Étalonnage des systèmes conventionnels vs. Capteurs sans fil

Le concept d’industrie 4.0 comprend la numérisation des processus et, dans ce contexte, la détection des machines industrielles. 

La détection permet de surveiller les actifs et peut être utilisée par la maintenance prédictive dans la prise de décision. 

À partir des paramètres recueillis sur les machines, tels que les vibrations et la température, il est possible de surveiller l’état d’un bien en temps réel.  

Grâce aux capteurs sans fil, des endroits qui, auparavant, pour des raisons d’accès ou de sécurité, ne se prêtaient pas à la collecte de données, sont aujourd’hui des points qui peuvent être facilement surveillés.

Et c’est précisément le cœur de métier de Dynamox, qui développe des systèmes de surveillance sans fil pour les actifs industriels.  

Avec l’expansion de l’utilisation des capteurs de ce type, certains changements de paradigme sont inévitables.    

Suppression de la nécessité pour les inspecteurs de terrain de se rendre sur les machines pour collecter les paramètres.

A titre d’exemple, la méthode traditionnelle de collecte des données vibratoires consiste en l’exécution de tournées d’inspection par des inspecteurs sur le terrain avec des périodicités bien définies, visant à recueillir les paramètres des machines d’une usine ou d’un secteur de l’industrie. 

Grâce à l’utilisation de capteurs sans fil installés dans ces machines, ce processus peut être automatisé et les inspecteurs peuvent être affectés à d’autres tâches, telles que l’analyse des données générées. 

Augmentation significative du nombre d’appareils

Dans la méthode traditionnelle de collecte des données au moyen de collecteurs hors ligne utilisés par les inspecteurs sur leurs itinéraires, chaque entreprise dispose d’une ou de quelques unités de ces appareils. 

En revanche, dans le cas de la surveillance sans fil, avec des capteurs fixés sur les machines, il est courant que les industries disposent de centaines ou de milliers de capteurs de ce type, puisque chacun d’entre eux est chargé de surveiller un point spécifique d’un actif. 

Changements dans le processus d’étalonnage

Le processus d’étalonnage des systèmes d’acquisition de signaux est un élément vital pour La robustesse des données recueillies, car il garantit la précision du système de mesure dans son ensemble.  

Ce processus d’étalonnage est facilité dans les systèmes de surveillance manuels traditionnels, car il y a peu de dispositifs à étalonner, alors que dans les systèmes de surveillance automatisés, avec des milliers de capteurs installés de manière fixe sur des machines industrielles, ce processus devient irréalisable. 

Dans le cas des collecteurs hors ligne de la méthode traditionnelle, l’étalonnage doit prendre en compte le capteur (en général, piézoélectrique et analogique), les câbles, les connexions (le cas échéant) et le collecteur, car l’étalonnage du seul capteur assure des données de collecte plus fiables, mais ne garantit pas la non-contamination du bruit dans les collectes et, par conséquent, la mesure dans son ensemble. 

D’autre part, l’étalonnage des systèmes de surveillance automatisés sans fil ne prend en compte que le capteur individuellement et présente donc moins d’incertitudes associées aux mesures. 

Dans ce texte, nous donnerons plus de détails sur le fonctionnement du processus d’étalonnage des DynaLoggers (capteurs sans fil pour la collecte des vibrations et de la température développés par Dynamox).

Toutefois, avant cela, il convient de mieux comprendre comment fonctionne le processus d’étalonnage des systèmes traditionnels (collecteurs hors ligne). 

Étalonnage des systèmes conventionnels (collecteurs hors ligne) 

Le processus de vérification des systèmes conventionnels est axé sur l’étalonnage du capteur (accéléromètre), qui est régi par la norme ISO 16063, en mettant l’accent sur les éléments suivants : 

• 16063 – Partie 11 : Étalonnage des vibrations primaires par interférométrie laser 

• 16063 – Partie 13. Étalonnage des chocs primaires par interférométrie laser 

• 16063 – Partie 21 : étalonnage des vibrations par la méthode de comparaison. 

