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Un monde sous pression: mesures de pression pour les industries de process

Introduction

La pression est le deuxième paramètre le plus mesuré après la température dans les industries de transformation. Il est souvent important de mesurer avec précision pour contrôler la qualité du produit final et rapidement pour contrôler les processus dynamiques.

Les environnements difficiles de nombreuses applications, les exigences de sécurité liées à l'utilisation dans des atmosphères explosives et le coût de la maintenance des enregistrements d'étalonnage sont également des considérations importantes. Le choix de produits de mesure de pression adaptés peut être décourageant.

Cet article examine les différentes technologies disponibles et leurs avantages respectifs, ainsi que les avantages de ces avantages en termes de performances pour des applications particulières.

neculai moisoi

Métrologue principal, Druck

ian abb

Chef de produit industriel, Druck

Dans cet article, les utilisations typiques des capteurs de pression dans les industries de traitement et les défis auxquels les utilisateurs sont confrontés seront également décrits.

Types fondamentaux de capteurs de pression

Le secteur des capteurs de pression a connu un développement rapide après l’invention initiale dans 1938 des jauges liées par contrainte par EE Simmons du California Institute of Technology et AC Ruge du Massachusetts Institute of Technology. Bien que de nombreux facteurs de forme soient disponibles, l’apparence générale d’un capteur de pression est présentée ci-dessous.

Mesure de la pression

Figure 1: Capteur de pression générique avec membrane d’isolation

Types par principe de détection

Les capteurs piézorésistifs sont le type de capteur le plus utilisé, en raison de la diversité des applications auxquelles ils s'adaptent, ainsi que de leur construction généralement robuste.

La plupart des capteurs piézorésistifs sont basés sur un pont de Wheatstone sur un substrat de silicium, où chaque résistance du pont change de valeur en fonction de la contrainte / pression appliquée, ce signal pouvant ensuite être modifié en une variété de sorties électriques.

Il existe peu d'applications nécessitant des paramètres qui dépassent les capacités des capteurs piézorésistifs. Toutefois, pour la plupart des applications industrielles, les capteurs piézorésistifs constituent le choix préféré.

Les capteurs capacitifs se présentent également dans une grande variété de formes et de formes, avec des formes généralement très simples dans lesquelles un diaphragme fin est une plaque d'un condensateur et où la pression appliquée provoque la déformation / le mouvement élastique du diaphragme et donc une modification de la capacité électrique .

En raison de leur sensibilité élevée, ils constituent de bons capteurs pour les pressions inférieures à 20 mbar (20 hPa). Il faut toutefois faire preuve de prudence, car ils sont généralement sensibles aux vibrations et aux chocs.

Les capteurs inductifs ont une approche similaire aux capteurs capacitifs, où une capsule de détection (élastique) déplace un élément central à l'intérieur d'un transformateur différentiel à variable linéaire, d'où la variation d'induction est proportionnelle à la pression appliquée.

Une grande variété de capsules de détection peut être utilisée avec des capteurs inductifs; ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés pour différentes gammes, mais il faut faire attention au bruit électrique et / ou aux chocs et aux vibrations.

Les transducteurs de pression résonants font partie des capteurs à base de silicium les plus précis du marché. Le principe de fonctionnement est basé sur le changement de fréquence d'un résonateur lorsque la contrainte lui est appliquée, généralement via un diaphragme en silicium, connecté aux extrémités du résonateur. résonateur.

Ce sont généralement des capteurs robustes et se présentent sous différentes formes avec différents degrés de protection contre les facteurs environnementaux. Cependant, leur principe mécanique pourrait les rendre vulnérables aux ondes mécaniques, en particulier si ces ondes mécaniques activent des modes de fréquence différents du résonateur.

Types par sortie

Les deux principaux types de capteurs de pression sont les sorties de quantités continues et les sorties discrètes (numériques).

