Ministère de l Enseignement Supérieur de la Recherche Scientifique Université Virtuelle de Tunis Mesure de la pression Amor Gharsalli Attention! Ce produit pédagogique numérisé est la propriété exclusive de l'uvt. Il est strictement interdit de le reproduire à des fins commerciales. Seul le téléchargement ou impression pour un usage personnel (1 copie par utilisateur) est permis.
Introduction La pression tout comme la température, la vitesse ou le débit, intervient, en tant que variable, dans les phénomènes liés aux fluides liquides ou gazeux et aux solides qui exercent ou subissent des pressions. Si on considère les applications industrielles, où se posent, surtout, les problèmes de mesure, dont la mesure de pression, on constate déjà qu à lui seul le domaine énergétique absorbe une grande partie des instruments de mesure de pression. C est évident car les installations hydrauliques, thermiques, nucléaires, etc. fournissent l énergie mécaniques ou électrique, nécessitent la surveillance permanente des pressions à ne pas dépasser, ce dépassement pouvant entraîner la détérioration d enceintes et canalisations sans parler du risque d éclatement des parois et d accidents graves pouvant en découler, comme il peut diminuer le rendement d une réaction chimique se produisant dans un réacteur, ce qui influe sur la production de l usine, d où l intérêt de la mesure de la pression. 2 Amor GHARSALLI
I/ Généralités 1. Expression de la pression 1.1 Pression dans un fluide un corps liquide ou gazeux enfermé dans un récipient, qu il remplit entièrement, exerce sur toutes les parois de celui-ci une force dite de pression. Celle-ci dépend de la nature du fluide, du volume qu il occupe et de la température M dft dfn df Si on considère un point M au centre d un élément de surface ds, placée au sein du fluide (liquide ou gaz). Sur un coté de cet élément de surface, les molécules exercent au point M une force de direction quelconque, mais elle peut être toujours décomposée en - Une composante tangentielle dft - Une composante normale df N Par définition la pression p qui s exerce sur l élément de surface ds est égale au quotient du module df N par l aire ds. df N p= ds Ce quotient est indépendant de l orientation de la surface élémentaire ds et ne dépend que de sa position dans le fluide. 1.2 Pression exercée par un solide Un corps solide repose sur une surface d appui S, exerce sur cette surface un effort égale à son poids F et la pression correspondante est égale à : p = F S 3 Amor GHARSALLI
Application 1 a- Une pelle de carrière pèse 100 tonnes repose sur le sol. Déterminer la pression qu elle exerce sur le sol sachant que la surface de contact des chenilles avec le sol est de 5 m² (g= 10 m/s²) b- Une femme de 80 kg portant tout son poids sur un talon aiguille de 0,8cm² de surface. Déterminer la pression qu elle exerce sur le sol. Comparer cette pression avec celle exercée par la pelle de carrière. Solution a- b- F= m g m =100 t =100 000 kg g = 10 m/s² F= 10 6 N S= 5 m² p= F p S pelle = 2 10 5 N/m² F= m g m = 80 kg g = 10 m/s² F= 800 N S= 0,8 10-4 m² p= F p S femme = 100 10 5 N/m² p pelle < p femme p femme = 50. p pelle 2. unités et conversion 2.1 Unités légales ou système international Les unités de base du système international sont le mètre, le kilogramme, la seconde, et l ampère (MKSA). Dans l expression de la pression : - La force F est exprimée en N - La surface S est exprimée en m² - La pression P est exprimée en N/m² appelé aussi Pascal (Pa) 2.2 Unités usuelles - déca pascal (dapa) : 1 dapa = 10Pa - kilo pascal (kpa) : 1 kpa= 10 3 Pa - Méga Pascal MPa : 1MPa =10 6 Pa 4 Amor GHARSALLI
