que la Linéarité, la Répétabilité, le Temps de réponse, la vitesse de rotation dans le cas d’une mesure de couple rotative, l‘hystérésis, la Résolution ainsi que la présence de Chocs et vibrations.
D'autres caractéristiques sont à prendre en compte telles que l’étanchéité (Indice de protection IP), l’environnement (présence de champs magnétique, ATEX, …) , les variations de température, le poids et la taille du capteur. - Définissez votre capacité minimale et maximale, les besoins et contraintes de votre application. Assurez-vous de sélectionner la capacité par rapport au couple de fonctionnement maximal et de déterminer toutes les charges latérales ou décentrées.
Quel est votre régime maximal requis? Avez-vous besoin de mesurer la vitesse et la position angulaire ? - Définissez le type de sortie requis par votre application.
Certains capteurs dits à contact ou à balais émettent un signal bas niveau en mV/V, qui peut être couplé avec un amplificateur délivrant un signal tension ± 10VDC ou courant 4..20 mA.
D'autres capteurs rotatifs sans contact fourniront directement une sortie de ± 5VDC.
Ainsi, si votre API ou DAQ nécessite une sortie analogique, une sortie numérique ou une communication série, vous aurez besoin d'un amplificateur ou d'un conditionneur de signal.
Veillez à sélectionner le bon amplificateur et à calibrer l'ensemble du système de mesure (capteur + conditionneur de signal). Cette solution clé en main se traduit par une compatibilité et une précision accrues de l'ensemble du système de mesure de couple.