Capteurs de pression, quels sont les différents types ?

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Il existe un nombre infini de conceptions de transducteurs de pression disponibles pour être utilisés dans de nombreuses applications industrielles ou en laboratoire. Parmi celles-ci, on trouve notamment les transducteurs de pression industriels, les transducteurs de pression de liquide et les microtransducteurs de pression. Les transducteurs de pression peuvent se présenter sous différentes formes et tailles, mais la plupart d'entre eux ont un centre cylindrique qui abrite le diaphragme et la chambre de mesure de la pression, un orifice de pression à une extrémité qui est généralement fileté, boulonné, cannelé ou ouvert, et à l'autre extrémité un emplacement pour la transmission du signal. Les méthodes mécaniques de mesure de la pression sont connues depuis des siècles. Les manomètres à tube en U ont été parmi les premiers indicateurs de pression. À l'origine, ces tubes étaient en verre et des échelles y étaient ajoutées selon les besoins. Mais les manomètres sont volumineux, encombrants et peu adaptés à l'intégration dans des boucles de contrôle automatiques. C'est pourquoi on les trouve généralement dans les laboratoires ou comme indicateurs locaux. Selon la pression de référence utilisée, ils peuvent indiquer la pression absolue, la pression manométrique et la pression différentielle.

Pressure transducers can come in a number of shapes and sizes, but the majority of transducers have a cylinder-shaped center which houses the diaphragm and the measurement pressure chamber, a pressure port at one end which is typically a threaded, bolted, barbed fitted, or open, and on the other end a location for signal transmission.

Mechanical methods for pressure measurement have been known for centuries. U-tube manometers were among the first pressure indicators. Originally, these tubes were made of glass, and scales were added to them as needed. But manometers are large, cumbersome, and not well suited for integration into automatic control loops. Therefore, manometers are usually found in the laboratory or used as local indicators. Depending on the reference pressure used, they could indicate absolute, gauge, and differential pressure.

Les transducteurs de pression différentielle sont souvent utilisés dans la mesure de débit, où ils sont conçus pour mesurer la pression différentielle à travers un venturi, orifice ou tout autre type d'élément primaire. La différence de pression détectée est liée à la vitesse d'écoulement et donc au débit volumétrique. De nombreuses fonctionnalités des transmetteurs de pression modernes proviennent du transducteur de pression différentielle. En fait, on pourrait considérer le transmetteur de pression différentielle comme le modèle de tous les transducteurs de pression.

La pression « manométrique » est définie par rapport aux conditions atmosphériques. Dans les régions du monde qui continuent d'utiliser les unités anglaises, la pression manométrique est indiquée en ajoutant un « g » au descripteur des unités. Par conséquent, l'unité de pression « livres par pouce carré manométrique » est abrégée psig. Lors de l'utilisation des unités SI, il convient d'ajouter « manométrique » aux unités utilisées, par exemple « Pa manométrique ». Lors de la mesure de la pression, la référence est le vide complet et l'abréviation de « livres par pouce carré absolu » est psia.
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Souvent, les termes « manomètre », « capteur », « transducteur » et « transmetteur » sont utilisés de manière interchangeable. Le terme « manomètre » désigne généralement un indicateur autonome qui convertit la pression détectée dans le processus en un mouvement mécanique d'une aiguille. Un transducteur de pression peut combiner l'élément capteur d'un manomètre avec un Convertisseur mécanique-électrique ou mécanique-pneumatique et une alimentation électrique. Un transmetteur de pression est un ensemble standardisé de mesure de pression composé de trois éléments de base : un transducteur de pression, son alimentation électrique et un conditionneur/retransmetteur de signal qui convertit le signal du transducteur en une sortie standardisée.
Les transmetteurs de pression peuvent envoyer la mesure de pression souhaitée à l'aide d'un signal pneumatique analogique (3-15 psig), électronique analogique (4-20 mA cc) ou électronique numérique. Lorsque les transducteurs sont directement connectés à des systèmes d'acquisition de données numériques et situés à une certaine distance du matériel d'acquisition de données, il est préférable d'utiliser des signaux de sortie à tension élevée. Ces signaux doivent être protégés contre les interférences électromagnétiques et radiofréquences (EMI/RFI) lorsqu'ils parcourent de longues distances.
Les termes liés aux performances des transducteurs de pression doivent également être définis. La précision du transducteur fait référence au degré de conformité de la valeur de pression mesurée à une norme acceptée. Elle est généralement exprimée en pourcentage de la pleine échelle ou de la lecture réelle de l'instrument. Dans le cas des appareils à pourcentage de pleine échelle, l'erreur augmente à mesure que la valeur absolue de la mesure diminue. La répétabilité fait référence à la proximité entre plusieurs mesures de pression consécutives de la même variable. La linéarité est une mesure de la capacité du transducteur à augmenter de manière linéaire avec l'augmentation de la pression. L'erreur d'hystérésis décrit le phénomène selon lequel une même pression de processus entraîne des signaux de sortie différents selon que la pression est atteinte à partir d'une pression plus faible ou plus élevée.

