Conception et structure du système de pesage des réservoirs

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1. Préface Lors de la fabrication de réservoirs équipés de capteurs, il convient de respecter certaines règles fondamentales importantes. Par exemple, les réservoirs doivent généralement résister aux conditions climatiques ou aux influences liées à la production. Lors de la construction de nouveaux silos en plein air (silos de stockage, silos à charbon) liés aux bâtiments, il est impératif de respecter les réglementations architecturales. Pour le droit de la construction, la modification a posteriori des équipements de pesage peut également être considérée comme un changement important. Dans ce cas, il est recommandé de consulter un ingénieur en construction, car la réglementation du bâtiment définit en principe l’« état technique » en termes de sécurité. Par exemple, la charge due au vent est prévue dans la partie 4 des normes allemandes DIN 1055 concernant les charges sur les bâtiments. Les concepteurs et fabricants de réservoirs de stockage doivent également se renseigner sur les règlements spécifiques, souvent internes à l’entreprise : si des matières dangereuses y sont stockées et qu’une utilisation avec des chariots élévateurs est prévue, les réservoirs situés sur le toit doivent également être protégés contre les mouvements de levage. 2. Distribution du poids : La meilleure configuration des capteurs pour déterminer le poids du réservoir est atteinte lorsque celui-ci est soutenu par trois points de charge, un capteur étant installé sur chacun de ces points. Cette situation est appelée détermination statique. À cette fin, la charge totale doit être répartie le plus uniformément possible sur les trois capteurs. Pour des réservoirs cylindriques verticaux ou suspendus, les conditions d’équilibre optimal sont remplies lorsque les trois capteurs sont à égale distance de l’axe vertical du réservoir et forment un angle de 120° les uns par rapport aux autres dans le plan. Pour l’agencement des points de charge des réservoirs horizontaux ou couchés, veuillez vous référer à la figure 1. Si, dans un équipement, des capteurs ne sont pas installés sur tous les supports, une répartition inégale de la charge sur ces derniers est plus appropriée. Un support équipé de capteurs doit supporter un poids plus élevé qu’un support sans capteurs ; cette mesure permet d’améliorer la précision des équipements de pesage. Lors de la conception de l’équipement et du choix des capteurs, il convient de veiller à ce que la charge exercée sur les capteurs soit aussi élevée que possible. Figure 1 : Répartition des points de charge A, B et C d’un réservoir horizontal. Si le réservoir est soutenu par quatre points ou plus, il existe un excès de degrés de liberté statiques. Pour cette application, il est nécessaire de prendre en compte des capteurs à tous les points de support. Une répartition uniforme de la charge sur un capteur unique ne peut être réalisée que par installation. Pour y parvenir, on mesure d’abord séparément la charge du capteur ; en cas de différence notable, la hauteur du capteur correspondant doit être ajustée (par exemple en insérant une feuille métallique). En principe, les capteurs présentant une charge trop faible doivent être installés face à face. 3. Le centre de gravité du réservoir plein doit être le plus bas possible par rapport au point de soutien du réservoir. Cette exigence est souvent difficile à respecter dans la pratique. Il est avantageux pour la stabilité du mécanisme que le centre de gravité se trouve en dessous du point de portée. La position du centre de gravité varie en fonction du niveau de remplissage, et cette position a une influence cruciale sur le nombre de capteurs nécessaires. Avec un remplissage symétrique, la disposition des capteurs permet de fabriquer un appareil de pesée à l’aide d’un seul capteur, car le centre de gravité se déplace sur une ligne verticale. Si le centre de gravité du chargement se déplace latéralement par rapport à la ligne centrale en raison d’un changement dans son contenu, tous les points de soutien doivent être équipés de capteurs. La figure 2 illustre la nécessité d’utiliser des capteurs à tous les points de soutien en cas de variation du centre de gravité (latéral). Figure 2 : Récipient avec une plaque de sortie inclinée, dont la position du centre de gravité varie en fonction du niveau de remplissage. 4. Les réservoirs de stockage, pour des opérations telles que le chargement et le déchargement, ont souvent besoin d’autres connexions, comme pour l’insertion et le retrait du contenu du réservoir, ainsi que pour les équipements annexes électroniques, hydrauliques ou pneumatiques du réservoir. L’interface de chargement/déchargement du réservoir peut générer des forces supplémentaires, entraînant des erreurs dans la précision de mesure de la balance. Par conséquent, l’interface doit être suffisamment flexible dans la direction verticale. Les figures 3 à 7 présentent plusieurs formes de interfaces plausibles, qui doivent être prises en compte lors de la phase de conception et de la phase de projet. Lors de la connexion de tuyaux rigides peu flexibles, il est judicieux que le réservoir soit relié à un tuyau horizontal aussi long que possible. Les tuyaux horizontaux sont flexibles dans la direction verticale, et plus leur longueur est grande, plus ils sont souples. La contrainte qu’elle génère sur le capteur