- bar (bar) : 1 bar = 10 5 Pa - millibar (mbar) :1 mbar =10-3 bars = 10 2 Pa - atmosphère (atm) : 1 atm = 1,013 bars = 1,013 10 5 Pa 2.3 Unités étrangères - pound square inch (psi ou lb/in²) : 1psi = 68,93 mbar. - inch of water (inh 2 O) ou pouce H 2 O : 1 inh 2 O = 2,4908 mbar. - inch of mercury (inhg) : 1 inhg = 33,864 mbar. Remarque : - 1 psi G =1 psi relative. - 1 at ü = 1 atm relative. - 1 psi A = 1 psi absolue. - 1 psi D = 1 psi différentielle. 2.4 Unités pratiques Ce sont des unités exprimées en hauteur de colonne de liquide - le mètre ( ou millimètre ) colonne d eau (mce ou mmce). - le mètre ( ou millimètre ) colonne de mercure (mhg ou mmhg). 2.5 Conversion Utilisation du tableau de conversion (à titre d exemple) Unité2 U 2 Unité1 U 1 K 1 U 1 = K.U 2 Exemple : 1 mbar = 10,197 mmh 2 O 5 Amor GHARSALLI
Application 2 Convertir 750 mmhg en mbar 21 psi en bar 10 mh2o en bar 3,5 kg/cm² en mbar 75 MPa en atm 55 Mpa en bar Solution 750 mmhg 10 3 mbar 21 psi 21. 6,894 10-2 bar = 1,447 bar 10 mh 2 O 10.10 3 mmh 2 O =10 4 mmh 2 O=10 4.9,81.10-5 bars = 9,81.10-1 bars 3,5 kg/cm² 3,5. 980 = 3430 mbar 75 MPa 75. 9,869 = 740,175 atm 55 MPa 550 bars 3 Notions de base 3.1 Débit massique C est la quantité de masse ( m ) qui traverse la section ( S ) pendant l unité de temps ( t ). Q = m m t S 3.2 Débit volumique c est la quantité de volume ( v ) qui traverse la section ( S ) pendant l unité de temps ( t ). 3.3 Masse volumique Q = v v t C est le quotient de la masse ( m ) d un corps par son volume ( v ). ρ = m v Q = ρ m Q v 6 Amor GHARSALLI
Masse volumique de quelques fluides usuelles Gaz aux CNTP (T=0 C, P= 1 atm) Liquides à 20 C Gaz ρ (kg/m 3 ) liquide ρ (kg/m 3 ) Air 1,293 Acide chlorhydrique 1269 Chlore (Cl 2 ) 3,22 Pétrole 800 Butane (C 4 H 10 ) 2,645 Lait 1030 Azote (N 2 ) 1,250 Alcool 794 3.4 Densité c est le quotient de la masse volumique (ρ ) d un corps par la masse volumique d un corps de référence (ρ r ) à des conditions de pression et de température qui doivent être spécifiées. d= ρ ρ Corps de CTP ρ r (kg/m 3 ) référence liquides Eau T= 4 C 1000 P= 1atm Gaz Air T= 0 C P= 1atm 1,293 r 7 Amor GHARSALLI
4 Relation fondamentale de l hydrostatique On montre que pour un fluide en repos la pression en un point M est donnée par la relation suivante : z dp = - ρ.g.dz z 2 M 2 si la masse volumique ρ est constante on peut écrire : z M M p M +ρ.g.z= cte z 1 - M 1 Ainsi on peut écrire que p + ρ. g. z = + z2 1 M 1 p ρ. g. M2 si z 1 = z 2 alors p p 1= M M2 d où dans un liquide homogène en équilibre, la pression est la même en tous les points d un même plan horizontal ; cette pression est d autant plus grande que le plan horizontal est situé à une plus grande profondeur : p + ρ. gz. = + z 1 M 1 p ρ. g. M2 2 p p = ρ. g.( z2. z1) M M2 1 = h Si z 1 < z 2 alors ( 2. z1) > 0 Soit encore z et on aura p p 0 p pm2 M1 > > M1 M2 Si M 2 est situé à la surface supérieure p p = M1 M2 phyd est dite pression hydrostatique c est la pression exercée par la couche du liquide en dessus du point M1. 8 Amor GHARSALLI
m.g ρ.v.g p F hyd = = = = ρ. S S S g.h M 2 h M 1 Application 3 soit un bac ouvert rempli d un liquide de densité 0,85. déterminer la pression hydrostatique ( en dapa) exercée au fond du bac, sachant que la hauteur est de 2 m, on donne g= 10 ms -2. Solution p hyd = ρ.g.h = 0,85. 1000. 10. 2 =17000 Pa P= 17000 Pa =1700 dapa Domaines de mesure de pression 10-10 10-1 10 2 10 6 10 9 P (Pa) Très basses basses moyennes hautes Pressions Pressions Pressions Pressions (Ultra vide ou vide poussé) (vide moyen) (vide pression) 9 Amor GHARSALLI
