Intégration de cellules de mesure piézorésistives dans les applications existantes

Intégration de cellules de mesure piézorésistives dans les applications existantes

by | Tuesday, 30 June, 2020 | OEM Integration

L’élément central de tous les transmetteurs de pression est la cellule de mesure de pression. Avec les transmetteurs de pression piézorésistifs, la mesure est réalisée avec un pont de Wheatstone, via la déformation de jauges de contrainte par la pression. La cellule de mesure piézorésistive peut également être intégrée à des systèmes existants comme des commutateurs de pression ou des régulateurs de pression. À cette fin, diverses possibilités existent.

Le manque d’espace constitue la raison la plus courante nécessitant l’usage d’une cellule de mesure plutôt qu’un transmetteur de pression. Dans les vannes hydrauliques, par exemple, seuls quelques centimètres cubes d’espace sont disponibles, l’intégration d’un transmetteur de pression complet n’est par conséquent généralement pas possible. En raison du manque de place, certains utilisateurs choisissent d’employer un capteur externe, qui est ensuite installé sur l’application existante par le biais d’une bride. Cette approche est cependant encombrante et n’est pas aussi optimale que l’intégration de cellules de mesure individuelles dans l’application. 

Pour définir des cellules de pression adaptées aux différentes applications, plusieurs critères doivent être définis : la plage de pressions à mesurer, les conditions de température et également la compatibilité des différents matériaux. Dans l’utilisation de cellules de mesure piézorésistives pour des applications existantes, d’autres critères de sélection peuvent être utilisés, comme les considérations d’ordre mécanique et électrique.

Les critères de sélection mécaniques se rapportent à la mise en place effective des cellules de mesure dans l’application existante. Selon les exigences, ces possibilités restent ouvertes :

  • Vissage
  • Soudure
  • Raccordement
  • Insertion

Du côté électrique, il faut déterminer quelle électronique utiliser dans l’application afin d’assurer la transmission du signal électrique. Dans certaines circonstances, il est possible que l’électronique présente dans l’application ne soit pas équipée pour l’intégration de cellules de mesure de pression. Dans ce cas, une conversion de signal électrique devra être intégrée séparément.

Nous arrivons maintenant à un exemple issu d’une situation réelle : Un client STS souhaitait adapter une vanne de contrôle haute pression de précision existante pour des applications de banc d’essai, en y ajoutant l’option d’une mesure de la pression. Comme un transmetteur de pression entier ne pouvait pas être intégré dans la vanne, il a fallu opter pour une simple cellule de mesure de pression. Les exigences dans ce cas étaient les suivantes : elle devait mesurer des pressions allant jusqu’à 600 bars, et elle devait être conçue pour un signal de sortie allant de 0 à 100 mV/V pour une alimentation de 10 V.

La solution choisie a été une cellule de mesure avec un corps en acier inoxydable et une technologie de compensation miniaturisée. Celle-ci pouvait être vissée dans le corps de la vanne sous le capot existant de façon à économiser l’espace disponible tout en assurant une protection contre les influences externes. La hauteur de l’assemblage après la mise en place sur le corps de la vanne ne dépassait pas les 30 mm (en comptant le rayon de courbure des fils). En dehors de ses petites dimensions, il y avait un avantage supplémentaire : Le zéro et le gain étaient ajustables de façon individuelle par l’utilisateur au moyen d’un potentiomètre. 

Cellule de mesure avec port de pression en acier inoxydable pour une installation sur une vanne de contrôle haute pression

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Les cellules de mesure piézorésistives sont le cœur de métier de STS. Elles sont intégralement fabriquées en interne, ont des gammes de pression allant de 100 mbar à 1000 bar et sont proposées dans plusieurs matériaux : acier inoxydable, titane et Hastelloy®. Elles peuvent donc  être employées pour répondre à de nombreuses demandes. En collaboration avec nos ingénieurs, les clients reçoivent des conseils poussés sur l’intégration de cellules de mesures adaptées à leurs applications existantes.

 

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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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Vibrations: le capteur de pression est également affecté

Vibrations: le capteur de pression est également affecté

by | 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). 

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Traçabilité dans l’étalonnage des transmetteurs de pression

Traçabilité dans l’étalonnage des transmetteurs de pression

by | 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 :

  1. 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).
  2. L’incertitude de mesure doit être connue pour chaque étape, afin que l’incertitude totale de l’intégralité de la chaîne puisse être calculée.
  3. Chaque étape de la chaîne de mesure doit être documentée.
  4. 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.
  5. La chaîne de comparaison doit se terminer avec les étalons primaires pour la réalisation des unités SI.
  6. 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.