De la mécanique à l'électronique

Les premiers manomètres utilisaient des éléments flexibles comme capteurs. Lorsque la pression changeait, l'élément flexible se déplaçait, et ce mouvement était utilisé pour faire tourner une aiguille devant un cadran. Dans ces capteurs de pression mécaniques, un tube Bourdon, un diaphragme ou un soufflet détectait la pression du processus et provoquait un mouvement correspondant.
Un tube Bourdon est en forme de C et a une section ovale, une extrémité du tube étant reliée à la pression du processus (Figure 3-1A). L'autre extrémité est scellée et connectée à l'aiguille ou au mécanisme du transmetteur. Pour augmenter leur sensibilité, les éléments du tube de Bourdon peuvent être étendus en spirales ou en bobines hélicoïdales (Schémas 3-1B et 3-1C). Cela augmente leur longueur angulaire effective et par conséquent le mouvement à leur extrémité, ce qui augmente à son tour la résolution du transducteur.
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La famille des éléments de capteurs de pression flexibles comprend également les soufflets et les diaphragmes (Figure 3-2). Les diaphragmes sont très appréciés car ils nécessitent moins d'espace et parce que le mouvement (ou la force) qu'ils produisent est suffisant pour faire fonctionner les transducteurs électroniques. Ils sont également disponibles dans une large gamme de matériaux pour la mesure de la pression dans des applications corrosives.
Après les années 1920, les systèmes de contrôle automatique ont évolué et, dans les années 1950, les transmetteurs de pression et les salles de contrôle centralisées étaient monnaie courante. Par conséquent, l'extrémité libre d'un tube Bourdon (soufflet ou membrane) n'avait plus besoin d'être connectée à un indicateur local, mais servait à convertir une pression de processus en un signal transmis (électrique ou pneumatique). Au début, la liaison mécanique était connectée à un transmetteur de pression pneumatique, qui générait généralement un signal de sortie de 3 à 15 psig pour une transmission sur des distances de plusieurs centaines de mètres, voire plus avec des répéteurs amplificateurs. Plus tard, avec le développement de l'électronique à semi-conducteurs et l'augmentation des distances de transmission, les transmetteurs de pression sont devenus électroniques. Les premiers modèles généraient des tensions de sortie en courant continu (10-50 mV ; 1-5 V ; 0 à 100 mV), mais ont ensuite été normalisés en signaux de sortie en courant continu de 4-20 mA.
En raison des limites inhérentes aux dispositifs mécaniques à équilibrage de mouvement, le transducteur de pression à équilibrage de force, puis le transducteur de pression à semi-conducteurs ont été introduits. Les premières jauges de contrainte à fil non collé ont été introduites à la fin des années 1930. Dans ce dispositif, le filament métallique est fixé à une structure soumise à une contrainte, et la résistance du fil métallique sous contrainte est mesurée. Cette conception était intrinsèquement instable et ne permettait pas de maintenir l'étalonnage. Il y avait également des problèmes de dégradation de la liaison entre le filament métallique et le diaphragme, et d'hystérésis causée par la contrainte thermoélastique dans le fil.
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La recherche d'un capteur amélioré pour les mesures de contrainte et de pression a d'abord abouti à la présentation de jauges de contrainte à couche mince collée, puis finalement à des jauges de contrainte à semi-conducteur diffusé. Celles-ci ont d'abord été développées pour l'industrie automobile, mais ont rapidement été utilisées dans le domaine général de la mesure et de la transmission de pression dans toutes les applications industrielles et scientifiques. Les capteurs de pression à semi-conducteur sont sensibles, peu coûteux, précis et reproductibles. (Pour plus de détails sur le fonctionnement des jauges de contrainte, voir le chapitre 2.)
De nombreux transmetteurs de pression pneumatiques sont encore en service, en particulier dans l'industrie de la Pétrochimie. Mais à mesure que les systèmes de contrôle continuent de se centraliser et de s'informatiser, ces appareils ont été remplacés par des transmetteurs électroniques analogiques et, plus récemment, par des transmetteurs électroniques numériques.

