Mesure de la pression à l’aide de capteurs de pression à pont et d’autres capteurs

Qu’est-ce que la pression ?

La pression est la force par unité de surface exercée par un fluide sur son environnement. La pression (P) est donc une fonction de la force (F) et de la surface (S) :

P = F/S

L’unité du système international pour mesurer la pression est le pascal (N/m2), mais les autres unités courantes de pression incluent la livre-force par pouce carré (psi), l’atmosphère (atm), le bar, le pouce de mercure (in Hg) et le millimètre de mercure (mm Hg ou Torr). 

Un récipient rempli de gaz contient d’innombrables atomes et molécules qui rebondissent constamment de ses parois. La pression représente la force moyenne de ces atomes et molécules sur ses parois par unité de surface du récipient. Par ailleurs, la pression n’a pas besoin d’être mesurée le long de la paroi d’un récipient, mais peut être mesurée comme la force par unité de surface le long de n’importe quel plan. La pression d’air, par exemple, est le résultat du poids de l’air qui appuie sur la Terre. Par conséquent, plus l’altitude augmente, plus la pression diminue. De même, à mesure qu’un plongeur ou un sous-marin s’enfonce dans l’océan, la pression augmente.

Une mesure de pression peut être statique ou dynamique. Lorsqu’il n’y a aucun mouvement, la pression est qualifiée de statique. Parmi les exemples de pression statique, on peut citer la pression de l’air à l’intérieur d’un ballon ou celle de l’eau dans un bassin. Toutefois, le mouvement d’un fluide modifie souvent la force appliquée à son environnement. Imaginons par exemple que la pression de l’eau dans un tuyau muni d’un embout fermé soit de 40 livres par pouce carré (force par unité de surface). Si vous ouvrez l’embout, la pression chute à une valeur inférieure tandis que l’eau sort du tuyau. Une mesure précise de la pression doit tenir compte des circonstances dans lesquelles elle est effectuée. De nombreux facteurs, notamment le flux, la compressibilité du fluide et les forces externes, peuvent affecter la pression.

Mesure de la pression

Bien qu’elle soit couramment mesurée en Pascal (Pa), une mesure de pression peut être décrite plus précisément par le type de mesure effectuée. Les trois méthodes de mesure de la pression sont la mesure absolue, la mesure manométrique et la mesure différentielle. La pression absolue fait référence à la pression sous vide, alors que la pression manométrique et différentielle font référence à une autre pression, telle que la pression atmosphérique ambiante ou la pression dans un récipient adjacent.

Pression absolue

La méthode de mesure absolue est relative au 0 Pa, la pression statique sous vide. La pression mesurée réagit à la pression atmosphérique en plus de la pression à mesurer. La mesure de pression absolue inclut donc les effets de la pression atmosphérique. Ce type de mesure est particulièrement adapté aux pressions atmosphériques telles que celles utilisées dans les altimètres ou les pressions sous vide. On utilise souvent les abréviations Paa (pascal absolu) ou psia (livres par pouce carré absolu) pour décrire la pression absolue.

Pression manométrique

La pression manométrique est mesurée par rapport à la pression atmosphérique ambiante. Cela signifie que tant la pression de référence que la pression recherchée réagissent aux pressions atmosphériques. La mesure de pression manométrique exclut donc les effets de la pression atmosphérique. Ces types de mesures comprennent la mesure de la pression des pneus et de la tension artérielle. Comme pour la pression absolue, on utilise les abréviations Pag (Pascal’s gauge, manomètre de Pascal) ou psig (manomètre livre-force par pouce carré) pour décrire la pression manométrique.

Pression différentielle

La pression différentielle est similaire à la pression manométrique. Cependant, elle a comme référence un autre point de pression dans le système plutôt que la pression atmosphérique ambiante. Vous pouvez utiliser cette méthode pour maintenir la pression relative entre deux récipients tels qu’un réservoir de compresseur et une ligne d’alimentation associée. On utilise aussi les abréviations PAD (Pascal’s differential, différentiel de Pascal) ou psid (différentiel livre-force par pouce carré) pour décrire une pression différentielle.

Choisir le capteur de pression approprié

Les différentes conditions et gammes de mesure, ainsi que les matériaux utilisés dans la construction d’un capteur, aboutissent à une variété de modèles de capteurs de pression. La pression peut souvent être convertie en une forme intermédiaire, comme le déplacement, en détectant la quantité de déviation d’un diaphragme positionné en ligne avec le fluide. Le capteur convertit ensuite ce déplacement en une puissance électrique comme une tension ou un courant. En connaissant la surface du diaphragme, vous pouvez ensuite calculer la pression. Les capteurs de pression sont livrés avec une échelle qui fournit une méthode pour convertir les unités d’ingénierie.

Les trois types de capteurs de pression les plus universels sont les capteurs à pont (à jauge de contrainte), à capacité variable et piézoélectriques.

Capteurs à pont

Les capteurs à pont fonctionnent en mettant en corrélation un phénomène physique, comme la pression, avec un changement de résistance dans une ou plusieurs branches d’un pont de Wheatstone. Ils constituent le type de capteur le plus courant, car ils offrent des solutions qui répondent à de nombreuses contraintes en matière de précision, de taille, de robustesse et de coût. Les capteurs à pont permettent de mesurer la pression absolue, manométrique ou différentielle dans des applications à haute et basse pression. Ils utilisent une jauge de contrainte pour détecter la déformation d’un diaphragme sujet à la pression appliquée.

