L’étalonnage des balances - Comment étalonner les instruments de pesage?

De Heikki Laurila 27/08/19 13:44
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L’étalonnage des balances - Comment étalonner les instruments de pesage?

Balances, instruments de pesage, bascules, en fonction des sources, la terminologie varie. Dans cet article, on utilisera principalement le terme « instrument de pesage » qui est le plus global.

Les instruments de pesage sont largement répandus dans l’industrie pour réaliser des mesures diverses et variées. Ils vont des balances de précision, utilisées en laboratoire pour mesurer quelques grammes, aux ponts-bascules permettant de mesurer plusieurs tonnes (pour la pesée de camions, par exemple). Les instruments de pesage sont présents partout dans notre quotidien : comment pourrait-on peser nos légumes au supermarché autrement ?

Comme tout instrument de mesure, les instruments de pesage doivent être contrôlés à intervalles réguliers pour s’assurer que leurs mesures restent fiables et correctes.

La seule et unique méthode pour s’assurer de l’exactitude d’un instrument de pesage consiste à réaliser un étalonnage métrologique traçable correct.

De nombreux instruments de pesage sont utilisés dans un cadre légal ou servent de base à des transferts monétaires, ils font donc partie d’un programme de vérification encadré par la législation en vigueur. La plupart des étalonnages d’instruments de pesage sont encadrés par des systèmes de gestion de la qualité génériques (comme l’ISO 9000), ou en fonction de leur application, spécifiques à la santé, la sécurité aérienne et maritime ou encore les sciences médico-légales. Il existe cependant des normes dédiées aux instruments de pesage et à leur étalonnage comme l’EURAMET Calibration Guide ou le NIST Handbook 44, ainsi que les recommandations de l’OIML. Nous reviendrons sur ce sujet plus loin.

Cet article se concentre principalement sur les considérations pratiques et les différents essais à réaliser pour étalonner correctement vos instruments de pesage.

L’étalonnage des instruments de pesage

Commençons par nous intéresser aux préparatifs avant de procéder à un étalonnage et aux différents essais à réaliser.

L’étalonnage des balances - procéder à un étalonnage et aux différents essais à réaliser

1. Préparatifs avant l’étalonnage

Avant de commencer à étalonner un instrument de pesage, il faut bien se préparer en amont et clarifier plusieurs
points. Ainsi, il faut vérifier les caractéristiques techniques de l’instrument de pesage (portée maximale, échelon réel d), les exigences d’exactitude (l’erreur maximale tolérée et l’incertitude) ainsi que la procédure en cas de vérification non conforme (ajustages).

En règle générale, l’étalonnage a lieu dans le local habituel d’utilisation de l’instrument et on étalonne la totalité de son étendue de mesure. Avant toute chose, assurez-vous de disposer de tous les poids nécessaires à la réalisation de l’étalonnage. Les instruments de pesage doivent être allumés au moins 30 minutes avant le début de l’étalonnage. La température des poids doit être stabilisée à la température ambiante du local. Les instruments de pesage doivent être placés sur une surface horizontale, en particulier pour les plus petits et précis d’entre eux.

Réalisez quelques essais préliminaires en utilisant des poids approchant des limites d’utilisation de l’instrument pour vous assurer que ce dernier fonctionne correctement. Si la vérification de l’instrument de pesage s’avère être non conforme et qu’il nécessite un ajustage, vous devrez réaliser un étalonnage « avant » (as found) et un étalonnage « après » (as left) l’ajustage.

Maintenant que les préparatifs sont terminés, passons aux essais proprement dits.

2. Essai d’excentration

Lors des mesures de routine, la charge à peser est rarement placée parfaitement au centre de la cellule de pesée de I ’instrument de pesage. Or il s’avère que les résultats de mesure obtenus peuvent parfois varier légèrement en fonction de l’emplacement de la charge sur le plateau de pesée. L’essai d’excentration consiste donc à évaluer l’inf luence que l’emplacement de la charge sur le plateau aura sur le résultat de la mesure.

Lors de cet essai, la charge de référence est placée à différents endroits préalablement déterminés de la cellule de pesée. Tout d’abord, on place la charge (techniquement le centre de gravité de la charge) au centre de la cellule de pesée avant de relever l’indication de mesure. Ensuite, la charge est placée à quatre autres endroits de la cellule de pesée, comme indiqué sur l’illustration.

L’image ci-dessous correspond à des cellules de pesée rectangulaires et rondes, bien que dans les faits, il existe des formes variées.

L’étalonnage des balances

Les normes OIML R76 et EN 45501 donnent des instructions supplémentaires pour d’autres formes de cellules de pesée.

La procédure d’étalonnage doit spécifier les différents emplacements de la charge pendant l’essai et les résultats d’étalonnage (sous la forme d’un certificat) doivent aussi les mentionner. Attention, la charge utilisée lors d’un essai d’excentration doit correspondre à au moins un tiers de la portée maximale de l’instrument de pesage.

