Qu'est-ce qu'un capteur de pression piézoélectrique ?
Piezoelectric presssure sensors can further be classified according to whether the crystal's electrostatic charge, its resistivity, or its resonant frequency electrostatic charge is measured. Depending on which phenomenon is used, the crystal sensor can be called electrostatic, piezoresistive, or resonant.
Les capteurs de pression piézoélectriques peuvent être classés selon qu'ils mesurent la charge électrostatique du cristal, sa résistivité ou sa fréquence de résonance. En fonction du phénomène utilisé, le capteur à cristal peut être qualifié d'électrostatique, de piézorésistif ou de résonnant.
Lorsqu'une pression, une force ou une accélération est appliquée à un cristal de quartz, une charge proportionnelle à la force appliquée se développe à travers le cristal (Figure 3-8). La différence fondamentale entre ces capteurs à cristal et les dispositifs à force statique tels que les jauges de contrainte réside dans le fait que le signal électrique généré par le cristal s'affaiblit rapidement. Cette caractéristique rend ces capteurs inadaptés à la mesure de forces ou de pressions statiques, mais utiles pour les mesures dynamiques.
Lorsqu'une pression est appliquée sur un cristal, celui-ci se déforme de manière élastique. Cette déformation entraîne un débit de charge électrique (qui dure quelques secondes). Le signal électrique qui en résulte peut être mesuré comme une indication de la pression qui a été appliquée au cristal. Ces capteurs ne peuvent pas détecter les pressions statiques, mais sont utilisés pour mesurer les pressions qui changent rapidement à la suite d'explosions, de pulsations de pression (dans les moteurs de fusées, les moteurs, les compresseurs) ou d'autres sources de chocs ou de vibrations. Certains de ces capteurs robustes peuvent détecter des événements de pression ayant des « temps de montée » de l'ordre du millionième de seconde, et sont décrits plus en détail plus loin dans ce chapitre.
La sortie de ces capteurs de pression dynamique est souvent exprimée en unités de pression « relatives » (telles que psir au lieu de psig), référençant ainsi la mesure à l'état initial du cristal. La plage maximale de ces capteurs est de 5 000 ou 10 000 psir. Les caractéristiques souhaitables des capteurs piézoélectriques comprennent leur construction robuste, leur petite taille, leur vitesse élevée et leur signal autogénéré. En revanche, ils sont sensibles aux variations de température et nécessitent un câblage et une amplification spéciaux. 
Ils nécessitent également des précautions particulières lors de leur installation : Il faut notamment veiller à ce que leur couple de montage corresponde au couple auquel ils ont été calibrés (généralement 30 pouces-livres). Un autre facteur susceptible de nuire à leurs performances en ralentissant leur vitesse de réponse est la profondeur de la cavité vide située sous la cavité. Plus la cavité est grande, plus la réponse est lente. Il est donc recommandé de réduire au minimum la profondeur de la cavité et de ne pas dépasser le diamètre de la sonde (généralement environ 0,25 pouce).
Les transducteurs de pression électrostatiques sont petits et robustes. La force exercée sur le cristal peut être appliquée longitudinalement ou transversalement, et dans les deux cas, elle provoquera une sortie haute tension proportionnelle à la force appliquée. Le signal de tension autogénéré par le cristal est utile lorsqu'il est difficile ou impossible d'alimenter le capteur en énergie. Ces capteurs piézoélectriques offrent également des réponses à grande vitesse (30 kHz avec des pics à 100 kHz), ce qui les rend idéaux pour mesurer les phénomènes transitoires. La figure 3-9 illustre un capteur de pression à compensation d'accélération. Dans cette conception, la compensation est assurée par l'ajout d'une masse sismique et d'un « cristal de compensation » séparé de polarité inverse. Ces composants sont dimensionnés de manière à annuler exactement l'effet inertiel des masses (l'embout et le diaphragme) qui agissent sur la pile de cristaux sensibles à la pression lors de son accélération.
