Les pressions dans les liquides et les gaz doivent être mesurées dans d’innombrables zones d’application. Aussi variés que soient ces applications, il en va de même de la gamme de capteurs de pression disponibles sur le marché. Ici, on fait littéralement face à un embarras des choix.
Cette page décrit les capteurs de pression de différents principes de mesure des liquides et des gaz. Par exemple, capteurs de pression à haute température sont utilisés à des températures ambiantes élevées et les capteurs de pression miniaturisés sont particulièrement adaptés aux petits espaces d’installation.
L’accent est mis sur les types les plus connus actuellement disponibles sur le marché. En outre, des informations peuvent servir de directives pratiques pour choisir un capteur de pression optimal pour une tâche de mesure spécifique. Les avantages et les inconvénients de chacun sont résumés succinctement.
DDM – Capteurs de pression écuries et précis à long terme pour les tâches exigeantes de mesure de la pression
Nos capteurs de pression sont développés et fabriqués par notre équipe expérimentée et compétente sur notre site Fulda. Chacun de nos produits de qualité est optimisé et livré pour des besoins spécifiques du client et des tâches de mesure du béton. La fabrication interne garantit nos normes de qualité élevées et nous permet d’influencer n’importe quel point du processus de production. Nous mettons l’accent sur l’échange continu avec nos clients.
- Les cellules du transducteur de pression sont soudées sans soudure et la fuite d’hélium est testée pour son étanchéité. Cela permet une mesure sûre et fiable des gaz ou liquides agressifs.
- Chaque capteur de pression est linéaire et la température est compensée. La précision de mesure est déclarée comme erreur totale et est appuyée par des données d’étalonnage traçables.
Sélectionnez un de nos capteurs de pression avec différentes tailles, plages de température et signes de sortie.
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Tâche de mesure individuelle dans la mesure de la pression
Pour les appareils qui mesurent la pression, des termes tels que capteur de pression, transducteur de pression, transmetteur de pression, ou même capsule de pression sont utilisés. Tous décrivent essentiellement la même caractéristique. Les appareils de mesure de la pression captent la pression physique d’un milieu et la convertissent en un signal électrique comme mesure de cette pression.
Chaque type de capteur de pression est adapté aux exigences particulières des tâches de mesure spécifiques. Il est essentiel de définir exactement l’objectif de la mesure de pression respective.
Par exemple, pression hydraulique sur une machine de travail diffère considérablement de la mesure de la pression sur un compteur de gaz. Tandis que dans l’hydraulique la résistance dite alternée et de surcharge sont au premier plan, la mesure à un compteur de gaz nécessite une précision élevée. Chaque erreur de mesure a un effet direct, positif ou négatif sur la quantité de gaz comptée. Tant le fournisseur de gaz que le consommateur ont intérêt à déterminer la quantité de gaz avec la plus grande précision possible, car c’est la base de calcul des coûts.
On trouvera ci-après une description des capteurs de pression de différents principes de mesure des liquides et des gaz. L’accent est mis sur les types les plus connus disponibles sur le marché. Des informations supplémentaires peuvent servir de guide pour la sélection pratique d’un capteur de pression optimal pour une tâche de mesure individuelle. Les avantages et les inconvénients sont résumés dans chaque cas.
Outre les caractéristiques techniques, les coûts d’exploitation attendus devraient également contribuer de manière décisive à la décision d’achat. Il n’est pas facile de déterminer les coûts d’exploitation prévus, car ils sont composés d’un grand nombre de coûts individuels. Avant tout, c’est toujours le prix d’achat.
À cela s’ajoutent les coûts imputés, par exemple pour
- une perte éventuelle d’utilisation en cas de défaut du dispositif
- Pertes de performance causées par les incertitudes de mesure
- Frais d’installation et de câblage
- l’espace nécessaire
- Poids
- dispositifs ou interfaces d’affichage requis
Le capteur de pression optimal est celui qui répond de manière satisfaisante aux exigences d’une tâche de mesure à un coût total acceptable.
Types de pression et exemples d’application typiques
Afin de pouvoir sélectionner un capteur de pression, il est tout d’abord important de savoir quel type de pression doit être mesuré. Le type de pression indique le point de référence de la pression, c’est-à-dire le point zéro de l’échelle de pression auquel se réfère l’indication de pression.
Les capteurs de pression sont équipés de différentes méthodes de mesure pour correspondre au type de pression désiré.
