Pressure Measurement Archives

Jauges de contrainte dans la technologie de mesure de pression

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Les jauges de contrainte sont des appareils de mesure qui modifient leur résistance électrique par déformation mécanique. Ils sont utilisés dans une variété d’instruments de mesure qui, outre les balances et les cellules de charge, comprennent également des capteurs de pression.

Les capteurs de pression reposent sur plusieurs variables physiques, dont l’inductance, la capacité ou la piézoélectricité. Cependant, la propriété physique la plus commune par laquelle fonctionnent les transmetteurs de pression est la résistance électrique qui peut être observée dans la déformation métallique, ou effet piézorésistif, des jauges de contrainte à semiconducteurs. La pression est déterminée par une déformation mécanique du support accueillant les jauges de contrainte. Si une pression agit sur le support, la déformation qui en résulte entraîne une modification de la section transversale des pistes conductrices, ce qui entraîne à son tour une modification de la résistance électrique. C’est ce changement de résistance électrique qu’un capteur de pression prend en compte et à partir duquel la pression peut alors être déterminée.

Image 1: Les jauges de contrainte se déforment sous pression

La déformation agissant sur le conducteur provoquera une variation de longueur (Δl). Puisque le volume reste le même, c’est la section et donc la résistance R qui change:

ΔR/R = k • Δl/l

Le changement de résistance (ΔR) est proportionnel au changement de longueur (Δl), et le facteur de proportionnalité (k) dépendra à la fois de la géométrie et des propriétés du matériau. Alors que ‘k’ sera 2 pour les conducteurs métalliques, il peut aussi être très élevé dans les semi-conducteurs. En raison de ces “facteurs-k” relativement élevés pour les semi-conducteurs, ceux-ci sont plus sensibles et peuvent donc mesurer même le moindre changement de pression. La dépendance à la température, cependant, augmente également à la suite de cela.

Le changement de résistance dans les jauges de contrainte métalliques résulte des changements dimensionnels (géométrie). Dans les jauges de contrainte à semi-conducteurs, cependant, le changement est dû à des altérations de la structure cristalline (effet piézorésistif).

L’évaluation de la variation de résistance déclenchée par une déformation induite par la pression s’effectue alors via un circuit en pont. Pour ce faire, les jauges de contrainte sont connectées pour former un pont de Wheatstone (Figure 2). Deux des jauges de contrainte sont placées dans une direction radiale et deux dans une direction tangentielle. Il en est ainsi que deux deviennent étirés et deux se compressent sous déformation. Pour que les effets de température soient compensés et que le signal soit aussi linéaire que possible, il est important que les jauges de contrainte aient les mêmes résistances et soient disposées selon une géométrie exacte.

Image 2: Pont de mesure de Wheatston

Jauges de contrainte métalliques

Parmi les jauges de contrainte métalliques, nous devons différencier les variétés en feuilles contrecollées et à couche mince.

Les jauges de contrainte en feuille contrecollées sont constituées d’une feuille laminée de seulement quelques microns d’épaisseur. Le Constantan est normalement utilisé comme matériau, mais le Karma et Modco peuvent également le remplacer, en particulier si une gamme de température plus grande est nécessaire ou si les températures sont inférieures à -150 ° C. Le Constantan a un «facteur k» très bas de 2,05 et n’est donc pas très sensible. Compte tenu de cela, le matériau affiche une dépendance à la température plus faible, ce qui explique pourquoi il est le plus souvent utilisé dans les jauges de contrainte en feuille contrecollées.

Les jauges de contrainte en feuille contrecollées sont plus susceptibles d’être utilisées dans les cellules de charge. Souvent, ils ne sont pas assez sensibles pour être des transducteurs de pression, car ils ne peuvent pas enregistrer des valeurs de moins d’un bar. Leur plage de température est également relativement limitée et, selon les versions, des températures de 80 ° C ne doivent pas être dépassées.

Les jauges de contrainte à couche mince sont produites par une technique du même nom, par exemple par dépôt en phase vapeur ou revêtement par pulvérisation cathodique. Le processus de fabrication est plus complexe et également plus cher que pour les jauges à feuilles. En outre, il est possible d’obtenir une plage de température de 170 ° C et leur stabilité à long terme est également très bonne.

Les jauges de contrainte métalliques à couches minces permettent d’obtenir des instruments de mesure stables à long terme. Il s’est avéré que plus les pressions à détecter sont faibles, plus le coût de fabrication sera élevé. Les basses pressions, inférieures à 6 bars, sont mesurées avec moins de précision.

