Jauges de contrainte dans la technologie de mesure de pression

Jauges de contrainte dans la technologie de mesure de pression

by | 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.

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La mesure électronique de la pression: Comparaison des principales technologies de mesure

La mesure électronique de la pression: Comparaison des principales technologies de mesure

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Les capteurs de pression électroniques sont utilisés dans diverses applications: du secteur industriel au secteur manufacturier, en passant par les industries alimentaires et pharmaceutiques. La mesure de la pression peut être effectuée via différents procédés. Dans cet article, nous abordons les principales technologies de mesure de la pression.

Pour les technologies de mesure électronique de la pression, une distinction est généralement faite entre les capteurs à couches minces, les capteurs à couches épaisses et les capteurs de pression piézorésistifs. Avec ces trois technologies de mesure, la quantité physique de pression est convertie en un signal électrique mesurable. L’autre caractéristique commune fondamentale de ces trois technologies est un pont de Wheatstone: un dispositif de mesure pour la détection des résistances électriques, composé de quatre résistances interconnectées.

Les capteurs de pression piézorésistifs: haute précision et rentabilité

Les capteurs de pression piézorésistifs sont basés sur des jauges de contrainte à semi-conducteurs en silicium. Quatre résistances connectées à un pont de Wheatstone sont diffusées sur une puce de silicium. Sous l’effet de la pression, la puce de silicium se déforme et la déformation modifie la conductivité des résistances diffusées. La pression est mesurée à partir de ce changement de résistance.

Étant donné que la cellule de mesure des capteurs piézorésistifs est particulièrement sensible, elle est positionnée à l’intérieur d’une membrane étanche pour la protéger de l’influence du fluide de mesure. La pression est alors transmise via un liquide entourant la cellule de mesure, généralement une huile siliconée. D’autres fluides de transfert peuvent cependant être utilisés dans les applications aseptiques, par exemple pour l’industrie alimentaire ou l’industrie pharmaceutique. Mais les cellules de mesure sèches, qui ne libèrent aucun liquide en cas de dommage, ne peuvent pas être utilisées dans ce type d’applications.

Avantages:

  • Très haute sensibilité, et pressions mesurables en millibars.
  • Plage de mesure élevée (de quelques millibars à 2 000 bars).
  • Très haute sécurité de surcharge.
  • Excellente précision allant jusqu’à 0,05 % de la durée.
  •  Dimensions compactes.
  • Très bon comportement d’hystérésis et bonne répétabilité.
  • Technologie relativement peu coûteuse.
  • Pressions statiques et dynamiques

Désavantages:

Les capteurs à couches minces : stabilité à long terme mais coûteux

Contrairement aux capteurs de pression piézorésistifs, les capteurs à couches minces sont conçus sur un corps métallique. Les quatre résistances connectées à un pont de Wheatstone sont déposées par un processus dit de pulvérisation cathodique. La pression est également détectée par un changement de résistance provoqué par une déformation. Outre les jauges de contrainte, des résistances de compensation de température peuvent également être insérées. Avec ces capteurs, aucun fluide de transfert n’est requis.

Avantages:

  • Très petite taille.
  • Pressions mesurables jusqu’à 8 000 bars.
  • Stabilité exceptionnelle à long terme.
  • Aucune compensation de température requise.
  • Haute précision.
  • Pression d’éclatement élevée.
  • Pressions statiques et dynamiques.

Désavantages:

  • Sensibilité inférieure aux capteurs piézorésistifs. Les pressions basses sont plus difficiles à mesurer.
  • Technologie relativement coûteuse.

Capteurs à couches épaisses: bonne résistance à la corrosion

Le matériau de base des capteurs à couches épaisses est la céramique (alumine). Ces capteurs de pression sont monolithiques, ce qui signifie que le corps du capteur est constitué d’un seul matériau. Cela permet de garantir une excellente stabilité à long terme. Les céramiques offrent également une excellente résistance à la corrosion contre les fluides agressifs. Sur ce type de capteur, le pont de Wheatstone est imprimé sur le corps principal au moyen de la technologie à couches épaisses, puis cuit à haute température.

Avantages:

  • Très bonne résistance à la corrosion.
  • Aucune compensation de température requise.
  • Bonne stabilité à long terme.
  • Aucune membrane étanche requise.