Capteurs de pression relatifs
Environ 90 % des Mesures de pression sont des pressions relatives. Les capteurs de pression relatifs mesurent la pression d’un milieu par rapport à la pression atmosphérique qui y prévaut. On dit donc aussi que la pression est mesurée par rapport à la pression atmosphérique. Par conséquent, on obtient des valeurs qui sont soit:
égal à la pression d’air, c’est-à-dire ni supérieure ni inférieure à la pression d’air; par exemple, la pression d’air dans un pneu de voiture plat. Nous utilisons un capteur de pression relative pour mesurer la pression relative de 0 bar.
ou supérieur que la pression d’air; par exemple, la pression dans un pneu de voiture qui est prêt à conduire. Avec le même capteur de pression relative, nous mesurons par exemple la pression relative de 2,5 bar. Cette pression est plus élevée que la pression de l’air, c’est-à-dire plus élevée que cette dernière. Colloquement, cette pression est donc souvent appelée pression manométrique de 2,5 bar.
ou plus petite par exemple, la pression d’aspiration d’un aspirateur. Mesuré avec le même capteur de pression relative, nous obtenons par exemple – 30 mbar de pression relative. Le signe moins indique que la pression est inférieure à la pression de l’air. Par conséquent, cette pression est appelée pression négative de 30 mbar.
Differential pressure sensors
Ils ont deux ports de pression et mesurent la différence de pression entre les deux chambres de mesure, dans lesquelles différentes pressions peuvent prévaloir. Les changements de pression qui affectent également les deux chambres de mesure ne sont pas enregistrés. Un capteur de pression différentielle est utilisé pour la surveillance des filtres, par exemple. Ici, la pression en amont et en aval du filtre est mesurée. Plus le filtre est sale, plus la chute de pression est importante. La pression différentielle, qui augmente au cours de la durée de vie, est surveillée afin d’effectuer le nettoyage du filtre si nécessaire.
Capteurs de pression absolus
Ils mesurent la pression d’un milieu par rapport à un vide intégré au capteur de pression absolu. Une capteur de pression absolu qui n’est exposé à aucun milieu, qui se trouve sur la table, par exemple, mesure la pression atmosphérique qui y règne, par exemple la pression absolue de 1 000 mbar. Les capteurs de pression absolus conçus exclusivement pour mesurer la pression atmosphérique sont appelés capteurs de pression barométrique. Une application particulièrement illustrative est la technologie d’emballage sous vide. Ici, le produit à emballer est placé dans un sac en feuilles. L’air est ensuite aspiré du sac. Le sac est évacué à environ 1 mbar de pression absolue et scellé. Un capteur de pression absolue contrôle le processus et déclenche l’opération d’étanchéité lorsque tout l’air a été retiré, sauf pour une pression résiduelle de 1 mbar.
Principes de mesure
La pression est une variable mécanique. Pour pouvoir le traiter en technologie d’automatisation, il faut le transformer en signal électrique. Divers effets physiques résultant de la déformation de différents matériaux due à la pression appliquée sont utilisés à cette fin. Une distinction est faite entre les principes suivants:
Capteurs de pression piézorésistifs
L’élément sensible à la pression (membrane) se compose d’une puce en silicium de quelques millimètres de taille. Les résistances sont placées dans cet élément en introduisant des atomes étrangers.
La membrane est déformée par la pression appliquée et les résistances sont comprimées (R2+R4) ou étirées (R1+R3) (fig. 2).
La compression et l’étirement entraînent des changements réversibles dans la structure cristalline et des changements conséquents dans les résistances, qui sont proportionnels à la pression appliquée. Les quatre résistances sont reliées comme un pont appelé Wheatstone.
Les changements de résistance provoquent un changement de tension du pont. Dans notre exemple, nous mesurons une tension de pont de 0 mV à l’état non pressurisé, déchargé et 100 mV à l’état chargé.
La puce en silicium avec le pont de résistance est sensible aux influences externes. Seuls les milieux inertes non conducteurs peuvent être mesurés avec eux. Pour rendre la méthode de mesure piézorésistive universellement applicable, la puce en silicium avec les résistances de pont est emballée dans une cellule dite de mesure. La cellule de mesure se compose d’un corps en acier inoxydable avec un mince diaphragme de séparation.
Tous les composants sont soudés ensemble sans joints. La cavité entre la puce de silicium et le diaphragme de séparation est remplie d’un fluide pour pouvoir transmettre la pression du procédé. La cellule de mesure encapsulée de cette façon peut être utilisée universellement, largement indépendante du milieu. Il forme le cœur de chaque capteur de pression piézorésistive.
Avec l’électronique amplificateur, une connexion sous pression et une connexion électrique, il devient un appareil fini. Le dispositif fini est généralement appelé émetteur de pression. Les sorties communes sont les signaux de tension 0-5 volts, 0-10 volts, un signal de courant 4-20 mA ou diverses interfaces numériques telles que CAN.
