Un capteur de pression convertit les variations de pression mécanique dans les gaz ou les liquides en signaux électriques. Les types de capteurs de pression les plus répandus sont basés sur le principe piézorésistif, capacitif ou piézoélectrique.
Comment fonctionne un capteur de pression ?
Un capteur de pression mesure la pression en déformant une membrane de mesure sous l'effet de la pression. Cette déformation est convertie en un signal électrique par différentes technologies de capteurs, puis traitée et transmise à des appareils externes pour la surveillance et la commande de process dépendant de la pression. La mesure de pression est l'une des technologies les plus importantes et les plus utilisées pour surveiller et contrôler des machines et des installations dans la technologie des process. Baumer propose une large gamme de capteurs de pression pour les applications les plus diverses.
Un capteur de pression est constitué de plusieurs composants principaux. La structure d'un capteur de pression comprend une membrane de mesure qui se déforme en cas de variation de la pression, une zone de réception de la pression avec une ouverture d'entrée, différents éléments de détection (par exemple piézoélectriques, capacitifs ou piézorésistifs), une unité de traitement des signaux pour l'amplification et le traitement des signaux, un boîtier de protection ainsi que des connexions électriques et mécaniques pour le raccordement à des appareils externes. Ces composants fonctionnent ensemble pour fournir des mesures de pression précises dans différentes applications.
Il existe différents types de capteurs de pression, basés sur des principes différents :
Capteurs de pression résistifs mesurent la pression en modifiant la résistance électrique lors d'une action mécanique sur un matériau.
Capteurs de pression piézoélectriques produisent une tension électrique par déplacement de charge dans un matériau piézoélectrique lorsqu'il est soumis à une pression.
Capteurs de pression capacitifs enregistrent la variation de capacité d'un condensateur causée par la déformation d'une membrane.
Capteurs de pression inductifs mesurent la pression en modifiant l'inductance d'une bobine lors du déplacement d'un noyau magnétique ou d'une membrane.
Capteurs de pression à effet Hall utilisent l'effet Hall pour mesurer les variations de pression.
Capteurs de pression MEMS utilisent des structures micromécaniques sur une puce de silicium pour mesurer la pression.
Baumer s'est spécialisé dans les capteurs de pression résistifs et les capteurs de pression piézorésistifs couramment utilisés. Vous trouverez ici les capteurs de pression Baumer.
Techniques pour mesurer la pression
Pression absolue
La pression absolue est la pression relative à un vide complet et est donc toujours positive. Elle est mesurée en unités telles que Pascal (Pa), Bar ou Psi (abs). La mesure est effectuée à l'aide de capteurs qui utilisent un vide comme référence. Les capteurs couramment utilisés sont les capteurs MEMS, les capteurs capacitifs et les capteurs piézorésistifs, qui utilisent la déformation d'une membrane ou la modification des propriétés électriques pour mesurer la pression.
Applications typiques :
Surveiller ou commander des process physiques en fonction de la pression absolue, comme par exemple la pression de vapeur dans les stérilisateurs ou les autoclaves
La pression relative est mesurée par rapport à la pression atmosphérique en cours et peut prendre des valeurs positives ou négatives. Elle est exprimée en unités telles que Pascal (Pa), Bar ou Psi (Gauge). Les capteurs de pression relative doivent être étalonnés régulièrement et utilisent différentes technologies, comme les capteurs piézoélectriques et capacitifs, pour convertir les différences de pression en signaux électriques. Beaucoup de ces capteurs sont dotés d'un trou de purge pour le référencement.
Force de maintien grâce à la mise sous vide lors de la manipulation des pièces à usiner
Mesure de la pression dans les systèmes hydrauliques ou pneumatiques
Pression différentielle
La pression différentielle mesure la différence de pression entre deux points du système et peut prendre des valeurs positives ou négatives. Elle est mesurée en unités telles que Pascal (Pa), Bar ou Psi et utilise différentes technologies de détection telles que les capteurs de pression capacitifs et piézoélectriques. Les capteurs de pression différentielle sont moins dépendants des conditions environnementales extérieures et nécessitent un étalonnage régulier. La pression différentielle peut également être mesurée à l'aide de deux capteurs distincts, en traitant les deux signaux dans la commande pour obtenir une pression différentielle.