Désavantages:

  • Ne convient pas aux mesures de pressions dynamiques.
  • Plage de pression supérieure limitée (environ 400 bars).
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Courbe caractéristique, hystérésis, erreur de mesure: la terminologie des technologies de mesure de la pression

Courbe caractéristique, hystérésis, erreur de mesure: la terminologie des technologies de mesure de la pression

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

Les premières sources de données auxquelles se réfèrent les utilisateurs de technologies de mesure de la pression sont souvent les fiches techniques fournies par les fabricants. Ce qui va être tout particulièrement intéressant pour eux, ce sont généralement les données relatives à la précision. Dans ce contexte, un grand nombre de termes différents apparaissent, dont la compréhension est primordiale pour pouvoir juger correctement des performances d’un instrument de mesure donné.

Sur la question de la précision, on peut dire avant tout que le terme même de précision n’est pas défini de façon standardisée. Ce n’est toutefois pas le cas pour la terminologie associée aux spécifications de précision : courbe caractéristique, hystérésis, non-linéarité, non-répétabilité et erreur de mesure. Nous allons expliquer brièvement ces différents termes dans ce qui suit.

Courbe caractéristique

La courbe caractéristique indique la dépendance entre le signal de sortie (valeur mesurée) et le signal d’entrée (pression). Dans un scénario idéal, la courbe caractéristique serait une ligne droite.

Non-linéarité

Le plus grand écart (positif ou négatif) qui existe entre la courbe caractéristique et une droite de référence est décrit sous le nom de non-linéarité. La droite de référence peut elle-même être déterminée selon trois méthodes différentes: Ajustement du point final, régression linéaire optimale et meilleur ajustement par l’origine. Chacune de ces méthodes donne des résultats différents, l’ajustement du point final étant la méthode la plus communément employée en Europe. Avec cette méthode, la droite de référence passe par le point initial et le point final de la courbe caractéristique.

Erreur de mesure

L’erreur de mesure ou erreur de mesurage décrit l’écart entre la valeur affichée et la valeur « correcte ». Cette valeur « correcte » est la valeur idéale, qui dans la pratique ne peut être obtenue qu’avec un appareil de mesure extrêmement précis dans les conditions de référence, comme c’est le cas pour le standard principal utilisé lors de l’étalonnage. L’erreur de mesure est exprimée soit sous forme d’erreur absolue, soit sous forme d’erreur relative. L’erreur absolue est donnée avec la même unité que celle de la valeur mesurée, tandis que l’erreur relative se rapporte à la valeur correcte et n’a pas d’unité.

Erreur de point zéro et erreur d’étendue

Dans la production de capteurs, il y a des écarts avec le dispositif de référence (standard). Les erreurs de mesure au début de la plage de mesure et à la fin de la plage de mesure sont appelées erreur de point zéro et erreur d’étendue. L’erreur d’étendue se rapporte à la différence entre les deux valeurs. L’erreur de point zéro est la différence entre le point zéro idéal de la droite caractéristique ciblée et la valeur de sortie effective de la courbe caractéristique réelle.

L’erreur de point zéro peut être lue facilement par l’utilisateur dans des conditions non pressurisées. Afin de l’éliminer, l’utilisateur doit alors la saisir comme valeur de décalage dans l’unité d’évaluation. L’élimination de l’erreur d’étendue est un peu plus difficile, puisque la pression mesurée à la fin de la plage de pression doit être obtenue le plus précisément possible.

Hystérésis

La valeur mesurée affichée dépend non seulement de la variable d’entrée (ici, la pression), mais également des valeurs mesurées précédemment à partir de la variable d’entrée.

Si la courbe caractéristique de l’appareil de mesure est enregistrée avec une pression qui augmente de façon continue, puis qu’on la compare à la courbe caractéristique obtenue avec une pression qui décroît de façon continue, on peut remarquer que les signaux de sortie, alors que les pressions sont identiques, ne sont pas tout à fait identiques quant à eux. L’écart maximal entre ces deux courbes caractéristiques est nommé « hystérésis », et on l’exprime sous forme de pourcentage de l’échelle complète (% FS).