5 Les différentes sortes de pressions 5.1 Le vide Le vide est une pression inférieure à la pression atmosphérique. Le vide parfait correspond théoriquement à une pression absolue nulle. Il ne peut être atteint, ni dépassé. Quand on s en approche, on parle alors de vide poussé. 5.2 La pression atmosphérique ou barométrique C est la pression ressentie en chaque point de la surface terrestre. Elle est due au poids des couches d air environnant le globe. La pression atmosphérique varie avec : La température. la latitude (position % à la terre). L altitude (position % à la mer). La pression moyenne au niveau de la mer, à 0 C, est de 1,013 bars. Soit 760 mm Hg. 5.3 La pression absolue C est une pression, positive, mesurée par rapport au vide absolu, par exemple la pression atmosphérique est une pression absolue. 5.4 La pression relative ou effective C est une pression, positive ou négative, exprimée par rapport à la pression atmosphérique. C est l écart entre la pression réelle absolue et la pression atmosphérique P r = P abs - P atm. - Si elle est négative, elle est appelée dépression (voir feuille annexe 1 page 4). - Si elle est positive, elle est appelée surpression. On dit qu un appareil est en pression lorsque la pression enregistrée est supérieure à la pression atmosphérique. Exemples : - Pression de refoulement d un ventilateur ; - Pression d une chambre à air de pneu ; - L eau est refoulée dans le tube en U, vers la branche qui est placée à l air libre. 10 Amor GHARSALLI
On dit qu un appareil est en dépression lorsque la pression enregistrée est inférieure à la pression atmosphérique. Exemples : - Dépression d un ventilateur à l aspiration ; - Dépression à l aspiration d une cheminée ; - L eau est aspirée dans le tube en U, vers la branche qui est reliée à l appareil. Les mots pression et dépression doivent être complétées par : - Statique;. - Dynamique ; - Totale. 5.5 La pression différentielle C est la différence entre deux pressions : P = P A -P B 5.6 Pressions statique, dynamique et totale. Pression statique A l intérieur d un récipient contenant un fluide en repos se crée une pression due au poids de la masse du fluide sur la surface considérée. H * A h 1 * B P s,a = ρ.g.h Avec P s,a : Pression statique ou hydrostatique au point A exprimée en (Pa) ρ.: Masse volumique du liquide contenu dans le reservoir exprimée en kg/ m³ g : accélérateur de pesenteur exprimée en m/s² H : Profondeur du point A exprimée en m 11 Amor GHARSALLI
Pression hydrodynamique (ou dynamique) Si le fluide est en mouvement il craie une pression supplémentaire P d, dite pression dynamique ou hydrodynamique. h 2 h 1 h B * P d,b = ½ ρv B 2 Avec P d,b : Pression dynamique ou hydrodynamique au point B exprimée en (Pa) ρ.: Masse volumique du liquide contenu dans le réservoir exprimée en kg/ m³ g : accélérateur de pesanteur exprimée en m/s² V A : vitesse du fluide (m/s) P s,b = ρ g h 1 P d,b = ½ ρv 2 B = ρ. g.h 2 P t,b = P s,b + P d,b = ρ g h 1 + ½ ρv 2 B = ρ.g.( h 1 + h 2 ) = ρ g h 12 Amor GHARSALLI
Pressions Pression relative Pression absolue P 1 P 2 Pression différentielle P atm Dépression Pression absolue (vide) Zéro Absolue Les différents types de pression 13 Amor GHARSALLI