Le quartz étant un minéral courant et naturel, ces transducteurs piézoélectriques sont généralement peu coûteux. La tourmaline, une forme semi-précieuse naturelle du quartz, a une réactivité inférieure à la microseconde et est utile pour mesurer des transitoires très rapides. En sélectionnant le cristal approprié, le concepteur peut garantir à la fois une bonne linéarité et une sensibilité réduite à la température.
Bien que les transducteurs piézoélectriques ne soient pas capables de mesurer les pressions statiques, ils sont largement utilisés pour évaluer les phénomènes de pression dynamique associés aux explosions, aux pulsations ou aux conditions de pression dynamique dans les moteurs, les moteurs de fusée, les compresseurs et autres dispositifs sous pression qui subissent des changements rapides. Ils peuvent détecter des pressions comprises entre 0,1 et 10 000 psig (0,7 KPa à 70 MPa). La précision typique est de 1 % de la pleine échelle, avec 1 % supplémentaire par effet de température de 1 000 °C.
Les capteurs de pression piézorésistifs fonctionnent sur la base de la dépendance de la résistivité du silicium sous contrainte. Semblable à une jauge de contrainte, un capteur piézorésistif se compose d'un diaphragme sur lequel sont collées quatre paires de résistances en silicium. Contrairement à la construction d'un capteur à jauge de contrainte, ici, le diaphragme lui-même est en silicium et les résistances sont diffusées dans le silicium pendant le processus de fabrication. Le diaphragme est terminé en le collant à une plaquette de silicium non traitée.
Si le capteur doit être utilisé pour mesurer la pression absolue, le processus de collage est effectué sous vide. Si le capteur de pression doit être référencé, la cavité derrière le diaphragme est reliée soit à l'atmosphère, soit à la source de pression de référence. Lorsqu'il est utilisé dans un capteur de processus, le diaphragme en silicium est protégé du contact direct avec les matériaux du processus par un diaphragme de protection rempli de fluide, fabriqué en acier inoxydable ou en un autre alliage répondant aux exigences de corrosion du service.
Les capteurs de pression piézorésistifs sont sensibles aux variations de température et doivent être compensés en température. Les capteurs de pression piézorésistifs peuvent être utilisés à partir d'environ 3 psi jusqu'à un maximum d'environ 14 000 psi (21 KPa à 100 MPa).
Les capteurs de pression piézoélectriques résonants mesurent la variation de la fréquence de résonance des cristaux de quartz sous l'effet d'une force appliquée. Le capteur peut être constitué d'une poutre suspendue qui oscille tout en étant isolée de toutes les autres forces. La poutre est maintenue en oscillation à sa fréquence de résonance. Les variations de la force appliquée entraînent des variations de la fréquence de résonance. La relation entre la pression appliquée P et la fréquence d'oscillation est la suivante :
où TO est la période d'oscillation lorsque la pression appliquée est nulle, T est la période d'oscillation lorsque la pression appliquée est P, et A et B sont les constantes d'étalonnage du transducteur.
These transducers can be used for absolute pressure measurements with spans from 0-15 psia to 0-900 psia (0-100 kPa to 0-6 MPa) or for differential pressure measurements with spans from 0-6 psid to 0-40 psid (0-40 kPa to 0-275 kPa).
Inductive/Reluctive Pressure Sensors
Ces transducteurs peuvent être utilisés pour des mesures de pression absolue avec des plages de 0 à 15 psia à 0 à 900 psia (0 à 100 kPa à 0 à 6 MPa) ou pour des mesures de pression différentielle avec des plages de 0 à 6 psid à 0 à 40 psid (0 à 40 kPa à 0 à 275 kPa).
Un certain nombre des premiers modèles de transducteurs de pression étaient basés sur des phénomènes magnétiques. Ceux-ci incluaient l'utilisation de l'inductance, de la réluctance et des courants de Foucault. L'inductance est la propriété d'un circuit électrique qui exprime la quantité de force électromotrice (FEM) induite par une fréquence donnée de variation du flux de courant dans le circuit. La réluctance est la résistance au flux magnétique, l'opposition offerte par une substance magnétique au flux magnétique. Dans ces capteurs, une variation de pression produit un mouvement qui, à son tour, modifie l'inductance ou la réluctance d'un circuit électrique. La figure 3-10A illustre l'utilisation d'un transformateur différentiel à variation linéaire (LVDT) comme élément de travail d'un transmetteur de pression. Le LVDT fonctionne selon le principe du rapport d'inductance. Dans cette conception, trois bobines sont câblées sur un tube isolant contenant un noyau de fer, qui est positionné à l'intérieur du tube par le capteur de pression.