Idéalement, cet essai doit être réalisé en utilisant un seul et unique poids. Cela permet de s’assurer que le centre de gravité de la charge se trouve bien à l’emplacement spécifié. Dans le cas d’un instrument de pesage à étendues multiples, l’essai d’excentration doit être réalisé sur l’étendue ayant la portée maximale la plus élevée.

Comme l’essai d’excentration consiste à déterminer la différence de mesure induite par l’emplacement de la charge, il n’est pas nécessaire d’utiliser un poids étalon. Cependant, il va sans dire qu’il faut utiliser le même poids tout au long de l’essai.

C’est seulement dans le cas où l’essai d’excentration est aussi utilisé pour déterminer les erreurs d’indication qu’il faut utiliser un poids étalon.

Procédure pour réaliser l’essai d’excentration

Remettez l’indication à zéro avant le début de l’essai. Déposez ensuite le poids à l’emplacement 1 et relevez l’indication. Puis, déposez le poids à l’emplacement 2, relevez l’indication et ainsi de suite jusqu’à l’emplacement 5. Enfin, redéposez le poids à l’emplacement 1 pour vérifier que l’indication n’a pas dérivé depuis la première mesure.

N’hésitez pas à vérifier le zéro entre chaque mesure pour vous assurer qu’il n’a pas changé. Si nécessaire, vous pouvez remettre l’instrument à zéro entre chaque mesure.

Sinon, vous pouvez aussi tarer l’instrument quand la charge est placée à l’emplacement 1 pour mieux distinguer toute variation de mesure aux autres emplacements.

3. Essai de répétabilité

Comme tout instrument de mesure, les instruments de pesage peuvent présenter des problèmes de répétabilité. Parfois aussi appelée fidélité, il s’agit de la capacité d’un instrument à obtenir exactement le même résultat quand on mesure la même charge plusieurs fois de suite. Pour la vérifier, on réalise un essai de répétabilité (ou essai de fidélité).

L’essai de répétabilité consiste à placer la même charge plusieurs fois de suite exactement au même endroit de la cellule de pesage (pour éviter toute erreur due à l’excentration) et à relever la mesure à chaque fois. Les conditions de réalisation doivent être identiques et constantes, y compris en ce qui concerne la manipulation du poids.

On conseille d’utiliser un poids le plus proche possible de la portée maximale de l’instrument. On utilise habituellement une seule charge pour réaliser les essais de répétabilité, mais on peut tout à fait les réaliser séparément avec plusieurs charges différentes.

La charge n’a pas besoin d’être un poids étalon, car le seul objectif est de mesurer la répétabilité de l’instrument. Idéalement, on utilise un seul et unique poids et non plusieurs petits. Pour être valable, un essai de répétabilité doit normalement comporter au moins 5 mesures consécutives. Pour les instruments présentant une portée maximale importante (supérieure à 100 kg), les mesures doivent être répétées au moins 3 fois.

La première étape de cet essai consiste à mettre l’instrument à zéro, puis à placer le poids sur la cellule de pesée et à relever l’indication une fois cette dernière stabilisée. On retire ensuite le poids, on vérifie l’indication du zéro et on remet à zéro si nécessaire. Le poids est ensuite placé une seconde fois et ainsi de suite.

Si l’instrument présente des étendues multiples, c’est souvent suffisant d’utiliser un poids s’approchant de la portée maximale (sans la dépasser) de l’étendue la plus faible.

4. Essai de pesage

Le but de l’essai de pesage est de vérifier la précision de l’instrument de pesage sur toute son étendue de mesure. Pour cela, on effectuera plusieurs étapes où on augmentera puis on diminuera la charge d’essai. La procédure habituelle est la suivante : Commencez par mettre à zéro l’instrument sans aucune charge dessus. Placez la charge d’essai au premier point d’essai, attendez la stabilisation et relevez l’indication. Continuez à augmenter la charge d’essai point par point. Une fois la charge maximale relevée, repartez en sens inverse en diminuant la
charge d’essai pour les points suivants.

Dans certains cas, l’instrument de pesage peut être étalonné seulement en augmentant ou en diminuant la charge d’essai. En règle générale, on utilisera entre 5 et 10 charges d’essai différentes (une par point de mesure). La charge d’essai la plus élevée doit être la plus proche possible de la portée maximale de l’instrument. Quant à la charge d’essai la plus faible, on utilisera soit le plus petit poids utilisé habituellement ou un poids correspondant à 10 % de la portée maximale de l’instrument. En règle générale, on sélectionne les points d’essai pour qu’ils soient répartis équitablement sur toute l’étendue de mesure. On peut rajouter des points d’essai dans l’étendue de mesure utilisée habituellement avec cet instrument.

Dans le cas d’un instrument à étendues multiples, chaque plage doit être étalonnée séparément.

Linéarité

Lors d’un essai de pesage, l’utilisation de multiples points sur toute l’étendue de mesure de l’instrument permet de révéler tout problème de linéarité. En effet, si l’instrument ne mesure pas aussi précisément sur toute son étendue de mesure, il présente des problèmes de linéarité. Même si le zéro et la portée maximale sont corrects, il arrive qu’il y ait des erreurs en plein milieu des plages : c’est ce qu’on appelle des erreurs de linéarité ou non-linéarité.