Grâce à leur conception, les capteurs de pression piézorésistifs sont principalement utilisés pour mesurer des gammes allant de 100 mbar à 150 bar. La cellule de mesure est variable et peut être fabriquée dans tous les types de pression, absolue, relative et différentielle.
| Avantages des capteurs de pression piézorésistive |
|---|
| petit design |
| tous les types de pression possibles |
| Variantes d’écoulement avant |
| haute résistance à la surcharge |
| exclusivement en acier inoxydable |
| soudable |
| aucun sceau requis |
| Inconvénients capteurs de pression piézorésitive |
|---|
| diaphragme et milieu d’accouplement requis |
| des coûts de fabrication plus élevés que les autres principes de mesure |
Capteurs de pression de film métallique mince
Pour le corps de base d’un capteur de pression de film mince métallique, l’acier inoxydable se forme en un diaphragme circulaire par un procédé d’usinage. Une couche isolante est d’abord appliquée à ce diaphragme. Ensuite, le matériau des jauges de contrainte (DMS) et des voies conductrices est déposé par vapeur. Dans un processus photolithographique, les structures réelles des gages de déformation sont gravées dans le matériau. Le principe de fonctionnement et le conditionnement du signal correspondent à ceux des capteurs de pression piézorésistifs. Les capteurs de pression en film mince métallique sont extrêmement robustes contre les vibrations et les charges de choc. Ils sont principalement utilisés pour des gammes de haute pression allant de 10 bar à plusieurs 1000 bar. La résistance à la surcharge est relativement faible (150%) en raison de l’acier élastique. Le corps de base en acier inoxydable peut être soudé directement à une connexion de procédé. Comme pour le capteur de pression piézorésitif, un amplificateur électronique intégré mesure la tension du pont et la convertit en tous les signaux de sortie disponibles sur le marché. Les capteurs de pression en film mince métallique sont principalement fabriqués comme capteurs de pression relative. Les capteurs de pression en film mince métallique pour mesurer la pression absolue sont techniquement complexes à fabriquer.
| Avantages des capteurs de pression de film mince métallique |
|---|
| hautes plages de mesure possibles |
| soudable |
| aucun sceau nécessaire |
| haute résistance à l’éclatement |
| très bonne résistance aux vibrations et aux chocs |
| Inconvénients capteurs de pression de film mince métallique |
|---|
| seulement pression relative du type de pression |
| pas de plages de mesure < 10 bar |
| signal de sortie faible |
Capteurs de pression de film épais en céramique
Le corps de base d’un capteur de film épais en céramique est formé par un anneau d’oxyde d’aluminium, dont la face est une membrane fermée. À l’extérieur des jauges de déformation membranaire sont appliqués comme pâte de résistance au film épais et cuits au four à haute température.
L’épaisseur du diaphragme est variable et définit la plage de mesure du capteur de pression. Les capteurs de film épais en céramique couvrent des plages de mesure allant de 2 bar à 100 bar. La résistance du corps en céramique est très bonne. Lors de l’intégration de la céramique dans une connexion à pression métallique, un joint doit être adapté au milieu de transformation. Un avantage majeur de la céramique est son élasticité presque sans hystérésis. Comme pour le capteur de pression piézorésitif, un amplificateur électronique intégré mesure la tension du pont et la convertit en tous les signaux de sortie disponibles sur le marché. Le capteur fini impressionne également par son excellent rapport qualité-prix.
| Avantages capteurs de pression film épais céramique |
|---|
| très bonne résistance chimique |
| insensible aux milieux abrasifs |
| faible coût de fabrication |
| Inconvénients capteurs de pression de film épais céramique |
|---|
| seulement pression relative |
| scellement requis |
Capteurs de pression céramiques capacitifs
La cellule de mesure d’un capteur de pression céramique capacitif se compose d’un corps de base céramique qui, avec une surface métallique, représente une plaque de condensateur (électrode cp). Une contre-électrode mince revêtue de métal forme la membrane sensible à la pression. Un anneau de soudure relie l’électrode cp et l’électrode de comptoir et définit l’espacement des plaques. Lorsque la pression est appliquée, l’espacement de la plaque change et avec elle la capacité entre les électrodes. Le coup de membrane n’est que d’environ 30 μm. Ce changement de capacité est évalué puis transformé en signal standard de l’industrie. Cette configuration est adaptée aux pressions de 10 mbar à 25 bar. La protection contre les surcharges est très élevée, car le diaphragme peut se déplacer jusqu’à un maximum de contre-électrode, puis y reposer.