Jauges de contrainte à semi-conducteurs

Les jauges de contrainte à semi-conducteurs fonctionnent par effet piézorésistif. Le matériau utilisé dans la plupart des cas est le silicium. Les jauges de contrainte à semi-conducteurs tendent à être plus sensibles que la variété métallique. Ils sont généralement séparés au milieu par une membrane, la pression étant transmise par un fluide de transfert.

Image 3: Dispositif de mesure piézorésistif

Dans les matériaux semi-conducteurs, l’effet piézorésistif est environ cinquante fois plus prononcé qu’avec les jauges de contrainte métalliques. Les jauges de contrainte à semi-conducteurs sont soit collées sur un support, soit directement recouvertes d’un revêtement par pulvérisation cathodique. Ce dernier permet une liaison fiable et assure une absence d’hystérésis, ainsi qu’une résistance au vieillissement et à la stabilité de la température. Bien que l’effet piézorésistif ne soit pas exclusif à la jauge de contrainte à semi-conducteur, le terme “capteur de pression piézorésistif” est utilisé pour les instruments où la structure élastique se déformant sous pression et les résistances sont toutes intégrées dans une puce. Les transducteurs de pression piézorésistifs peuvent être de petite taille et (à l’exception de la membrane) sans pièces mobiles. Leur production est basée sur des méthodes de fabrication de semi-conducteurs normales. En même temps, il y a la possibilité d’intégrer les résistances avec la membrane élastique se déformant sous pression en une seule puce et ainsi produire une cellule de mesure de pression complète de la taille d’une seule puce.

Les jauges de contrainte à couche mince piézo-électrique sont fixées à un support en silicium et séparées du support par une couche isolante. Cela augmente les besoins de fabrication et donc aussi le prix, mais des températures comprises entre -30 ° C et 200 ° C sont possibles pour ce type de métériel. Grâce aux propriétés hautement élastiques du silicium, on ne peut s’attendre qu’à une faible hystérésis. C’est le «facteur k» élevé qui atteint la haute sensibilité, faisant des transmetteurs de pression piézorésistifs le premier choix pour les plus petites plages de pression sur l’échelle mbar. De plus, des dispositifs de faible dimension peuvent être produits, ce qui a un effet positif sur la portée des applications potentielles. D’autre part, la stabilité à long terme et la compatibilité CEM sont très bonnes, bien entendu, ces dernières dépendent du matériau porteur. La compensation en température, cependant, nécessite un peu plus d’effort, mais même ce paramètre peut être réglé lors de la production.

Les jauges de contrainte à film épais sont imprimées sur des membranes céramiques ou métalliques. Avec une épaisseur de 20 microns, ils sont jusqu’à 1000 fois plus épais que les jauges de contrainte à couche mince. En raison de leurs faibles besoins de production, ceux-ci sont moins chers dans le prix, mais pas très stables à long terme en raison du vieillissement de leur film épais.

En résumé: Le type de jauge de contrainte utilisée a une influence majeure sur l’instrument de mesure. Des facteurs tels que le prix, la précision et la stabilité à long terme jouent un rôle important dans le choix du transmetteur de pression. D’après notre expérience, les transmetteurs de pression dotés de jauges de contrainte piézoélectriques à couches minces se sont révélées les plus efficaces car, grâce à leur sensibilité, ils peuvent enregistrer de larges plages de pression avec une grande précision tout en présentant une bonne stabilité à long terme.

Contact

Les simulations mécaniques préalables des projets complexes de mesure de pression

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Les technologies et méthodes d’ingénierie modernes permettent aux fabricants de concevoir des capteurs de pression conformes à des exigences spécifiques. Cette adaptabilité est cruciale pour les applications complexes.

Les conditions d’exploitation des gisements de pétrole en mer sont extrêmement difficiles. Les capteurs de pression sont utilisés à de grandes profondeurs et sont soumis à des charges élevées. Les éventuelles défaillances fonctionnelles sont extrêmement coûteuses, car les modules défaillants doivent être récupérés en haute mer, puis réinstallés dans les mêmes conditions de profondeurs extrêmes. Il donc est essentiel d’anticiper précisément les conditions d’utilisation. Pour cette raison, les composants des capteurs de pression sont d’abord exposés à des simulations mécaniques reproduisant les conditions environnementales de la haute mer.