II/ Les capteurs de pression (ou manomètres de pression) 1 Principe Un manomètre ou capteur de pression est un instrument destiné à mesurer la pression des fluides (liquide ou gaz). Les mesures de pression sont effectuées suivant différents principes à savoir : - Application d une masse connue en réaction à l effet d une pression sur une section connue (balances manométriques). - Modification du niveau d un liquide sous l effet de la pression (manomètre à liquide). - Détection de la déformation d un élément sensible sous l effet de la pression : on site par exemples : Tube de bourdon. Capteurs de pression à jauges métalliques, Capteurs de pression à jauges piézo-résistives, Capteurs de pression par variation d inductances, Capteurs de pression piézo-électriques. 2 Modes de détermination de la pression On peut concevoir ou réaliser des appareils pour mesurer : - La pression différentielle : chacune des deux prises de pression est reliée à un coté de l organe sensible de l appareil de mesure. - La pression absolue : l un des cotés de l appareil est relié à la prise de pression l autre est branché au vide intégral. - Il existe également des appareils qui mesurent la pression au-dessus et en dessous de la pression atmosphérique (pression relative), ces appareils sont appelés mano-vacuomètres. 14 Amor GHARSALLI
Pression relative Pression absolue Pression différentielle P atm x P x Vide P P 1 x + x P 2 x = f(p-p atm ) x = f (P-vide) x = f (P) x = f (P 1 -P 2 ) x = f ( P) Les modes de détermination de la pression 3 Classification des capteurs (manomètres) 3.1 Balance manométrique Dans le capteur de pression à équilibre de force ou balance manométrique, le système contrebalance les effets des forces de pression pour rester dans une position d équilibre. P atm P atm P A P atm P1 F = M.g A M 0 0 A P A F M. g = = S S S 15 Amor GHARSALLI
3.2 Capteurs hydrostatiques ou Manomètres à liquide C est le plus simple de tous les manomètres. Son principe repose sur l application de la relation P A P B = ρ g (Z B Z A ) et la mesure consiste à déterminer la hauteur h = Z B Z A, Les manomètres couvrent un domaine de 10 à 10 5 Pa pour la mesure de pression de gaz uniquement. 1. Manomètres à un seul liquide (tube en U) P A P B Ils sont essentiellement constitués d un tube en U contenant un liquide dont une branche est raccordée à la pression P A à mesurer et l autre en communication avec la pression P B. P A - P B = ρgh Bien souvent P B = P atm on mesure alors P A Patm = ρ g h qui est la pression relative au point A 16 Amor GHARSALLI
La lecture se fait en mesurant la hauteur h qui sépare le niveau inférieur dans la branche gauche du niveau supérieur dans la branche droite, par l intermédiaire d une réglette graduée placée entre les deux branches. Les deux liquides les plus utilisés sont : - Le mercure pour les fortes pressions : - L eau pour les faibles pressions. 2. Manomètre à un seul liquide avec réservoir Nous avons vu qu en mesurant la pression avec le tube en U précédent on est obligé d effectuer deux lectures et l erreur de lecture sera multipliée par deux. Si on remplace la branche gauche du tube par un réservoir de diamètre très supérieur à celui de l autre branche, une seule lecture suffira : en effet, le niveau dans la partie large ne varie que très peu lorsqu on applique sur cette dernière une pression. P A P atm = ρ g h = ρ g (h 1 + h 2 ) Si la section S1 du réservoir est suffisamment grande devant la section S2 du tube, on peut écrire en première approximation P A P atm = ρ g h 2 C est à dire h 1 est négligeable devant h 2 La lecture se fait en repérant devant une échelle graduée, la hauteur correspondante au niveau supérieur dans le tube. A P A S1, D h 2 h 1 P atm S2, d h Exercice Quelle dimension D faut-il donner au réservoir pour que h 1 soit négligeable devant h 2, c est à dire qu on peut confondre P = P A P atm = ρ g h à ρ g h 2 et que la précision de l appareil soit 0.5% ( h 1 0.5% h 2 ). Déterminer la valeur de D si d = 4 mm? Solution Le volume du liquide qui a disparu du réservoir est égal au volume qui est apparu dans le tube étroit. 17 Amor GHARSALLI
