Nos experts vous proposent une introduction à l’origine de la mesure de pression, le fonctionnement et le principe d’un transmetteur de pression, et vous présentent les différents types de capteurs de pression industriels.
- Origine et unité de mesure de la pression
- Qu’est-ce qu’un capteur de pression ?
- Quel est le principe d’un capteur de pression ?
- Comment fonctionne un transmetteur de pression ?
- De quoi est constitué un capteur de pression ?
- Quel est le signal de sortie d’un capteur de pression ?
- Comment choisir un capteur de pression industriel ?
- Quels sont les différents types de transmetteurs de pression ?
- Comment étalonner un capteur de pression ?
- Comment installer une mesure de la pression pour l’industrie ?
- Comment tester un capteur de pression ?
- Comment configurer un transmetteur de pression ?
- Quelles sont les applications des capteurs de pression ?
Origine et Unité de mesure de pression
L’unité de mesure Pascal tire son origine du renommé philosophe, physicien et mathématicien français Blaise Pascal.
Né à Clermont-Ferrand où se situe le siège de l’unité de production de Fuji Electric France SAS, fabricant français de capteurs de pression industriels, Pascal réalisa une expérience cruciale en transportant un baromètre au sommet du Puy de Dôme, afin de prouver que la pression atmosphérique diminuait avec l’altitude par rapport au niveau de la mer. Cependant, le scientifique italien Evangelista Torricelli fut le pionnier dans la mise en évidence de la pression exercée par le poids du volume d’air sur la terre et, par conséquent, il conçut le premier baromètre à base de mercure.
Connaître les unités de pression et leur conversion est important pour faire les bons choix des échelles lors de vos mesures industrielles.
La pression p est exprimée en unités de force F par unités de surface A : p = F / A
Le Pascal (Pa) : c’est l’unité de base du Système international (SI) pour la pression. Un Pascal correspond à 1 Newton par mètre carré (1 Pa = 1 N/m²).
Le Bar : c’est une unité de pression couramment utilisée dans les applications industrielles. Un Bar correspond à une pression de 100 000 Pa.
L’atmosphère standard (atm) : elle est utilisée pour exprimer la pression barométrique ou atmosphérique. Une atmosphère correspond à une pression de 101 325 Pa.
Qu’est-ce qu’un capteur de pression ?
Les capteurs de pression sont appelés aussi transmetteurs de pression, sondes de pression, jauges de pression ou bien transducteurs de pression. Il n’existe pas de différence notable entre ces différentes appellations. On distingue cependant les capteurs de pression analogique et les transmetteurs de process intelligent.
Si on se réfère à la définition d’un capteur de pression, c’est un appareil, comme son nom l’indique, de mesure de pression dont le principe consiste à convertir la force appliquée par la pression d’un fluide sur une surface donnée (déformation) en un signal électrique.
Les industriels utilisent un transmetteur de pression pour :
- Mesurer une pression
- Mesurer un débit
- Mesurer un niveau par pression hydrostatique
- Mesurer une densité.
Quel est le principe d’un capteur de pression ?
La pression du fluide mesuré est appliquée sur un composant de mesure interne à travers un raccord puis une interface mécanique – membrane de mesure en acier inoxydable ou autre matériau noble. L’élément de mesure électronique convertit la pression en un signal brut.
Comment fonctionne un transmetteur de pression ?
Il existe différentes technologies, méthodes, techniques et principes de mesure :
Le capteur de pression piézorésistif mesure la force appliquée sur une membrane métallique.
La contrainte exercée sur une fine pellicule provoque sa déformation, transmettant la variation de pression par l’intermédiaire d’un fluide incompressible (huile ou eau). Celui-ci vient déformer un élément silicium piézorésistif (pont de Wheatstone). Ce composant est une résistance électrique variable qui convertit la déformation en valeur ohmique.- Le capteur de pression capacitif mesure la force appliquée sur une membrane métallique en acier inoxydable ou céramique.