Simulation MEF d’un boîtier de capteur

Les simulations mécaniques sont effectuées à l’aide de la méthode des éléments finis (MEF). Il s’agit d’un processus numérique courant qui permet d’examiner la résistance d’un corps ayant une forme géométrique complexe. Le corps solide à examiner, tel qu’un boîtier de capteur de pression, est divisé en éléments finis (ou corps partiels). Il s’agit donc d’une modélisation physique qui utilise un logiciel de calcul intensif pour déterminer si les éléments finis, et donc la structure globale, résisteront aux forces à prévoir. L’exploration pétrolière se distingue principalement par des pressions très élevées. À une profondeur de 2 500 mètres – ce qui n’est pas inhabituel dans ce domaine d’application – une pression de 250 bars est exercée sur le boîtier. Outre cette pression externe, il faut également prendre en compte la pression de mesure, qui peut par ailleurs être considérablement plus élevée que la pression externe (lors de pics de pression par exemple).

Par conséquent, la méthode des éléments finis n’a pas pour objectif de déterminer la résistance d’un capteur de pression, mais plutôt d’obtenir une modélisation aussi réaliste que possible. Si une solution conforme aux spécifications de l’utilisateur est trouvée, le produit sera alors testé dans le cadre d’une expérimentation en conditions réelles. Cette expérimentation en caisson hyperbare revêt une importance primordiale pour les solutions individuelles de mesure de la pression dans les gisements de pétrole en haute mer. Les tests hyperbares valident les résultats de la méthode des éléments finis et déterminent la limite de charge des composants ou de l’ensemble du système. Cela garantit à l’utilisateur final une parfaite conformité des capteurs de pression aux exigences spécifiques.

Micrographies de deux boîtiers de capteur. À gauche: Pas de pressurisation.
À droite: Après un test hyperbare de 1 500 bars. Aucun changement de structure, le boîtier est stable.

Les images ci-dessus illustrent les micrographies de deux boîtiers identiques. Le boîtier présenté à gauche n’a été soumis à aucune pression, tandis que celui de droite a été soumis à une pression de 1 500 bars. Cette pression correspond à une colonne d’eau de 15 kilomètres, ce qui est largement supérieur au point le plus profond des océans. En optimisant le composant à l’aide de la méthode des éléments finis, il est possible de le modéliser pour résister à ces très fortes pressions. À titre de comparaison, la fosse des Mariannes, qui est le point le plus profond des océans, est d’une profondeur de 11 kilomètres. Par conséquent, des mesures de pression effectuées dans la fosse des Mariannes ne devraient poser aucun problème. Ces marges de sécurité élevées permettent de garantir un fonctionnement fiable et durable des capteurs.

Les autres applications de la méthode des éléments finis

Les simulations mécaniques ne sont pas seulement utiles pour les applications à hautes pressions. Comme développé dans un article précédent , la température est un important facteur d’influence dans la mesure de pression piézorésistive. Prenons l’exemple d’un pot d’échappement d’un véhicule à moteur. Les températures sont très élevées et peuvent parfois dépasser les limites d’un capteur de pression. Dans ce cas d’application, la méthode des éléments finis serait utilisée pour étudier la manière dont le capteur de pression doit être conçu pour que la chaleur ne dépasse pas 150 °C sur la cellule de mesure.

Les simulations mécaniques peuvent également être utiles dans le domaine des basses pressions. Après tout, les changements mécaniques ont un impact beaucoup plus important à basse pression. Bien que des écarts de mesure en millibar ne soient probablement pas décisifs pour des applications à hautes pressions, il s’agit déjà d’une valeur significative pour une plage de mesure inférieure à un bar. Par exemple, la connexion entre le calculateur de mesure et le boîtier d’un capteur est généralement constituée d’un élément adhésif. Cela permet d’éviter que la connexion soit altérée ou endommagée en cas de couple trop élevé lors du montage du capteur de pression, et d’éviter que ces éventuelles distorsions soient transférées à la cellule de mesure. Ce simple disfonctionnement peut entraîner des erreurs de mesure conséquentes. Les propriétés de l’adhésif utilisé peuvent également être modélisées à l’aide de la méthode des éléments finis. Bien entendu, l’objectif n’est pas de connaître la limite de charge de l’élément de liaison et de la transmettre à l’utilisateur, mais bien de trouver une solution qui puisse supporter facilement les couples appliqués lors du montage.

Les simulations mécaniques offrent de nombreux avantages. Non seulement elles permettent de concevoir des produits qui répondent à des exigences spécifiques, mais en plus elles servent à optimiser la conception des produits pour qu’ils soient aussi faciles à utiliser que possible.