| Avantages Capteurs de pression céramique capacitifs |
|---|
| très bonne résistance chimique |
| insensible aux milieux abrasifs |
| haute résistance à la surcharge |
| convient également pour les basses pressions |
| Inconvénients des capteurs de pression céramique capacitifs |
|---|
| Conception relativement grande |
| Sceau requis |
Capteurs de pression inductifs
Dans le capteur de pression inductif, le changement de flux magnétique est évalué. Il se compose d’un logement avec deux chambres. Au milieu, entre les chambres, il y a une membrane à laquelle est attachée une plaque métallique non magnétique. Dans la chambre haute il y a deux bobines. La partie supérieure est la bobine de référence, la partie inférieure la bobine de mesure. Alors que la bobine de référence est actionnée isolément dans des conditions magnétiques constantes, la bobine de mesure change ses valeurs caractéristiques en fonction de la distance de la plaque métallique. Le mouvement de la plaque métallique en raison de la pression change le flux magnétique de la bobine de mesure. La différence de flux entre la référence et la bobine de mesure est proportionnelle à la déviation du diaphragme et donc à la pression appliquée. Les modèles équipés de 2 chambres de mesure peuvent mesurer des pressions relatives (pression positive ou négative) ou des pressions différentielles. Les capteurs de pression inductifs conviennent pour des pressions particulièrement basses dans la plage de mesure jusqu’à 0,1 mbar (10 Pa). Les domaines d’application sont la mesure du niveau dans les petits conteneurs, la surveillance de la surpression dans les laboratoires, les hôpitaux ou la salle blanche
| Avantages des capteurs de pression inductifs |
|---|
| Convient pour la mesure de très basses pressions |
| Inconvénients capteurs de pression inductifs |
|---|
| Faible résistance à la surcharge |
| Grand espace d’installation |
| Sensible aux vibrations |
Plages de mesure typiques de différents principes de mesure
Résumé des caractéristiques, avantages et inconvénients des capteurs de pression de différents principes de mesure
Recommandation: Dans la colonne de gauche du tableau, intégrer toujours le mot “capteur de pression” avec = désignation complète: nom: Capteurs de pression piézorésistive, Capteurs de pression de film mince métallique, Capteurs de pression de film épais céramique, Capteurs de pression céramique capacitif, Capteurs de pression inductifs.
| Avantages | Désavantages | |
| Piézorésistive | Petite conception tous types de pression possibles variantes avant-flush haute résistance à la surcharge exclusivement en acier inoxydable soudable aucun joint nécessaire | Diaphragme séparé et milieu d’accouplement requis |
| Film mince métallique | haute plage de mesure possible soudable aucun sceau nécessaire haute résistance à l’éclatement très bonne vibration et résistance aux chocs | Pression relative seulement pas de plage de mesure < 10 bar faible signal de sortie |
| Film épais en céramique | très bonne résistance chimique insensible au milieu abrasif faible coûts de fabrication | Pression relative seulement Scellement requis |
| Capacité | très bonne résistance chimique insensible au milieu abrasif haute résistance à la surcharge convient également pour les basses pressions | Conception relativement grande Sceau requis |
| Inductif | Convient pour la mesure de très basses pressions | – Faible résistance à la surcharge – Grand espace d’installation – Sensible aux vibrations |
DDM CONSEIL: Le montage influence les capteurs de pression
After successfully selecting and purchasing a pressure sensor, it is easy to reduce its performance and measurement accuracy by improper mounting.
Temperature influences have the greatest impact on the measurement accuracy of a pressure sensor. A distinction must be made between the temperature of the medium being measured and the ambient temperature. While the medium temperature can be reduced by using a stub (see diagram), the ambient temperature has a direct effect on the pressure sensor with the electronics integrated in it.
When selecting a pressure sensor, its suitability must be checked accordingly. Depending on the measuring principle selected, vibrations or shocks can falsify the measuring result. Physically, small measuring ranges (<100 mbar) are particularly affected. Ideally, a vibration-free installation location should be chosen and the pressure connection should be made via a hose or pipe.
Depending on the measuring principle and measuring range, a position dependency may have to be taken into account. The nominal position selected by the manufacturer during calibration is specified in the data sheet. The most common nominal position is vertical, pressure connection at the bottom. If one deviates from this, a zero point error results. This error is usually so small that it is irrelevant for measuring ranges from 1 bar.
For measurements that require high accuracy, the manufacturer can be consulted. The smaller the pressure sensor, the more sensitive it is to excessive tightening torque when mounting the pressure connection. Most pressure sensors have specifications for the maximum tightening torque. If this tightening torque is exceeded, a measurement error, also known as a clamping error, is initially generated and the pressure sensor can be destroyed under certain circumstances.
When measuring pressure in liquids, fast-switching valves, gear pumps or other conditions can cause pressure peaks that are considerably higher than the actual system pressure. Such pressure spikes can damage a pressure sensor. If the likelihood of such spikes exists, work with the pressure sensor manufacturer to select the most appropriate measurement principle. Unexpected pressure spikes also occur in fluid lines that are not completely vented. It is generally advisable to mount a pressure sensor so that its pressure connection points vertically upwards. Any air or gases present will then vent themselves into the connected system.
Even if the mechanical arrangement and mounting are perfect, the measurement can be affected by electromagnetic interference coupled in via the measuring signal lines. Signal lines should be shielded and routed separately from high-energy lines.