est correspondamment faible et n’a pas d’impact sur la précision de la mesure. (Fig. 3). Quelques sections de tuyaux de connexion faciles à plier peuvent remplacer les longs tuyaux horizontaux (fig. 4) en étant reliées par des flexibles en matériau élastique malléable, ce qui permet d’éviter des forces supplémentaires. Il convient ici de vérifier l’acceptabilité des matériaux élastiques pour les substances remplies dans le récipient ainsi que pour les produits de nettoyage (comme en technologie alimentaire et pharmaceutique). D’autres possibilités de réduire les forces supplémentaires consistent à utiliser des tuyaux incurvés (figure 5). Lorsque le tuyau est installé verticalement, lorsque cela est requis dans la direction de la gravité ou lorsque des tuyaux flexibles ne peuvent être utilisés, une connexion fiable du tuyau s’obtient par compensation au moyen d’un manchon ondulé (figure 6). Cependant, lors de l’installation de ce type de compensateur, il est nécessaire de maintenir une déformation très faible. Si l’on utilise un deuxième manchon, celui-ci, lorsqu’il est relié au premier par un tuyau, peut permettre une plus grande déformation. Conseil : Dans certains endroits nécessitant une propreté particulière (comme l’industrie alimentaire), les manchons ondulés ne sont pas autorisés. La connexion à ouverture présentée à la figure 7 pour les tuyaux courts à chargement ouvert s’avère optimale pour réduire les forces supplémentaires, car l’joint ouvert évite tout contact entre le tuyau et le réservoir ; cependant, cette forme ne peut être utilisée dans des systèmes fermés (tels que les réservoirs sous pression). Conseil : Il faut toujours faire attention au fait que le matériau des tuyaux successifs entre également dans la pesée. Les tuyaux d’alimentation et de décharge connectés directement au réservoir doivent présenter un poids constant pendant le processus de pesée. Cela signifie que les tuyaux sont soit vides, soit toujours pleins. Figure 3 : Connexion par tuyau horizontal long
Figure 4 : Connexion tubulaire élastique
Figure 5 : Tuyau en arc
Figure 6 : Connexion de compensation par tuyau ondulé
Figure 7 : Tuyau court ouvert pour le chargement des marchandises

5. Charge de pression
Dans les équipements fermés, la pression du système a un impact sur les résultats de pesée, en particulier dans l’industrie chimique où les processus de réaction nécessitent des pressions élevées. En revanche, les équipements de aspiration créent une pression négative de 100 à 300 millibars sur les matières à peser sous forme de particules. Lorsque les tuyaux sont connectés verticalement dans un réservoir, comme le montrent les figures 5 et 6, des forces supplémentaires s’appliquent directement sur la mesure. Son effet correspond au produit de la pression et de la section transversale du tuyau ; lorsque la pression reste stable pendant la mesure, cette composante peut être prise en compte ou calculée au moment de la mesure. Les tuyaux de connexion horizontaux sont avantageux et donc privilégiés par rapport à l’installation de tuyaux verticaux, dans ce cas les forces supplémentaires correspondantes étant absorbées par des accessoires d’installation. 6.1 Quelques formes typiques d’installation de capteurs Cette section présente, à l’aide de schémas, plusieurs structures typiques de réservoirs ; les détails structurels relatifs aux problèmes spécifiques abordés seront expliqués dans les chapitres correspondants. 6.1 Pour les réservoirs verticaux à charge, destinés à des corps homogènes tels que des liquides ou des marchandises en vrac, une configuration avec deux supports fixes et un capteur est envisageable. La condition est que la structure de la capacité soit symétrique, et que l’axe de gravité du chargement reste approximativement sur une ligne verticale tout au long du processus de chargement. Dans d'autres cas, en particulier pour une précision plus élevée, il est nécessaire de disposer de trois capteurs ou plus. 6.1.1 Installation rigide du capteur – Une installation simplement rigide du capteur sur la structure porteuse n’est généralement pas recommandée, car cette configuration ne permet pas au capteur d’éviter les erreurs de mesure dues aux déformations causées par des changements dans les conditions de charge, aux vibrations ou aux variations de température. 6.1.2 Récipient en cuve verticale équipé de deux supports et d’un capteur Ce système de mesure utilise un capteur à balancier et deux supports fixes, qui servent également à fixer le récipient en cuve verticale. Cette structure à faible coût permet d’éviter certains erreurs de mesure du capteur. Figure 8 : Récipient vertical avec une structure de montage rigide équipée d’un capteur
Figure 9 : Récipient vertical équipé de deux supports fixes et d’un capteur
6.1.3 Récipients verticaux soutenus par trois ou quatre capteurs
Pour une mesure précise de l’état de remplissage, on utilise le plus souvent trois capteurs en tant qu’éléments de mesure ; cependant, on trouve également des configurations à quatre points dans les structures symétriques en angle droit. Bien que cette disposition ne soit pas, en principe, la meilleure en raison de son excès de degrés de liberté et de son coût élevé, elle vient facilement à l’esprit des concepteurs. Bien que les supports élastiques à deux piliers oscillants n’aient pas besoin de guides, la plupart doivent être combinés avec des limiteurs fixes. Pour les réservoirs verticaux particulièrement hauts, il est nécessaire d’installer des guides supplémentaires dans la partie supérieure ; dans la légende, les tiges cylindriques sont serrées avec une force de précontrainte plus faible. Dans cette position, la barre de blocage fixe peut entrer en contact avec le réservoir vertical dès qu’il y a un léger décalage inévitable, ce qui entraîne des forces supplémentaires due à la friction de contact. L’usage de paliers à roulement ou de guides à corde n’est généralement pas recommandé ici. Figure 10 : Récipient vertical plus élevé