Dans le cas des matériaux semi-conducteurs, la variation de la résistivité et donc du signal résulte de la mobilité variable des électrons dans la structure cristalline. La mobilité est influencée par la charge mécanique. Une membrane en acier inoxydable (encapsulation) assure la séparation entre la puce de silicium sensible et le média de process. Pour la transmission interne de la pression, le liquide de transmission utilisé est, selon l'application, de la paraffine ou de l'huile de silicone.
Dans le cas des matériaux semi-conducteurs, la variation de la résistivité et donc du signal résulte de la mobilité variable des électrons dans la structure cristalline. La mobilité est influencée par la charge mécanique. Une membrane en acier inoxydable (encapsulation) assure la séparation entre la puce de silicium sensible et le média de process. Pour la transmission interne de la pression, le liquide de transmission utilisé est, selon l'application, de la paraffine ou de l'huile de silicone.
Les transmetteurs dotés de la technologie piézorésistive au silicium se distinguent par leur grande précision de mesure et leur stabilité à long terme. Grâce à leur boîtier entièrement soudé, ils offrent une longue durée de vie et permettent également l'usage dans des zones à risque d'explosion (ATEX).
Les capteurs de pression conviennent même pour les petites plages de mesure, en particulier pour les mesures de niveau hydrostatiques à partir d'une hauteur de 0,5 m. Les capteurs de pression peuvent être utilisés pour les mesures de niveau de liquides.
Le corps de base est constitué d'un monolithe en céramique sur la membrane duquel les résistances sont imprimées au dos. Sur ce côté, la pression de référence est la pression de l'air ambiant. Pour des raisons de principe, seule la mesure de la pression relative est possible. Les cellules en céramique se distinguent par une bonne stabilité à long terme et une bonne résistance à la corrosion. Comme la céramique ne peut pas être soudée avec le raccord process il faut un joint pour séparer les fluides. Dans la technologie de la couche épaisse en céramique, quatre résistances sont connectées pour former un pont de Wheatstone. C'est au centre de la membrane que les résistances subissent l'allongement le plus important sous l'effet de la pression, et c'est dans les zones périphériques qu'elles subissent la plus grande compression. Dans le cas des cellules en céramique, la membrane de mesure est également la membrane de séparation avec le média. Aucun liquide de transmission interne n'est nécessaire.
La couche de mesure se trouve entre un mince disque de membrane en céramique et un corps de base en céramique. La marge de manuvre nécessaire à la flexion de la membrane résulte de l'écart créé de manière ciblée. Le volume ainsi formé peut être ventilé ou évacué à la pression ambiante, ce qui permet de mesurer la pression relative ou absolue. Les cellules de mesure en céramique se distinguent par une bonne stabilité à long terme et une bonne résistance à la corrosion. Comme la céramique ne peut pas être soudée avec le raccord process il faut un joint pour séparer les fluides. Dans la technologie de la couche épaisse en céramique, quatre résistances sont connectées pour former un pont de Wheatstone. C'est au centre de la membrane que les résistances subissent l'allongement le plus important sous l'effet de la pression, et c'est dans les zones périphériques qu'elles subissent la plus grande compression. Dans le cas des cellules à couche mince, la membrane de mesure est également la membrane de séparation avec le média. Aucun liquide de transmission interne n'est nécessaire.
Le corps de base est en acier inoxydable. La structure de résistance est obtenue par photolithographie. Les cellules de mesure à couche mince se caractérisent par une excellente résistance aux pics de pression et aux pressions d'éclatement. Même les pressions extrêmement élevées peuvent être mesurées de manière fiable - également en cas de chocs et de vibrations importants. Dans la technologie des couches minces métalliques, quatre résistances sont connectées pour former un pont de Wheatstone. C'est au centre de la membrane que les résistances subissent l'allongement le plus important sous l'effet de la pression, et c'est dans les zones périphériques qu'elles subissent la plus grande compression. Dans le cas des cellules à couche mince, la membrane de mesure est également la membrane de séparation avec le média. Aucun liquide de transmission interne n'est nécessaire. En règle générale, la technologie des couches minces n'est proposée que pour la mesure de la pression relative, car la création d'un vide à l'arrière de la membrane nécessite des efforts importants en termes de construction.