La figure ci-dessous illustre le concept de non-linéarité. Bien que le zéro et la portée maximale soient ajustés correctement, on voit une erreur en milieu de plage en raison de la nonlinéarité de l’instrument :

L’étalonnage des balances, non-linéarité

Hystérésis

L’hystérésis est la différence d’indication en fonction qu’on approche un point d’essai en augmentant ou en diminuant la charge d’essai. Ainsi, pour évaluer si l’instrument présente des problèmes d’hystérésis, vous devez l’étalonner en augmentant et en diminuant les charges.

Lors d’un essai de pesage, lorsqu’on diminue et augmente les charges, c’est important de trouver un équilibre entre « trop » et « pas assez ». Cela signifie que quand vous augmentez la charge d’essai, vous devez vous approcher de chaque point d’essai en augmentant les poids petit à petit. Vous ne devez surtout pas rajouter trop de poids et ensuite les retirer, car dans ce cas vous perdrez les informations d’hystérésis.

À l’inverse, quand vous diminuez la charge d’essai, assurezvous de toujours approcher chaque point en ôtant des poids et sans en remettre. À l’évidence, pour y arriver il faudra bien planifier les poids qu’on utilisera. La figure ci-dessous illustre le concept d’hystérésis. Lors de l’étalonnage d’instruments, les résultats varient si on approche un point d’essai en augmentant ou en diminuant la charge :

L’étalonnage des balances - le concept d’hystérésis

5. Essai de pesée minimale

L’essai de pesée minimale n’est pas toujours requis. Cependant, il est obligatoire dans certaines industries, comme l’industrie pharmaceutique par exemple.

L’essai de pesée minimale consiste à déterminer la plus petite charge mesurable de manière fiable et conforme aux exigences d’exactitude. Plus la valeur mesurée diminue, plus l’erreur relative de l’indication augmente. N’utilisez jamais un instrument de pesage pour mesurer des charges inférieures à sa portée minimale.

Les deux principales normes en vigueur ont une approche différente en ce qui concerne l’essai de pesée minimale. Intéressons-nous de plus près à leur contenu.

US Pharmacopeia (Chapitre 41) : Les dernières mises à jour de la norme ne font plus référence à un essai de pesée minimale. Ce dernier a été remplacé par un essai consistant à déterminer la zone de fonctionnement minimale de l’instrument : le point minimal est celui auquel la répétabilité de l’instrument (2 écarts types) correspond à 0,10 % du relevé.

Dans les faits, il se peut que l’écart type soit extrêmement faible. Cependant, la pesée minimale ne devrait jamais être inférieure à 820 fois l’échelon réel (d).

EURAMET Calibration Guide 18 (Appendix G) : ceguide stipule qu’il faut calculer l’incertitude de mesure
pour chaque point d’étalonnage et que la pesée minimale correspond au point auquel l’incertitude est suffisamment faible pour être conforme aux exigences d’exactitude del’instrument.

En plus des exigences standard ci-dessus, dans l’industrie pharmaceutique, il faut réaliser un essai séparé de pesée minimale lors duquel une petite charge d’essai est mesurée à plusieurs reprises pour déterminer la précision de l’instrument pour une faible charge.

6. Autres tests

Bien que d’autres tests soient spécifiés dans les normes, ces derniers ne sont généralement pas réalisés lors d’un étalonnage classique. Toutefois, ils peuvent être fait pour approbation ou lors de la mise en service.
Exemple de tests (mentionnés en Anglais pour rester fidèle):
• Tare test
• Discrimination test
• Variation of indication over time
• Test of magnetic interaction

Autres sujets abordés dans ce livre blanc

Ce post a été synthétisé afin d’éviter d’être trop long. Veuillez télécharger le livre blanc pour en savoir plus. Le livre blanc aborde les sujets suivants :

Poids

• Manipulation des poids
• Masse nominale / masse conventionnelle
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• La pesanteur
• Poussée de l’air
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Certificat d’étalonnage

• Quelles informations doit contenir un certificat d’étalonnage


Incertitude de mesure

• Qu’est-ce qui peut apporter une source d’incertitude pour les balances



Classes d’instruments de mesure, classe de tolérance, erreur maximale tolérée

Pour télécharger le livre blanc, cliquez sur l’image ci-dessous

L’étalonnage des balances - Comment étalonner les instruments de pesage?

Original post publish: 16 May 2017

Original post: Weighing scale calibration - How to calibrate weighing instruments

 

Heikki Laurila

Ecrit par Heikki Laurila

Heikki Laurila is Product Marketing Manager at Beamex Oy Ab. He started working for Beamex in 1988 and has, during his years at Beamex, worked in production, the service department, the calibration laboratory, as quality manager and as product manager. Heikki has a Bachelor’s degree in Science. Heikki's family consists of himself, his wife and their four children. In his spare time he enjoys playing the guitar.

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