Contact

L’encrassement mécanique entraîne la dérive des capteurs de pression

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Nous connaissons tous le dicton « On ne fait pas d’omelette sans casser des œufs ». Dans le développement de nouveaux moteurs à combustion, cela signifie que des particules de suie ou des résidus de carburant peuvent contaminer les capteurs utilisés.

Cet encrassement mécanique engendre des lectures de moins en moins précises. Par exemple, lorsque le système d’échappement d’un nouveau moteur à combustion est surveillé à l’aide de capteurs de pression, de plus en plus de fines poussières se déposent au fil du temps sur la membrane du capteur. Les membranes des capteurs de pression piézorésistifs sont très minces, ce qui leur permet de fournir des résultats de mesure de haute précision. Mais quand une couche de suie se forme au fil du temps, cela réduit la sensibilité globale du capteur de pression.

Protéger les capteurs de pression des particules

Les utilisateurs finaux peuvent constater cette dérive en effectuant des mesures de pression de référence. Des différences considérables peuvent apparaître entre les valeurs du capteur de référence et celles du capteur souillé, et ces lectures permettent souvent de révéler le seuil des dérives par rapport aux résultats attendus. Une forte fluctuation des valeurs mesurées peut également être un indicateur de contamination.

Pour les capteurs exposés à la saleté, STS recommande généralement une opération de maintenance toutes les 100 heures de fonctionnement. Il est également recommandé de protéger autant que possible les capteurs des sources de contamination. Deux méthodes courantes peuvent être utilisées:

Méthode 1: Une feuille protectrice

Cette première méthode ne remplace pas la maintenance du capteur toutes les 100 heures de fonctionnement, mais elle simplifie le nettoyage et préserve la membrane. Avec cette méthode, une feuille de protection métallique très fine est appliquée sur la membrane pour la protéger des salissures. Après un maximum de 100 heures de fonctionnement, ce film est simplement retiré et remplacé par un nouveau.

Méthode 2: Un adaptateur de refroidissement

Cette méthode permet aux utilisateurs de faire d’une pierre deux coups. En vissant un adaptateur de refroidissement ou une soupape thermique sur l’extrémité avant du raccord de pression, la membrane est bien protégée des salissures. La soupape thermique ne s’ouvre qu’au moment des mesures de pression, ce qui représente une bonne méthode pour minimiser le degré de contamination dans des applications où la pression ne doit pas être surveillée de manière permanente.

Cet élément de refroidissement permet également de garantir une température constante du capteur. Outre la contamination des membranes, la température a également un effet sur la précision de mesure des capteurs de pression piézorésistifs (pour en savoir plus sur l’influence de la température sur la précision des capteurs de pression, cliquez ici).

Nettoyage des capteurs de pression contaminés par des résidus de pétrole

La contamination par le pétrole lourd se produit notamment lors du développement des moteurs marins. Les additifs incorporés se déposent sur la membrane et peuvent l’endommager. Les résidus diminuent la sensibilité du capteur de pression et imposent d’effectuer un entretien régulier.

Pour minimiser les salissures et leurs conséquences, il convient de prendre en compte la nature du capteur de pression au moment de sa sélection. Une membrane en acier inoxydable est recommandée, car elle est affleurante et ne comporte pas de canaux dans lesquels les dépôts peuvent s’accumuler. La rugosité est également un facteur important, car les particules indésirables se déposent plus rapidement sur une membrane rugueuse et sont également plus difficiles à nettoyer.

Pour nettoyer un capteur de pression encrassé, il doit être retiré de son application. Il est recommandé d’utiliser de l’alcool isopropanol (IPA) comme agent de nettoyage. Bien que le boîtier du capteur ne nécessite aucune précaution particulière, la membrane doit être nettoyée sans appliquer une pression ferme, en utilisant par exemple des cotons-tiges. Il est impératif de ne pas utiliser d’air comprimé pour le nettoyage, car les membranes sont très fines et une pression trop importante pourrait créer des déformations.

Sous l’impulsion des réglementations draconiennes appelant à réduire les émissions de gaz d’échappement et à améliorer la consommation de carburant, les constructeurs accordent des efforts conséquent à l’amélioration du processus de combustion : ils ont essayé d’ouvrir les soupapes d’admission plus tôt (appelé cycle de Miller), ils ont essayé de les fermer plus tard (communément appelé le cycle d’Atkinson), et ils ont même essayé de créer un moteur hybride à allumage commandé/compression (allumage par compression à charge homogène), le tout avec des résultats limités.