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Mesure de pression: Médias compressibles vs incompressibles

Mesure de pression: Médias compressibles vs incompressibles

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Pressure Measurement

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors de mesure de la pression. Parmi ceux-ci, bien sûr, sont les propriétés réelles du milieu.

Tout d’abord il est nécessaire de savoir s’il s’agit d’un support compressible ou incompressible. Les milieux compressibles sont des substances dont les densités dépendent de la pression. Ce regroupement s’applique aux gaz. D’autre part, les milieux incompressibles ont un volume constant, quelle que soit la pression, et les liquides sont plus susceptibles de faire partie de cette catégorie. On remarque, cependant, que l’incompressibilité représente un scénario idéal qui n’existe pas dans la réalité. Néanmoins, les liquides tels que l’eau ou l’huile hydraulique sont en pratique appelés incompressibles, puisqu’ils sont incompressibles en première approximation. On suppose que l’eau à l’intérieur des conduites est incompressible dans des conditions normales, car cela simplifie énormément les calculs et les erreurs qui en résultent seront négligeables.

On peut prendre comme exemple le calcul du débit volumétrique. Comme les liquides sont incompressibles en première approximation, leur densité ne change pas, si le flux transversal est élargi ou rétréci à débit constant (et qu’un changement de pression est provoqué), la loi de continuité s’applique alors:

Q = A1 •v1 = A2 •v2

Pour les gaz, la loi de continuité ne s’applique pas cette façon à cause de sa compressibilité.

La distinction entre la statique et la dynamique est également importante. La statique indique un équilibre des forces donc aucun écoulement ne se produit en raison de l’égalisation des différences de pression.

La dynamique, cependant, est différente. Dans ce cas, nous différencions 3 types de flux :

  • Débit constant: Un débit constant existe lorsque il reste continu dans le temps.
  • Flux transitoire: Un flux transitoire se produit lorsque des changements temporels se produisent. C’est le cas des pompes et des ouvertures de soupapes, par exemple. Cela peut aller des chocs dynamiques aux pics de pression, qui peuvent également endommager les tuyaux.
  • Flux laminaire: Dans un écoulement laminaire, le fluide circule dans des couches non mélangées. Il n’y a pas de turbulence et les couches individuelles peuvent avoir des vitesses différentes.

La friction joue également un rôle majeur. Une distinction est faite entre les frottements externes et internes. Le premier se réfère au frottement qui existe entre le fluide et une paroi (par exemple, la paroi interne du conduit à travers laquelle le fluide s’écoule). Le second est constaté dans le cas d’un écoulement laminaire, par exemple, où les différentes couches de liquide frottent les unes contre les autres. Le frottement qui agit sur le flux dépend de divers paramètres et nécessite des calculs complexes. Ces paramètres comprennent la rugosité de la paroi interne, la vitesse d’écoulement, la densité et la viscosité. Ce dernier dépend également de la température, ce qui complique le calcul final.

Revenons maintenant à la distinction entre statique et dynamique. Nous parlons de mesure de pression statique lorsque nous cherchons à établir la pression gravitationnelle (également appelée pression hydrostatique). Cela se réfère à la pression qui provient d’un fluide immobile sous l’influence de la traction gravitationnelle. La pression hydrostatique est mesurée, par exemple, pour détecter les niveaux dans les réservoirs. Ici aussi, la distinction entre les milieux compressibles et incompressibles est essentielle, car le calcul de la pression hydrostatique de l’eau, par exemple, est beaucoup plus facile que celui d’un gaz compressible.

La masse des milieux incompressibles est sa densité fois son volume, et donc la densité, fois la superficie, fois la hauteur. Pour le calcul de la pression hydrostatique, nous utilisons:

p = F/A = ρAhg/A = ρgh

p= pression
F= force
A= zone
p= densité
h= hauteur
g= force gravitationnel

La pression dans cette équation est proportionnelle à la profondeur du milieu. La forme ou la section transversale du conteneur ne joue aucun rôle ici. La pression hydrostatique est donc indépendante du volume à l’intérieur d’un récipient et est plutôt liée au niveau de remplissage. Ce phénomène est également connu sous le nom de paradoxe hydrostatique.

Image 1: Paradoxe Hydrostatique

Vous pouvez en savoir plus ici sur la surveillance du niveau de remplissage hydrostatique dans les réservoirs sur une base piézorésistive.

Alors que la pression statique est utilisée pour la mesure du niveau de remplissage, des mesures de pression dynamique sont nécessaires pour mesurer un débit volumique ou une quantité de débit. 

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