LA MESURE DE PRESSION PRINCIPE DE BASE

/ 6 LA MESURE DE PRESSION PRINCIPE DE BASE 1) Qu est-ce qu un sensor de pression? Tout type de sensor est composé de 2 éléments distincts : Un corps d épreuve soumit au Paramètre Physique φ à mesurer + plusieurs autres paramètres agissant comme des perturbations indésirables. Sous l influence du Paramètre à mesurer + l influence des perturbations indésirables, le Corps du sensor change de dimension (du fait de la contrainte induite générant une déformation externe) ou un changement de Température ou les deux. Un Elément Sensible qui converti la Déformation ou le changement de Température en un signal électrique aisément mesurable au moyen d un appareil de mesure électronique ordinaire. φ SENSOR Paramètre Physique Signal Electrique Ainsi, le but d un sensor est de capter le paramètre physique et de le convertir en un signal électrique, de tel sorte que le signal de sortie soit le plus élevé possible pour le paramètre désiré et soit le plus faible possible au regard des paramètres indésirables. Le design d un Sensor est l affaire de Spécialistes et les caractéristiques en résultant doivent être reprises dans une Fiche de Données permettant à l utilisateur final de déterminer la performance de sa mesure dans les conditions d environnement où le sensor est utilisé. En prenant comme exemple un Sensor de Pression utilisé à bord d un véhicule, les conditions environnementales externes sont habituellement : Température Résultant en un signal S T Humidité Résultant en un signal S RH Vibrations Résultant en un signal S V Accélération ou décélération Résultant en un signal S A or D Autres Octobre 2005

/ 6 Si le Signal pression souhaité est nommé S P, alors le Signal de sortie combiné est : S = S P + S T + S RH + S V + S A ou D + Comme il est impossible de séparer le signal utile S P des autres, on comprend alors l importance d avoir le signal S P le plus élevé possible et les autres aussi faible que possible. Les paramètres indésirables génèrent des erreurs telles : E T, E RH, E V, EA ou D. Par conséquent, l Erreur globale sur la mesure de Pression sera : E P = [ (E T ) 2 + (E RH ) 2 + (E V ) 2 + (E A ou D ) 2 ] C est pourquoi, il apparaît être un non sens de chercher l indication de la Précision dans la Fiche de Spécification du Fabricant, du fait que les résultats dépendent des conditions d utilisation du Sensor. 2) Comment définir la Pression à mesurer? P Echelle Universelle de Pression Pression inconnue Px Mesure de Pression Absolue Mesure de Pression Relative Mesure de Pression Différentielle Pression de Référence Pr Pression Atmosphérique PA Vide absolu La première façon de définir la pression inconnue Px, est de la référencer au Vide Absolu (aucune trace résiduelle de molécules de gaz ou de liquide). La mesure Absolue est la différence (Px 0)

/ 6 En pratique, les mesures Absolues sont assez rare en applications industrielles car la génération d un bon niveau de vide (exemple 10-6 mm Hg) est longue, compliquée et coûteuse à obtenir. Ce genre de mesure concerne seulement un faible pourcentage des applications industrielles. C est pourquoi la manière suivante est fréquemment utilisée. La seconde façon de définir la pression inconnue Px, est de la référencer à la Pression Atmosphérique PA ambiante, laquelle est disponible partout (et gratuite!). La mesure (Px PA) est appelée mesure de Pression Relative. Relative signifie que la mesure est référencée par rapport à la PA au moment et à l endroit où la mesure est effectuée, parce que la PA n est pas la même au niveau de la mer ou au sommet d une montagne. De plus, en un endroit donné, elle varie à chaque instant. Il est a noté que ce type de mesure signifie normalement que la valeur de la PA doit être connue. En pratique, elle ne l est pas la plupart du temps. La troisième façon de définir la pression inconnue Px, est de la relier à une Pression de Référence connue Pr (supposée être connue par rapport au niveau du Vide). Dans ce cas, la mesure (Px Pr) est appelée mesure de Pression Différentielle. En comparant les 3 façons de relier la pression inconnue à une autre, il apparaît que la façon universelle de définir une pression est de faire une mesure de Pression Différentielle. Par la suite, une mesure Relative ou une mesure Absolue devient un cas particulier d une mesure Différentielle où respectivement, la Pression de Référence est la PA ou le vide. Cette remarque importante nous conduit à la description correspondant aux 3 sortes de Sensors de Pression. 3) Structures des Sensors de Pression : Sensors de Pression Différentielle Pr CH 1 CH 2 Px V S = k (Px Pr) Le sensor comprend 2 chambres : CH1 est la Chambre de Référence où Pr est appliquée CH2 est la Chambre de Mesure où Px est appliquée. Les 2 chambres sont séparées par un élément déformable (une membrane ou tout autre élément classique utilisé dans la conception des Sensors). Les éléments sensibles sont placés dans la Chambre de Référence (jauges extensométriques, système capacitif, ou tout autre élément sensible classique utilisé dans la conception des Sensors). Le signal de Sortie est proportionnel à (Px Pr).

