Comment fonctionnent les capteurs et interrupteurs de pression numériques

Les interrupteurs et capteurs de pression numériques sont essentiels pour surveiller et contrôler la pression dans diverses applications, des systèmes d'eau aux commandes pneumatiques. En convertissant la pression appliquée en signaux électriques, ces dispositifs offrent des mesures précises, une surveillance en temps réel et une intégration transparente avec les systèmes de contrôle numériques. Cet article explore le fonctionnement des interrupteurs et capteurs de pression numériques, leurs composants, principes de fonctionnement et les avantages qu'ils apportent aux processus qui exigent précision et fiabilité.

Table des matières

• Que sont les capteurs et interrupteurs de pression numériques
• Fonctionnement des capteurs de pression électroniques
• Types de capteurs de pression
• Choisir la bonne technologie de capteur
• Fonctionnement des interrupteurs de pression

Que sont les capteurs et interrupteurs de pression numériques

• Un capteur de pression, ou transducteur, est un dispositif qui mesure la pression, typiquement des gaz ou des liquides, et convertit le paramètre physique de pression en un signal électrique.
• Un interrupteur de pression est un type spécifique de capteur de pression qui inclut un composant de commutation mécanique ou électronique supplémentaire. Un interrupteur de pression établit ou coupe un contact électrique lorsqu'un certain niveau de pression prédéfini est atteint.

Les interrupteurs de pression numériques sont des émetteurs de pression électroniques avec des capacités supplémentaires. Ils ne se contentent pas de mesurer la pression, mais permettent également d'autres fonctionnalités comme un affichage numérique et l'ajustement électronique des points de commutation. Cette double fonctionnalité signifie que des tâches de contrôle simples peuvent être exécutées sans avoir besoin de dispositifs séparés. Les utilisateurs peuvent définir et modifier les points de commutation avec facilité, soit via un affichage numérique, soit à distance via un lien E/S, améliorant l'adaptabilité du système à différentes conditions de fonctionnement.

Les sections suivantes discutent des divers mécanismes par lesquels le capteur convertit la pression d'entrée en une sortie électrique.

Fonctionnement des capteurs de pression électroniques

Les capteurs de pression électroniques détectent les changements de pression et les convertissent en un signal électrique proportionnel. Il existe quatre principes principaux selon lesquels ces capteurs fonctionnent :

Mesure de pression résistive

La mesure de pression résistive quantifie la pression en détectant les changements de résistance électrique causés par la déformation d'un matériau. La résistance d'un conducteur est affectée par ses dimensions physiques, spécifiquement sa longueur et son aire de section transversale. La résistance électrique d'un conducteur est déterminée par la formule :

R=ρ*L/A

• R : Résistance électrique
• ρ : Résistivité
• L : Longueur
• A : Aire de section transversale

Lorsqu'une pression est appliquée à un conducteur, cela peut causer l'étirement ou la compression du matériau. Étirer le conducteur augmente sa longueur (l) et diminue son aire de section transversale (A), ce qui augmente à son tour sa résistance. Inversement, la compression résulte en une longueur plus courte et une aire de section transversale plus grande, menant à une diminution de la résistance.

Les capteurs de pression qui utilisent ce principe ont généralement un diaphragme sur lequel quatre jauges de contrainte métalliques sont placées. Elles sont réparties sur les zones d'allongement et de compression. La résistance change donc selon la déflexion (compression ou allongement) du diaphragme. Lorsque le diaphragme se courbe, les jauges de contrainte changent également de forme :

• Si le diaphragme s'étire, les jauges de contrainte sur ces parties obtiennent plus de résistance
• Si le diaphragme est poussé vers l'intérieur, les jauges de contrainte sur ces parties obtiennent moins de résistance.

Ces changements de résistance sont liés à la quantité de pression poussant sur le diaphragme. Un pont de Wheatstone peut également être utilisé pour des mesures plus précises.

Mesure de pression piézorésistive

Un matériau piézorésistif est un type de matériau qui change sa résistance électrique lorsque une contrainte mécanique lui est appliquée. Cette propriété est connue sous le nom d'effet piézorésistif. Cet effet est particulièrement prononcé dans les semi-conducteurs comme le silicium, alors qu'il est relativement mineur dans les métaux conducteurs.

