Utilisation des cellules de charge pour peser les camions, trains et avions

Dans le secteur de l'aviation, le poids est une question d'argent. Chaque kilogramme supplémentaire signifie plus de carburant pour soulever l'avion et, pour être sûr que l'avion a la quantité nécessaire de carburant dans le réservoir, il est donc nécessaire de connaître le poids de l'avion. La répartition du poids est un autre facteur crucial. Une trop grande charge à l'arrière et l'avion vole avec le nez trop haut, ce qui modifie l'angle d'attaque et augmente la consommation de carburant.

Peser un objet aussi gros qu'un avion, même un Boeing 747, n'est pas si difficile que cela en a l'air. Pour ce faire, il faut utiliser des cellules de charge. Ce livre blanc signé OMEGA Engineering explique comment les cellules de charge sont utilisées pour peser de très gros objets. Les sections portent sur les points suivants :

Les avions, des plus petits deux places aux plus grands avions de ligne et de marchandises, sont pesés régulièrement pour deux raisons. Premièrement, il s'agit d'une exigence de l'agence américaine de l'aviation (FAA) : l'opérateur doit connaître le poids de l'avion et, sachant que le poids peut varier de fois en fois, il est obligatoire de procéder à des pesages réguliers. D'autre part, le pilote a besoin de connaître le poids des marchandises ou des passagers et des bagages embarqués afin de déterminer la quantité de carburant nécessaire ainsi que la répartition du poids (à bord des petits avions à turbospropulsion, il est courant de demander aux passagers de se déplacer afin d'équilibrer le poids porté par l'avion).

Le pesage des camions constitue une autre application importante des cellules de charge. Les poids lourds endommagent significativement les routes, notamment les ponts. Par conséquent, diverses régions ont défini des poids totaux autorisés en charge pour les camions. L'application de ces limites est réalisée par le biais de stations de pesage placées le long des routes et sur lesquelles tous les camions doivent s'arrêter pour être pesés.

Les trains aussi nécessitent d'être pesés. Comme pour les routes, des charges excessives accélèrent l'usure des voies et, comme pour les avions, une répartition déséquilibrée du poids peut entraîner des problèmes de stabilité. Le prix des marchandises déplacées par transport ferroviaire repose parfois sur le poids, il devient donc essentiel de connaître la charge à bord de chaque voiture ou wagon.

Pendant des siècles, les principales méthodes de pesage avaient recours à des balances utilisant un ressort ou comparant deux charges entre elles. Cependant, ces dernières décennies, dans la plupart des usages commerciaux et industriels, ces méthodes ont été supplantées par les cellules de charge lorsqu'il s’avère nécessaire de mesurer un poids particulièrement lourd.

Une cellule de charge est un appareil qui convertit une force (masse multipliée par la gravité) en un signal électrique. Cette conversion est normalement faite par le biais d'un matériau piézoélectrique ou d'une jauge de déformation. Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui produisent un petit signal électrique lorsqu'ils sont compressés. Si les cristaux piézoélectriques sont bien connus, d'autres matériaux similaires jouent le même rôle, comme les céramiques piézoélectriques.

Une jauge de déformation est un dispositif électrique composé d'un matériau dont la résistance change en fonction de la tension appliquée, un phénomène qui se manifeste normalement par une déformation. Ces jauges sont utilisées dans les cellules de charge conçues pour se déformer sous l'effet de la charge. La plupart des cellules de charge sont conçues avec un faisceau qui se plie sous la charge, mais d'autres utilisent l'expansion dans leur section transversale résultant de la compression longitudinale ou axiale. En général, ces dernières offrent un signal en sortie moins linéaire que les cellules pliantes, obligeant à prévoir un étalonnage.

Une configuration de pliage typique est celle de la cellule de charge avec faisceau en S. Vue de côté, elle ressemble à la lettre S et est munie de quatre jauges de déformation sur ses sections horizontales. Lorsque l'on applique une charge verticale vers le bas sur la partie supérieure du S, le pliage place deux jauges de déformation en compression et deux autres sous tension. Lorsque ces jauges sont connectées selon un montage en pont de Wheatstone, les petits changements de résistance produisent un signal électrique mesurable.

Pour que la cellule de charge à jauge de déformation donne des mesures fiables et utiles, la charge doit être appliquée dans le sens de fonctionnement. En effet, des charges latérales aboutiront à des valeurs imprécises et risqueraient d'endommager le dispositif. Les systèmes avec capteur piézoélectrique sont plus robustes en ce sens, mais sont généralement moins précis. De plus, le signal de sortie issu de la plupart des matériaux piézoélectriques dépend largement de la température.

Au moment de choisir le type de cellule de charge adapté à une application donnée, il est bon de tenir compte des facteurs suivants :

Autres problèmes potentiels dont il faut tenir compte : la possibilité de charge d'impact, de charge excentrique et la nécessité de protéger l'environnement. Un exemple de charge d'impact est lorsqu'une charge tombe sur une cellule de charge. Les matériaux absorbant l'impact peuvent aider à réduire l'impact de ce type de charge. Les charges excentriques produisent des résultats faussés et peuvent endommager la cellule de charge. Les cellules de charge utilisées en extérieur doivent être conformes aux normes IP et NEMA.

La plupart des stations de pesage utilisent des cellules de charge avec matériau piézoélectrique ou jauge de déformation. Les cellules sont encastrées dans la chaussée et mesurent la charge créée par chaque essieu. Une toute récente innovation, la technologie de pesage en mouvement (Weigh-in-Motion ou WIM) permet de peser un camion avec précision sans que celui-ci ait besoin de s'arrêter. Ces systèmes utilisent une combinaison de cellules de charge et de boucles inductives qui détectent la présence des véhicules. Ils sont rapides et précis et, surtout, les camions n'ont plus besoin de s'arrêter pour être pesés. Ceci permet d'éviter les problèmes d'embouteillages enregistrés aux heures de pointe, qui entraînent souvent la fermeture de la station de pesage.

Les exigences pour les systèmes WIM utilisés sur autoroute sont définies par la norme ASTM E1318-02.

Comme pour les camions, ces systèmes sont disponibles aussi bien pour des mesures statiques qu'en mouvement. Ils peuvent déterminer la charge sur chaque essieu, sur chaque bogie, et même le poids d'une locomotive ou d'un wagon complet. Ces systèmes utilisent des cellules de charge qui ont une précision d'au moins ±1 %.

Les avions sont pesés sur des plates-formes incorporant des cellules de charge. D'ordinaire, l'avion est tiré vers l'avant de sorte que toutes ses roues se trouvent sur les plates-formes. Le poids total est donc la somme des valeurs lues sur chaque plate-forme. Les distances et les différences entre les valeurs lues sur chaque plate-forme sont utilisées pour calculer la répartition du poids.

Que ce soient les camions, les avions ou les trains, tous ont besoin d'être pesés régulièrement. Ceci advient en ayant recours à des cellules de charge. Une cellule de charge emploie soit des jauges de transformation où un changement mesurable de la résistance se produit au fur et à mesure que le matériau se déforme, soit des matériaux piézoélectriques qui produisent une charge électrique lorsqu'ils sont sous pression. Ces signaux sont amplifiés et peuvent aboutir à des lectures avec un degré de précision de ±1 %.