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État de l'art des systèmes de pesée
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Sommaire
1.Objet des travaux 3
2.Travaux réalisés 3
3.État de l’art et prospectif pesée 3
3.1Pesage industriel 4
3.2Pont bascule 6
3.3Les différents types de capteurs et leurs domaines d’utilisations 9
3.4Cadre réglementaire français et européen 10
4.Comparatif des différentes technologies 11
4.1Montage des différents types de capteurs 11
4.2Avantage et inconvénients des différents types de capteurs 15
5.Systèmes utilisés en machinisme agricole pour le pesage embarqué 15
5.1Principes utilisés 15
5.2Cas du mélange des aliments pour animaux 17
6.Recherche documentaire 18
6.1Recherche de brevets 18
6.2Collecte des données 19
6.3Sélection 19
6.4Analyse 20
7.Description des brevets 22
7.1Machines agricoles 22
7.2Camions 26
7.3Engins du BTP 28
8.Fiche produits commercialisés en machinisme agricole 31
9.Consclusion 35
9.1Normes et réglementation 36
9.2Techniques de pesée 36
9.3Précision 36
10.Annexe 38
10.1Pesage grand public 38
10.2Pesage commercial : balance poids/prix 40
1.Objet des travaux
Le but de ces travaux étaient de réalisés :
un état de l’art et un descriptif des technologies de pesées ;
un comparatif des technologies (avantages et inconvénients) ;
un descriptif des systèmes utilisés en MAGR ;
un état de l’offre du marché.
2.Travaux réalisés
Les travaux réalisés sont les suivants :
état de l’art et prospectif pesée ;
comparatif des différentes technologies ;
recherche documentaire (brevets + produits). Cette recherche a été confiée à la société Aprobase International. Pour réaliser un panorama complet sur les systèmes de pesée, la recherche de brevets a été étendue au camions et engins du BTP ;
analyse et synthèse des documents.
3.État de l’art et prospectif pesée
Le domaine industriel représentatif de la pesée est le Pesage. Les différents secteurs d’activités sont les suivants :
pesage grand public ;
pesage commercial ;
pesage industriel :
pèse petit container,
en continu,
dosage/trémie.
pont bascule :
multi-capteurs,
pèse-roue.
Le pesage grand public et le pesage commercial seront traités en annexe.
3.1Pesage industriel 3.1.1Pèse petit container
Il s’agit de produits munis de récepteur de charge à 4 capteurs pouvant peser de 300kg à 3T selon leur conception.
Figure 1 : pèse petit container
Ces récepteurs de charges ont des précisions inférieures à 0,5%. La surface de ces balances varie de 800 x 800 mm² à 2 x 1,5 m² selon la charge maximum à peser.
Les capteurs sont soit des capteurs de flexion, à point d’appui central, soit des capteurs de cisaillement. Ces différents types de capteurs sont montés en fonction des différents types de sollicitations subies par le récepteur de charge.
Figure 2 : exemple de montage de capteur de cisaillement
3.1.2Pesage en continu
Les applications sont très variées en termes de portée maximum et de débit.
Figure 3 : exemples d’éléments existants de bascule intégrée dans un process
3.1.3Dosage en continu
Les applications sont très variées en termes de portée maximum et de débit.
Figure 4 : exemples existants de dosage par trémie peseuse ou non
3.2Pont bascule 3.2.1Pont bascule multi-capteurs
Les ponts bascules sont utilisés pour peser de façon précise les denrées transportées par tous types d’engins routiers (domaine agricole, routier). Ils sont généralement munis d’un nombre de capteurs qui varient en fonction de la charge maximum à peser.
Le principe de la pesée précise de véhicule est le suivant :
pesée de l’ensemble tracteur + remorque (tarage) : P1 ;
chargement ;
pesée de l’ensemble chargé P2 ;
calcul du poids transporté = P2 –P1.
Figure 5 : exemple de montage
Les capteurs sont montés entre le socle et les entretoises dans les zones de cuvelage.
Figure 6 : caractéristiques physiques, techniques et de montage des capteurs
Les ponts bascules, qui servent généralement à réaliser des transactions commerciales sont reliés à la métrologie légale (voir paragraphe partie 3 -cadre réglementaire français).
3.2.2Pèse-roue
Ces plates-formes sont utilisées pour réaliser des systèmes portables de pesage de véhicule (plate-forme de pesage à profil bas.