Dépendance et tolérance à la température
La précision d'un capteur de pression est fortement influencée par la température ambiante et celle du fluide. La tolérance thermique de chaque capteur détermine sa précision à différentes températures.
La spécification de l'erreur de mesure standard et/ou de la déviation maximale se fait par rapport à une température de référence, en générale 20 °C. Cependant, on utilise le capteur ni à 20 °C ni à température constante. Ceci a un effet négatif sur l'erreur de mesure standard et la déviation maximale.
Dans les ambiances à température différente de la température de référence (20 °C), il faut tenir compte de l'erreur de mesure standard ou maximale du capteur. Dans de nombreux cas, un capteur de pression doté d'une stabilité en température et une précision initiale plus faible est préférable à un capteur de pression assez instable avec précision initiale plus élevée, lorsque la température de fonctionnement est différente de la température de référence (20°C).
Dépendance de la température de l'écart de mesure max.
Dépendance de la température et précision initiale différente ; bleu : capteur de pression Baumer très stable, gris : exemples de concurrents sur le marché, pointillés bleus : capteur de pression Baumer très stable avec une précision initiale légèrement inférieure
Spécification de l'erreur
Baumer spécifie « l'indication d'erreur maximale », c'est-à-dire que statistiquement 99,7% des capteurs répondent à la spécification. Les concurrents indiquent, le cas échéant, la « déclaration de défaut typique », selon laquelle 32% des produits ne répondent pas aux spécifications.
Vous trouverez ici notre guide sur le thème : « Interpréter correctement les spécifications des capteurs de pression ».
La vapeur surchauffée est utilisée pour stériliser les appareils et les installations. Les petits éléments, comme par exemple un capteur (PBMH autoclavable), peuvent être stérilisés dans une chambre correspondante (autoclave). Dans le cas d'une installation plus importante, de la vapeur surchauffée est envoyée à travers l'installation, ce que l'on appelle la « Stérilisation En Place » (SEP). Un capteur doit être conçu de manière robuste, même si son signal n'est généralement pas évalué pendant le process de stérilisation. Il doit résister à la température ambiante, par exemple 134 °C, et à la pression, supérieure à 3 bars, pendant la durée correspondante, par exemple 30 minutes. La pression et la température sont physiquement directement couplées, ce qui est représenté par la courbe de vapeur saturée.
Pression de la vapeur saturée en fonction de la température
Les capteurs de pression PBMx et PFMx de Baumer sont parfaitement adaptés au process de stérilisation. Ils fournissent des valeurs précises même en cas de changement rapide de température et régulent ainsi le process de manière fiable par le biais de la pression, ce qui permet de déterminer la température requise correspondante.
Définition des plages de pression
Explication des termes
Précision : Elle décrit l'écart possible d'une mesure individuelle par rapport à la moyenne de nombreuses mesures et peut être considérée comme un cercle de dispersion. Haute précision : petit cercle de dispersion, basse précision : grand cercle de dispersion.
Précision : Elle décrit l'écart (offset) entre la valeur moyenne de nombreuses mesures et la valeur réelle. Haute précision : petit offset, basse précision : grand offset.
Erreur de mesure standard : Cette indication est fournie par le réglage de la valeur minimale (Best Fit Straight Line, BFSL) et décrit la précision (cercle de dispersion).
Écart de mesure maximal : Elle comprend l'erreur de mesure standard et l'offset d'un capteur.
Tableau de conversion
Les unités pour mesurer la pression sont Pascal (Pa), millibar (mbar), millimètre de colonne d'eau (mmH₂O), livre par pouce carré (Psi) et torr, dont les conversions sont présentées dans le tableau ci-dessous.