Lorsqu’un changement de pression provoque une déviation du diaphragme, une modification correspondante de la résistance est induite au niveau de la jauge de contrainte, que vous pouvez mesurer avec un système DAQ conditionné. Vous pouvez coller les jauges de contrainte en feuille directement sur un diaphragme ou sur un élément qui est connecté mécaniquement au diaphragme. Les jauges de contrainte en silicium sont aussi parfois fois utilisées. Dans ce cas, vous gravez des résistances sur un substrat à base de silicium et utilisez un fluide de transmission pour transmettre la pression du diaphragme au substrat.

En raison de leur construction simple et de leur longévité, ces capteurs sont moins coûteux, ce qui les rend particulièrement adaptés aux systèmes à canaux élevés. En général, les jauges de contrainte en feuille sont utilisées dans les applications à haute pression (jusqu’à 700 000 000 Pa). Elles fonctionnent également à une température plus élevée que les jauges de contrainte en silicium (200 °C contre 100 °C, respectivement), mais les jauges de contrainte en silicium offrent l’avantage de présenter une meilleure capacité de surcharge. Puisqu’elles sont plus sensibles, les jauges de contrainte en silicium sont également souvent préférées dans des applications à basse pression (~ 2 000 Pa).

Capteurs de pression capacitifs et capteurs piézoélectriques

 Un capteur de pression à capacité variable permet de mesurer la variation de capacitance entre un diaphragme métallique et une plaque de métal fixe. La capacité entre deux plaques métalliques varie si la distance entre ces deux plaques change en raison de la pression appliquée.

Les capteurs piézoélectriques tirent parti des propriétés électriques des cristaux de quartz plutôt que d’un transducteur à pont résistif. Ces cristaux génèrent une charge électrique lorsqu’ils sont soumis à une contrainte. Des électrodes transfèrent la charge des cristaux à un amplificateur intégré au capteur. Ces capteurs ne nécessitent pas de source d’excitation extérieure, mais sont très sensibles aux chocs et aux vibrations.  

Les capteurs de pression capacitifs et piézoélectriques sont généralement stables et linéaires, mais ils sont sensibles aux températures élevées et sont plus compliqués à mettre en œuvre que la plupart des capteurs de pression. Les capteurs piézoélectriques réagissent rapidement aux changements de pression. C’est pourquoi ils sont utilisés pour effectuer des mesures rapides de la pression lors d’évènements tels que des explosions. En raison de leurs performances dynamiques supérieures, les capteurs piézoélectriques sont les moins rentables, et vous devez prendre soin de protéger leur noyau de cristal sensible.

Capteurs de pression conditionnés

Les capteurs qui comprennent des circuits intégrés, tels que des amplificateurs, sont qualifiés de capteurs amplifiés. Ces types de capteurs peuvent être construits en utilisant des capteurs à pont, capacitifs ou piézoélectriques. Dans le cas d’un capteur amplifié à pont, l’unité elle-même fournit des résistances de complément et l’amplification nécessaire pour mesurer la pression directement avec un périphérique DAQ. Bien que l’excitation doive toujours être fournie, la précision de l(excitation est moins importante.

Les capteurs conditionnés sont généralement plus chers, car ils contiennent des composants pour le filtrage et l’amplification du signal, les fils d’excitation et les circuits pour la mesure. Ceci est utile pour les systèmes ayant un faible nombre de canaux qui ne justifient pas un système de conditionnement de signal dédié. Comme le conditionnement est intégré, vous pouvez connecter le capteur directement à un périphérique DAQ, tant le que le capteur est alimenté d’une manière ou d’une autre. Si vous travaillez avec des capteurs de pression à pont non conditionnés, votre matériel requiert un conditionnement du signal. Consultez la documentation du capteur afin de savoir si vous avez besoin de composants supplémentaires pour l’amplification ou le filtrage.

Conditionnement du signal pour le capteur de pression

Les capteurs de pression à pont sont de loin les plus courants. Vous devez prendre en compte plusieurs éléments de conditionnement du signal pour créer un système de mesure de pression à pont efficace. Vous aurez besoin d’un ou plusieurs des éléments suivants :

• L’excitation pour alimenter le circuit du pont de Wheatstone
• La télédétection pour compenser les erreurs de tension d’excitation dues aux longs fils conducteurs
• L’amplification pour augmenter la résolution de la mesure et améliorer le rapport signal/bruit
• Le filtrage pour supprimer les bruits externes à haute fréquence
• L’annulation de l’offset pour équilibrer le pont en sortie 0 V lorsque aucune contrainte n’est appliquée
• L’étalonnage du shunt pour vérifier que la sortie du pont corresponde à une valeur connue et attendue

Pour apprendre comment compenser ces erreurs et passer en revue d’autres aspects matériels pour les mesures de la pression utilisant un pont, téléchargez le Guide de l’ingénieur pour des mesures précises avec un capteur.