Les types continus sont mV, V, mA et Hz) et chaque type a ses propres avantages et inconvénients. Dans cet esprit, chacun devrait être choisi en fonction de l'application et de l'environnement. Par exemple, une sortie en mV est souhaitable si le signal doit être modifié dans une application sur mesure sans qu'il soit nécessaire de l'envoyer sur de longues distances, tandis qu'une sortie en V ou une sortie en mA peut être envoyée sur des distances relativement longues, car il est moins probable être affecté par l'environnement d'exploitation qu'une sortie en mV.

Les capteurs de pression à sortie numérique deviennent de plus en plus populaires car ils peuvent être facilement intégrés dans des systèmes informatisés, en utilisant le même jeu de câbles pour plusieurs capteurs (Modbus, Profibus, Canbus) et qu’ils peuvent également être utilisés comme configuration «plug & play» ( RS232, USB) ou même connecté sans fil (sans fil, Bluetooth).

Capteurs de pression caractéristiques métrologiques

Les caractéristiques métrologiques des capteurs de pression peuvent varier considérablement d'un fabricant à l'autre et il est très important de comprendre ces caractéristiques pour s'assurer qu'un capteur approprié est choisi pour l'application envisagée.

D'un point de vue métrologique pur, certains des paramètres (par exemple, la répétabilité, la précision, l'exactitude) ont une définition qualitative. Cependant, au fil des années, ils ont été utilisés en tant que paramètres quantitatifs. Nous les utiliserons donc de la même manière. Ci-dessous, nous allons nous concentrer sur les principaux paramètres métrologiques:

Décalage du signal

Le décalage du signal correspond à l'erreur du capteur à la pression minimale (la figure 2 montre le décalage du signal pour un capteur de pression avec une plage de 0 à 1000 mbar et une sortie de 0 à 5 V). D'un point de vue pratique, il est important de savoir si le décalage du capteur peut être ajusté («remis à zéro») car de nombreux capteurs pourraient dériver dans le temps et la possibilité de «remettre à zéro» serait souhaitable.

Avec le réglage du décalage, de nombreux capteurs ont la possibilité de régler la plage (sortie à la pression maximale moins la sortie à la pression minimale), ce qui aidera également à corriger la dérive dans le temps. La mesure et la réinitialisation de ces décalages nécessitent un plan d'étalonnage et de maintenance pour garantir que les performances restent dans les limites requises.

capteur de pression manométrique 0-1000 mbar. Mesure de pression

Figure 2: décalage du capteur de pression

Sensibilité

La sensibilité du capteur est le rapport entre le changement du signal de sortie et le changement de pression. Si nous considérons le graphique ci-dessus où la sortie change de 5 V, alors que la pression change de 1000 mbar, la sensibilité est de 5 mV / mbar. Ceci est un paramètre important pour la manière dont nous utiliserions le signal dans l'application, ainsi que pour déterminer la manière dont les performances du capteur seront affectées par le bruit électrique.

Précision

La précision est généralement le terme utilisé pour décrire le comportement des capteurs en termes de répétabilité, d'erreur de linéarité et d'hystérésis du signal. Traditionnellement, certains fabricants ont utilisé le terme «précision» pour décrire ce paramètre.

Cependant, en règle générale, quel que soit le nom de ce paramètre, la meilleure approche consiste à comprendre ce que sont ses composants. La précision en tant que paramètre ne nous dit pas avec quelle précision nous mesurons la pression, mais plus comment les capteurs se comportent. Par exemple, est-ce répétable? est-ce linéaire? Y a-t-il une hystérésis de pression ou de température?

La répétabilité est la proximité de l'accord entre les résultats de mesures successives de la même pression effectuées dans les mêmes conditions de mesure sur une période relativement courte. Souvent, la répétabilité est déterminée par l'écart type des mesures répétées ou par l'amplitude (maximum - minimum).