Certains constructeurs utilisent des systèmes comportant plusieurs lobes de cames, mais cela reste un compromis car seuls quelques profils peuvent être utilisés simultanément.

Remplacer les arbres à cames par des vérins pneumo-hydro-électroniques

Le moteur sans arbre à cames utilise un vérin pneumo-hydro-électronique pour remplacer le procédé traditionnel de contrôle du fonctionnement des soupapes d’un moteur à combustion interne. Il en résulte un contrôle beaucoup plus précis et entièrement personnalisable de la levée et du calage des soupapes (en admission et en échappement) : la levée et le calage des soupapes peuvent être ajustés librement d’une soupape à une autre et d’un cycle à un autre. Ce vérin permet également de multiples calages par cycle, ou aucun calage par cycle (ce qui entraîne une coupure totale du cylindre).

Bien que ce système offre un contrôle complet des fonctions d’admission et d’échappement, ainsi qu’une masse réduite et plus compacte (un 4 cylindres en ligne : 20 kg, 50 mm de hauteur et 70 mm de longueur), il est crucial de contrôler précisément les pressions pneumatiques et hydrauliques pour obtenir un fonctionnement efficace.

Cartographier les pressions au cours du développement

Pour déterminer les pressions de fonctionnement requises au fonctionnement des soupapes à différents régimes et à différentes charges, il est essentiel que les pressions soient mesurées avec précision en temps réel.

Mais il ne s’agit pas d’une mince affaire : non seulement les capteurs de pression utilisés doivent être précis dans une large plage de températures de fonctionnement , mais ils doivent également être compacts et résistants aux vibrations, aux huiles chaudes et autres produits chimiques présents dans les compartiments moteur.

Étant donné qu’une petite poignée de fournisseurs à travers le monde est capable de fournir des capteurs de pression professionnels de haute qualité, les équipes de développement qui tentent de concevoir un moteur sans arbre à cames doivent s’assurer de choisir des capteurs adaptés et éprouvés.

Avec cette technologie, il est important que la pression pneumatique (utilisée pour actionner l’ouverture/fermeture des soupapes) et la pression hydraulique (qui joue le rôle de clapet et de maintien d’ouverte des soupapes) soient cartographiées avec précision pendant le développement.

Ces pressions sont contrôlées au moyen d’une unité de commande électronique qui détermine la levée, l’accélération et le calage en fonction de la charge du moteur, de la vitesse et des conditions ambiantes.

Si les équipes de développement réalisent correctement la cartographie de ce processus complexe, les avantages sont assez spectaculaires : il est possible d’extraire plus de 170 kW et 320 Nm de couple d’une unité quatre cylindres de 1,6 litre, ce qui représente 47 % de puissance en plus et 45 % de couple en plus qu’un moteur équivalent équipé d’un arbre à cames, tout en améliorant la consommation de carburant de 15 %.

Bien que les arbres à cames sont au cœur des performances des moteurs à quatre temps depuis plus d’un siècle, les soupapes actionnées par pression hydropneumatique pourraient bien équiper les moteurs à combustion dans un

Contact

Vibrations: le capteur de pression est également affecté

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Dans pratiquement toutes les applications où l’on trouve des compresseurs, turbines et moteurs, il y a des vibrations qui affectent également les capteurs de mesure. Sans précautions appropriées, elles peuvent nuire à la fonctionnalité des transducteurs de pression utilisés.

Les effets des vibrations sur les capteurs de pression peuvent être graves: d’une part, le signal de mesure peut être perturbé par superposition. Si cette vibration est transmise au signal de sortie, les utilisateurs finaux ne recevront pas de résultats de mesure exploitables. Cet effet peut être observé sans retard et une charge continue ici peut également conduire à une fatigue du matériel. Les joints de soudure peuvent se désagréger et les connexions filetées se détacher. Que ce soit à cause de résultats de mesure perturbés ou des connexions mécaniques cassées, les vibrations peuvent rendre les capteurs de pression inopérants. Heureusement, ces effets indésirables peuvent aussi être largement minimisés.

Prévention des dommages au système de mesure de pression par les vibrations

La prévention constitue le meilleur remède. Cela nécessite que les utilisateurs connaissent les vibrations qui se produisent dans chaque application. La première étape consiste à déterminer la fréquence de vibration de l’application. Les vibrations ne provoquent pas des dégâts en soi. Dans les fiches techniques des fabricants, la plage de fréquences dans laquelle aucune interférence ne se produit est souvent reprise dans la rubrique «Tests». La norme DIN EN 60068-2-6 est appliquée ici, à savoir que l’échantillon d’essai est soumis à une plage de fréquence définie pendant une durée de test prédéterminée. Le but ici est de spécifier les fréquences caractéristiques du spécimen d’essai. La procédure de test proprement dite est illustrée dans la figure 1.