La pression exercée déforme la pellicule métallique qui transmet la variation de pression via un fluide incompressible intermédiaire (huile ou eau). Celui-ci vient déformer un élément silicium capacitif. Ce composant est un condensateur variable qui convertit la déformation en valeur capacitive.
- Le transmetteur à résonance de fréquence
- Le capteur à jauge de contrainte ou jauge de tension
Le signal de l’élément de mesure est ensuite filtré, amplifié, compensé en température puis formaté en un signal analogique. Le signal de sortie analogique est transmis via un connecteur électrique.
- Le manomètre
Les manomètres à tube en U affichent la mesure de pression locale.
De quoi est constitué un capteur de pression ?
La construction d’un transmetteur de pression comprend un raccord mécanique, d’une membrane métallique ou céramique, d’un élément sensible capacitif ou piézorésistif, d’une huile de remplissage intégrée dans des cellules de mesure de pression, d’un module électronique de conditionnement et d’amplification du signal, et d’un connecteur électrique.
Cet appareil est conditionné dans un boîtier plastique ou métallique (boîtier aluminium, boîtier inox ou acier inoxydable).
Un indicateur digital peut-être ajouté en option.
Quel est le signal de sortie d’un capteur de pression industriel ?
Le signal d’une sonde de pression peut être de type analogique ou numérique. Le signal analogique est usuellement de type courant 4-20mA, tension 0-10V ou tension 1-5V. Le signal de sortie est envoyé vers l’organe de commande afin d’agir sur le process de fabrication.
Le signal 4-20mA est couramment utilisé par ces appareils en raison de plusieurs avantages qu’il présente.
Tout d’abord, il est résistant à la perte de signal due à la ligne de transmission, ce qui garantit une mesure précise. De plus, il permet d’étendre la distance entre le capteur et le système concerné. En outre, l’absence de courant permet de détecter les défauts de ligne, ce qui facilite le dépannage. Le signal 4-20mA est également moins sensible aux perturbations électromagnétiques, ce qui garantit sa fiabilité. Enfin, il peut être utilisé dans une boucle pour alimenter plusieurs équipements tels que l’afficheur, le régulateur et l’enregistreur.
Un signal numérique peut être disponible avec différents protocoles de communication – HART – Fieldbus – Profibus – Modbus. Ces protocoles transmettent la valeur de mesure et permettent aussi de configurer les appareils de mesure de la pression. On parle de transmetteur électronique intelligent ou SMART.
Les instruments peuvent disposer d’indicateurs numériques pour mesure de la pression.
Comment choisir un capteur de pression industriel ?
Le transmetteur de pression industriel doit être choisi en fonction du fluide à mesurer, de la plage de pression et des conditions de service de l’application et du process.
Pour mesurer la pression, il convient de faire une recherche pour répondre aux questions pour choisir le capteur de pression adapté et déterminer :
- Le fluide à mesurer tel que : air, gaz, hydrogène, vapeur, eau ou un autre liquide ainsi que ses caractéristiques (densité, viscosité, corrosivité,…)
- Les conditions de service du processus : la pression à mesurer, la pression statique, la température du process, le risque de corrosion
- Le type de mesure : mesure de pression, mesure de débit par organe déprimogène et pression différentielle delta-p, mesure de niveau par pression hydrostatique, mesure de densité
- Le type de pression à mesurer :
- Pression relative
- Pression atmosphérique
- Pression absolue
- Pression différentielle
- Pression barométrique
- La plage de pression ou étendue de mesure
- La dynamique ou rangeabilité
- La précision de la mesure de pression
- Le temps de réponse
- L’interface mécanique ou raccord de connexion process : raccordement vissé, raccordement à brides
- Le signal de sortie analogique et/ou numérique avec ou sans fil
- L’environnement climatique et les contraintes associées :
- L’environnement industriel, les contraintes associées, la réglementation en vigueur :
Quels sont les différents types de transmetteurs de pression ?