Non-répétabilité

Même lorsque les mesures sont effectuées dans des conditions identiques, les transmetteurs de pression électroniques sont soumis à des influences stochastiques, ce qui fait que le signal de sortie n’est pas identique pour les mêmes valeurs de pression lorsque l’on répète la mesure. L’écart le plus important sur trois mesures successives prises avec la même direction d’approche est alors exprimé sous forme de « non-répétabilité ». Un appareil de mesure de pression fiable est reconnu par les utilisateurs à cela qu’il présente la non-répétabilité la plus faible possible.

De la même façon que pour l’hystérésis, il n’est pas possible de compenser la non-répétabilité.

Erreur de température

Les changements de température affectent directement les caractéristiques d’un capteur de pression. La résistance électrique des semi-conducteurs, comme ceux utilisés dans les transmetteurs de pression piézo-résistifs, décroît lorsque la température augmente, par exemple. Les fabricants optimisent donc leurs produits au moyen de l’équilibrage de la caractéristique thermique. Les erreurs liées à la température sont soit compensées directement au niveau du capteur, soit compensées électroniquement. Certains appareils ont également un capteur de température qui compense directement ces erreurs liées à la température. Quoi qu’il en soit, de telles erreurs ne peuvent être que minimisées ; il n’est pas possible de les éliminer complètement. L’erreur de température résiduelle est indiquée par certains fabricants sous forme d’un coefficient de température.

Pression de surcharge – Surpression

Dans la plage de surcharge, les limites d’erreur spécifiées sont dépassées. Le transmetteur de pression n’est néanmoins pas endommagé.

Pression de rupture

La pression de rupture indique à quelle pression le transducteur de pression est déformé de telle manière qu’il s’en trouve mécaniquement endommagé.

Stabilité à long terme

Des influences externes affectent l’instrument de mesure. Pour cette raison, la courbe caractéristique ne reste pas constante année après année. La stabilité à long terme (également nommée « dérive à long terme ») est déterminée par les fabricants en conditions de laboratoire et elle est donnée dans les fiches techniques sous forme d’un pourcentage de l’échelle totale par année.

Les conditions de fonctionnement effectives de l’appareil peuvent néanmoins s’écarter sensiblement des conditions de test. Les procédures de test peuvent également varier énormément d’un fabricant à un autre, ce qui rend la comparaison entre les données d’autant plus ardue. En général, il est conseillé d’étalonner le transducteur de pression à intervalles réguliers et, au besoin, de l’ajuster.

Précision: non-conformité d’une courbe

Comme nous l’avons indiqué dès le début, le terme «précision» n’est pas fixé de façon définitive. Un autre terme est parfois utilisé pour faire référence à la précision: celui de «non-conformité d’une courbe». Ce terme décrit l’erreur totale maximale selon la norme IEC 770 et comprend l’écart de linéarité et l’hystérésis, ainsi que la non-répétabilité. Il s’agit par conséquent de l’écart avec la droite caractéristique idéale à la valeur finale de la plage de mesure. Il est exprimé sous la forme d’un pourcentage. 

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Compensation de température: la clé de la précision

Compensation de température: la clé de la précision

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Sensor Technology

Lors de la sélection du bon transducteur de pression, la connaissance des températures pouvant survenir est de la plus haute importance. Si la technologie de mesure utilisée n’est pas compensée correctement en température, de grandes erreurs de mesure, ainsi que d’autres risques risquent peuvent survenir.

C’est pourquoi les utilisateurs finaux doivent savoir à l’avance à quelles températures s’attendre dans leur propre application. Il y a deux valeurs à prendre en compte ici : la température du fluide et la température ambiante. Ces deux valeurs sont importantes. La valeur de température du fluide fait référence aux caractéristiques du fluide entrant par le raccord de pression du capteur. La température ambiante correspond à la valeur de l’air environnant le corps du capteur anisi que le connecteur électrique. Ces deux températures peuvent être très éloignées l’une de l’autre,  et avoir chacunes des conséquences différentes .

Pourquoi la température est-elle un facteur important ?

Les matériaux utilisés dans les transducteurs de pression piézorésistifs affichent une certaine dépendance à la température (en lire plus sur les caractéristiques thermiques des transmetteurs de pression piézorésistifs ici). Le comportement de mesure du transducteur de pression se déplace également avec la température. En conséquence, les décalages du point zéro liés à la température et les erreurs d’intervalle peuvent apparaître. Pour faire simple, si une pression de 10 bars est mesurée à 25 °C, puis une seconde fois à 100 °C, on obtiendra différentes valeurs en sortie du capteur. Il est donc primordial de vérifier, sur les fiches techniques, si la plage de température compensée du capteur est compatible avec les variations de température de votre application.