Dans un capteur de pression piézorésistif, le diaphragme qui détecte la pression est construit à partir d'un matériau semi-conducteur. Des jauges de contrainte faites du même matériau semi-conducteur sont intégrées directement dans ce diaphragme, créant une unité de détection cohésive. Ces jauges de contrainte sont typiquement disposées en un ensemble de quatre et sont connectées pour former un pont de Wheatstone, qui est utilisé pour mesurer les changements minimes de résistance qui se produisent lorsque le diaphragme se déforme sous la pression.

Avantage

Les éléments piézorésistifs peuvent mesurer avec précision des gammes de pression très basses, ce qui les rend idéaux pour les applications où la précision est cruciale.

Limitations

• Problèmes de compatibilité : Les matériaux semi-conducteurs ne sont pas universellement compatibles avec tous les types de fluides avec lesquels ils entrent en contact. Pour éviter d'endommager le capteur, les éléments semi-conducteurs sont protégés des médias mesurés en appliquant la pression à une membrane métallique résistante au média. La pression est ensuite transmise au diaphragme semi-conducteur à travers un milieu de transmission stable, tel que l'huile, ce qui garantit que le matériau semi-conducteur sensible n'entre en contact qu'avec une substance qu'il peut supporter.
• Sensibilité à la température : Les éléments piézorésistifs sont très sensibles aux fluctuations de température, ce qui peut affecter leur performance et précision.
• Consistance de fabrication : Les variations dans le processus de fabrication peuvent entraîner des incohérences dans le comportement du capteur.

Pour relever ces défis, chaque capteur de pression piézorésistif doit subir une compensation de température individuelle pour garantir un fonctionnement fiable et constant.

Mesure de pression capacitive

La mesure de pression capacitive détermine la pression d'un milieu en mesurant le changement de capacité causé par la déformation d'un diaphragme lorsque la pression est appliquée. Un condensateur est un composant électrique qui stocke l'énergie dans un champ électrique entre deux plaques conductrices séparées par un matériau isolant (Figure 3). La capacité d'un condensateur à double plaque est calculée en utilisant la relation suivante :

C=ε*A/d

• C : Capacité du condensateur à double plaque
• ε : Permittivité
• d : Séparation des plaques
• A : Aire de section transversale

Dans un capteur de pression capacitif, les deux plaques du condensateur sont configurées de telle sorte qu'une plaque est un diaphragme mobile qui répond aux changements de pression, tandis que l'autre plaque reste stationnaire. Lorsque la pression est appliquée, le diaphragme se déforme, modifiant la distance (d) entre les deux plaques. Étant donné que l'aire des plaques (A) et la permittivité (ε) du matériau isolant sont constantes, tout changement dans la séparation des plaques affecte directement la capacité.

Avantages

• La relation directe entre la séparation des plaques et la capacité signifie que les capteurs de pression capacitifs sont très sensibles aux changements de pression. Ils sont particulièrement bien adaptés pour mesurer des gammes de pression très basses, comme celles dans la plage des millibars à un chiffre.
• La conception de ces capteurs offre un haut niveau de protection contre les surcharges. Le diaphragme mobile peut se flexer jusqu'à la plaque stationnaire sans causer de dommages, ce qui aide à prévenir la défaillance du capteur dans les situations où la pression dépasse la plage de mesure prévue.
• Les capteurs de pression capacitifs sont couramment utilisés dans les applications où des mesures de basse pression précises sont requises, comme dans la surveillance environnementale, les dispositifs médicaux et les systèmes HVAC. Leur haute sensibilité et protection contre les surcharges en font des choix fiables et durables pour ces tâches de mesure sensibles et d'autres.

Limitations

• Les capteurs capacitifs peuvent être sensibles aux vibrations et peuvent nécessiter une protection contre les environnements difficiles.
• Les capteurs capacitifs peuvent être affectés par des changements dans la constante diélectrique du milieu entre les plaques, qui peut être influencée par des facteurs comme l'humidité et la température.

Mesure de pression piézoélectrique

La mesure de pression piézoélectrique fait référence à l'utilisation de matériaux piézoélectriques pour mesurer les changements de pression. Les matériaux piézoélectriques ont la propriété unique de générer une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet piézoélectrique.