Les capteurs de pression relative permettent la mesure de pression relative du processus par rapport à la pression atmosphérique. La pression atmosphérique est mesurée en utilisant une cavité de référence à l’intérieur du transmetteur. Cette pression diminue au fur et à mesure que l’on s’élève en altitude.
Les capteurs de pression différentielle utilisent deux chambres séparées reliées par une membrane souple. La pression est mesurée de chaque côté de la membrane. La pression différentielle (dp) est la différence de pression entre ces deux pressions une pression de référence coté basse pression (BP ou LP) et une pression coté haute pression (HP). Ces appareils de mesure de pression différentielle sont utilisés pour la mesure de débit des fluides dans les tuyauteries, la surveillance des encrassements des filtres.
Les capteurs de pression absolue comparent la pression relative par rapport au vide absolue. La pression absolue est toujours positive.
Cet appareil a pour avantage de s’affranchir des variations de la pression atmosphérique grâce à une chambre de référence au vide et d’obtenir ainsi une meilleure précision.
On peut exprimer la pression absolue à partir de la pression relative en ajoutant 1,013 bar soit p. absolue (bar abs.) = p. relative (bar) + 1,013.
Un transmetteur de pression à membrane sépare le fluide du procédé mesuré de la cellule de pression. La membrane et les pièces de contact sont faites d’un matériau résistant au fluide mesuré et sont soudées à la base de la cellule de mesure de la pression.
Un tube capillaire ou un manchon de raccordement assure la liaison entre la membrane séparatrice et la cellule de pression. Cet espace doit être dégazé sous vide, puis rempli d’une huile de remplissage et scellé. La pression mesurée exerce une force sur la surface extérieure de la membrane. Lorsque la membrane fléchit vers l’intérieur, elle tente de comprimer le fluide de remplissage à l’intérieur de l’instrument.
Ce liquide de remplissage est conçu pour résister à la compression, de sorte que la force est canalisée directement vers la cellule de mesure de la pression. L’ensemble du fonctionnement d’un capteur de pression à séparateur à membrane est basé sur le principe de Blaise Pascal.
Les capteurs de pression à diaphragme sont fabriqués à partir de différents matériaux tels que l’acier inoxydable, le titane, l’Inconel, le Hastelloy, le Monel, le Tantale et le Nickel. Les matériaux utilisés dépendent du type d’application et de la température pour lequel le capteur de pression industriel est conçu.
Les capteurs de pression avec séparateurs sont utilisés pour mesurer la pression des fluides à haute température.
- Les transmetteurs de pression multivariable
Les capteurs de pression multivariable combinent dans le même capteur une mesure de pression différentielle, une mesure de pression absolue et une mesure de température.
Ces produits sont utilisés notamment pour la mesure de débit massique.
Les capteurs de niveau hydrostatique sont des dispositifs de mesure qui permettent de déterminer le niveau de remplissage d’un liquide dans des réservoirs ou des cuves. Le principe de mesure est basé sur la pression hydrostatique, qui est le poids exercé par un liquide en fonction de la hauteur de la colonne de remplissage.
Les sondes de pression submersibles
Ces sondes de pression hydrostatique peuvent être immergées dans un liquide et permettent de mesurer le niveau d’une cuve ou d’un réservoir. Ils sont généralement pourvus d’une membrane en acier inoxydable.
Comment étalonner un capteur de pression ?
Les transmetteurs de pression industriels nécessitent un étalonnage périodique pour assurer une métrologie précise au long de leur cycle de vie et éviter les facteurs qui influencent la précision. La période de calibration est définie par les fabricants de capteurs de pression. Il convient d’étalonner le zéro (Zéro) et la pleine échelle (Span).
En usine, afin de vérifier la linéarité du signal de sortie, on vérifie la précision sur plusieurs points de la plage de pression.