Π S h = 1 1 S 2h2 2 2. D Π. = d 1 4 h h d 4 h 2 2 D = 1 2 soit : 2 d h h1 = 2 2 D h 2 Or la pression en toute rigueur s écrit : P = P 1 P 2 = = ρ g h = ρ g (h 1 + h 2 ) Pour confondre P à ρgh 2 il faut que : h 1 << h 2, soit encore d 2 << D 2, par exemple D = 10 d. Pour que la précision de l appareil soit inférieure à 0.5%, on doit avoir h 1 0.5% h 2 Soit encore : 1 0.5% c est à dire 2 d 0.5 2 % h h 2 D 2 2 D 200. d soit D d 200 Pour d= 4 mm D 56mm 3. Variante du manomètre à un seul liquide avec réservoir D 2 2 d 0.5% Pour augmenter la précision des mesures, on utilise une variante du manomètre à réservoir, qui consiste à incliner le tube. On mesure alors une longueur (L) h L = Or cos α < 1 donc L > h cosα Donc au lieu d observer une dénivellation h assez faible, on observera une dénivellation de h L = plus grande cosα Exemple : α = 60, cosα = 0.5 L = 2h L incertitude absolue étant la même que le tube soit vertical ou incliné h = L La précision sur l étendue de mesure accrue L / L < h / h. 18 Amor GHARSALLI
P 1 h α L manomètres à un seul liquide, avec réservoir et à tube incliné 4. Manomètre à deux liquides Dans chaque branche du tube, le liquide de masse volumique ρ, est surmonté d un autre le liquide de masse volumique ρ. P A - P B = ρgh Or P A = P 1 + ρ gh 1 P B = P 2 + ρ gh 2 P 1 P 2 h1 h2 P 1 -P 2 = P A -P B + ρ gh 2 - ρ gh 1 P 1 -P 2 = ρgh + ρ gh 2 - ρ gh 1 = ρ gh - ρ g(h 1 -h 2 ) P 1 -P 2 = ρgh ρ gh = ( ρ - ρ )gh Bien souvent A h P 2 = P atm on mesure alors P 1 Patm au point 1 = ( ρ - ρ ) gh qui est la pression relative 19 Amor GHARSALLI
5. Manomètre à deux liquides et à deux réservoirs P 1 P 2 h Manomètre à deux liquides et à deux réservoirs 6. Baromètre ( mesure de la pression atmosphérique) Initialement rempli de mercure, le tube est ensuite placé verticalement comme représenté sur la figure, si la longueur du tube est suffisante, le niveau du mercure n atteint pas le sommet du tube. La partie non remplie contient de la vapeur de mercure à une pression de 1 Pa à 40 C qui est pratiquement négligeable (1Pa = 10-5 atm) soit du vide (P B = 0). P A P B = ρ Hg g h = P A P vide = P A = ρ Hg g h Vide B h =760 A Baromètre mercure ( ρ Hg ) Or P A = P atm P atm = ρ Hg g h 20 Amor GHARSALLI
Exercice Calculer la pression en B si h = 760 mm. P B = P atm = ρ Hg g h = 760 10 - ³ * 9.81 * 13.6 10³ = 1.013 10 5 Pa P B = P atm = 1.013 10 5 Pa = 1 atm II-3-3 Capteurs à déformation élastique ( manomètre métallique) Le principe de fonctionnement de ces appareils repose sur la déformation d un tube, d une membrane ou d un soufflet généralement métallique, sous l action de la force créée par la pression à mesurer. Le déplacement de la partie déformée est amplifié par un mécanisme à roue dentée qui entraîne une aiguille devant un cadran gradué. Ce mécanisme est au contact de l air dans les appareils destinés à la mesure de pression, soit constante soit variante lentement (manomètre sec). En revanche, lorsque ces manomètres sont soumis à des vibrations, il est indispensable de placer le mécanisme dans un liquide visqueux qui amortit les mouvements rapides de l aiguille et lubrifie le mécanisme (manomètre à bain d huile). Les liquides généralement utilisés sont la glycérine, les huiles au silicone et l huile de vaseline. 