Pourquoi les balances ordinaires échouent sur un navire en mouvement

Une balance ne mesure pas directement la masse. Son capteur de pesage mesure la force exercée par la charge, et l'indicateur convertit cette force en kilogrammes à l'aide de la valeur de gravité supposée lors de l'étalonnage. À terre, cette hypothèse tient. Sur un navire, le pont lui-même accélère vers le haut et vers le bas, s'incline et vibre, de sorte que la force sur le capteur de pesage change continuellement alors que la masse reste exactement la même. Cet article explique la physique en termes simples, chiffre chaque effet et montre pourquoi attendre ou faire une moyenne ne suffit presque jamais.

Une balance mesure une force, pas une masse

Une balance électronique ordinaire n'affiche la masse correcte que lorsque la plateforme est immobile et de niveau. Le capteur de pesage est un capteur à jauge de contrainte qui se déforme proportionnellement à la force verticale qu'il subit. Lorsque la balance est immobile, cette force est simplement le poids de la charge, et l'indicateur le convertit en kilogrammes à l'aide de la valeur de gravité réglée lors de l'étalonnage.

Lorsque la plateforme accélère vers le haut, la charge doit elle aussi être accélérée, et elle appuie donc sur le capteur de pesage plus fort que son propre poids. Lorsque la plateforme accélère vers le bas, elle appuie moins. C'est le même effet que l'on ressent dans un ascenseur : plus lourd quand il accélère vers le haut, plus léger quand il accélère vers le bas. HyperPhysics décrit la force de support dans un ascenseur comme le poids plus la force supplémentaire nécessaire pour accélérer la masse. Une balance ordinaire ne peut pas distinguer un poisson plus lourd d'un pont qui accélère vers le haut. L'erreur relative est égale à l'accélération du pont exprimée en proportion de la gravité normale, soit environ 9,8 m/s² : une accélération de 0,98 m/s² produit une erreur de 10 %.

Comment un navire se déplace : pilonnement, tangage et roulis

Un navire dans les vagues se déplace selon six degrés de liberté, et trois d'entre eux créent une accélération verticale au niveau de la balance. Le manuel Offshore Hydromechanics de l'Université technique de Delft les définit par rapport au centre de gravité du navire :

• Pilonnement (heave) : translation selon l'axe vertical, toute la coque qui monte et descend.
• Tangage (pitch) : rotation autour de l'axe transversal, la proue et la poupe se déplaçant en sens opposés.
• Roulis (roll) : rotation autour de l'axe longitudinal, bâbord et tribord montant et descendant tour à tour.

L'embardée (surge), l'oscillation transversale (sway) et le lacet (yaw) sont principalement horizontaux. Le même manuel montre que le mouvement vertical en tout point du navire se compose du pilonnement plus les contributions du tangage et du roulis, et ces contributions rotationnelles augmentent avec la distance au centre de rotation. Une balance montée loin à l'avant ou en hauteur sur un pont de travail subit donc davantage d'accélération verticale qu'une balance proche du centre de mouvement du navire.

Le mouvement induit par les vagues est approximativement périodique, et son accélération de crête dépend fortement de la rapidité avec laquelle le mouvement se répète. Doubler l'amplitude verticale double l'accélération, mais diviser la période par deux à amplitude égale la multiplie par quatre. Une mer courte et raide est donc plus perturbatrice qu'une longue houle de même hauteur. À titre de repère, l'exemple de prévision des vagues du manuel de Delft donne une hauteur de vague significative de 1,5 m avec une période moyenne de 4,8 s pour un vent de 10 m/s (Beaufort 5) sur un fetch de 60 km.

Exemple chiffré : quelle est l'ampleur de l'erreur ?

L'erreur sur une balance non compensée atteint souvent plusieurs pour cent et peut dépasser 10 % par mer modérée. Les exemples ci-dessous montrent l'accélération de crête pour un mouvement régulier de l'amplitude et de la période indiquées, et son effet sur une charge de 10,000 kg. Ce sont des cas idéalisés à mouvement unique donnés à titre d'illustration, et non des mesures sur un navire particulier.

Scénario	Amplitude verticale au niveau de la balance	Période	Accélération de crête	Erreur	Lecture d'une charge de 10,000 kg entre
Pilonnement léger	0,25 m	6 s	0,27 m/s²	±2,8 %	9,72 et 10,28 kg
Pilonnement modéré	0,5 m	6 s	0,55 m/s²	±5,6 %	9,44 et 10,56 kg
Mer courte et raide	1,0 m	5 s	1,58 m/s²	±16,1 %	8,39 et 11,61 kg
Tangage 2°, balance à 20 m de l'axe de tangage	0,70 m	6 s	0,77 m/s²	±7,8 %	9,22 et 10,78 kg
Roulis 5°, balance à 5 m de l'axe longitudinal	0,44 m	8 s	0,27 m/s²	±2,7 %	9,73 et 10,27 kg

Pour replacer le cas du pilonnement modéré dans son contexte : sur une balance de 15 kg avec un échelon de 5 g, une variation de ±559 g représente plus de ±110 échelons. L'affichage ne vacille pas de quelques grammes ; il parcourt des centaines de grammes toutes les quelques secondes. Ces niveaux ne sont pas extrêmes. Les critères d'opérabilité cités dans le manuel de Delft (NORDFORSK, 1987) fixent la limite pour un travail manuel lourd à une accélération verticale RMS d'environ 1,5 m/s², donc les équipages travaillent couramment dans des conditions où une balance non compensée est inutilisable.