Certains matériaux cristallins, comme le quartz, la tourmaline et certains céramiques, présentent des propriétés piézoélectriques. La structure du cristal est telle que lorsqu'elle est déformée par la force appliquée, les éléments de la grille à l'intérieur du cristal, qui sont chargés électriquement, se déplacent. Ce déplacement conduit à la génération d'un moment dipolaire électrique à l'intérieur du cristal, ce qui à son tour provoque l'acquisition de charges positives et négatives sur les surfaces opposées du cristal.

Cela provoque une différence de tension à travers le cristal qui peut être mesurée. Cette tension est directement proportionnelle à la contrainte mécanique appliquée, permettant ainsi de déterminer la pression à partir de la sortie de tension du capteur.

Avantages

• Aucune alimentation externe requise : Les matériaux piézoélectriques génèrent leur propre charge électrique en réponse à la pression, ils n'ont donc pas besoin d'une source d'alimentation externe.
• Large plage dynamique : Les capteurs piézoélectriques peuvent mesurer une large gamme de pressions, de très basse à très élevée.

Limitations

Les capteurs piézoélectriques ne conviennent pas pour mesurer la pression statique car la charge générée peut se dissiper avec le temps. De plus, la charge électrique produite par l'effet piézoélectrique peut s'échapper, en particulier à des températures élevées, ce qui peut affecter la précision.

En raison de cette limitation, les capteurs de pression piézoélectriques sont généralement utilisés dans des applications où la pression change rapidement, comme dans la détection des ondes sonores, la surveillance des processus de combustion des moteurs ou la mesure des pressions d'explosion.

Types de capteurs de pression

Les principes de mesure de pression discutés précédemment sont disponibles dans trois principaux types de capteurs : les capteurs à film épais en céramique, les capteurs à film mince en métal et les capteurs de pression piézorésistifs.

Capteur à film mince en métal

Les capteurs à film mince en métal sont construits avec à la fois le diaphragme et le boîtier principal en acier inoxydable, ce qui offre une excellente durabilité et résistance aux médias corrosifs. Les jauges de contrainte, ainsi que les couches d'isolation, les chemins conducteurs et les résistances de compensation, sont appliqués sur le côté du diaphragme qui n'entre pas en contact avec le milieu mesuré. Cela garantit que les composants sensibles sont protégés de l'environnement.

Caractéristiques

• Les capteurs à film mince en métal sont généralement fabriqués dans des conditions de salle blanche, et parfois même sous vide, pour garantir la plus haute qualité et éviter la contamination.
• Les capteurs à film mince en métal sont très stables et résistants aux chocs et aux vibrations, ce qui les rend bien adaptés aux applications impliquant des charges dynamiques.
• Ils peuvent être soudés directement sur une connexion du système, éliminant le besoin de matériaux d'étanchéité séparés. Cela peut simplifier l'installation et améliorer l'intégrité de la connexion du capteur.
• La ductilité de l'acier permet un certain degré de déformation sans échec ; ces capteurs ont généralement une plage de surpression plus basse (pression qui dépasse la plage de pression de fonctionnement conçue). Cependant, ils peuvent supporter des pressions d'éclatement très élevées, garantissant la sécurité dans les applications où des pics de pression soudains peuvent se produire.

Capteur à film épais en céramique

Les capteurs à film épais en céramique ont le corps principal et le diaphragme en céramique, typiquement de l'oxyde d'aluminium (Al2O3), qui est choisi pour sa processabilité et sa stabilité. Les jauges de contrainte sont appliquées sur le côté du diaphragme en céramique qui n'entre pas en contact avec le milieu mesuré. Ces jauges sont faites à partir d'une pâte spéciale qui est appliquée en une couche épaisse, d'où le terme "film épais". La pâte est ensuite brûlée dans le diaphragme à des températures élevées et ensuite recouverte d'un revêtement protecteur pour garantir la durabilité.

• La fabrication de capteurs à film épais en céramique se déroule dans des conditions de salle blanche pour éviter la contamination. Les matériaux en céramique sont très résistants à la corrosion, ce qui rend ces capteurs adaptés à une utilisation dans des environnements chimiques agressifs.
• Le joint supplémentaire requis pour l'assemblage du capteur peut ne pas être résistant à tous les médias.
• La céramique est également un matériel fragile, ce qui signifie que bien que ces capteurs puissent supporter des pressions significatives, ils peuvent avoir une pression d'éclatement inférieure par rapport aux capteurs à film mince en métal.

