Mesure de la pression

Les méthodes mécaniques de mesure de la pression sont connues depuis des siècles. Les manomètres à tube en U comptent parmi les premiers indicateurs de pression. À l'origine, ces tubes étaient fabriqués en verre, et des échelles étaient ajoutées si nécessaire. Toutefois, les manomètres sont de grande taille, encombrants et ne peuvent être facilement intégrés dans des boucles de contrôle automatiques. C'est pourquoi les manomètres sont généralement utilisés dans les laboratoires ou servent d'indicateurs locaux. Selon la pression de référence utilisée, ils peuvent indiquer une pression absolue, relative et différentielle.

Les transducteurs de pression différentielle sont souvent utilisés pour mesurer le débit alors qu'ils sont conçus pour les mesures de pression différentielle à travers un venturi, un orifice, ou un autre type d'élément primaire. Le différentiel de pression détecté est lié à la vélocité de l'écoulement et, par conséquent, au débit volumétrique. De nombreuses fonctionnalités des transmetteurs de pression modernes proviennent du transducteur de pression différentielle. En fait, on peut considérer que le transmetteur de pression différentielle a servi de modèle pour tous les transducteurs de pression.

La pression manométrique est définie par rapport aux conditions atmosphériques. Dans les régions du monde qui utilisent les unités anglaises, la pression manométrique est indiquée avec l'ajout d'un « g » au descripteur des unités. Par conséquent, l'unité de pression « pounds per square inch gauge »,ou livre par pouce carré, est abrégée psig. Lorsque les unités du système international sont utilisées, il arrive d'ajouter « jauge » aux unités utilisées, comme « Jauge Pa ». Lorsque la mesure de la pression est en unités absolues, la référence est le vide total et l'abréviation pour « pression absolue en psi » est psia.



Souvent, les termes jauge de pression, capteur, transducteur et transmetteur sont utilisés de manière interchangeable. Le terme jauge de pression fait généralement référence à un indicateur intégré qui convertit la pression process détectée en mouvement mécanique d'un pointeur. Un transducteur de pression peut combiner l'élément du capteur d'une jauge avec un convertisseur mécanique-électrique ou mécanique-pneumatique et une alimentation. Un transmetteur de pression est un ensemble de mesure de pression normalisé comprenant les trois composants de base : un transducteur de pression, son alimentation et un adaptateur de signal/retransmetteur qui convertit le signal du transducteur en une sortie normalisée.

Les transmetteurs de pression peuvent envoyer la mesure de pression étudiée à l'aide d'un signal analogique pneumatique (3-15 psig), un signal analogique électronique (4-20 mA dc), ou un signal électronique numérique. Lorsque les transducteurs sont directement couplés aux systèmes d'acquisition de données numériques et sont situés à une certaine distance du matériel d'acquisition des données, les signaux de tension pour la sortie haute sont préférés. Ces signaux doivent être protégés contre les interférences électromagnétiques et les interférences radio (EMI/RFI) lorsqu'ils doivent parcourir de plus longues distances.

Les termes liés aux performances du transducteur de pression ont également besoin d'être définis. La précision du transducteur fait référence au degré de conformité de la valeur de pression mesurée par rapport à une norme acceptée. Elle est généralement exprimée en pourcentage de la pleine échelle ou de la mesure brute de l'instrument. En ce qui concerne les appareils indiquant un pourcentage de la pleine échelle, l'erreur augmente au fur et à mesure que la valeur absolue chute. La répétabilité fait référence au degré de concordance entre plusieurs mesures de pression consécutives de la même variable. La linéarité est une mesure de la manière dont les valeurs données par le transducteur augmentent linéairement avec l'augmentation de la pression. L'erreur d'hystérésis décrit le phénomène par lequel les mêmes pressions process génèrent des signaux de sortie différents, en fonction d'une pression plus faible ou plus élevée.