1. Manomètre à tube de BOURDON Fonctionnement : Le tube de Bourdon est brasé, soudé ou vissé avec le support de tube qui forme généralement une pièce complète avec le raccord. La mesure est effectuée à partir de la déformation d un tube creux enroulé en spirale associé à un mécanisme permettant la lecture. Lorsque le fluide passe à l intérieur du tube, sous l action de la pression, la spire se déforme, entraînant le déplacement de l aiguille sur le cadran du manomètre. Afin d être protégés contre des détériorations, le système de mesure, le cadran et l aiguille sont montés dans un boîtier. Utilisation : Les manomètres à tube de Bourdon sont utilisés pour la mesure de pressions positives ou négatives de fluides gazeux ou liquides, à condition que ceux-ci ne soient ni hautement visqueux ni cristallisant. Les étendues de mesure s'étalent sur toutes les plages : de 0... 0,6 bar à 0... 4000 bars. La forme du tube dépend de l'étendue de mesure. Pour les étendues jusqu'à 0... 40 bars inclus on utilise normalement la forme en arc et à partir de 0... 60 bars la forme hélicoïdale. Les appareils sont fabriqués avec le raccordement vertical ou arrière. Il est conseillé de ne les utiliser qu entre le premier quart et le dernier quart de l échelle à cause de l hystérésis. Il convient 21 Amor GHARSALLI
également de les protéger contre les risques de surpression ou de dépassement d échelle. Le tube de Bourdon ne permet pas de mesurer les phénomènes rapides et évolutifs de pression. L incertitude de mesure varie de 0,02 à 0,2 % pour le domaine de mesure de 0 à 3 10 8 Pa. Raccordement vertical Raccordement arrière 22 Amor GHARSALLI
1. Organe moteur, tube de Bourdon 2. Support de tube 3. Capuchon du tube 4. Secteur denté 5. Biellette 6. Engrenage 7. Aiguille 8. Cadran 23 Amor GHARSALLI
2. Manomètre à séparateur Manomètre à séparateur Fonctionnement : Ils sont utilisés pour des mesures de pression pour : Un fluide fortement corrosif, qui risque d attaquer l organe sensible du manomètre ; Huile Un liquide chargé en matière solide ; Un liquide chaud mais susceptible de cristalliser dans l organe de mesure à la température ambiante. On utilisera alors un manomètre classique, mais isolé du fluide par une membrane souple transmettant intégralement la pression à une huile remplissant l espace au-dessus de la membrane ainsi que l intérieur de l organe déformable du manomètre. 24 Amor GHARSALLI
3. Manomètre à membrane Fonctionnement : Ils ont souvent la même forme que les manomètres à séparateurs, mais de principe différent, cette fois la force de pression agit sur une membrane, circulaire élastique, tendue entre deux brides dont la déformation est transmise directement à l organe de lecture (aiguille) et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression. En cas de risque de corrosion due à des fluides agressifs, on peut protéger toutes les parties en contact avec le fluide par enduction de plastique ou par un film de protection. Manomètre à membrane 1. Bride inférieure 2. Chambre de pression 3. Bride supérieure 4. Organe moteur, la membrane 5. Vis 6. Biellette 7. Engrenage 8. Aiguille 9. Cadran 25 Amor GHARSALLI
Utilisation : Les manomètres à membrane sont utilisés principalement pour la mesure de faibles pressions positives ou négatives de fluides gazeux ou liquides. Les étendues de mesure possibles s'étalent sur toutes les plages selon DIN de 0...16 mbars à 0... 40 bars. Les membranes de ces manomètres sont très minces et ondulées. De par leur forme, ils sont moins sensibles aux vibrations que les manomètres à tube et sont plus faciles à protéger contre les surcharges et les fluides agressifs. Pour l'utilisation avec des fluides hautement visqueux ou cristallisants il est possible de les équiper de brides ouvertes. Les appareils sont fabriqués avec un montage de membrane horizontal (à angle droit par rapport au cadran) ou vertical (parallèle par rapport au cadran). Etant donné qu'il n'y a pas de différence fondamentale de fonctionnement. 