Figure 7 : exemple de pèse-roue
La précision de pesée est de l’ordre de 0,5%. Les caractéristiques métrologiques et dimensionnelles sont les suivantes :
Figure 8 : caractéristiques métrologiques des pesées
3.3Les différents types de capteurs et leurs domaines d’utilisations
Tableau 1 : panorama des différents types de capteurs et leurs domaines d’utilisation
3.4Cadre réglementaire français et européen
Extraits de la directive européenne : directive 2009/23/CE du parlement européen et du conseil européen du 23 avril 2009 relative aux instruments de pesage à fonctionnement non automatique.
Champs d’actions de la directive :
détermination de la masse pour les transactions commerciales ;
détermination de la masse pour le calcul d’un péage, d’un tarif, d’une prime, d’une amende, d’une indemnité ou d’une redevance ;
détermination de la masse pour l’application d’une législation ou d’une réglementation ou pour des expertises judiciaire ;
détermination de la masse dans la pratique médicale en ce qui concerne le pesage des patients pour des raisons de surveillance, de diagnostic et de traitements médicaux ;
détermination de la masse pour la fabrication de médicaments sur ordonnance en pharmacie et la détermination de la masse lors des analyses effectuées dans les laboratoires médicaux et pharmaceutiques ;
détermination du prix en fonction de la masse pour la vente directe au public et de préemballages.
Les points a et f concernent la pesée des engins agricoles
Tableau 2 : extraits des classes de précisions tolérées par la directive
Tableau 3 : extraits des classes d’erreurs maximales tolérées
Par exemple :
pour un instrument en classe IIII, et pour une portée max de 1000 .e, la précision sera de 3.e / 1000.e soit 0,3 % ;
pour un instrument en classe III, et pour une portée max de 10000.e, la précision sera de 3.e / 10000.e soit 0,03%.
Cette directive n’est pas obligatoire pour les déterminations de masses autres que celles du domaine d’utilisation de cette directive.
4.Comparatif des différentes technologies 4.1Montage des différents types de capteurs
La coopération européenne en métrologie légale a créé un guide pour les cellules de pesées. Il s’agit du document Welmec 2.4.
Welmec signifie: Western European Legal MEtrologie Cooperation.
Abréviation utilisée dans le guide : LC (Load Cell) = Cellule de Pesée.
Tableau 4 : différents symboles par types de cellules de pesée
Figure 9 : schéma pour les LCs de compression et de tension
Figure 10 : schémas pour les LC à poutre
4.2Avantage et inconvénients des différents types de capteurs
Tableau 5 : avantages et inconvénients des différents types de capteurs
5.Systèmes utilisés en machinisme agricole pour le pesage embarqué 5.1Principes utilisés
Principe 1 :
Figure 11 : montage des capteurs selon principe 1
Type de capteur pouvant être utilisé avec ce principe (voir tableau paragraphe 3.3) :
flexion et double flexion ;
cisaillement et double cisaillement.
Les capteurs sont montés entre le châssis et le contenant de la remorque. Ils encaissent tous les efforts parasites (efforts latéraux, longitudinaux et accélération).
Principe 2 :
Figure 12 : montage des capteurs selon principe 2
Les types de capteurs utilisés sont les mêmes que pour le principe 1. Ces capteurs peuvent se situer entre le tracteur et le contenant. Le contenant peut être également muni d’un socle. Les capteurs sont ensuite entre ce socle et le contenant, l’ensemble étant solidaire du relevage du tracteur.
Principe 3 :
Figure 13 : montage des capteurs selon principe 3
Type de capteur pouvant être utilisé avec ce principe (voir tableau paragraphe 3.3) :
compression ;
flexion et double flexion ;
cisaillement ;
mesure de pression hydraulique.
Position des capteurs :
- en A :
sur le timon de la remorque ;
sur le relevage du capteur ;
sur l’accrochage côté tracteur.
- en B :
sur les essieux ;
entre les amortisseurs et le châssis de la remorque.
Il n’existe pas de différences significatives de précision entre les trois principes utilisés en machinisme agricole. Les principes 1 et 2 peuvent être plus performants pour une évolution vers des pesées plus précise.
5.2Cas du mélange des aliments pour animaux
Les différents types de mélangeuses sur roue conduite par une personne utilisent les trois principes énumérés dans le paragraphe 5.1. Les mélangeuses automotrices utilisent le principe 2.
Les distributeurs automatiques robotisés utilisent un principe proche du principe énoncé au 1 du paragraphe 5.1.
Figure 14 : distributeur automatique d’aliments et de fourrage
Ces distributeurs automatiques sont déplacés par des rails de guidage qui peuvent être au sol ou en hauteur.