Un courant alternatif est appliqué à la bobine primaire au centre, et si le noyau est également centré, des tensions égales seront induites dans les bobines secondaires (n° 1 et n° 2). Comme les bobines sont câblées en série, cette condition entraînera une sortie nulle. Lorsque la pression du processus change et que le noyau se déplace, la différence entre les tensions induites dans les bobines secondaires est proportionnelle à la pression à l'origine du mouvement.
Les transducteurs de pression de type LVDT sont disponibles avec une précision de 0,5 % de la pleine échelle et avec des plages allant de 0 à 30 psig (0 à 210 kPa) à 0 à 10 000 psig (0 à 70 MPa). Ils peuvent détecter des pressions absolues, manométriques ou différentielles. Leurs principales limites sont leur sensibilité à l'usure mécanique, aux vibrations et aux interférences magnétiques.
La réluctance est l'équivalent de la résistance dans un circuit magnétique. Si une variation de pression modifie les écarts dans les chemins du flux magnétique des deux noyaux, le rapport des inductances L1/L2 sera lié à la variation de la pression du processus (Figure 3-10B). Les transducteurs de pression à réluctance ont un signal de sortie très élevé (de l'ordre de 40 mV/volt d'excitation), mais doivent être excités par une tension alternative. Ils sont sensibles aux champs magnétiques parasites et aux effets de la température d'environ 2 % par 1000 °F. En raison de leurs signaux de sortie très élevés, ils sont souvent utilisés dans des applications où une haute résolution sur une plage relativement petite est souhaitée. Ils peuvent couvrir des plages de pression allant de 1 pouce d'eau à 10 000 psig (250 Pa à 70 MPa). La précision standard est de 0,5 % de la pleine échelle.
Optique
Les capteurs de pression optiques détectent les effets des mouvements infimes dus aux variations de pression du processus et génèrent un signal de sortie électronique correspondant (Figure 3-11). Une diode électroluminescente (LED) est utilisée comme source lumineuse, et une ailette bloque une partie de la lumière lorsqu'elle est déplacée par le diaphragme. Lorsque la pression du processus déplace l'ailette entre la diode source et la diode de mesure, la quantité de lumière infrarouge reçue change.
Les capteurs de pression optiques doivent compenser le vieillissement de la source lumineuse LED à l'aide d'une diode de référence, qui n'est jamais bloquée par l'ailette. Cette diode de référence compense également le signal en cas d'accumulation de saleté ou d'autres matériaux de revêtement sur les surfaces optiques. Le transducteur de pression optique est insensible aux effets de la température, car les diodes source, de mesure et de référence sont affectées de manière égale par les changements de température. De plus, comme le mouvement nécessaire pour effectuer la mesure est très faible (moins de 0,5 mm), les erreurs d'hystérésis et de répétabilité sont pratiquement nulles.
Les transducteurs de pression optiques ne nécessitent pas beaucoup d'entretien. Ils offrent une excellente stabilité et sont conçus pour des mesures de longue durée. Ils sont disponibles dans des plages allant de 5 psig à 60 000 psig (35 kPa à 413 MPa) et avec une précision de 0,1 % de la pleine échelle.
Considérations pratiques
Dans les applications industrielles, une bonne répétabilité est souvent plus importante que la précision absolue. Si les pressions de processus varient sur une large plage, les capteurs de pression présentant une bonne linéarité et une faible hystérésis sont préférables. Les capteurs de pression différentielle sont un exemple de capteurs couramment utilisés dans les applications industrielles.