4. Manomètre de pression absolue Fonctionnement : Le principe de mesure de la pression absolue est indépendant de la forme de l'organe moteur. La pression du fluide à mesurer est mesurée par rapport à une pression de référence qui doit être égale à la pression absolue (vide absolu). C'est à dire le côté de l'organe moteur qui n'est pas en contact avec le fluide à mesurer doit se trouver à cette pression de référence. Selon la forme de l'organe moteur, on l'atteint en évacuant et étanchéifiant soit une chambre de référence soit le boîtier enrobant le système. La transmission du mouvement de l'organe moteur s'effectue comme pour les manomètres pour pression relative. 1. Organe moteur 2. Chambre de référence 3. Chambre de mesure 4. Soufflet métallique 5. Biellette 26 Amor GHARSALLI
Utilisation : Les manomètres pour pression absolue sont utilisés pour la mesure de pression sans subir les variations de la pression atmosphérique environnante. Les étendues de mesure possibles s'étalent sur toutes les plages selon DIN de 0...10 mbar à 0...100 bars absolus. Organes séparateurs 5. Manomètre à Capsule Manomètre à Capsule Fonctionnement : Un tel manomètre est réalisé à partir de deux membranes circulaires ondulées, élastiques, soudées à leurs périphériques. La capsule est montée sur le raccord soit directement soit par l'intermédiaire d'un tube métallique. Par un trou dans le raccord le fluide à mesurer passe à l'intérieur de la capsule. Sous l'effet de la pression les demiparties de la capsule se bombent. Ce déplacement proportionnel à la pression mesurée est transmis par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression. Afin d'être protégés contre des détériorations, le système de mesure, le cadran et l'aiguille sont montés dans un boîtier. 27 Amor GHARSALLI
1. Support de l organe moteur 2. Organe moteur, la capsule 3. Biellette 4. Mouvement 5. Aiguille 6. Cadran Utilisation : Les manomètres à capsule sont utilisés pour la mesure de faibles et très faibles pressions positives ou négatives, spécialement pour des fluides gazeux. Il y a certaines restrictions pour la mesure de liquides. Les étendues de mesure possibles s'étalent sur toutes les plages selon DIN de 0... 2,5 mbar à 0... 600 mbar. Les organes moteur à capsule sont une forme spéciale de membrane. Ils comportent deux membranes ondulées concentriquement, assemblées de façon étanche en une capsule. Pour les étendues de mesure très basses il est possible d'assembler plusieurs capsules pour en faire un genre de soufflet. Pour les appareils type de profil on utilise un soufflet conventionnel. Les appareils sont fabriqués soit avec la capsule montée verticalement (parallèle au cadran), soit horizontalement (perpendiculaire au cadran). Le raccordement se fait en dessous ou à l'arrière. 28 Amor GHARSALLI
6. Manomètre à soufflet L élément sensible est un soufflet métallique à paroi relativement mince ondulée, fabriqué soit en alliage cuivreux (Bronze phosphoreux, cuivre) soit en acier inoxydable. Manomètre à soufflet 7. Avantages et inconvénients Avantages précision, domaine d emploi Inconvénients prix, complexité 29 Amor GHARSALLI