Figure 1: Qualification d’un prototype : le capteur de pression est vissé dans un bloc en aluminium chargé mécaniquement (vibration, accélération)

Si de fortes vibrations qui dépassent les spécifications du capteur de pression se produisent, deux approches peuvent être envisagées pour commencer. La première concerne la dimension spatiale : quelle est la taille du transducteur de pression et où est-il installé ? Il est vrai que plus le transducteur de pression est lourd et grand, plus l’effet des vibrations sera élevé et plus la résistance sera faible. Il n’est donc pas inutile, dans des applications soumises à de fortes vibrations, d’utiliser un transmetteur de pression plus petit, tel que l’ATM.mini qui, en raison de sa faible masse, n’est pratiquement pas affecté par les vibrations.

Outre les dimensions du transducteur de pression, sa position proprement dite dans l’application est également décisive. S’il se trouve le long de l’axe des vibrations, il recevra moins de vibrations. Lorsqu’il est monté perpendiculairement à l’axe des vibrations, il doit toutefois être capable de résister à la totalité de ces vibrations.

En outre, le transducteur de pression lui-même peut être renforcé pour mieux tolérer les vibrations. Pour ce faire, l’intérieur du transmetteur de pression est noyé dans un gel isolant qui amortit les vibrations et protège les composants mécaniques. La Figure 2 montre ce gel isolant (brillant et transparent).

Figure 2: Capteur de pression avec compound d’étanchéité

En résumé, on peut dire que de fortes vibrations peuvent endommager le capteur de mesure. En sélectionnant un transmetteur de pression adapté à l’application (gamme de fréquences, dimensions) ainsi qu’un montage optimal (le long de l’axe de la vibration), les effets de toutes les vibrations peuvent être minimisés. Une protection supplémentaire est fournie en utilisant un gel isolant (voir Figure 2).

Contact

Les principes fondamentaux des mesures de pression en milieux stériles

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Les exigences relatives aux capteurs de pression sont particulièrement élevées dans les industries agroalimentaire et pharmaceutique, ainsi que dans celles de la biotechnologie et des industries connexes (par exemple, les industries de l’emballage et du remplissage). Dans cet article, nous détaillons les éléments à prendre en compte pour choisir un capteur de pression adapté aux exigences aseptiques de ces différentes industries.

Les exigences relatives aux mesures de pression en milieux stériles sont principalement axées sur l’hygiène. Pour garantir la sécurité des consommateurs et protéger l’environnement, la contamination des produits et la propagation des germes doivent être empêchées. Par conséquent, les capteurs de pression utilisés en environnements sensibles doivent être conformes aux réglementations des autorités compétentes (en Europe: la EHEDG; aux États-Unis: la FDA). Outre les matériaux utilisés, la conception des capteurs de pression doit également être conforme aux normes en vigueur.

La conception des capteurs de pression

Les capteurs de pression utilisés en environnements stériles doivent être faciles à nettoyer et doivent offrir une très faible surface d’exposition aux germes. L’élaboration de ces instruments de mesure commence dès leur conception. Les volumes inertes, les cavités et les bords sont à éviter, car les germes peuvent s’accumuler à ces endroits et rendre le nettoyage plus difficile.

Les connexions sont un aspect tout aussi important de la conception. Les capteurs de pression doivent être faciles à démonter, car es applications sensibles impliquent des nettoyages fréquents et des changements de joints réguliers. Pour cette raison, les connexions à filetage sont généralement exclues de la conception. En plus des difficultés de nettoyage, les filetages de vis augmentent la surface de propagation des germes. Les capteurs de pression hygiéniques sont généralement équipés de brides d’étanchéité, de brides de serrage et de brides DIN.

Tous les composants doivent être parfaitement alignés et permettre un montage et un démontage facile.

Les matériaux des capteurs de pression

La facilité de nettoyage est également le critère principal du choix des matériaux. Cela commence par les surfaces des matériaux sélectionnés. La membrane et les autres éléments en contact avec le fluide doivent présenter la rugosité la plus faible possible. Plus un matériau est rugueux, plus les germes peuvent y adhérer, et plus le nettoyage devient difficile. Dans les applications hygiéniques, le standard de rugosité est de 0,8 µm, bien qu’il ne soit pas optimal pour tous les processus. Pour répondre aux exigences les plus strictes, il est préférable d’envisager une rugosité de ≤ 0,4 µm.