Vibrations : petits déplacements, grandes accélérations

Les vibrations des moteurs et des machines ajoutent une seconde perturbation, à haute fréquence, au mouvement des vagues. L'accélération augmente avec le carré de la fréquence, de sorte que de minuscules déplacements peuvent produire de grandes accélérations. Un pont vibrant avec une amplitude de seulement 0,05 mm à 25 Hz (une machine tournant à 1 500 tr/min) a une accélération de crête d'environ 1,23 m/s², soit 12,6 % de la gravité normale.

L'avantage est que les vibrations sont rapides. Une balance peut supprimer une perturbation à 25 Hz en une fraction de seconde, tandis que le mouvement des vagues, avec une période de 5 à 10 secondes, se situe à la même échelle de temps que la pesée elle-même et ne peut pas simplement être lissé sans rendre la balance très lente. Les vibrations restent néanmoins importantes de trois façons :

• Elles peuvent exciter une résonance dans un support de montage flexible, transformant une petite perturbation en une grande.
• Elles ajoutent du bruit qui allonge le temps nécessaire pour obtenir une lecture stable.
• Au fil des mois, elles desserrent les fixations et fatiguent câbles et connecteurs.

L'emplacement et la rigidité du montage sont traités dans Installer une balance marine sur le pont ou dans la cale à poisson.

Erreur d'inclinaison

Lorsque la plateforme s'incline, un capteur de pesage ne mesure que la part du poids qui agit selon son propre axe, si bien que la balance sous-évalue la lecture. L'erreur est infime aux petits angles et augmente rapidement au-delà de quelques degrés : environ 0,015 % à 1°, 0,4 % à 5° et 3,4 % à 15°.

Angle d'inclinaison	Sous-évaluation	Erreur sur une charge de 20 kg
1°	0,015 %	3 g
2°	0,061 %	12 g
3°	0,137 %	27 g
5°	0,381 %	76 g
10°	1,52 %	304 g
15°	3,41 %	682 g

L'inclinaison introduit aussi des charges latérales. Un capteur de pesage donne son résultat le plus fiable pour des forces selon son axe de mesure, tandis que les forces horizontales l'étirent, le tordent et le déforment. La métrologie légale en tient compte : l'OIML R 76-1 exige des essais d'inclinaison pour les instruments susceptibles d'être inclinés, et la section du Guide WELMEC 2 sur les instruments de pesage installés à bord des navires impose des essais d'inclinaison jusqu'à 25 % (15°), sauf si l'affichage est masqué à un angle plus faible.

Pourquoi attendre ou faire une moyenne ne suffit pas

Faire une moyenne réduit le bruit aléatoire, mais le mouvement des vagues n'est pas un bruit aléatoire à l'échelle de temps d'une pesée. Une moyenne n'annule proprement une perturbation périodique que lorsqu'elle couvre des périodes de vague entières. Avec des périodes de 5 à 10 secondes, cela signifie 10 à 30 secondes par lecture pour faire la moyenne sur plusieurs cycles, et la hauteur des groupes de vagues varie, si bien que la moyenne continue de dériver.

D'autres problèmes se posent :

• Les opérateurs n'attendent pas. Sur une ligne de traitement, une lecture qui prend 20 secondes est abandonnée, et l'opérateur ajoute du produit supplémentaire « par sécurité », ce qui devient du surpoids offert.
• Un détecteur de stabilité basique sur une balance ordinaire peut ne jamais déclarer la lecture stable, ou se verrouiller sur une lecture momentanée au sommet ou au creux d'une vague.
• L'erreur d'inclinaison ne s'annule pas par la moyenne. Elle sous-évalue toujours, ce qui biaise la moyenne au lieu de s'annuler.

C'est pourquoi les balances marines corrigent le mouvement lui-même plutôt que de s'appuyer uniquement sur une moyenne. Ce qu'apporte une bonne compensation, et comment un acheteur peut l'évaluer, est expliqué dans Compensation de mouvement dans les balances marines : ce qu'elle apporte et comment l'évaluer.

Gravité, température et humidité

Le mouvement est le problème dominant, mais trois effets plus lents modifient aussi la lecture sur un navire.

• Gravité. L'accélération gravitationnelle au niveau de la mer varie d'environ 0,5 % entre l'équateur et les pôles. Une balance réglée au port à une certaine latitude et utilisée sur des zones de pêche loin au nord ou au sud affiche une lecture différente. Voir Gravité, latitude et pourquoi les balances marines ont besoin d'une compensation de gravité.
• Température. Le zéro et la portée du capteur de pesage dérivent avec la température. Déplacer une balance entre une cale à poisson réfrigérée et un pont ensoleillé constitue un véritable écart de température.
• Humidité et accumulation. L'eau, la glace, le mucus et les écailles qui s'accumulent sur la plateforme décalent le zéro, et un zéro qui dérive vers le haut ressemble exactement à du produit supplémentaire.

L'approche de WPL

WPL construit des balances spécifiquement pour ces conditions. La balance de table série M2 et la balance scientifique série M3 sont à compensation de mouvement ; la balance plateforme série M5 compense le mouvement, l'inclinaison et les variations de gravité. Le comportement de stabilité peut être ajusté par installation avec le panneau de configuration R10, qui expose des réglages tels que le filtrage marin, le nombre de stabilité et la vitesse d'affichage. Pour la vue d'ensemble, commencez par le guide Peser en mer.