II-3.4 Capteurs électriques Ils sont particulièrement bien adaptés aux techniques modernes de régulation, traitement informatique des données, etc. Les variations de pression peuvent se traduire par des variations de différence de potentiel, de capacité, d induction, de résistance, etc. Mais sont généralement transformées pour obtenir en sortie du capteur, un courant électrique d intensité variant avec la pression, généralement de 4 à 20 ma. Phénomène Variation de résistance Variation de tension Variation capacité d un condensateur Variation d induction Création des charges électrique dans un cristal Désignation du capteur Capteur à jauge de contrainte Capteur potentiométrique Capteur à variation capacité Capteur à variation d induction Capteur à cristal piézoélectrique 1. Capteurs à jauges de contrainte (capteurs piézoresitifs) Ces capteurs encore appelés capteurs à jauge d extensiomètrie sont constitués d un ruban métallique extrêmement fin, de quelques mm² de surface, collé ou directement déposé sur la pièce qui subit la déformation. La jauge est donc soumise à des variations de longueur qui se traduisent par des variations de sa résistance électrique, proportionnelles aux variations de pression. Si on place la jauge dans un pont de Wheatstone, la variation de résistance engendre alors un signal électrique en fonction de la pression à mesurer. Capteurs à jauges de contrainte 30 Amor GHARSALLI
2. Capteur potentiométrique Capteur potentiométrique Le curseur d un potentiomètre est lié à une membrane, un tube de bourdon ou une capsule de manière à ce que la déformation de ce corps d épreuve entraîne un déplacement X du curseur. Pour un potentiomètre de résistance totale R alimenté par une fém. E, la tension entre le curseur et l une de ses extrémités est : V R( X ) = E., R(x) R étant la résistance entre le curseur et l une des extrémités du potentiomètre. s il y a proportionnalité entre : - La pression P à mesurer et la déformation du corps d épreuve. - La déformation du corps d épreuve et le déplacement (X) du curseur. - Le déplacement X du curseur et R(x). On a alors V = k E P k étant une constante, et la mesure de V permet alors de déterminer la pression P. 3. Capteur à variation de capacité Ce type de capteur comporte, dans un boîtier, une électrode plane solidaire de la face soumise à la déformation. Sous l action de la pression, l électrode se déplace perpendiculairement à sa surface, faisant ainsi varier l intervalle qui la sépare d une deuxième électrode, parallèle à la première, fixée au boîtier du capteur. Chacune des électrodes constitue les armatures d un condensateur dont la Capteur à variation de capacité 31 Amor GHARSALLI
capacité varie avec la pression. On place ce condensateur soit dans un pont de Wheatstone en alternatif, soit dans un circuit oscillant pour convertir la pression en une grandeur électrique. Avec ce type de capteur, la précision de meure est de l ordre de 0,5% de l entendue de mesure. 4. Capteur à variation d induction Bobine Noyau Capteur à variation d induction Lorsqu un conducteur se déplace dans un champs magnétique fixe, il est le siège d une fém. (d un courant induit) proportionnellement à sa vitesse. De même lorsqu un circuit fermé est soumis à un flux d induction (champ magnétique) variable (aimant par exemple) le courant induit, dont il est le siège, est proportionnel à la vitesse de variation de ce flux. Si un noyau magnétique N solidaire à un élément sensible d un capteur de pression (membrane, capsule ou soufflet) subit un déplacement sous l effet de la déformation de ce dernier. On observera des variations de courant induit liées à la position de N vis à vis des bobines donc à la pression. 5. Capteur à cristal piézoélectrique Les forces de pression qui agissent sur un cristal piézoélectrique font apparaître des charges électriques qui donnent naissance à une différence de potentiel proportionnelle à la pression à mesurer. Ce capteur convient essentiellement à la mesure des variations rapides de pression. Capteur à cristal piézoélectrique 32 Amor GHARSALLI