Bien entendu, la rugosité est également engendrée par les effets de la corrosion. Pour cette raison, le matériau du boîtier joue un rôle important dans la conception des capteurs de pression hygiéniques. Pour réduire au maximum les risques de corrosion, seuls des aciers inoxydables de haute qualité et à faible teneur en ferrite doivent être utilisés. Par exemple, le matériau 316L (un alliage d’acier inoxydable aussi appelé 1.4404) a une composition en molybdène de 2% qui lui permet de répondre aux exigences croissantes en matière de résistance à la corrosion. La EHEDG fournit des directives sur l’adéquation des matériaux en fonction de l’environnement applicatif des différents processus.

Les exigences de rugosité s’appliquent également aux matériaux d’étanchéité, qui doivent offrir une stabilité chimique et thermique. Dans le cas contraire, les matériaux d’étanchéité deviennent poreux et offrent une surface idéale pour la propagation de germes. STS utilise des joints Viton pour ses capteurs de pression hygiéniques, un élastomère fluoré à haute résistance thermique et chimique qui résiste aux hydrocarbures, même à des températures élevées sans gonfler ni devenir poreux.

Les exigences relatives aux matériaux utilisés sont issues des procédés de nettoyage utilisés dans les industries des produits alimentaires, pharmaceutiques et de la biotechnologie. Les capteurs de pression utilisés dans des installations fermées doivent pouvoir supporter les procédures de Nettoyage En Place (NEP) et de Stérilisation En Place (SEP). Avec ces processus, les installations sont nettoyées sans autre démontage supplémentaire. Pour clarifier les exigences relatives à ces matériaux, il est important de décrire brièvement la procédure NEP:

Dans un premier temps, les grosses impuretés sont éliminées par pré-rinçage à l’eau.
Un agent alcalin est ensuite utilisé.
Ce détergent alcalin est rincé à l’eau.
Pour éliminer le tartre et les dépôts similaires, les installations sont rincées avec un fluide acide.
L’acide est ensuite rincé à l’eau.
Un désinfectant est utilisé pour éliminer les microorganismes.
Le processus se termine par un rinçage à l’eau ultra-pure.

Avec la procédure SEP, de la vapeur est introduite dans l’application à une température moyenne de 140 degrés Celsius. Les capteurs de pression doivent donc être capables de supporter ces températures sans subir de dommages.

Le dernier critère de sélection des matériaux est lié aux fluides de transfert de pression. Les capteurs de pression «standard» utilisent généralement des huiles de silicone. Mais celles-ci peuvent toutefois avoir un impact contaminant sur le processus si le capteur de pression est endommagé. Dans l’industrie des produits alimentaires, ce disfonctionnement peut par exemple avoir des effets certes sans danger pour la santé mais critiques sur les chaînes de production, tels que de la bière sans mousse. Pour ces applications, seuls les fluides répertoriés par les autorités compétentes peuvent être utilisés.

Capteur de pression hygiénique ATM/F

Autres aspects / Cas particuliers

Bien que les aspects mentionnés ci-dessus soient spécifiques aux mesures de pression hygiéniques, deux autres points peuvent être pertinents pour certains utilisateurs : la sécurité contre les explosions (avec la certification ATEX) et la fonction de « réétalonnage ». La plupart des capteurs de pression actuels n’offrent plus de fonction d’étalonnage, mais il s’agit pourtant d’un facteur de coût important. Dans les procédés particulièrement critiques des industries de la biotechnologie ou de la pharmacie, les instruments de mesure doivent être validés tous les trois mois. Les capteurs qui peuvent être ajustés dans un laboratoire d’étalonnage offrent alors un avantage non négligeable.

Un autre cas particulier peut être la combinaison de mesures de pression et de mesures de température. Par exemple, un client de STS avait besoin d’une surveillance de la température sur une machine à emballer des aiguilles d’injection stériles, en plus d’une surveillance de la pression. Lorsque les deux applications peuvent être combinées dans un seul instrument hygiénique, cela minimise à la fois l’encombrement et le nettoyage.

Ce cas particulier sert également d’exemple pour les mesures de pression en environnements sensibles, car les utilisateurs doivent se conformer à des directives strictes. Celles-ci peuvent également différer d’un processus à un autre (par exemple, en ce qui concerne les matériaux autorisés). Grâce au principe de conception modulaire de STS, les capteurs de pression hygiéniques peuvent être adaptés à des exigences individuelles dans les plus brefs délais.

