Codeur Rotatif ou Inclinomètre ?

De nombreuses industries et unités de fabrication ont besoin de réaliser des mesures de position angulaire sur une plage de 360°. Dans cet article, nous allons discuter / comparer les similitudes et les différences entre les codeurs rotatifs monotours et les inclinomètres, en fonction de l'application.

Les capteurs de rotation ont évolué au fil du temps, passant de simples codeurs incrémentaux à des codeurs absolus multitours plus complexes et plus précis. La technologie a également considérablement changé. Différentes technologies sont désormais disponibles - optique, magnétique ou inductive - présentant quelques différences (minimes) dans la résolution et la précision de mesure.

Parallèlement, l'inclinomètre existe depuis des siècles et ses évolutions furent diverses et variées. Le principe d'un inclinomètre est de mesurer l'inclinaison d'une surface plane. La technologie a lentement évolué de la mécanique simple à base de bulles d'air et de pendules, à des potentiomètres modifiés, jusqu'à la mesure magnétique. Actuellement, les inclinomètres les plus avancés tels que les TILTIX de POSITAL effectuent leurs mesures grâce à la technologie de pointe dite "MEMS".

L'idée était répandue que les inclinomètres ne pouvaient pas mesurer un tour complet dans la gamme de 0 - 359,99° comme le font les codeurs monotour, mais les progrès de la technologie ont rendu cela possible et aujourd'hui, seulement quelques entreprises - dont POSITAL - fournissent des inclinomètres pouvant mesurer un tour complet. Ainsi, dans cet article, nous allons comparer nos inclinomètres et codeurs rotatifs et discuter de la possibilité d'utiliser les premiers en remplacement des seconds, dans certaines applications, selon leurs contraintes.

La détecion de la position de l'arbre est réalisée via une technologie en définitive assez simple. Un aimant permanent est attaché à l'arbre de l'appareil d'une part, un capteur à effet Hall 2-axes est monté sur le PCB du codeur d'autre part. Lorsque l'arbre et l'aimant tournent, le capteur à effet Hall mesure les variations du champ magnétique et fournit la mesure angulaire au système de contrôle. Comme les codeurs magnétiques IXARC sont étalonnés individuellement avant leur expédition, ils peuvent également fournir une précision plus élevée (environ un millième de degré) que celle typique des autres codeurs magnétiques.

Plus d'information sur les codeurs magnétiques

Les codeurs optiques sont constitués d'un arbre tournant sur lequel est fixé un disque codé, une source de lumière infrarouge et une unité de balayage optoélectronique. Le code-disque fait de plastique incassable, présente un schéma binaire unique pour chaque position angulaire (code Gray). La lumière infrarouge provenant de la LED est scindée en faisceaux qui passeront à traver le disque. Les récepteurs optiques de l'autre côté enregistrent l'état du signal. À chaque position angulaire correspond un unique état, permettant de définir la position exacte de l'arbre mécanique.

Plus d'information sur les codeurs optiques

Il s'agit d'une cellule Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) contenant un set d'électrodes intégrées à un circuit imprimé entièrement moulé. Le fonctionnement peut être rapporté à un modèle simplifié constitué de seulement deux électrodes : l'une fixe et l'autre mobile (connectée à des ressorts). Lorsque l'inclinomètre est en position horizontale, une capacité de référence est définie. Si le capteur est incliné, l'électrode mobile changera de position par rapport à l'électrode fixe. Ceci entraînera un changement de la capacité entre les deux électrodes mesurée par la cellule du capteur. Le changement de capacité est converti en mesure d'inclinaison.

Plus d'informations sur le fonctionnement des Inclinomètres MEMS

La compatibilité mécanique entre le capteur et le système auquel il doit être intégré représente toujours un critère primordial pour l'utilisateur (e.g. besoin ou non d'accessoires mécaniques externes, procédure de montage).

L'inclinomètre possède l'avantage d'être montable sur n'importe quelle surface via un montage 3 ou 4 points. Cela signifie que l'inclinomètre peut-être installé théoriquement n'importe où sans que cela n'influe sur la précision de la mesure. Les codeurs quant à eux, doivent être montés via une bride de couplage et leur axe doit être aligné à celui du système. Leur installation nécessite donc une certaine expertise.

À titre d'exemple, les machines de constructions possédant de longs et larges arbres, nécessitent la mise en place de courroies crantées, roulements à rouleaux et accouplements pour pouvoir intégrer un codeur. Parallèlement, les inclinomètres MEMS TILTIX ayant été précalibrés peuvent être directement intégrés n'importe où sur les parties mobiles et opérationnels dans la foulée.