De plus, le bon fonctionnement de l’instrument de mesure dépend aussi de la température ambiante. Cela affecte principalement les composants tels que les connexions électriques et les câbles utilisés pour la transmission des valeurs mesurées. Très peu de matériaux standards peuvent résister à des températures avoisinant les 100 °C et encore moins au-delà. Les prises et les câbles eux-mêmes peuvent fondre ou même prendre feu. Outre la précision de mesure, la température a également une influence sur la sécurité opérationnelle.

Heureusement, les utilisateurs ne doivent pas s’accommoder de ces risques étant donné que les transducteurs de pression peuvent être optimisés pour différentes conditions de température – d’une part grâce à la compensation de température et, d’autre part, à l’aide d’éléments de refroidissement supplémentaires et notamment de matériaux thermorésistants.

Les erreurs de température peuvent être évitées

Les fabricants de capteurs de pression utilisent une compensation de température. Les produits  STS, par exemple, sont optimisés de série pour des températures de fonctionnement de 0 °C à 70 °C. Plus la température s’écarte de ces valeurs, plus l’imprécision de la mesure augmente. Un instrument de mesure optimisé pour une plage de 0 °C à 70 °C mais utilisé à des températures avoisinant les 100 °C n’atteindra plus ses valeurs de précision spécifiées. Dans ce cas, il faut employer un capteur qui est effectivement compensé pour des températures autour de 100 °C.

Il y a deux formes de compensation de température :

  • Compensation passive : les résistances asservies à la température sont activées dans le pont de Wheatstone
  • Compensation active (compensation polynomiale) : des pressions variées sont approchées à des températures croissantes au sein d’une armoire chauffante. Elles sont ensuite comparées aux valeurs d’un étalon. Les coefficients de température déterminés à partir de cela sont ensuite introduits dans le processeur du transmetteur de pression de sorte que les erreurs de température puissent être compensées « activement » dans la pratique.

La compensation de température active reste la méthode préférée, car elle conduit aux résultats les plus précis.

La compensation de température elle-même, d’autre part, a ses limites. Comme mentionné précédemment, la température n’affecte pas seulement la précision d’un transmetteur de pression. Les composants mécaniques de la cellule de mesure souffrent également à des températures supérieures à 150 °C. À ces températures, les contacts et les colles peuvent lâcher et le capteur peut subir des dommages. Si l’on prévoit des températures de fluide exceptionnellement élevées, il convient alors d’installer des éléments de refroidissement supplémentaires pour garantir la fonctionnalité du capteur.

Eléments de refroidissement à très haute température de fluide

Afin de protéger de températures très élevées le transmetteur de pression, il existe quatre variantes qui peuvent être utilisées en fonction de l’application et de la température impliquée.

Variante A : températures de fluide jusqu’à environ 150 °C

Dans cette variante, un élément à ailettes de refroidissement est intégré entre la cellule de mesure et l’amplificateur. Il s’agit ici de séparer l’électronique de l’application proprement dite de sorte que celle-ci reste intacte sous l’effet des températures élevées.

Variante B : températures supérieures à 150 °C

Si le fluide est très chaud, un élément de refroidissement est vissé à l’avant du raccord de pression (ailettes de refroidissement par exemple). Par conséquent, la cellule de pression entre désormais en contact avec un fluide refroidi. Ces ailettes de refroidissement fixées à l’avant n’ont aucun effet sur la précision du capteur. Si le fluide était extrêmement chaud, un siphon serait plutôt utilisé comme élément de refroidissement.

Variante C : températures extrêmement élevées (jusqu’à 250 °C)

Si la température du fluide est extrêmement élevée, un système d’isolation orienté vers l’avant intégrant une partie refroidissement peut être utilisé à présent. Toutefois, cette variante est assez grande et affecte négativement la précision.