Types de transducteurs
description-image-courte La figure 3 fournit une orientation générale aux scientifiques ou ingénieurs qui pourraient être amenés à choisir un détecteur de pression parmi les nombreux modèles disponibles. Ce tableau indique les plages de vide et de pression que les différents types de capteurs sont capables de détecter, ainsi que les types de références internes (vide ou pression atmosphérique) utilisées, le cas échéant.
Étant donné que les transducteurs de pression électroniques de ce type sont particulièrement utiles pour les applications industrielles et de laboratoire dans le domaine de l'acquisition de données et du contrôle, les principes de fonctionnement et les avantages et inconvénients de chacun d'entre eux sont présentés plus en détail dans cette section.

Technologies utilisées dans les transducteurs de pression

Voici une brève description des différents types de transducteurs de pression disponibles, y compris les principes de fonctionnement et les avantages et inconvénients de chacun.

Jauge de contrainte

Les capteurs de type capacitif sont souvent utilisés comme étalons secondaires, en particulier dans les applications à faible pression différentielle et à faible pression absolue. Ils sont également très réactifs, car la distance que le diaphragme doit parcourir physiquement n'est que de quelques microns. Les nouveaux transducteurs de pression à capacité sont plus résistants à la corrosion et moins sensibles aux effets de la capacité parasite et des vibrations qui provoquaient des « fluctuations de lecture » dans les anciens modèles.

Les transducteurs de pression à jauge de contrainte sont largement utilisés, en particulier pour les pressions à faible écart et les mesures de pression différentielle. Ces dispositifs peuvent détecter la pression manométrique si le port basse pression est laissé ouvert à l'atmosphère ou la pression différentielle s'ils sont connectés à deux pressions de processus. Si le côté basse pression est une référence sous vide scellée, le transmetteur fonctionnera comme un transmetteur de pression absolue.

Les transducteurs à jauge de contrainte sont disponibles pour des plages de pression allant de 3 pouces d'eau à 200 000 psig (1400 MPa). L'imprécision varie de 0,1 % de la portée à 0,25 % de la pleine échelle. D'autres sources d'erreur peuvent être une dérive de 0,25 % de la pleine échelle sur six mois et un effet de température de 0,25 % de la pleine échelle par 1 000 °F.

Transducteurs de pression à capacité

Les transducteurs de pression à capacité ont été initialement développés pour être utilisés dans la recherche sur le vide faible. Le changement de capacité résulte du mouvement d'un élément à membrane. Selon le type de pression, le transducteur capacitif peut être un transducteur de pression absolue, relative ou différentielle.