Lorsque l'on doit choisir un capteur, le coût et la taille sont primordiaux dans le processus de réflexion. Les codeurs ont généralement un prix élevé car leur production est assez complexe et comporte un nombre conséquent de composants internes. De plus, les codeurs nécessitent des composants mécaniques supplémentaires pour l'installation, ce qui augmente considérablement leur prix. Les codeurs sont généralement montés en ligne sur l'arbre rotatif et à moins d'utiliser un codeur à arbre creux, cela augmente la taille du système.

Les inclinomètres TILTIX MEMS avec boîtier en plastique entièrement moulé sont parmi les produits les plus compact mais aussi parmi les moins chers. Cependant, il est intéressant de noter que les codeurs magnétiques IXARC sans ses composants externes comme les accouplements et les courroies dentées sont comparables en prix et en taille aux inclinomètres TILTIX. Ils ont presque le même volume et la seule différence est que l'installation de l'inclinomètre est souvent plus simple et occupe moins d'espace que les codeurs magnétiques.

Les codeurs possèdent de loin la meilleure résolution, précision et fiabilité sur 360​​°. On peut alors atteindre des résolutions allant jusqu'à 0,005° (16 bits) et une précision allant jusqu'à 0,01° grâce aux disques optiques hautement sophistiqués couplés à l'expertise acquise par POSITAL au cours de décennies de fabrication de codeurs IXARC.

L'inclinomètre TILTIX MEMS a une résolution relativement élevée de 0,01° et une précision de 0,1°, néanmoins moindre par rapport aux codeurs.

Pour ces raisons, les codeurs sont généralement préférés aux inclinomètres lorsque précision et résolution sont les critères principaux.

Les performances dynamiques d'un capteur sont primordiales lorsque les mesures doivent être rapides et précises. Fondamentalement, les codeurs fonctionnent mieux dynamiquement puisqu'ils peuvent détecter et mesurer la position à des vitesses de rotation très élevées. De plus, ils sont moins sensibles aux vibrations que d'autres produits et fonctionnent même lorsqu'ils sont soumis à de très fortes vibrations, en maintenant un temps de réponse relativement bon.

De son côté, l'inclinomètre TILTIX MEMS a un très bon temps de réponse mais ses performances dynamiques sont limitées en raison de l'amortissement physique des fréquences supérieures à 29Hz. Bien que l'inclinomètre TILTIX MEMS soit plus sensible aux vibrations que les codeurs, il présente une bonne résistance aux chocs et aux vibrations.

Plus il y a d'interfaces disponibles pour un produit, plus il est flexible au regard de l'application.

Les interfaces se différencient par leurs vitesses et modes de fonctionnement, la plupart du temps conçus pour des applications spécifiques. En mettant à disposition diverses interfaces de communication, on obtient un produit compatible avec une large gamme d'applications industrielles. Par conséquent, il est plus facile d'intégrer les codeurs ou inclinomètres au réseau déjà en place.

Les codeurs optiques IXARC présentent le nombre le plus élevé d'interfaces : Bit-Parallel, CANopen, DeviceNet, Profibus, Profinet IO + Ethernet/IP, Modbus, EtherCAT, Powerlink et Interbus. L'inclinomètre TILTIX MEMS était initialement limité à quelques segments industriels mais les avancées récentes dans le secteur de l'automatisation industrielle vont certainement augmenter la demande pour d'autres interfaces, à l'exclusion des interfaces analogiques, CANopen, SSI et DeviceNet déjà disponibles. Du fait de l'augmentation de la demande et du nombre d'utilisateurs voulant tester le potentiel des TILTIX MEMS, des développements de nouveaux interfaces sont d'ailleurs déjà en cours (Modbus).

Les codeurs magnétiques et optiques IXARC fournissent en sortie des informations de position, vitesse, accélération ainsi que certaines alarmes. L'inclinomètre, lui, ne peut donner que la valeur de la position. Bien qu'il soit possible d'ajouter de telles fonctions aux TILTIX MEMS, cela n'a pas de sens d'ajouter des fonctionnalités variant dans le temps, telle que l'accélération, du fait des contraintes liées aux performances dynamiques. Les paramètres de sortie gagnent en flexibilité grâce aux Boot Loaders intégrés aux codeurs optiques IXARC et les inclinomètres TILTIX MEMS. Les TILTIX peuvent être configurés à l'aide d'une simple interface RS232 et, en outre, les fonctions d'adaptation contextuelle analogique (Teach-In) pour le préréglage, la plage et la longueur du filtre seront bientôt disponibles pour les inclinomètres TILTIX MEMS et le sont déjà pour les codeurs analogiques magnétiques IXARC.