Capteur piézorésistif

Les capteurs piézorésistifs sont plus complexes dans leur construction que les capteurs à film épais en céramique ou à film mince en métal. Le cœur d'un capteur piézorésistif est une puce en silicium qui abrite le diaphragme avec des résistances piézorésistives intégrées. Ces puces sont beaucoup plus petites en surface par rapport aux diaphragmes utilisés dans les capteurs à film épais ou mince, souvent juste quelques millimètres carrés en taille.

En raison de leur sensibilité aux facteurs environnementaux, les puces piézorésistives doivent être protégées. Cela est réalisé en enfermant la puce dans un boîtier en acier inoxydable, qui est scellé avec un diaphragme en acier inoxydable fin (Figure 4 étiqueté E). L'espace à l'intérieur du boîtier est rempli d'un fluide de transmission (Figure 4 étiqueté F) qui transmet la pression du diaphragme extérieur au diaphragme du capteur. Des corps de déplacement spéciaux (Figure 4 étiqueté C) minimisent les effets de l'expansion thermique du fluide de transmission sur la précision de la mesure.

La puce du capteur est montée et connectée électriquement à l'aide d'un en-tête (Figure 4 étiqueté B), qui peut être soudé hermétiquement au boîtier. Des fils de connexion (Figure 4 étiqueté H) relient le capteur aux broches externes (Figure 4 étiqueté A). Un tube de ventilation (Figure 4 étiqueté G) est positionné au centre de l'en-tête, menant au dos du diaphragme du capteur. Ce tube permet la mesure de la pression absolue lorsque la chambre derrière le capteur est évacuée et que le tube est scellé. Si le tube de ventilation est ouvert, le capteur mesure la pression relative, avec le tube se connectant à l'environnement soit à travers le boîtier extérieur soit par un câble ventilé. Il est crucial de protéger le tube de ventilation contre la contamination et l'humidité pour maintenir la précision du capteur.

Choisir la bonne technologie de capteur

Tableau 1 : Différentes applications de mesure avec technologies de capteurs

Exigence	Principe du capteur
	Capteur à film mince en métal	Céramique à film épais	Piézorésistif
Mesure de pression absolue	Non adapté	Partiellement adapté	Bon
Très basses plages de pression	Non adapté	Non adapté	Bon
Très hautes plages de pression	Bon	Non adapté	Non adapté
Résistance aux chocs et vibrations	Bon	Partiellement adapté	Partiellement adapté
Stabilité à long terme	Bon	Partiellement adapté	Bon

Fonctionnement des interrupteurs de pression

Un interrupteur de pression est essentiellement un capteur de pression qui intègre un composant supplémentaire : un interrupteur mécanique ou électronique. Cette intégration permet à l'appareil non seulement de mesurer la pression mais aussi d'agir sur la valeur mesurée en ouvrant ou fermant un circuit électrique une fois que la pression atteint un seuil prédéterminé.

• Interrupteurs mécaniques : Dans un interrupteur de pression mécanique, le composant de mesure de pression (le capteur) agit directement sur un interrupteur mécanique. Lorsque la pression atteint un certain niveau, cela provoque un mouvement physique (tel que la flexion d'un diaphragme ou un mouvement de piston) qui déclenche mécaniquement un interrupteur pour ouvrir ou fermer un circuit électrique. Cette action peut allumer ou éteindre un système, activer des alarmes ou initier d'autres processus mécaniques.
• Interrupteurs électroniques : Les interrupteurs de pression électroniques intègrent un capteur de pression qui convertit la pression en un signal électrique. Ce signal est ensuite traité par un circuit électronique qui détermine si la pression est au-dessus ou en dessous d'un seuil défini par l'utilisateur. Si le seuil est franchi, le circuit électronique active un relais ou un interrupteur à transistor, ouvrant ou fermant ainsi un circuit électrique. Ce type d'interrupteur offre une plus grande flexibilité et précision, car le seuil peut être facilement ajusté par logiciel, et l'interrupteur peut être conçu pour déclencher diverses actions électroniques.