• 16063 – Partie 22. Étalonnage par chocs par la méthode de comparaison 

Ces normes standardisent l’étalonnage basé sur l’obtention de la sensibilité et de la réponse en fréquence du capteur.

Dans la terminologie technique, un accéléromètre est un transducteur, ce qui signifie qu’il transpose l’énergie mécanique (vibration) en énergie électrique (charge électrique), la sensibilité pouvant être comprise comme le rapport de cette transduction.

Ainsi, cette approche suppose que le capteur a une sortie analogique par nature, comme le montre la figure 1.

L’accéléromètre de référence (calibré et de haute précision) et l’accéléromètre non calibré sont exposés à un signal de vibration prédéfini généré par l’excitateur (shaker).

En utilisant le convertisseur analogique-numérique, le signal de tension électrique généré par les deux accéléromètres est capturé.

La sensibilité (Ss) met en relation la tension (V) générée par le capteur avec la valeur de l’accélération (Ar) à laquelle il a été exposé (mesurée par l’accéléromètre de référence), obtenant ainsi une sensibilité avec l’équation ci-dessous:

Lorsqu’on établit un parallèle entre l’étalonnage des systèmes traditionnels et le contexte de l’application Dynaloggers, deux questions doivent être prises en compte: 

1. Comme les capteurs sont installés de manière fixe dans les machines qu’ils surveillent, il serait nécessaire de les retirer de l’endroit où ils sont installés. Cela signifie qu’il faut arrêter le fonctionnement du bien pour retirer le(s) dispositif(s), puis appliquer la procédure d’étalonnage. Ce point devient encore plus irréalisable si l’on considère le nombre de capteurs dont disposent plusieurs de nos clients. 
2. La méthode d’étalonnage proposée par la norme ne peut pas être appliquée aux accéléromètres utilisés dans les Dynaloggers, car ceux-ci comportent des capteurs à sortie numérique (voir Figure 1). Contrairement aux accéléromètres traditionnels, dont la sensibilité est calculée en unités de volt par gravité (V/g) ou de volt par seconde au carré (V/m/s²), les accéléromètres utilisés dans les DynaLoggers ont des unités de bits moins significatifs par unité d’accélération (LSB/g ou LSB/m/s²).  

Actuellement, il n’existe pas de processus standard pour étalonner les capteurs d’accélération à sortie numérique. Afin de mieux comprendre les particularités de ce type de capteur, nous allons détailler ci-après le fonctionnement de ces accéléromètres numériques. 

Accéléromètres numériques MEMS 

Les DynaLoggers sont équipés d’accéléromètres MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) fabriqués en silicium avec une technologie de micro-usinage et sont des modèles déjà consolidés sur le marché, commercialisés depuis mi 2015.

Les capteurs MEMS ont des structures mécaniques, qui peuvent être décrites comme un système masse-ressort, où le ressort se déforme en générant une variation de capacité qui, à son tour, génère un signal de tension électrique proportionnel à l’accélération.

La grande différence avec les capteurs classiques est que le conditionneur de signal et le convertisseur analogique-numérique sont intégrés dans le circuit de l’accéléromètre.

Dans ce conditionnement du signal sont appliqués des filtres et des traitements qui assurent la réponse en fréquence de l’accéléromètre. 

Outre la miniaturisation du capteur de vibrations, la technologie MEMS présente une grande fiabilité par rapport aux chutes et aux impacts sur le capteur.

Certaines études montrent que le mécanisme de défaillance le plus courant dans les accéléromètres MEMS est dû à la fatigue, ce qui signifie que la dégradation du dispositif est plus souvent due à des problèmes d’utilisation du capteur. 

La recherche [1] montre également que le temps moyen de défaillance (MTTF) dû à la fatigue des éléments mécaniques d’un accéléromètre MEMS est d’environ 1,9×1081 s (dans le pire des cas) [4], ce qui indique que les capteurs MEMS ont une grande résistance à la fatigue mécanique. 

