COMPORTEMENT DES SENSORS CÉRAMIQUES

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Alphonse Hugues Carrière
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1 Page 1/5 Note Technique - NT 02 COMPORTEMENT DES SENSORS CÉRAMIQUES Ce document à pour but de décrire le comportement typique des Sensors de Pression Céramiques de CiTy Sensors basés sur la Technologie des Jauges Sérigraphiées en Couche Epaisse. Les points abordés sont : Comportement en Température : - Dérive Thermique du Zéro - Variation Thermique de la Sensibilité Influence du Temps ( Stabilité à Long Terme ) Fatigue Mécanique ( Durée de Vie ) 1. Comportement en Température Comme tous instruments de mesure physique, notre Sensor de Pression Céramique est sensible à la température. En première lieu, regardons ce qui se passe pour toute sorte d instrument : Les variations de température affectent : Le déséquilibre initial (le zéro) à pression nulle La Sensibilité de l instrument ( Cf. Graphique 1, Influence de la Température ) Le graphique 1 montre la courbe de calibration d un instrument à 3 valeurs de températures différentes T1, T2 & T3. T1, supposée être la température ambiante (par exemple +20 C) génère un signal à Zéro Z1. Ensuite, lorsque la pression augmente depuis Zéro (pression nulle) jusqu à la l EM (Etendue de Mesure) de l appareil, la courbe S1 traduit la proportionnalité α1 entre la pression appliquée et le signal de sortie (ici en mv par exemple). Il est supposée que la réponse est linéaire, comme montrée. Quand la température augmente de T1 à T2 (par exemple 100 C), le point Zéro se décale de Z1 à Z2 et la courbe de réponse montre un nouveau coefficient de sensibilité α2 différent de α1.

2 Page 2/5 Lorsque la température décroît de T1 à T3 (par exemple 40 C), le point Zéro se décale de Z1 à Z3 et la courbe de réponse montre un nouveau coefficient de sensibilité α3 différent de α1. Le déplacement du point Zéro de Z1 à Z2 ou Z3 est appelé la Dérive Thermique du Zéro. Elle est exprimée en % de l EM / C. Le changement de l angle α de α1 à α2 ou α3 est appelé la Variation Thermique de Sensibilité. Elle est exprimée en % / C. Par conséquent, il est habituellement nécessaire de compenser les deux effets dus à la température, la Dérive du Zéro et la Variation de Sensibilité. Dans le cas de nos Sensors de Pression Céramique, le choix des matériaux utilisés et leur traitement thermique (à haute température, de l ordre de C), permet ainsi d obtenir une autocompensation de la Variation Thermique de la Sensibilité. En d autres termes, les courbes S2 et S3 sont parallèle à S1. En pratique, on obtient une variation de la sensibilité < 0,01 % / C. En conséquence, il est seulement nécessaire de compenser la dérive du Zéro. Ceci simplifie considérablement la calibration (il n est pas nécessaire de soumettre le sensor à une variation de température et de pression simultanément). Dans le but de faciliter la compensation thermique de la Dérive du Zéro, nos Sensors Céramique sont équipés d une Thermistance (CTN), sérigraphiée directement sur la membrane céramique de tel sorte quelle prenne immédiatement la température du fluide en contact ( la céramique est un excellent matériau conducteur de la chaleur). Pour connaître plus en détail la méthode de compensation thermique des sensors basée sur l utilisation d une Thermistance (CTN) sérigraphiée, nous vous recommandons la lecture de la Note Technique référencée NT04. Quelque soit le modèle de sensor compensée, cette compensation assure un très faible effet résiduel dû à la température, < +/- 1 % EM / 100 C (incluant le Zéro et la Sensibilité). 2. Stabilité à Long terme (Influence du temps) Même à pression nulle et à température constante, toute sorte d instrument montre un changement du point Zéro en fonction du temps. Ceci est généralement du au changement des caractéristiques des matériaux dans le temps, qui génère une variation des contraintes internes résultant en une variation des déformations et par conséquent, une variation de Zéro apparent. Pour la plupart des sensors et capteurs usuels, le décalage du point zéro en fonction du temps est généralement cumulatif. Ceci est particulièrement important quand il n est pas possible de relâcher la pression dans le process de temps en temps de manière à mesurer la dérive du point zéro. Dans le cas de nos sensors de pression céramique, le décalage du zéro en fonction du temps est une valeur aléatoire, cette dernière restant toujours comprise dans une bande d erreur donnée (voir graphique 2). Cette bande d erreur est typiquement à ±0,2 % de l EM.

3 Page 3/5 Ceci est particulièrement intéressant car cela signifie que la dérive du zéro à long terme n est pas cumulative dans le temps. En d autre termes, quelque soit la valeur du zéro considéré aujourd hui, ou dans les prochaines semaines ou bien encore l année prochaine, il restera toujours à l intérieur de la bande d erreur indiquée. Concernant l influence du temps sur la Sensibilité du sensor, l effet n excédera pas ± 0,01 % de la pente, et ce sans effet cumulatif. 3. Durée de vie (fatigue mécanique) Lorsqu un matériel est soumis à des cycles de fatigue mécanique, il cumule une mémoire de fatigue et se rompt après un certain nombre de cycles N1 (voir graphique 3). Ce phénomène est bien connu et la courbe correspondante (courbe de Wöhler) est typique du matériau considéré. Le point de rupture N dépend du niveau de contrainte appliquée quand le matériel est sous fatigue. Si les cycles de fatigue sont appliqués sur le sensor à un niveau de contrainte plus faible que le niveau nominal de contrainte Max correspondant à la pleine échelle (EM), alors le nombre de cycles avant rupture augmente de N1 à N2. C est pourquoi, à chaque fois que l aspect fatigue est prépondérant dans une application, il est fortement recommandé de sélectionner la gamme de mesure immédiatement supérieure à celle normalement requise pour le sensor, de manière à augmenter la durée de vie. Dans le cas précis des sensors céramiques, il n y a pas de publication disponible pour la courbe de Wöhler à la différence de matériaux tel que l acier. Par le fait nous avons été forcé de construire notre propre courbe de Wöhler à partir de différent échantillons à différent niveaux de contrainte de manière à connaître ce qui se passe réellement avec la céramique. Comme résultat de ces investigations, nous pouvons garantir qu un minimum de 10 Million de cycles peut être atteint au niveau de contrainte maximum correspondant à la pleine échelle (EM) du sensor. Pour information, certain de nos clients ont déjà observé une durée de vie supérieure à 80 million de cycles à l EM sans défaillance.

4 Page 4/5 Signal de Sortie (mv) T2 Z2 α2 T1 Z1 α1 T3 Z3 α3 GRAPHIQUE 1 Influence de la température EM Pression %EM + 0,2 Bande d erreur 0 Temps - 0,2 GRAPHIQUE 2 Stabilité à long terme

5 Page 5/5 Max N1 N2 N GRAPHIQUE 3 Nombre de Cycles avant rupture

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