Les transducteurs de pression capacitifs sont largement répandus en partie en raison de leur large plage de mesure, allant du vide poussé de l'ordre du micron à 10 000 psig (70 MPa). Ils permettent de mesurer facilement des pressions différentielles aussi faibles que 0,01 pouce d'eau. De plus, comparés aux transducteurs à jauge de contrainte, ils ne dérivent pas beaucoup. Des modèles plus performants sont disponibles, dont la précision est de 0,1 % de la lecture ou 0,01 % de la pleine échelle. L'effet typique de la température est de 0,25 % de la pleine échelle par 1 000 °F.

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L'acier inoxydable est le matériau le plus couramment utilisé pour les membranes, mais pour les applications corrosives, les alliages d'acier à haute teneur en nickel, tels que l'Inconel ou l'Hastelloy, offrent de meilleures performances. Le tantale est également utilisé pour les applications hautement corrosives et à haute température. Dans certains cas particuliers, des membranes en argent peuvent être utilisées pour mesurer la pression du chlore, du fluor et d'autres halogènes à l'état élémentaire.

Transducteurs de pression potentiométriques

Le capteur de pression potentiométrique offre une méthode simple pour obtenir une sortie électronique à partir d'un manomètre mécanique. Le dispositif se compose d'un potentiomètre de précision, dont le bras de balayage est relié mécaniquement à un élément Bourdon ou à un soufflet. Le mouvement du bras de balayage sur le potentiomètre convertit la déviation du capteur détectée mécaniquement en une mesure de résistance, à l'aide d'un circuit en pont de Wheatstone.

La nature mécanique des liaisons reliant le bras du curseur au tube Bourdon, au soufflet ou à l'élément à membrane introduit des erreurs inévitables dans ce type de mesure. Les effets de la température provoquent des erreurs supplémentaires en raison des différences de coefficients de dilatation thermique des composants métalliques du système. Des erreurs apparaissent également en raison de l'usure mécanique des composants et des contacts.

description-image-courte Les transducteurs potentiométriques peuvent être extrêmement petits et installés dans des espaces très restreints, tels que l'intérieur du boîtier d'un manomètre à cadran de 4,5 pouces. Ils fournissent également une sortie forte qui peut être lue sans amplification supplémentaire. Cela leur permet d'être utilisés dans des applications à faible puissance. Ils sont également peu coûteux. Les transducteurs potentiométriques peuvent détecter des pressions comprises entre 5 et 10 000 psig (35 KPa à 70 MPa). Leur précision est comprise entre 0,5 % et 1 % de la pleine échelle, sans tenir compte de la dérive et des effets de la température.

Transducteurs de pression à fil résonnant

Le transducteur de pression à fil résonnant a été introduit à la fin des années 1970. Dans cette conception, un fil est saisi par un élément statique à une extrémité et par le diaphragme de détection à l'autre extrémité. Un circuit oscillateur fait osciller le fil à sa fréquence de résonance. Une variation de la pression du processus modifie la tension du fil, ce qui modifie à son tour la fréquence de résonance du fil. Un circuit compteur numérique détecte le décalage. Comme cette variation de fréquence peut être détectée de manière très précise, ce type de transducteur peut être utilisé pour des applications à faible pression différentielle ainsi que pour détecter les pressions absolues et manométriques.

Le principal avantage du transducteur de pression à fil résonnant est qu'il génère un signal intrinsèquement numérique, qui peut donc être envoyé directement à une horloge à quartz stable dans un Microprocesseur. Ses limites comprennent une sensibilité aux variations de température, un signal de sortie non linéaire et une certaine sensibilité aux chocs et aux vibrations. Ces limites sont généralement minimisées par l'utilisation d'un Microprocesseur pour compenser les non-linéarités ainsi que les variations de température ambiante et de processus.

Les transducteurs à fil résonnant peuvent détecter des pressions absolues à partir de 10 mm Hg, des pressions différentielles jusqu'à 750 pouces d'eau et des pressions manométriques jusqu'à 6 000 psig (42 MPa). La précision typique est de 0,1 % de la portée calibrée, avec une dérive sur six mois de 0,1 % et un effet de température de 0,2 % par 1 000 °F. .