Contact

Traçabilité dans l’étalonnage des transmetteurs de pression

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Au fil du temps, les charges mécaniques, chimiques et thermiques réduisent la précision des transmetteurs de pression. Pour cette raison, elles doivent être régulièrement étalonnées, et c’est dans ce contexte que le concept de « traçabilité » joue un rôle important.

Lors de l’étalonnage des transmetteurs de pression, leur précision est testée afin de déterminer les éventuels décalages de mesure le plus tôt possible. On doit donc procéder à un étalonnage avant tout ajustage, afin de remédier aux potentiels dysfonctionnements. L’étalonnage est effectué à l’aide d’un appareil de référence (ou standard). La précision de cet appareil de référence doit être traçable selon un étalon national afin de répondre aux séries de normes clés telles que EN ISO 9000 et EN 45000.

La hiérarchie de calibrage

Pour assurer la comparabilité des résultats de mesure, ceux-ci doivent être traçables à un étalon national via une chaîne de mesures comparatives. Si l’on considère cette hiérarchie comme une pyramide, la précision augmente alors de façon ascendante. Au sommet de celle-ci se situe la norme nationale telle qu’elle est appliquée par les instituts nationaux de métrologie. En Allemagne par exemple, il s’agit du Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB – Institut Fédéral Physico – Technique), l’autorité de test national compétente pour la métrologie. Aux États-Unis, il s’agit du National Institute of Standards and Technology NIST (Institut national des normes et de la technologie). L’étalon de référence (également nommé étalon primaire) est en général un testeur de poids mort. Avec une incertitude de mesure de <0,005 %, c’est le système qui offre la plus grande précision.

Pour assurer au mieux les services d’étalonnage qu’il propose aux secteurs industriels et scientifiques, le PTB collabore également avec des laboratoires d’étalonnage accrédités. Ces derniers utilisent des étalons d’usine ou de travail, qui sont ensuite calibrés à intervalles réguliers à l’aide des étalons de référence de l’institut national. Les étalons de travail se positionnent directement après l’étalon de référence dans la hiérarchie de précision, avec une incertitude de mesure typique de >0,005 % à 0,05 %. Les étalons d’usine, qui sont également utilisés en production à des fins d’assurance qualité, présentent une incertitude de mesure typique de >0,05 % à 0,6 %. Au plus bas de la pyramide, figurent les appareils de test développés en interne

Chacun de ces appareils de références est calibré en utilisant l’étalon de référence directement supérieur dans la hiérarchie. L’incertitude de mesure de l’étalon doit être trois à quatre fois moins importante que celle de l’appareil de référence à calibrer.

Tous les équipements de mesure utilisés en interne doivent également être traçables à l’étalon standard. La traçabilité décrit donc le processus selon lequel les lectures des appareils de mesure (effectuées en une ou plusieurs étapes selon le type d’appareil) peuvent être comparées à un étalon primaire pour la variable de mesure retenue. L’Organisme allemand d’accréditation DakkS définit les éléments suivants dans en matière de traçabilité :

La chaîne de comparaison ne doit pas être rompue (par exemple en sautant une étape ou en comparant directement un appareil de test à l’étalon standard).
L’incertitude de mesure doit être connue pour chaque étape, afin que l’incertitude totale de l’intégralité de la chaîne puisse être calculée.
Chaque étape de la chaîne de mesure doit être documentée.
Tous les organismes chargés d’une ou de plusieurs étapes de la traçabilité doivent être en mesure de démontrer leur compétence en présentant les accréditations appropriées.
La chaîne de comparaison doit se terminer avec les étalons primaires pour la réalisation des unités SI.
Des réétalonnages doivent être effectués à intervalles réguliers. La durée de ces intervalles dépend d’un certain nombre de facteurs, notamment la fréquence et la nature de l’utilisation des appareils.

DAkkS fournit plus de détails sur la traçabilité des mesures et les équipements de test selon les normes nationales sous ce lien.

Contact

« Older Entries

Jauges de contrainte dans la technologie de mesure de pression

Les simulations mécaniques préalables des projets complexes de mesure de pression

L’encrassement mécanique entraîne la dérive des capteurs de pression

Vibrations: le capteur de pression est également affecté

Les principes fondamentaux des mesures de pression en milieux stériles

Traçabilité dans l’étalonnage des transmetteurs de pression

Tags

Vous vous êtes enregistré avec succès!