Type de capteur pouvant être utilisé avec ce principe (voir tableau paragraphe 3.3) :
flexion et double flexion ;
cisaillement et double cisaillement.
6.Recherche documentaire 6.1Recherche de brevets
La recherche bibliographique de brevets concernant la conception de systèmes embarqués de pesage de la charge transportée par des engins terrestres a été réalisée par la société Aprobase International.
La plupart des inventions identifiées concernent des engins du BTP (principalement des pelleteuses/tractopelles), puis les camions, et enfin les machines agricoles.
Ces inventions s’étendent sur une trentaine d’année pour les machines agricoles, et sont davantage soutenues depuis la fin des années 1990 pour les engins de BTP et les camions.
Les sociétés japonaises, américaines et allemandes sont très actives sur le sujet. Elles détiennent près de 2/3 des brevets retenus.
Les capteurs d’efforts, de pression, d’inclinaison, ou encore de vitesse ou d’accélération apparaissent comme les plus utilisés pour permettre le pesage de la charge transportée.
6.2Collecte des données
Cette étude bibliographique résulte de la compilation de familles de brevets collectées dans la banque de données Derwent, sans limitation de date.
La collecte se décompose en plusieurs concepts définis par des combinaisons de mot clés :
 1. Concept « Type d’engins »
2. Concept « Pesage »
Brevets (sans limitation de date)
2 144
3. Concept « Affichage»
Figure 15 : famille de brevets collectée dans la base de données Derwent
Les publications ici collectées résultent d’une combinaison de mots clés (stratégies) jugés représentatifs pour atteindre l’objectif fixé (de concert avec le Cetim).
Les stratégies utilisées permettent de tendre vers l’exhaustivité sans toutefois l’atteindre.
6.3Sélection
Nombre de brevets collectés = 2144
Nombre de brevets livrés par Aprobase = 149
Une très grande partie des brevets collectés porte sur des systèmes de détection de l’effort de traction, ou de la charge à l’essieu, sans donner d’indication sur le poids de la charge transportée.
Dans cette recherche, la priorité a été donnée aux inventions décrivant les systèmes embarqués, les unités d’affichage ou les unités de traitement des données de la charge transportée.
Les 72 brevets rapportés pour les engins de type camions ou du BTP concernent exclusivement la conception de ces systèmes de pesage-affichage.
Concernant les machines agricoles, les 77 brevets rapportés portent aussi bien sur la conception ou l’utilisation de ces systèmes.
6.4Analyse
Cette analyse se décompose en trois parties principales :
machines agricoles ;
BTP ;
Camions.
En terme de conception de systèmes de pesage avec affichage (ou unité de traitement des données), la répartition des brevets livrés par type d’engins est la suivante :
Figure 16 : conception de systèmes de pesage/affichage
Graph2 CMW12-003
Figure 17 : évolution de la conception de systèmes de pesage/ affichage
Figure 18 : répartition par pays des systèmes de pesage/affichage
Plusieurs types de dispositifs de détection sont identifiés. Les capteurs dominent largement, et plus particulièrement les capteurs d’efforts, de pression, d’inclinaison, de vitesse ou d’accélération.
Pour les 149 brevets analysés ci-dessous, les capteurs sont précisés chaque fois que possible. Les analyses précisent également les avantages du système développé : amélioration de la précision de pesage, prévention de la surcharge (dispositif de sécurité)…
7.Description des brevets 7.1Machines agricoles 7.1.1Brevets engins agricoles avec système d’affichage
Tableau 6 : brevets engins agricoles avec système d’affichage
7.1.2Brevets engins agricoles système d’affichage non précisé
Tableau 7 : brevets engins agricoles – systèmes affichage non précisé
7.1.3Répartition par type d’engin agricole
Tableau 8 : répartition par type d’engins agricoles
Figure 19 : répartition par type d’engins agricoles des systèmes d’affichage
7.1.4Étude des principes de mesures Cas des moissonneuses-batteuses
Un bon tiers des brevets collectés concernent les moissonneuses-batteuses. Le type de capteur et l’objectif de la mesure sont décrits dans le tableau suivant :
Tableau 9 : type de capteur et objectif de mesure
Les mesures effectuées permettent soit d’optimiser le rendement à l’hectare, soit de réaliser une détection pour l’asservissement de la coupe.