Caractéristiques des Interfaces

Les normes IP renseignent sur la protection de l'enceinte de l'appareil contre les contaminations extérieures. Ces normes IP ne sont atteignables que par l'utilisation de composants appropriés (connecteurs, accouplements, etc). Il existe des codeurs magnétiques IXARC résistants à l'eau, disponibles pour les applications submersibles, avec la classe de protection IP la plus élevée (IP69K).

Les inclinomètres sont comparativement un meilleur choix que les codeurs lorsque l'application nécessite une robustesse et une protection élevée. En effet, les inclinomètres TILTIX MEMS avec boîtier entièrement moulé peuvent atteindre des niveaux de protection jusqu'à IP69K. Dans le cas des codeurs, il est aussi possible d'atteindre IP69K mais pour un coût sensiblement plus important.

Classe de Protection IP

POSITAL met toujours l'accent sur la protection, la précision et la stabilité des mesures. Par conséquent, les inclinomètres et les codeurs possèdent des performances similaires pour ces aspects. Les deux respectent la norme EN 61000-6-4 relative aux émissions parasites et la EN 61000-6-2 relative à l'immunité au bruit.

Les codeurs optiques IXARC et les inclinomètres TILTIX MEMS peuvent supporter des chocs jusqu'à 200g et des vibrations jusqu'à 20g tandis que les codeurs magnétiques à toute épreuve IXARC peuvent supporter jusqu'à 300g de chocs et 30g de vibrations. Le disque codé en plastique des codeurs optiques conserve ses dimensions même lorsque la température varie. De même, les champs magnétiques sont résistants aux variations de température. Par conséquent, en ce qui concerne les applications à haute température, il est préférable d'utiliser des codeurs bien que les normes soient identiques. En termes de résistance aux chocs et aux vibrations, les codeurs et les inclinomètres peuvent résister à une exposition élevée, bien que pour les inclinomètres, il est préférable d'attendre le retour à un état stable pour effectuer la mesure. En effet, bien que les inclinomètres soient plus robustes, chaque vibration signifie une accélération qui va influer sur le résultat de la mesure. Parallèlement, un codeur monté correctement ne sera pas affecté par les vibrations, même pendant la mesure.

La complexité de la mesure dépend à la fois de la technologie utilisée, du traitement du signal et de la flexibilité de réalisation de différentes mesures.

Les codeurs optiques IXARC, bien que très complexes, ont été perfectionnés au fil des 50 ans d'expérience acquis par POSITAL. Ces codeurs intégrant disque optique et photorécepteurs, il est nécessaire de les manipuler soigneusement car toute contamination peut affecter la mesure. Leurs limites sont donc physiques et non logicielles. En effet la gamme IXARC optique présente quasiment tous les interfaces industrielles existants,rendant ces codeurs compatibles avec presque toutes les applications.

De leur côté, les codeurs magnétiques IXARC fonctionnent sur la base d'une technologie très simple impliquant très peu de pièces mécaniques. Par conséquent, comparativement, cela ne nécessite que très peu de maintenance.

Les inclinomètres TILTIX possèdent la technologie de loin la plus simple. Ils utilisent la technologie MEMS et disposent d'un ensemble d'électrodes capacitives. L'inclinomètre TILTIX MEMS est entièrement moulé et donc entièrement protégé des contaminations extérieures ce qui lui confère une durée de vie virtuellement infinie. D'un point de vue de la flexibilité, l'inclinomètre TILTIX est entièrement configurable à l'aide de Boot Loaders et d'une interface RS232. Une autre caractéristique primordiale est le traitement du signal. Les sorties de l'inclinomètre sont plus faciles à déchiffrer car elles ne sont pas codées. Généralement, les inclinomètres analogiques et les codeurs donnent des sorties directement proportionnelles à chaque position tandis que certains inclinomètres à bus de terrain délivrent directement la valeur de position. Mais dans le cas des codeurs (à l'exception des codeurs analogiques), une règle générale est que les codeurs émettent une valeur de position codée qui doit être déchiffrée par un PC ou système de contrôle. Le traitement est donc relativement complexifié.

La comparaison initiale concerne les plage de mesure des produits POSITAL. Une caractéristique importante à prendre en compte dans les inclinomètres TILTIX MEMS est sa capacité à être montée presque partout. Cette flexibilité supplémentaire est un avantage par rapport aux autres inclinomètres disponibles sur le marché et comme une solution alternative aux codeurs monotour dans certaines applications.

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