Conversion mécanique en électronique

Les premières jauges de pression ont utilisé des éléments flexibles comme capteurs. À mesure que la pression change, l'élément flexible se déplace et ce mouvement entraîne la rotation d'un pointeur devant un cadran. Ces capteurs de pression mécanique sont équipés d'un tube Bourdon, d'un diaphragme ou d'un soufflet qui détecte la pression process et entraîne un mouvement correspondant.

En forme de C, un tube Bourdon est doté d'une section transversale ovale. Une extrémité du tube est reliée à la pression process (Figure 3-1A). L'autre extrémité est scellée et raccordée au pointeur ou au mécanisme du transmetteur. Pour augmenter leur sensibilité, les éléments du tube Bourdon peuvent être prolongés pour former des bobines spirales ou hélicoïdales (Figures 3-1B e 3-1C). Cela augmente leur longueur angulaire effective et, par conséquent, le mouvement au niveau de leur embout, augmentant ainsi la résolution du transducteur.

La famille des éléments de capteur de pression flexible inclut également les soufflets et les diaphragmes (Figure 3-2). Les diaphragmes sont populaires car ils requièrent moins d'espace et le mouvement (ou la force) qu'ils produisent est suffisant pour actionner les transducteurs électroniques. Ils sont également disponibles dans une large gamme de matériaux utilisés pour mesurer la pression dans les applications en environnements corrosifs.

Après les années 1920, les systèmes de contrôle automatique ont évolué et dans les années 1950, les transmetteurs de pression et les salles de commande centralisées étaient courants. Ainsi, il n'était plus nécessaire de raccorder l'extrémité libre d'un tube Bourdon (soufflets ou diaphragme) à un pointeur local ; elle pouvait désormais convertir une pression process en un signal transmis (électrique ou pneumatique). Sur les premiers modèles, la transmission mécanique était reliée à un transmetteur de pression pneumatique, qui produisait en général un signal de sortie de 3 à 15 psig pour les transmissions sur des distances de plusieurs centaines de pieds, ou plus loin avec des amplificateurs répéteurs. Sur les modèles suivants, alors que l'électronique à semi-conducteurs progressait et que les distances de transmission augmentaient, les transmetteurs de pression devinrent électroniques. Les premiers modèles généraient des tensions de sortie en courant continu (10-50 mV ; 1-5 V ; 0-100 mV), mais les modèles suivants ont ensuite été normalisés pour émettre des signaux de sortie de courant continu 4-20 mA.

En raison des limitations inhérentes aux appareils à déplacement mécaniques, les transducteurs à asservissement d'équilibrage puis les transducteurs de pression à semi-conducteurs ont été introduits. Les premières jauges de contrainte métalliques non collées ont été introduites à la fin des années 1930. Dans cet appareil, un filament métallique est attaché à une structure sous tension et la résistance dans le fil sous tension est mesurée. Cette conception est intrinsèquement instable et ne parvenait pas à rester étalonnée. La dégradation de l'adhérence entre le filament métallique et le diaphragme constituait un problème, tout comme l'hystérésis causée par la tension thermoélastique dans le fil.



La recherche d'un capteur plus performant pour les mesures de contrainte et de pression a d'abord abouti à l'introduction d'un film fin collé, puis à la diffusion des jauges de contrainte à semi-conducteurs. Ces capteurs avaient tout d'abord été développés pour l'industrie automobile, puis ont rapidement été généralisés pour toutes les applications industrielles et scientifiques de mesure et de transmission. Les capteurs de pression à semi-conducteurs sont sensibles, économiques, précis et reproductibles. (Pour plus de détails sur le fonctionnement de la jauge de contrainte, voir le Chapitre 2.)

De nombreux transmetteurs de pression pneumatique sont toujours utilisés, en particulier dans l'industrie pétrochimique. Toutefois, les systèmes de contrôle étant de plus en plus centralisés et informatisés, ces appareils ont été remplacés par des transmetteurs électroniques analogiques et, plus récemment, électroniques numériques.