La calibration consiste à appliquer une pression de référence définie sur l’interface mécanique du capteur, de vérifier le signal de sortie puis d’appliquer une compensation. Le capteur peut être calibré à l’aide d’une vis de réglage externe, d’un indicateur digital local, d’une interface de programmation ou d’un logiciel de programmation.
Afin de procéder aux différentes manipulations, il peut être nécessaire de disposer de robinet d’isolement ou de manifold monté sur le transmetteur de pression afin d’isoler celui-ci du process.
Pour vos calibrations annuelles, vous pouvez faire appel à une entreprise spécialisée dans l’étalonnage des capteurs de pression.
Un étalonnage régulier vous permet de garantir la précision de la mesure de pression pour garantir des résultats constants.
Comment installer une mesure de pression ?
Les capteurs de pression peuvent être fixés grâce à un raccord mécanique sur l’organe de mesure ou sur la tuyauterie où la pression est à mesurer.
Des précautions particulières doivent être prises en fonction des conditions de pression et de température du process.
Le signal de cet appareil peut être raccordé à un système d’affichage (afficheur numérique industriel, enregistreur ou une supervision) ou à un automate (système d’automatisation pour mesure de la pression) afin de contrôler un organe de contrôle et réguler la pression d’un process.
Si vous avez besoin d’aide, il est recommandé de faire appel à une entreprise professionnelle pour l’installation et la mise en service de votre instrument de mesure.
Comment tester un capteur de pression ?
Un capteur de pression peut être testé en appliquant une pression connue définie sur l’interface mécanique de la sonde de pression et en vérifiant le signal de la sortie analogique mesuré ou la valeur affichée sur l’indicateur.
Si votre instrument est défectueux vous pouvez demander la réparation de votre instrument à un spécialiste ou un des fabricants de capteurs industriels.
Comment configurer un transmetteur de pression ?
La configuration des appareils numériques intelligents avec protocole HART peut être opérée :
Quelles sont les applications des capteurs de pression ?
Comprendre pourquoi mesurer la pression dans les industries de process est important pour garantir la sécurité, optimiser le contrôle des processus, améliorer l’efficacité énergétique et maintenir la qualité des produits finis.
Les transmetteurs de pression sont utilisés dans de nombreuses applications des secteurs industriels.
Cet appareil peut détecter des pressions allant jusqu’à plusieurs milliers de millibars. Il est donc essentiel dans un large spectre d’industries. Les pressions d’air, les pressions d’eau, les pressions de vapeur, les pressions de gaz peuvent ainsi être mesurées.
Par exemple, les applications comprennent la mesure par pression différentielle et organe déprimogène du débit des liquides dans une conduite, de débit de gaz ou du débit de vapeur, la surveillance des filtres, la mesure du niveau avec un capteur à membrane affleurante d’un fluide dans un réservoir, la mesure de la densité d’un fluide ou la mesure de la pression relative.
Suivant votre industrie, il convient de choisir un instrument de mesure adapté en fonction de l’application et des contraintes du milieu industriel.
Comment choisir le bon instrument de mesure de pression ?
Pour garantir le fonctionnement et les résultats attendus de vos process et éviter les erreurs dans la mesure de pression, les experts de Fuji Electric, fabricant français de capteurs de pression industriels, vous guident et vous proposent une mesure de pression conçue pour votre application la plus exigeante.
Mesurer la pression ne s’improvise pas !
La mesure de pression nécessite de faire appel à des professionnels du domaine du secteur de l’instrumentation.
Les capteurs de pression Fuji Electric sont reconnus pour leur haute technologie, leur précision de mesure de pression, leur large plage de mesure, leur stabilité à long terme, leur qualité de fabrication, leur fiabilité, leur résistance, leur support technique, leur politique de retour facile et leur service de livraison rapide pour les clients.
ref : FKE