L'erreur de linéarité est déterminée par la différence entre la valeur mesurée par le capteur et la ligne théorique (déterminée en tant que meilleur ajustement en ligne droite BSL ou ajustement en ligne droite du terminal), qui suppose un comportement linéaire du capteur. La figure 3 représente l'erreur de linéarité pour un cas BSL et, afin de caractériser les capteurs, l'erreur maximale est choisie (dans le pire des cas).

capteur de pression manométrique 0-2000 mbar. Mesure de pression

Figure 3: Erreur de linéarité du capteur de pression

L'erreur d'hystérésis de pression ou de température est la différence entre deux mesures distinctes prises au même point, mais l'une où la valeur augmente et l'autre où la valeur diminue. La taille de l'hystérésis varie en fonction de la technologie du capteur de pression et de la construction physique du capteur.

capteur de pression absolue 0-100 mbar. Mesure de pression

Figure 4: Erreur d'hystérésis de pression


GénéralDe plus, les paramètres 3 décrits ci-dessus sont inclus dans une spécification, qui définit les limites acceptables de précision (exemple: la précision correspond à +/- 0.1% de la pleine échelle).

Précision

L’exactitude doit être associée à l’erreur de mesure spécifiée, y compris l’impact de l’erreur systématique, de l’erreur aléatoire et de la dérive (dans les cas où l’exactitude est spécifiée sur une période donnée). La précision d'un capteur de pression ou d'une mesure est obtenue dans le cadre de l'évaluation de l'incertitude de mesure et comprend de nombreux facteurs, notamment les incertitudes de la norme et / ou de l'unité à tester (UUT), la précision, etc. Évaluer l'incertitude de mesure / d'étalonnage nécessite des connaissances spécialisées, nous allons donc nous concentrer ici sur l'interprétation de la précision.

Chaque mesure doit être associée à une incertitude de mesure (soit par une déclaration de précision dans la fiche de données ou par une incertitude dans un certificat d'étalonnage). La plupart du temps, la précision est évaluée en tant qu'incertitude étendue, supposée suivre une distribution normale et le facteur de couverture = 2. En termes simples, comme dans l'exemple ci-dessous: la valeur vraie de la quantité mesurée x est trouvée avec une probabilité de 95% comprise dans l'intervalle (xU, x + U).

Mesure de la pression

Figure 5: Représentation de la précision pour une valeur de pression X


Lorsqu’on compare la précision à la précision d’un capteur de pression, la précision indique le comportement du capteur, tandis que la précision (qui inclut les facteurs de précision) indique la précision de notre mesure ou indique les limites contenant la valeur réelle de la mesure.

Stabilité à long terme (dérive)

La stabilité à long terme d'un instrument est souvent désignée par sa quantité opposée - à savoir la dérive à long terme, selon les définitions suivantes:

  • La stabilité d'un instrument de mesure est la propriété d'un instrument de mesure. Ses propriétés métrologiques restent constantes dans le temps.
  • La dérive instrumentale est le changement continu ou incrémental d'indication dans le temps, dû aux modifications des propriétés métrologiques d'un instrument de mesure.

La plupart du temps, la dérive d'un instrument suit un modèle mathématique donné dans le temps, mais en raison de la variation d'une partie à l'autre pour un modèle donné, la dérive est exprimée sous la forme d'une plage de tolérance, D = + / - 10 Pa, d'où il devrait être inclus dans la précision globale de l'instrument.

En règle générale, le capteur de pression présente une certaine forme de dérive dans le temps. Il est donc important que les systèmes soient conçus de manière à pouvoir être ajustés à la fois pour le décalage et la dérive de portée et qu'un programme d'étalonnage et de maintenance soit adopté.

Quantités d'influence

Les grandeurs d'influence sont des grandeurs externes (c'est-à-dire non incluses dans l'entrée / la sortie) qui peuvent influer sur les performances d'un capteur de pression. La plupart du temps, les fabricants de capteurs de pression fournissent la plage de la grandeur d'influence et son effet sur les caractéristiques métrologiques du capteur.

L'influence des facteurs externes est principalement indiquée sous forme de plage de tolérance, qui doit être prise en compte lors de l'évaluation de la précision de l'instrument. Par exemple, lorsque l'on considère l'effet de la température pour un capteur de pression, la grandeur d'influence (température) est définie entre -10 et + 50 ° C, puis son effet est défini comme une plage de tolérance ± 0.75% de la pleine échelle.