Transducteur de pression avec isolant avant et partie refroidissement pour des températures de fluide jusqu’à 250 °C

Variante D : cas particulier d’une armoire chauffante ou d’une chambre climatique

Lorsque des mesures de pression sont nécessaires dans une armoire chauffante à des températures ambiantes allant jusqu’à 150 °C, l’électronique du transmetteur de pression ne peut pas être exposée à ces températures sans subir de dommages. Dans cet exemple, seule la cellule de mesure (avec canal de pression et boîtier en acier inoxydable) se trouve à l’intérieur de l’armoire, celle-ci étant raccordée à l’électronique distante à l’extérieur de l’armoire (également logée dans un boîtier en acier inoxydable) par un câble FEP haute température.

En résumé : la consultation est la règle d’or

La précision des capteurs de pression piézorésistifs est influencée par les conditions de température. Les températures agissant sur la cellule de pression peuvent être compensées passivement ou activement de sorte que le capteur de pression utilisé réponde aux exigences de précision sur la plage de température prévue. En outre, l’influence de la température ambiante sur les composants mécaniques de l’instrument de mesure doit également être prise en compte. Il est également possible de maîtriser le problème en utilisant des éléments de refroidissement montés à l’avant et des matériaux résistant à la chaleur. Les utilisateurs doivent donc toujours s’inspirer des conseils détaillés du fabricant et s’assurer que les transducteurs de pression disponibles peuvent être optimisés pour leurs propres applications spécifiques. 

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Les caractéristiques thermiques des capteurs de pression piézorésistifs

Les caractéristiques thermiques des capteurs de pression piézorésistifs

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Sensor Technology

Les capteurs de pression piézorésistifs ont une sensibilité exceptionnelle, ce qui permet de mesurer les pressions les plus faibles. Les matériaux utilisés dans ces capteurs présentent toutefois une dépendance relativement élevée à la température, qu’il convient ensuite de compenser.

Le comportement d’un capteur de pression piézorésistif change en fonction de la température. Bien que le décalage d’origine lié à la température soit évident et puisse être facilement reconnu et vérifié par l’opérateur, les modifications de la sensibilité et de la linéarité liées à la température sont moins apparentes et donc souvent négligées.

Causes du décalage d’origine

Les raisons du décalage d’origine sont la somme d’effets les plus variés :

  • Des valeurs de résistance différentes sur le pont de mesure de la puce en silicium.
  • Des coefficients de température différents sur les résistances individuelles du pont de mesure.
  • Une membrane de silicium non homogène, recouverte d’une couche d’oxyde de silicium (coefficients de dilatation variables).
  • Des tensions mécaniques lors du montage des cellules de mesure sur le support (puce, verre, port de connexion).
  • Une dilatation de l’huile entrainée par la rigidité des membranes en acier (c’est pourquoi le volume d’huile est réduit à quelques µL dans l’élément de dilatation).

En fonction de la construction du capteur de pression et de la plage de pression elle-même, ces effets individuels ont une importance relativement grande. Sur le plan pratique, l’important n’est pas la source du décalage d’origine, mais bien la manière de le compenser. Ce qui est souhaitable, c’est une réponse aussi linéaire que possible sur une plage de température aussi large que possible.

De meilleurs résultats avec une compensation polynomiale

La linéarité change également avec la température. Lorsque de tels effets de température doivent être pris en compte et compensés, il est généralement nécessaire d’utiliser une modélisation mathématique de la réponse du capteur. Ce modèle mathématique décrit avec précision toutes les caractéristiques de pression et de température d’un capteur. Cependant, pour pouvoir appliquer ce modèle mathématique, un ordinateur ou des méthodes de compensation numériques sont nécessaires.

Chez STS, nos capteurs OCS utilisent une compensation polynomiale. Grâce à cette compensation, les capteurs de pression piézorésistifs de l’enregistreur de données DL.OCS/N/RS485 (surveillance de la qualité de l’eau) atteignent une précision de 0,03 % PE, ainsi qu’une précision de 0,05 % PE sur une plage de température de -5 à 50 °C.

La plupart des capteurs de pression de STS sont optimisés en standard pour des températures de fonctionnement de 0 à 70 °C – une excellente plage de mesure pour obtenir des résultats précis dans la plupart des applications. Dans certains cas, cependant, il est avantageux que les capteurs soient livrés pré-optimisés aux conditions de température d’une application spécifique. STS est spécialisé dans le développement de capteurs de pression spécifiquement optimisés, dans les délais les plus brefs.

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