Types de transducteur

La Figure 3-3 fournit une orientation globale au scientifique ou à l'ingénieur qui peut être confronté à la tâche de sélectionner un détecteur de pression parmi les nombreux modèles disponibles. Ce tableau illustre les plages de mesure du vide et de la pression que les différents types de capteur peuvent détecter et les types de références internes (vide ou pression atmosphérique) utilisées, le cas échéant.

Ces types de transducteurs de pression électroniques remplissent un rôle essentiel dans les applications industrielles et de laboratoire d'acquisition de données. Les principes de fonctionnement et les avantages et inconvénients de chacun de ces transducteurs sont exposés dans cette section.

Transducteurs de jauges de contrainte

Lorsqu'une jauge de contrainte, telle que décrite en détail dans le Chapitre 2, est utilisée pour mesurer la déflexion d'un diaphragme élastique ou d'un tube Bourdon, elle devient un composant d'un transducteur de pression. Les transducteurs de type jauge de contrainte sont largement répandus.

Les transducteurs de jauge de contrainte sont utilisés pour les mesures de bande étroite ou de pression différentielle. La jauge de contrainte est principalement utilisée pour mesurer le déplacement d'un diaphragme élastique engendré par une différence de pression dans le diaphragme. Ces appareils peuvent détecter la pression manométrique si le port de basse pression est laissé ouvert à l'atmosphère, ou à la pression différentielle si l'appareil est raccordé à deux pressions process. Si le côté basse pression est une référence de pression sous vide, le transmetteur fera office de transmetteur de pression absolue. Les transducteurs de jauge de contrainte sont utilisés pour mesurer des pressions comprises entre 3 pouces d'eau et 200 000 psig (1 400 MPa). Les marges d'erreur sont comprises entre 0,1 % de déviation et 0,25 % de pleine échelle. D'autres sources d'erreurs peuvent être une dérivation de 0,25 % de pleine échelle sur six mois et un effet de température pleine échelle de 0,25 % pour 1000¡ F.

Capacité

Les transducteurs de pression capacitifs ont été initialement conçus pour une utilisation dans la recherche de vide limite. Ce changement de capacité résulte du mouvement d'un élément du diaphragme (Figure 3-5). Le diaphragme est généralement un quartz métallique ou revêtu de métal. Il est exposé à la pression process d'un côté et à une pression de référence de l'autre. En fonction du type de pression, le transducteur capacitif peut être un transducteur de pression absolue, manométrique ou différentielle.

L'acier inoxydable est le matériau le plus couramment utilisé pour le diaphragme. Pour les environnements corrosifs, les alliages 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 hautes températures. Dans des cas particulier, les diaphragmes en argent peuvent être utilisés pour mesurer la pression du chlore, du fluor et d'autres halogènes dans leur forme élémentaire.

Dans un capteur de pression capacitif, un oscillateur haute fréquence et haute tension est utilisé pour charger les éléments de l'électrode de détection. Dans un modèle de capteur capacitif à deux plaques, le mouvement du diaphragme entre les plaques est détecté comme une indication des changements de mesure de la pression process.

Comme indiqué dans la Figure 3-5, la déflexion du diaphragme modifie la capacité qui est détectée par un montage en pont. Ce circuit peut être actionné en mode symétrique ou non symétrique. En mode symétrique, la tension de sortie est alimentée à un détecteur de zéro et les bras de l'élément capacitif sont déplacés pour maintenir le pont à zéro. Ainsi, en mode symétrique, le réglage à zéro lui-même est une mesure de la pression process. Utilisée en mode symétrique, la mesure de la pression process est liée au ratio entre la tension de sortie et la tension d'excitation.

Les modèles de capteur capacitif à une plaque sont aussi courants. Dans ce modèle, la plaque est située à l'arrière du diaphragme et la capacité variable est une fonction de la déflexion du diaphragme. Ainsi, la capacité détectée est une indication de la pression process. La capacité est convertie en un signal de courant direct ou un signal de tension qui est directement lu par des appareils de tableau ou des tableaux d'entrée/sortie basés sur un microprocesseur.

