Comment fonctionnent les pressostats et capteurs numériques

Comment fonctionnent les pressostats et capteurs numériques

pressostat numérique

Dans de nombreux systèmes, les pressostats mécaniques sont remplacés par des versions électroniques. Ces pressostats numériques offrent une variété de caractéristiques supplémentaires comme un affichage numérique et la possibilité de régler les points de commutation électroniquement. Les pressostats numériques sont principalement basés sur des transmetteurs de pression électroniques. Le commutateur dispose ainsi de la fonctionnalité complète d'un émetteur. Le pressostat intégré permet d'effectuer des tâches de contrôle simples. Les points de commutation peuvent être réglés individuellement à l'aide de l'affichage numérique ou d'une liaison E/S.

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Principes de la mesure électronique de la pression

Les capteurs de pression électroniques sont nécessaires pour détecter la pression (les changements) et la convertir avec une grande précision en un signal électrique. Le signal électrique est utilisé pour représenter l'ampleur de la pression (variations). Les quatre grands principes sont examinés ci-dessous.

Mesure de la pression résistive

La mesure de la pression par résistance utilise la résistance des conducteurs électriques en fonction de la déviation. Ce principe permet de corréler la déviation en fonction de la pression avec la résistance électrique. À cette fin, la relation suivante s'applique :

R=ρ*l/A

R 2 Résistance électrique
ρ : Résistivité
L Longueur :
A : Section transversale

Si la longueur d'un conducteur augmente en raison d'une force de traction, l'aire de la section transversale diminue. La résistance électrique est inversement proportionnelle à la surface de la section transversale. Cela signifie que la résistance électrique augmente lorsque la section transversale diminue.

Les capteurs de pression qui utilisent ce principe ont généralement un diaphragme sur lequel sont placées quatre jauges de contrainte métalliques. Ils sont répartis sur les zones d'élongation et de compression. La résistance varie donc en fonction de la déformation (compression ou allongement) de la membrane. Pour des mesures précises, on utilise des ponts de mesure de Wheatstone.

exemple de jauge de contrainte

Figure 1 : Principe de mesure de la pression résistive

Mesure de la pression piézorésistive

Le principe de mesure de la pression piézorésistive est similaire au principe de mesure résistive mentionné précédemment. Le principe piézorésistif fait cependant appel à des matériaux semi-conducteurs. En plus d'une modification de la section transversale, leur résistivité varie en raison de la déformation, c'est ce qu'on appelle l'effet piézorésistif. Cet effet est insignifiant pour les métaux conducteurs mais a un effet significatif dans les semi-conducteurs tels que le silicium. Ces matériaux semi-conducteurs sont intégrés dans le diaphragme. Ainsi, le diaphragme et les jauges de contrainte peuvent être constitués du même matériau semi-conducteur. Habituellement, quatre jauges de contrainte sont encastrées et connectées à un pont de Wheatstone.

Les matériaux semi-conducteurs ne sont pas adaptés à une large gamme de milieux. Pour cette raison, le matériel de censure doit être protégé. Pour ce faire, la pression est transférée indirectement au semi-conducteur à l'aide d'une membrane métallique et d'un milieu de transmission tel que l'huile.

Un avantage des capteurs de pression piézorésistifs est qu'ils peuvent être utilisés pour des plages de pression très faibles. Un inconvénient est la forte dépendance à la température et aux variations liées à la fabrication. Cela implique que chaque capteur doit être compensé en température.

Mesure de la pression capacitive

Ce principe est basé sur la mesure de la capacité d'un condensateur. La capacité d'un condensateur à deux plaques est calculée à l'aide de la relation suivante :

C=ε*A/d

C : Capacité du condensateur à deux plaques
ε : Permittivité
d : Séparation des plaques
A : Section transversale

Ce principe est réalisé à l'aide de deux plaques. La déflexion due aux changements de pression entraîne une modification de la séparation entre les plaques. Comme la surface et la permittivité sont constantes, la capacité ne dépend que de la séparation des plaques. Il en résulte une sensibilité élevée du capteur. Les capteurs de pression capacitifs sont donc adaptés à des plages de pression très faibles (plage de mbar à un chiffre). Une haute sécurité de surcharge pour le capteur est assurée puisque la membrane mobile peut être déviée jusqu'à la plaque fixe.

Principe du condensateur à deux plaques

Figure 2 : Principe de la mesure capacitive de la pression

Mesure de la pression piézo-électrique

Attention, il s'agit d'un principe différent de celui de la mesure de la pression par résistance piézoélectrique. Ce principe est basé sur l'effet piézoélectrique que l'on retrouve dans certains cristaux non-conducteurs comme le quartz monocristallin. Sous l'effet d'une pression ou d'une force de traction appliquée, les surfaces opposées du cristal sont respectivement chargées positivement et négativement. Ceci est dû au déplacement induit dans les éléments du réseau qui sont chargés électriquement. Ce déplacement provoque un moment de dipôle électrique responsable des charges de surface.