/ 6 Un sensor de Pression Différentielle est communément employé dans la mesure d un Débit dans une canalisation : d A B D S P P 1 P 2 Il est bien connu que si un fluide (ayant une viscosité η) circulant à travers une canalisation (ayant un certain Diamètre D) à une vitesse S, il apparaît entre les 2 points A et B à une distance d un Delta P = P1 P2 proportionnelle à la vitesse S et par conséquent, proportionnelle au Débit. Si les 2 trous correspondants aux sections A et B sont connectés à un Sensor de Pression Différentielle, il en résulte que son signal de sortie est directement proportionnel au Débit. 2 concepts sont extrêmement importants : La Pression moyenne P dans la canalisation (appelée Pression de Ligne) est habituellement haute en comparaison de la pression différentielle P représentant le débit. Par exemple, si la Pression de Ligne est 100 bar, le P peut être aussi faible que 100 mbar. Cela signifie que si, pour une raison quelconque, l un des 2 tubes de liaison se rompt (ramenant de ce fait la Pression Atmosphérique sur l un des côtés), la Pression de Ligne est directement appliquée sur un seul côté du sensor: Ou bien il a été défini pour résister à cette configuration, ou bien il explose. Danger! Ainsi, la sélection d un sensor de Pression Différentielle doit être faite en considérant : - La Pression de Ligne Maximum admissible. - La valeur de la pression différentielle à mesurer. - Le niveau de protection en cas de rupture. Le fluide peut être un gaz ou un liquide. Il peut être agressif ou non. Lorsque l application concerne un gaz sec et non corrosif, sur les deux côtés, le sensor de Pression Différentielle sera désigné comme un Dry-Dry ( Sec-Sec ). Lorsqu il s agit d un liquide en contact sur un des côtés du sensor, le sensor de Pression Différentielle sera désigné comme un Wet-Dry ( Humide-Sec ). Si les deux côtés sont en contact avec un liquide, l appellation du sensor deviendra Wet- Wet ( Humide-Humide ). Quand le fluide est agressif des deux côtés du sensor, la sélection est nécessairement un sensor Humide-Humide, de sorte que les éléments sensibles internes sont protégés.

/ 6 Avant de faire la sélection d un sensor de Pression Différentielle, il est fortement recommandé de prendre conseil auprès d un Spécialiste. Sensors de Pression Relative Comme il a été dit précédemment, un Sensor de Pression Relative est un cas particulier d un Sensor de Pression Différentielle. Il a par conséquent la même structure de base : PA CH 1 CH 2 Px V S = k (Px PA) Dans le cas présent, la pression de référence est la Pression Atmosphérique PA, de telle sorte que la chambre interne CH 1 est laissée ouverte à l Atmosphère. Un appareil Différentiel peut réaliser cette fonction, mais il serait beaucoup trop onéreux. Un sensor Relatif est mieux adapté, du fait d une construction interne plus simple comparé à un sensor Différentiel. Sensors de Pression Absolue Dans le cas présent, la Chambre de Référence doit être référencé par rapport au vide. Cela signifie que le Constructeur doit pomper la chambre CH 1 jusqu à obtenir le vide. Scellement sous vide CH 1 CH 2 Px V S = k (Px Zéro) Le niveau du vide étant en théorie le Zéro Pression, la formule ci-dessus s applique et par conséquent un Sensor de pression Absolue donne une lecture directe d une Pression Absolue. En pratique, les Sensors en Absolue industriels sont pompés jusqu à un vide Primaire (environ 10-3 mm Hg) obtenu au moyen d une pompe à simple stage. Note : Quand la chambre CH 2 est à la PA, le Sensor Pression Absolue donne la valeur de la Pression Atmosphérique (évident)! Cela signifie qu un Sensor 1 bar Absolu est pratiquement saturé à la PA. Par conséquent pour lire la valeur du Zéro fixée pour le sensor, il est nécessaire de pomper jusqu au vide avant d effectuer la lecture.

/ 6 Exemple : Pour réaliser une mesure de pression sensiblement égale à 200 mbar en dessous de la PA, ne choisissez pas un Sensor 200 mbar Absolu, car celui-ci a fonctionne seulement entre le vide et 200 mbar Absolu! Echelle Universelle de Pression Mesure souhaitée (environ 800 mbar Abs.) Pression Atmosphérique PA (environ 1000 mbar Abs.) 200 mbar Absolu Niveau du Vide La bonne solution consiste à sélectionner un sensor Relatif admettant la mesure d une pression négative (sous la PA) ou un appareil 1 bar Absolu, lequel indiquera 800 mbar Abs. Sensors de Pression Relatif Scellé : Prudence! Quelquefois, une mesure de Pression Relative est à réaliser dans un environnement humide ou agressif : Dans pareil cas, l humidité ambiante peut générer de la condensation quand la température varie, ou provoquer à plus ou moins long terme la destruction des éléments sensibles internes. De manière à éviter ce genre d ennui, il est préférable d utiliser un Sensor Absolu (dans ce cas les éléments sensibles internes sont parfaitement protégés grâce au scellement sous vide de la chambre de référence) ou alors il est possible de sceller le sensor à la PA. Dans cette configuration le Sensor est appelée Relatif Scellé. L inconvénient de cette solution économique comparé à un sensor Absolu, est que : a) Si la température varie, la Loi d Avogadro s applique : PV = P 0 V o (1 + α T) P = α T Comme α = 1/273 cela génère une variation de la pression interne de référence de 0.37 % / C. Si la température reste constante, la solution est valable. Si la température varie, le sensor fonctionne comme un Thermomètre! b) Même si la température est constante, les variations de la PA (couramment de 950 à 1050 mbar) génèrent une erreur. Si l étendue de mesure du sensor de pression est suffisamment élevée pour assurer la précision demandée, la solution est OK. La plus grande précaution doit être prise pour les applications de faible pression.