Cas des engins agricoles hors moissonneuse-batteuse
L’instrumentation et les différents principes de mesures des autres types d’engins agricoles sont décrits dans le tableau suivant :
Tableau 10 : instrumentation et principes de mesures des autres engins agricoles
Les principes de mesures A et G (A+F), c’est-à-dire une mesure d’effort effectuée entre le contenant (remorque, semoir..) et le support (châssis, attelage..) représente plus de 50% des brevets déposés. L’avantage de ce type d’instrumentation est la précision de la mesure. L’inconvénient majeur, surtout pour les remorques, est le nombre de capteurs à utiliser. Leur robustesse est très importante puisqu’ils contiennent tous les efforts.
Si la mesure de la masse doit servir à faciliter les transactions commerciales, les principes A et G sont les plus pertinents à utiliser. Par contre, les principes B, C, D, E, F peuvent être largement suffisant pour effectuer des asservissements machines (régulation de charge, vitesse..).
7.2Camions Brevets des camions
Tableau 11 : brevets des camions
7.2.1Répartition par type d’engin
Figure 20 : répartition des brevets par type d’engins
7.2.2Étude des principes de mesures
Tableau 12 : récapitulatif des différents principes de mesures décrits par les brevets camions
La mesure d’effort entre le contenant (benne, remorque,..) et le support (châssis) représente un tiers des brevets déposés. Comme pour les machines agricoles, c’est la proportion la plus forte des principes de mesures. L’avantage de ce type d’instrumentation est la précision de la mesure. L’inconvénient majeur est le nombre de capteurs à utiliser et la robustesse obligatoire de ces capteurs car ils encaissent tous les efforts.
Les brevets américains de la société AIS Group Inc. sont très précis sur la description des capteurs d’efforts et sur leurs conditionnements.
7.3Engins du BTP 7.3.1Descriptions des brevets d’engins du BTP
Tableau 13 : descriptions des brevets d’engins du BTP
7.3.2Répartition des engins du BTP
Il est intéressant pour ce type d’engins de regarder la répartition des brevets déposés par pays.
Figure 21 : répartition des brevets déposés par pays
Un constat s’impose : 62 % des brevets sont déposés par les trois pays asiatiques (Japon, Chine et Corée du Sud).
Figure 22 : répartition des brevets déposés par type d’engins du BTP
7.3.3Principes de mesures
Tableau 14 : principes de mesures par type d’engins
Sur ce type d’engins, les systèmes multi-capteurs de contrôle de stabilité représentent 44 % des brevets déposés. Les mesures de masses concernent essentiellement les grues et les godets de chargement.
8.Fiche produits commercialisés en machinisme agricole
Tableau 15 : fiches produits de systèmes commercialisés
Quelques exemples de systèmes commercialisés:
Société Agrotronix
Figure 23 : système Agrotronix
Le système Agrotronix peut équiper n’importe quelle remorque. Il utilise trois capteurs (extensomètres) pour mesurer la masse en statique. La société parle d’estimation du poids. La précision est de l’ordre de 5%.
Société Digi-Star
Figure 24 : système Digi-Star
La société Digi-Star commercialise, entre autres, un système de pesée adaptable sur tous types d’engins. Le poids maximum est de 3T (7000lb = 3178 kg) et la précision de 1,5%.
Société New Holland
Figure 25 : système New Holland
Le système New Holland utilise des capteurs d’effort dans les axes des roues. La précision revendiquée est de l’ordre de 5%. L’utilisation d’inclinomètre permet de compenser la masse en fonction d’inclinaison du sol (en restant dans une précision de 5%).
Établissement Rolland
Figure 26 : établissement Rolland
La société Derisys propose le pesage embarqué sur les épandeurs et remorques agricoles Rolland. Les capteurs d’effort se situent entre le châssis et le contenant de la remorque. La précision revendiquée est de 1%.
Société Kuhn Audureau
Figure 27 : dispositifs multi-capteurs de la société Khun Audureau
La société Kuhn Audureau propose des machines de distributions d’aliments pour bétail de type désileuses/mélangeuses, mélangeuses, ou distributrices d’engrais. Chaque machine est munie de dispositifs multicapteurs positionnés entre le châssis et la cuve contenant les aliments ou l’engrais.
9.Consclusion
Les travaux réalisés ont permis de dégager quelques points importants sur l’état de l’art dans le domaine du machinisme agricole. Ces différents points concernent les normes et réglementation, la technique de pesée la plus précise et les différents niveaux de précisions réalisables en fonction de la technologie de pesée.
9.1Normes et réglementation
La partie concernant la possibilité de réaliser des transactions commerciales à l’aide de systèmes de pesée embarquée n’a pas été abordée dans ce rapport.
La réglementation française concernant les systèmes de pesée permettant de réaliser des transactions commerciales est la suivante :
circulaire : CI 19980717A NO 98-00.610.001.1 du 17/07/1998, intitulée Circulaire relative à certains instruments de pesage à fonctionnement non automatique et à fonctionnement automatique.