Les quantités d’influence et leur effet doivent être indiqués par les fabricants dans leurs fiches techniques. Ils varient en fonction de la quantité mesurée et du type de capteur., Les grandeurs d’influence les plus courantes sont: la température, l’humidité, la pression atmosphérique, les champs électromagnétiques, les vibrations, bruit.

Sur la base de la demande, il convient d’examiner de près les spécifications indiquées pour les grandeurs d’influence, car dans certains cas, les effets induits sont très supérieurs à la précision et / ou à la précision alléguées.

Calibrage des capteurs de pression

Dans le passé, les capteurs de pression étaient retirés du système dans lequel ils étaient incorporés et étalonnés dans un laboratoire de métrologie. Toutefois, cela entraînera un coût, car il faudra installer des capteurs de rechange pour éviter les temps d'arrêt ou arrêter le système et l'actif sera hors service jusqu'à ce que les capteurs soient renvoyés de l'étalonnage / du test.

De nos jours, la plupart des capteurs sont étalonnés «sur place» à l'aide d'étalonneurs de pression, dont certains ont la capacité de générer et de mesurer la pression en même temps et le débit (en mV, V, mA, etc.). En outre, de nombreux étalonneurs peuvent évaluer l’incertitude de l’étalonnage (souvent qualifiée d’exactitude) et stocker / transmettre les données automatiquement via un système de gestion de données.

Il est toujours conseillé de disposer d'un tel système car il conserve toutes les données d'étalonnage en toute sécurité, ce qui facilite la gestion des actifs, réduit les erreurs de compte-rendu et facilite la conformité aux certifications ISO.

La méthode d'étalonnage est une méthode directe. Outre les vérifications de fonctionnement à effectuer avant la sélection (choisir les bons raccords pour les raccords sous pression, assurer un système sans fuite, les précautions de sécurité, etc.), le calibrateur doit être choisi de manière appropriée. En règle générale, les temps 4 sont plus précis que le capteur étalonné.

calibrateur portable. Mesure de pression

Figure 6: Étalonnage à distance d'un capteur de pression à l'aide d'un étalonneur modulaire

Choisir le bon capteur pour l'application

Choisir le bon capteur pour une application consiste à faire correspondre les exigences de l'application au paramètre particulier qui intéresse l'utilisateur.

Par exemple, dans une application de test de fuite, la précision absolue est une considération secondaire du bruit. Il est essentiel de savoir si la lecture a changé et donc, si les capteurs interprètent mal la barre 10 comme la barre 9, les conséquences ne sont pas profondes, car une résolution élevée revêt une plus grande importance, afin de permettre une légère modification de la pression.

Comme autre exemple dans une boucle de contrôle, la vitesse de réponse est critique. Si le capteur délivre la pression qui existait auparavant par 100 ms, il sera très difficile d'optimiser un processus dynamique.

Bien sûr, il existe certaines applications, telles que le transfert fiscal et la fourniture d’une masse d’essence à un processus, dans lesquelles la précision globale est le facteur le plus important. Il existe une relation 1: 1 entre l'erreur de pression et l'erreur sur la masse ou, autrement, une erreur% 1 dans la lecture de la pression est une erreur 1% dans la facture.

Dans cette situation, il est important de prendre en compte non seulement le chiffre de «précision» global, mais également les performances sur la plage de température de fonctionnement, puis d'inclure le chiffre de stabilité pour définir une période de réétalonnage afin de maintenir la précision globale à tout moment. .

Les fabricants ont tendance à mettre le plus de détails possible dans leur documentation technique et marketing, mais ils doivent équilibrer la quantité d'informations fournies en les rendant facilement accessibles et compréhensibles.

Pour une certitude accrue des exigences les plus adaptées à une application particulière, il est souvent nécessaire de faire appel à une équipe technique de conception du fournisseur de capteurs de pression et, dans certains cas critiques, il est possible de nouer un partenariat afin de concevoir une solution personnalisée pour une application spécifique. .

Industrie de process Informer

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