Les variations de température ambiante et de processus entraînent également des erreurs dans les mesures de pression, en particulier lors de la détection de basses pressions et de faibles pressions différentielles. Dans de telles applications, des compensateurs de température doivent être utilisés. Les variations de l'alimentation électrique réduisent également les performances des transducteurs de pression. La sensibilité (S) d'un transducteur détermine l'ampleur du changement qui se produit dans la tension de sortie (VO) lorsque la tension d'alimentation (VS) change, la pression mesurée (Pm) et la pression nominale du transducteur (Pr) restant constantes :
Dans un système de mesure de pression, l'erreur totale peut être calculée à l'aide de la méthode de la somme des carrés : l'erreur totale est égale à la racine carrée de la somme des carrés de toutes les erreurs individuelles.
Critères de sélection
Les transducteurs de pression génèrent généralement des signaux de sortie de l'ordre du millivolt (plage de 100 mV à 250 mV). Lorsqu'ils sont utilisés dans des transmetteurs, ceux-ci sont souvent amplifiés au niveau de tension (1 à 5 V) et convertis en boucles de courant, généralement de 4 à 20 mA CC.
Le boîtier du transducteur doit être choisi de manière à répondre à la fois aux exigences de classification électrique de la zone et aux exigences de corrosion de l'installation concernée. La protection contre la corrosion doit tenir compte à la fois des projections de liquides corrosifs ou de l'exposition à des gaz corrosifs à l'extérieur du boîtier, ainsi que de l'exposition de l'élément de détection à des matériaux de traitement corrosifs. Les exigences de corrosion de l'installation sont satisfaites en choisissant des matériaux et des revêtements résistants à la corrosion et en utilisant des joints chimiques, qui sont abordés plus loin dans ce chapitre.
Si l'installation se trouve dans une zone où des vapeurs explosives peuvent être présentes, le capteur de pression et son alimentation électrique doivent être adaptés à ces environnements. Pour ce faire, on les place généralement dans des boîtiers purgés ou antidéflagrants, ou on utilise des conceptions à sécurité intrinsèque.
Le choix de la plage de mesure est probablement la décision la plus importante lors de la sélection d'un transducteur de pression. Il faut garder à l'esprit deux considérations contradictoires : la précision de l'instrument et sa protection contre les surpressions. Du point de vue de la précision, la plage de mesure d'un transmetteur doit être faible (pression de service normale vers le milieu de la plage), afin de minimiser l'erreur, qui correspond généralement à un pourcentage de la pleine échelle. D'autre part, il faut toujours tenir compte des conséquences des dommages causés par une surpression due à des erreurs de fonctionnement, à une conception défectueuse (coup de bélier) ou à l'absence d'isolation de l'instrument pendant les essais de pression et la mise en service. Il est donc important de spécifier non seulement la plage obligatoire, mais aussi le niveau de protection contre la surpression nécessaire.
La plupart des instruments de mesure de pression sont équipés d'une protection contre les surpressions de 50 % à 200 % de la plage (Figure 3-12). Ces protections conviennent à la plupart des applications. Lorsque des surpressions plus élevées sont attendues et qu'elles sont de nature temporaire (pics de pression de courte durée, quelques secondes ou moins), des amortisseurs peuvent être installés. Ceux-ci filtrent les pics, mais réduisent la réactivité de la mesure. Si l'on prévoit une surpression excessive de plus longue durée, il est possible de protéger le capteur en installant une soupape de décharge. Cependant, cela entraînera une perte de mesure lorsque la soupape de décharge sera ouverte.
Si le transmetteur doit fonctionner à des températures ambiantes élevées, le boîtier peut être refroidi électriquement (effet Peltier) ou à l'eau, ou il peut être déplacé dans une zone climatisée. Lorsque des températures négatives sont prévues, un chauffage par résistance ou un traçage à la vapeur doit être utilisé en combinaison avec une isolation thermique.
Lorsque les températures de processus sont élevées, il est possible d'envisager l'utilisation de diverses méthodes pour isoler l'instrument de mesure de pression du processus. Il s'agit notamment des joints de boucle, des siphons, des joints chimiques avec tube capillaire pour un montage à distance et de la purge.
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Écrit par : Dan Schultz
Mise à jour le : 30 octobre 2025
Comprendre la signification de « intrinsèquement sûr »
Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026