Les transducteurs de pression de capacité sont largement utilisés en raison de leur importante marge de réglage théorique, depuis les vides élevés de l'ordre du micron jusqu'à 10 000 psig (70 MPa). Les pressions différentielles aussi basses que 0,01 pouce d'eau peuvent facilement être mesurées. Par ailleurs, par rapport aux transducteurs de jauge de contrainte, elles dérivent peu. Les modèles disponibles les plus performants affichent une précision comprise entre 0,1 % de valeur mesurée ou 0,01 % de pleine échelle. Un effet de température type est 0,25 % de pleine échelle pour 1000¡ F.

Les capteurs de type capacitif sont souvent utilisés comme normes secondaires, en particulier dans les mesures de faible pression différentielle et absolue. Ils sont aussi relativement sensibles, car la distance que le diaphragme doit physiquement parcourir n'est que de quelques microns. Les transducteurs de pression de capacité plus récents sont plus résistants à la corrosion et sont moins sensibles aux capacités parasites et aux effets des vibrations qui causaient des lectures instables sur les anciens modèles.

Capteur de pression potentiométrique

Le capteur de pression potentiométrique offre une méthode simple pour obtenir une sortie électronique d'une jauge de pression mécanique. L'appareil se compose d'un potentiomètre de précision, dont le bras du balai est mécaniquement relié à un élément de Bourdon ou de soufflet. Le mouvement du bras de balai dans le potentiomètre convertit la déflexion mécaniquement détectée par le capteur en une mesure de la résistance, au moyen d'un circuit de pont de Wheatstone (Figure 3-6).

La nature mécanique des transmissions reliant le bras de balai au tube Bourdon, au soufflet ou à l'élément du diaphragme introduit des erreurs inévitables dans ce type de mesure de pression. Les effets de température causent des erreurs supplémentaires en raison des différences de coefficient d'expansion thermique des composants métalliques du système. L'usure mécanique des composants et des contacts va également générer des erreurs.

Les transducteurs potentiométriques peuvent être extrêmement petits et installés dans des endroits très étroits, comme à l'intérieur du logement d'une jauge de pression à cadran de 4 à 5 pouces. Ils offrent également un signal de sortie puissant qui peut être mesuré sans autre amplification. Ils peuvent ainsi être utilisés dans des applications de faible puissance. Ils sont aussi économiques. 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 pleine échelle, à l'exclusion des dérivations et des effets de température.

Le transducteur de pression à fil de résonance a été introduit à la fin des années 1970. Dans ce modèle (Figure 3-7), un fil est serré par un membre statique d'un côté et par le diaphragme de détection de l'autre. Un circuit oscillateur fait osciller le fil à sa fréquence de résonance. Le changement de la mesure de pression entraîne le changement de la tension du fil, qui à son tour, change la fréquence de résonance du fil. Un circuit de compteur numérique détecte l'écart. Puisque ce changement de fréquence peut être détecté de manière relativement précise, ce type de transducteur peut être utilisé pour les applications de faible pression différentielle et pour détecter des pressions absolues et manométriques.

L'avantage le plus significatif du transducteur de pression à fil de résonance est qu'il génère un signal intrinsèquement numérique, et peut ainsi être envoyé directement à une horloge à quartz stable dans un microprocesseur. Les limitations incluent la sensibilité aux variations de température, un signal de sortie non linéaire et une plus grande sensibilité aux chocs et vibrations. Ces limitations sont en général minimisées par l'emploi d'un microprocesseur qui compense les non-linéarités et les variations de la température ambiante et de celle du process.

Les transducteurs à fil de résonance peuvent détecter des pressions absolues dès 10 mm Hg, des pressions différentielles d'au plus 750 pouces d'eau et des pressions manométriques jusque 6 000 psig (42 MPa). La précision type est 0,1 % de déviation étalonnée, avec une dérivation sur six mois de 0,1 % et un effet de température de 0,2 % pour 1000¡ F.