Figure 11 : Récipient vertical sur un socle
6.1.4 Utilisation d’un récipient vertical avec trois modules de pesage différents
Trois modules de pesage, dont les guides sont tangents à la bordure extérieure de la structure, permettent au réservoir de rester stable horizontalement sans autres mesures. Il dispose également d’une protection contre le soulèvement pour empêcher l’inversion du réservoir vertical. Ainsi, peu de détails structurels sont nécessaires pour une construction en extérieur ; cette légende montre les modules de pesée pour charges faibles, moyennes et élevées. L’utilisation de modules de pesage standard peut simplifier la structure et permettre d’économiser considérablement sur ses coûts, mais il faut prendre en compte des détails tels que la parallélité des surfaces de charge et l’alignement en hauteur. 6.1.5 Dans la pratique de l’utilisation de modules de pesage sur des réservoirs verticaux à bords, on constate généralement que la coque du réservoir vertical circulaire s’étend jusqu’au fond afin d’assurer la stabilité de toute la structure ; dans ce cas, une méthode d’installation spéciale est nécessaire pour installer correctement le capteur. La figure 12 montre le principe de cette structure mesurée par un capteur, c’est-à-dire le système par lequel le poids est transmis au capteur. Bien sûr, le module de pesage comprend également une protection contre la levée (elle n’est pas représentée sur la figure 12 pour plus de clarté). Même une légère élévation de la structure suffit à faire peser tout le poids sur le capteur. Ainsi, dans cette structure, un anneau de joint circulaire est nécessaire pour assurer l’étanchéité ; il est suffisamment souple pour ne pas exercer de force supplémentaire. Figure 12 : Configuration du module de pesage pour un réservoir vertical à bords 6.1.6 Silo rectangulaire de la station de chargement équipé de quatre capteurs Dans la station de chargement, les vibrations provenant des mécanismes de transport, des équipements de chargement et de déchargement, ainsi que l’effet de l’accélération lorsque le silo de pesage fait partie d’un équipement mobile, rendent le silo rectangulaire très instable. Cela sans tenir compte des forces latérales considérables générées par la chute de matières sèches à grande masse sur les parois inclinées du silo. Dans ce cas, il est particulièrement nécessaire de prévoir à l’avance un fixage stable des guides sous contrainte. Parfois, lorsque la pesée n’est pas nécessaire, le récipient de la balance est fixé, et ne devient libre que lors de la pesée. Une structure symétrique en angle droit est très favorable à la stabilité, c’est pourquoi elle est également adoptée dans la plupart des installations de capteurs. En même temps, les capteurs sont généralement équipés d’un support élastique, comme c’est le cas pour les capteurs à balancier. 6.2 Réservoir de pesée suspendu Le réservoir de pesée suspendu utilise souvent un mécanisme plus simple à base de tige flexible pour éliminer ou réduire les problèmes de réalignement automatique et d’ajustement en hauteur. En plus de la protection contre les chutes souvent requise, des guides pour empêcher les oscillations et les rotations sont nécessaires. 6.2.1 Les cuves de pesage suspendues équipées de deux ou trois capteurs exigent, en raison de leur structure globalement simple, davantage de guides tangentiels ; en cas de contraintes faibles, ces derniers peuvent être assurés par les tuyaux latéraux situés en dessous. Figure 14 : Récipient suspendu à deux ou trois capteurs 6.2.2 Structure suspendue au centre d’un seul capteur Dans cette structure, des protections contre les balancements et les rotations sont nécessaires. Figure 15 : Récipient de pesée 6.3 suspendu à un capteur. Pour la plupart des cas, le déplacement du centre de gravité du liquide est proportionnel à la hauteur de chargement. Ainsi, l’installation d’un capteur sous un siège et de bases fixes sous les deux autres sièges permet de mesurer des situations de chargement relativement simples. Un réservoir horizontal idéalisé répartit le poids également entre un capteur à deux colonnes oscillantes et deux supports fixes ; en conditions normales, d’autres fixations ne sont pas nécessaires. Pour de très longs réservoirs horizontaux, une protection supplémentaire doit être mise en place pour empêcher que les capteurs ne soient renversés par des forces latérales, par exemple en utilisant des obstacles mécaniques pour limiter les deux extrémités sur le siège du réservoir. Conseil : Dans la pratique, la symétrie de la distribution est souvent perturbée par une légère inclinaison du côté de la sortie du liquide ; pour des tâches de pesée précise, une disposition de trois capteurs à balançoire à double colonne est la meilleure, où il est préférable d’utiliser des plaques de fixation horizontales. Figure 16 : Réservoir horizontal équipé d’un capteur C16 (esquisse)