Mesure et capteurs de pression 02/03/2002  Pascal DEREUMAUX 
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capteurs


 1. Définition de la pression 
La pression est la force appliquée à une surface ou répartie sur celle-ci.
Elle se définit comme suit :
                                            équation
P : pression en N/m² ( 1 Pa = 1 N/m²)
F : force en Newton
S : surface en m²
La pression est souvent exprimée en bar ( 1 bar = 105 Pa)
Certains constructeurs utilisent des unités anglo-saxonnes p.s.i ( 1 p.s.i = 0,07 bar)

 2. Différents types de pression 
Pression absolue : pression mesurée au dessus du vide total ou du zéro absolu. Le zéro absolu représente une absence de pression.

Le vide : il correspond théoriquement à une pression absolue nulle. Il ne peut être atteint, ni même dépassé. Quand on s'en approche, on parle alors de vide poussé.

Pression atmosphérique (ou barométrique) : C'est la pression exercée par l'atmosphère de la terre. La pression atmosphérique au niveau de la mer est de 1,012 bar.
Elle peut varier de +/- 25 mbar avec la pluie ou le beau temps.
La valeur de la pression atmosphérique décroît lorsque l'altitude augmente.

Pression relative : C'est la pression au dessus de la pression atmosphérique. Elle représente la différence positive entre la pression mesurée et la pression atmosphérique existante.
C'est celle qui est le plus souvent utilisée, parce que la plupart des capteurs sont soumis à la pression atmosphérique et mesurent en relatif. Pour faire une mesure en absolu, il leur faut un vide poussé dans une chambre de référence (pression de gonflage d'un pneu par exemple).

Pression différentielle : C'est la différence de deux pressions ou la différence de grandeur entre une valeur de pression donnée et une pression de référence donnée.

Pression hydrostatique : C'est la pression exercée au dessous de la surface d'un liquide par le liquide situé au dessus, quand le fluide est au repos.
A l'intérieur d'une colonne de fluide se crée une pression due au poids de la masse de fluide sur la surface considérée. 
Cette pression est  P = r x g x h (avec r masse volumique du fluide).

atmosphérique

Pour chacun de ces récipients, la pression au fond de ceux ci est identique :
P1 = P2 = P3 = Pa + r x g x h

Pression hydrodynamique : elle résulte de la vitesse du fluide en mouvement.
Un fluide qui se déplace crée une pression supplémentaire : 
équation
Avec v : la vitesse de déplacement du fluide en m/s

Dépression : pression en dessous du niveau atmosphérique.

Définition des pressions

définition

Constitution des capteurs correspondants

capteurs

 

 3. Constitution des capteurs de pression 

 3.1. Principes 
Dans tous les cas, les capteurs de pression peuvent se ramener au schéma synoptique ci-dessous.

principe

Le corps d'épreuve est l'élément mécanique qui, soumis au variations de la grandeur à mesurer a pour rôle de transformer celle-ci en grandeur physique mesurable.

On distingue deux grandes familles :

Il est bon de distinguer les indicateurs de pression, qui permettent simplement de visualiser, des capteurs - transmetteurs qui délivrent un signal analogique (4-20 mA, 0-10 V etc...) correspondant à la grandeur mesurée.

 3.2. Capteurs utilisant un liquide      
On trouve, parmi ces instruments le plus simple de tous les indicateurs de pression de l'industrie, le manomètre à liquide. Lorsque les pressions statiques sont faibles et que seule une indication visuelle est requise, on se sert de manomètres visuels. La figure ci-dessous montre respectivement les très simples manomètres à tube en U, à puits (ou réservoir) et incliné.
Dans le cas de pressions élevées, on se sert de mercure comme liquide. Dans ce cas, c'est la position d'un flotteur à la surface du mercure qui définit le niveau de mercure, lequel à son tour définit la pression requise pour lui faire atteindre ce niveau.

manomètre

manomètre


 3.3. Capteurs à déformation de solide 
On utilise ces capteurs en cas de besoin d'une indication ou d'un enregistrement direct de la pression différentielle et là où un fluide de remplissage sera nocif pour le procédé.
Sous l'action de la pression, un solide se déforme de manière élastique. Différents matériaux sont utilisés, caoutchouc, matières plastiques, alliages métalliques, acier inoxydable.
La membrane peut être soumise à une pression sur l'une de ses faces ou à deux pressions (une par face). La pression peut agir directement sur la membrane ou indirectement par l'intermédiaire d'une tige ou d'une liaison hydraulique.

On trouve notamment :

Le tableau ci-dessous rappelle quelques critères de choix de ce type de capteurs.

Principe Type Sous type Critères
Colonne de
liquide
Manomètre
à tube en U
  -indicateur
-faibles pressions
Manomètre
à tube incliné
  -mesures des très faibles pressions
-plus grande précision que le tube en U
Déformation de
solide
Manomètre
à tube de
Bourdon
  -indicateur à aiguille
-peut fonctionner en déprimomètre
-peut être équipé de contacts mini et maxi pour une utilisation en pressostat
Manomètre
à soufflet
  -mesure de la pression atmosphérique jusqu'à des pressions de 25 bars avec une bonne précision
-peut être associé à un tambour enregistreur
Manomètre
à membrane
Capteur à
jauge de contrainte
-délivre un signal analogique fonction de la déformation de la jauge sous la pression
-traitement d'un signal faible et influence de la température augmente la complexité et le coût du capteur
Capteur à
transfo. différentiel
-mesure d'une pression différentielle (courant induit par le déplacement de la membrane)
-robuste et précision (-1%)
-non conseillé pour les variations rapides de pression (quelques Hz)
Capteur à effet capacitif -la capacité électrique varie en fonction de la déformation de la membrane
-mesure des très faibles pressions
-excellent temps de réponse
Piézo-électrique Capteur piézo-électrique - -la pression appliquée au quartz fait varier sa fréquence de résonance
-temps de réponse très rapide
-peu sensible (quelques millibars)
-coût avantageux pour des pressions > 100 mbar


 3.4. Les transmetteurs de pression 
    
Comme décrit précédemment, on utilise souvent le transmetteur de pression lorsqu'on doit réaliser l'indication et / ou l'enregistrement d'une pression en un lieu non adjacent à l'élément primaire en contact avec le milieu soumis à la pression.
La figure suivante donne un exemple de transmetteur électronique.

transmetteur


Le principe utilisé est celui de la technique capacitive à deux fils. La pression du procédé est transmise à travers les membranes isolantes et un fluide de remplissage constitué d'huile de silicone à une membrane détectrice placée au centre de la cellule.
La membrane détectrice agit comme un ressort étiré qui fléchit en réponse à une pression différentielle qui la traverse.
Le déplacement de la membrane détectrice est proportionnel à la pression différentielle.
Sa position est détectée par les plaques de condensateur qui sont situées de part et d'autre de la dite membrane. La différence de capacité entre la membrane détectrice et les plaques de condensateur est convertie électroniquement en un signal 4-20 mA.


 4. Choix d'un transmetteur 
Parmi les considérations à prendre en compte dans le choix d'un transmetteur, nous citerons :


 5. Liste de quelques constructeurs de capteurs de pression 
BAMO Mesures
DANFOSS
EMERSON PROCES MANAGEMENT (ex FISHER ROSEMOUNT)
ENDRESS HAUSER
HAENNI
KELLER
KOBOLD INSTRUMENTATION
KROHNE SA
MILLTRONICS
SCAIME
VEGA


 6. Site Internet utiles 
http://www.cidip.com/
http://www.jautomatise.com
http://www.danfoss.fr
http://www.haenni-instr.com/

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