Néanmoins la préoccupation des industriels qui actuellement réside dans le contrôle de production des produits agricoles peut évoluer dans cette voie qui concerne les transactions commerciales. Les transports routiers, les céréaliers, peuvent notamment trouver un intérêt à cette démarche.
Des recommandations internationales et des projets de norme existent dans le domaine du transport routier.
Recommandation OIML (Organisation International de la Métrologie Légale) :
OILML R134-1 (année 2003) : instruments à fonctionnement automatique pour le pesage des véhicules routiers en mouvement et le mesurage des charges à l'essieu - partie 1: exigences métrologiques et techniques – essais ;
OILML R134-2 (année 2004) : instruments à fonctionnement automatique pour le pesage des véhicules routiers en mouvement - pesage total du véhicule - partie 2: format du rapport d'essai.
Projet de norme AFNOR :
PR NF CEN/BT C057/2008 - COST 323 (P99-317PR), intitulé « Pesage en marche des véhicules routiers ».
9.2Techniques de pesée
Le positionnement des capteurs d’effort entre le châssis de l’engin et le contenant semble être la meilleure solution pour réaliser une pesée précise.
Le capteur d’effort en double cisaillement semble le plus adapté au portée de pesée et aux conditions d’exploitation du machinisme agricole (se reporter au brevet camion US200600664264A1, paragraphe 7.2.1).
Malgré cela, l’adjonction d’une mesure d’inclinaison suivant les plans horizontaux semble importante pour corriger la masse en fonction de l’inclinaison du terrain.
9.3Précision
Les différents types de montage de capteurs sont les suivants :
A : capteurs au niveau des essieux et de l’attelage des remorques ;
B : capteurs entre le châssis et le contenant de l’engin agricole ;
C : capteurs entre le châssis et le contenant de l’engin agricole sans d’autres liaisons que les capteurs.
On constate que selon les trois types de montages A, B, C, la précision de la pesée est indiquée par le tableau suivant :
Montage des capteurs
|
Précisions potentielles
|
A
|
1 %
|
B
|
1 %
|
C
|
< 0,1 % (idem au domaine du pesage)
|
Tableau 16 : différents types de montage de capteurs
10.Annexe 10.1Pesage grand public
Il concerne les pèse-personnes et balances de ménage vendus pour un usage domestique. Ce secteur d’activité n’est pas tenu à une réglementation (qui existait en France jusqu’en 1992). Il existe toutefois une norme Afnor en cours de réalisation.
10.1.1Principes de pesée utilisés pour la réalisation de pèse-personne
Structure de pesée dite à « fléaux/couteaux »
Il s’agit du principe de la balance romaine : un système de rapport de bras de levier divise l’effort exercé sur le plateau de pesée (division entre 10 et 15). La transformation de l’effort en poids est réalisée soit par un capteur d’effort en flexion (balance à affichage numérique), soit par un ressort taré (affichage analogique).
Capteur d’effort
Couteaux
Fléaux
Figure 28 : structure de pesée dite à « fléaux/couteaux
Structure de pesée à 4 capteurs
Quatre capteurs sont montés en double flexion en dessous d’une structure rigide. Le poids total est la somme des efforts exercés sur chaque capteur. Cette somme est soit analogique (appairage des capteurs), soit numérique.
Vue en coupe des pieds du pèse-personne muni de capteur en double flexion
Figure 29 : structure de pesée à 4 capteurs
Principe du capteur monté en double flexion
Le capteur est une poutre en flexion montée en porte à faux entre un plateau et un socle.
Figure 30 : capteur monté en double flexion
10.1.2Principe de pesée utilisée pour la réalisation de balance de ménage
Les balances de ménages utilisent le principe du capteur monté en double flexion. Ces surfaces de pesée sont munies d’un ou de quatre capteurs.
10.2Pesage commercial : balance poids/prix
Ces produits sont utilisés pour le pesage de denrées alimentaires (par exemple). Leur portée maximale varie de 15 à 30 kg. La précision de pesée est de 5g à 10g.
Figure 31 : exemple de balance poids/prix
Caractéristiques métrologiques
Ces balances ont des précisions inférieures à 0,5%. Elles sont toutes reliées à la métrologie légale (cf. paragraphe 3.4. cadre réglementaire français).
Tableau 17 : caractéristiques métrologiques des capteurs
Ces balances sont toutes basées sur le principe du capteur monté en double flexion.
Figure 32 : balance basée sur capteur monté en double flexion
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