La différence de tension entre la surface est mesurable et peut être convertie en un changement de pression. La mesure de pression piézo-électrique ne convient que pour la mesure de pression dynamique. Ces capteurs sont limités à des applications spécifiques.

Principe de mesure de la pression piézo-électrique

Figure 3 : Principe de mesure de la pression piézo-électrique

Types de capteurs

Les principes de mesure mentionnés précédemment se retrouvent dans les trois principaux types de capteurs. Pour la mesure de la pression résistive, les capteurs à couche épaisse en céramique et à couche mince en métal sont les plus couramment utilisés. Le troisième type de capteur est le capteur de pression piézorésistif.

Capteur à couche mince en métal

Le diaphragme et le boîtier principal d'un capteur métallique à couche mince sont tous deux construits en acier inoxydable. Les jauges de contrainte, les couches isolantes, les chemins conducteurs et les résistances de compensation sont appliqués sur le côté de la membrane qui n'est pas en contact avec le milieu.

Les capteurs à couches minces sont construits dans des conditions de salle blanche et parfois sous vide. Les capteurs à couches minces sont très stables en raison des matériaux utilisés. En outre, ils sont très résistants aux chocs et aux vibrations. Cela les rend également très adaptés aux charges dynamiques. Grâce au matériau soudable, les capteurs à couche mince peuvent être soudés sur la connexion du système sans avoir recours à d'autres matériaux d'étanchéité. En raison de la ductilité de l'acier, le capteur a une faible plage de surpression mais une pression d'éclatement élevée.

Capteur à couche épaisse en céramique

Le corps principal et le diaphragme du capteur à couche épaisse sont construits en céramique. La céramique la plus couramment utilisée est l'oxyde d'aluminium (Al2O3) en raison de sa facilité de traitement et de sa stabilité. Les quatre jauges de contrainte sont appliquées sur le côté de la membrane qui n'est pas en contact avec le fluide. Ils sont appliqués sous forme de pâte en couche épaisse, d'où leur nom. La pâte est brûlée dans le diaphragme à une température élevée, après quoi il reçoit un revêtement de protection. Les capteurs en céramique à couche épaisse sont fabriqués dans des conditions de salle blanche. La céramique est très résistante à la corrosion, mais le joint supplémentaire qui est nécessaire ne résiste pas à tous les milieux. C'est un matériau fragile, ce qui entraîne une pression d'éclatement inférieure à celle des capteurs à couche mince.

Capteur piézorésistif

Les capteurs piézorésistifs ont une structure beaucoup plus complexe que les capteurs mentionnés précédemment. Le capteur lui-même est fabriqué à partir d'une puce de silicium. Cette puce de silicium contient le diaphragme dans lequel sont placées des résistances piézorésistives. La surface de ces puces est de quelques millimètres carrés, ce qui est beaucoup plus petit que les diaphragmes à couche mince ou épaisse.

La puce piézorésistive doit être encapsulée en raison de sa sensibilité aux influences ambiantes. Pour ce faire, la puce est installée dans un boîtier en acier inoxydable. Ce boîtier est scellé à l'aide d'un mince diaphragme en acier inoxydable. Le volume libre à l'intérieur du boîtier est rempli de liquide de transmission. Ce fluide de transmission transfère la pression du diaphragme extérieur en acier au diaphragme intérieur du capteur. Des corps de déplacement spéciaux sont utilisés pour minimiser l'influence de l'expansion thermique du fluide de transfert sur la mesure.

Une embase est utilisée pour monter et connecter électriquement la puce du capteur. Le collecteur peut être soudé hermétiquement au boîtier. Des fils de liaison sont utilisés pour connecter le capteur aux broches. Un tube de ventilation est situé au centre du collecteur et mène à la face arrière du diaphragme du capteur. La pression absolue peut être mesurée lorsque la chambre derrière le capteur est évacuée et que le tube de ventilation est fermé. Dans le cas d'un tube de ventilation ouvert, la pression relative est mesurée. Le tube de ventilation est relié à l'environnement par l'enveloppe extérieure ou par un câble qui est ventilé. Le tube de ventilation doit être protégé de la contamination et surtout de l'humidité.

Capteur piézorésistif

Figure 4 : Capteur piézorésistif

Tableau des applications et des technologies des capteurs

Le tableau ci-dessous présente différentes applications de mesure avec les technologies de capteurs les mieux adaptées. Les transmetteurs de pression numériques sont rentables si un grand nombre de points de surveillance sont nécessaires et contrôlés.

Types de capteurs de pression numériques

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