Même dans des conditions de dégradation accélérée (à des températures, fréquences et amplitudes élevées), le taux de défaillance estimé est peu compromis [2]. 

Par conséquent, sur la base de ces études de robustesse, il est prévu qu’avec une durée de vie estimée entre 3 et 5 ans, un DynaLogger ne subira pas de changements dans sa réponse au cours de cette période. 

Mais comment fonctionne alors l’étalonnage des DynaLoggers? 

Tous les capteurs présents dans les DynaLoggers, que ce soit l’accéléromètre ou le capteur de température, sont étalonnés par leurs fabricants respectifs.

Les fabricants des accéléromètres MEMS utilisés dans les DynaLoggers corrigent le gain et la sensibilité de chaque accéléromètre avec des routines de compensation stockées dans la mémoire interne du capteur.

Chaque fois que l’appareil est déclenché, les valeurs de compensation sont chargées, ce qui rend inutile tout étalonnage ultérieur. 

En outre, les capteurs subissent des contrôles dans le cadre de notre processus de qualité rigoureux, pour lequel Dynamox est certifié ISO 9001. Les capteurs sont testés en deux étapes au cours du processus de production.  

La première procédure de test consiste à vérifier la réponse en fréquence de l’accéléromètre et l’affirmation de la sensibilité numérique.

Dans cette procédure, également appelée back-to-back, nous utilisons un accéléromètre plus sensible et calibré ainsi qu’un dispositif qui génère des signaux de vibration pour exposer le DynaLogger à un signal connu.

Par comparaison, les valeurs mesurées par le DynaLogger et les valeurs mesurées par l’accéléromètre calibré sont évaluées afin de déterminer l’erreur et les incertitudes de la collecte. Ce processus est effectué sur la base d’un échantillon avant la production de chaque lot de DynaLoggers.  

 La deuxième procédure vise à s’assurer que le processus d’assemblage du DynaLogger n’interfère pas dans la réponse de l’accéléromètre.

Ainsi, à l’aide d’un banc spécifique, plusieurs DynaLoggers sont exposés à un signal de vibration connu qui peut exciter jusqu’à 20 DynaLoggers et leurs trois axes simultanément.

Ce processus est effectué quotidiennement par lots au cours du processus de production.   

En plus de ces étapes d’étalonnage, les tests de qualité se poursuivent.

Les DynaLoggers sont installés pour surveiller un bien et le système qui gère les capteurs de température et de vibration dans les DynaLoggers effectue des contrôles des données mesurées.

Chaque fois que le système détecte que des données incohérentes ont été acquises, les données sont rejetées, ce qui évite que de fausses valeurs soient présentées aux analystes.  

La réaction des DynaLoggers après une longue période d’utilisation 

Afin de vérifier les conditions de fonctionnement des DynaLoggers en opération, nous avons utilisé comme exemple deux DynaLoggers qui ont été installés dans une machine de nos clients.  

Pendant la production des appareils, c’est-à-dire avant l’installation sur le terrain, un échantillon du lot a été mesuré pour un contrôle de qualité, et les résultats ont été enregistrés dans la base de données Dynamox.

Avec ces DynaLoggers, illustrés dans les photos ci-dessous, des comparaisons back to back ont été effectuées avec un accéléromètre de référence calibré, et la fonction de réponse en fréquence des DynaLoggers a été estimée.

La figure ci-dessous montre la comparaison de la réponse de ces DynaLoggers avant et après l’installation et le fonctionnement sur le terrain. 

Comme on peut le voir sur le graphique, bien que le DynaLogger ait été clairement installé dans un environnement très agressif, voir la présence de fissures, de marques de contact avec des produits chimiques et d’une légère oxydation, on peut voir que la réponse en fréquence de ce DynaLogger n’a pas changé de manière significative, ce qui prouve la robustesse et l’assurance de la méthode de calibration et de test adoptée. 

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