La fiabilité des mesures de pression à hautes températures

La fiabilité des mesures de pression à hautes températures

Dans certaines applications, les capteurs de pression sont exposés à des températures très élevées qui peuvent nuire à la fiabilité des mesures. Les autoclaves utilisés dans les industries chimiques et alimentaires pour stériliser le matériel et les fournitures constituent certainement l’une de ces applications exigeantes.

Les autoclaves sont des chambres de pression utilisées dans un large éventail d’industries pour diverses applications. Ils se caractérisent par des températures élevées et des pressions différentes de celle de l’air ambiant. Les autoclaves médicaux, par exemple, permettent de stériliser le matériel en détruisant les bactéries, les virus et les champignons à une température de 134 °C. L’air emprisonné dans la chambre de pression est retiré et remplacé par de la vapeur chaude. La méthode la plus courante s’appelle le déplacement vers le bas : la vapeur pénètre dans la chambre et remplit les zones supérieures en poussant l’air plus froid vers le bas. L’air est ensuite évacué par un drain équipé d’un capteur de température. Le processus se termine une fois que l’air est évacué et que la température a atteint 134 °C à l’intérieur de l’autoclave.

Des mesures précises à hautes températures

Dans les autoclaves, les capteurs de pression sont utilisés pour la surveillance et la validation des processus. Étant donné que les capteurs de pression standards sont généralement étalonnés à des températures ambiantes, ils ne peuvent théoriquement pas fournir des mesures fiables dans les conditions chaudes et humides des autoclaves. Cependant, STS a récemment été contacté par une entreprise de l’industrie pharmaceutique pour étudier l’implémentation d’un capteur capable d’offrir une précision de 0,1 % à une température de 134 °C, sur une plage de mesure de -1 bar à +5 bars.

Bien que les capteurs de pression piézorésistifs soient sensibles à la température, les erreurs de température peuvent être compensées afin d’optimiser les capteurs à différentes conditions. Sans cette optimisation, un capteur de pression standard offrant une précision de 0,1 % à température ambiante ne serait pas en mesure de garantir le même niveau de précision à 134 °C dans un autoclave.

Ainsi, les applications à températures élevées qui requièrent un capteur de pression très précis nécessitent un appareil calibré en conséquence. Mais la calibration d’un capteur de pression n’est qu’un des impératifs d’optimisation. L’entreprise qui nous a contactés pour l’implémentation d’un capteur en autoclave nous a soumis un autre défi : en plus du capteur de pression, tous les éléments de mesure (y compris l’électronique) doivent être positionnés à l’intérieur de l’autoclave et doivent pouvoir résister à des températures de 134 °C. Grâce à la grande modularité de nos dispositifs de mesure, nous sommes parvenus à assembler un appareil de mesure offrant la précision souhaitée de 0,1 % à 134 °C et dont l’ensemble des éléments peuvent résister aux conditions extrêmes d’un autoclave.

En résumé : Bien que les capteurs de pression piézorésistifs soient sensibles aux changements de température, avec le bon savoir-faire ils peuvent être optimisés pour répondre aux exigences d’applications spécifiques. Les capteurs peuvent être étalonnés en conséquence, et l’ensemble du dispositif de mesure peut être conçu pour résister aux environnements les plus extrêmes.

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

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. 

La stabilité a long terme des capteurs de pression

La stabilité a long terme des capteurs de pression

Des facteurs tels que la température et les contraintes mécaniques peuvent avoir des effets négatifs sur la stabilité à long terme des capteurs de pression. Cependant, les effets peuvent être minimisés par des tests minutieux pendant la production.

Les fabricants indiquent généralement la stabilité à long terme de leurs capteurs de pression dans les fiches techniques. La valeur donnée dans ces fiches techniques est déterminée dans des conditions de laboratoire et se réfère à la variation maximale attendue du point zéro et de l’étendue de sortie au cours d’une année. Par exemple, une stabilité à long terme de <0,1% FS signifie que l’erreur totale d’un capteur de pression peut se détériorer de 0,1% de l’échelle totale au cours d’une année.

Les capteurs de pression prennent généralement un certain temps pour se stabiliser. Comme déjà mentionné, le point zéro et la sensibilité (signal de sortie) sont les principaux facteurs à mentionner ici. Les utilisateurs remarquent habituellement des changements de point zéro car ils sont faciles à reconnaître et à ajuster.

Comment la stabilité à long terme peut-elle être optimisée?

Afin d’obtenir la meilleure stabilité à long terme possible, ce qui signifie que seuls des changements minimes se produisent pendant la durée de vie du produit, l’élément central doit être finement sélectionné: la puce du capteur. Un capteur de pression de haute qualité est la meilleure garantie pour une fonctionnalité optimale à long terme. Dans le cas des capteurs de pression piézorésistifs, il s’agit de la puce de silicium sur laquelle le pont de Wheatstone est imprimé. La base d’un capteur de pression stable est définie au début du processus de production. Une qualification poussée de la puce de silicium est donc primordiale pour la production de capteurs de pression avec une grande stabilité à long terme.

L’assemblage du capteur est également décisif. La puce de silicium est collée à l’intérieur d’un boîtier. En raison des effets de la température et d’autres influences, la puce collée peut se déplacer et ainsi influer également sur la contrainte mécanique exercée sur la puce de silicium. Des résultats de mesure de plus en plus inexacts en découlent.

La pratique a montré qu’un nouveau capteur prend du temps à se stabiliser – surtout la première année. Plus un capteur est ancien, plus il est stable. Afin de minimiser les développements indésirables et de mieux évaluer le capteur, celui-ci est vieilli et soumis à des tests avant de quitter la production.

Pour stabiliser les nouveaux capteurs de pression, STS les traitent thermiquement pendant plus d’une semaine. Le “mouvement”, qui est susceptible de se produire dans un capteur sans traitement la première année est, ici, corrigé grâce à une forme de vieillissement artificiel.

Le capteur est soumis à d’autres tests afin de le caractériser. Cela comprend l’évaluation du comportement du capteur individuel à diverses températures ainsi qu’un traitement sous pression dans lequel  le dispositif est exposé à la surpression prévue sur une plus longue période de temps. Ces mesures servent à caractériser chaque capteur individuellement. Cela est nécessaire pour pouvoir faire des déclarations fiables sur le comportement de l’appareil de mesure à différentes températures ambiantes (compensation de température). 

Par conséquent, la stabilité à long terme dépend largement de la qualité de la production. Bien sûr, des étalonnages et ajustements réguliers peuvent aider à corriger les changements. Cependant, ceci ne devrait pas être nécessaire dans la plupart des applications: des capteurs correctement produits fonctionneront pendant longtemps.

Quelle est la pertinence de la stabilité à long terme?

La pertinence de la stabilité à long terme dépend de l’application. Cependant, elle est plus importante dans la gamme basse pression. D’une part, cela est dû au fait que les influences externes ont un effet plus fort sur le signal. D’autre part de petits changements dans la contrainte mécanique de la puce ont un effet plus important sur la précision des résultats de mesure. De plus, les capteurs de pression réalisés pour des applications basse pression sont basés sur une puce de silicium dont l’épaisseur de la membrane est souvent inférieure à 10 μm. Par conséquent, un soin particulier est requis lors de l’assemblage.

Malgré la bonne utilisation du produit, une stabilité et une précision infinie est physiquement impossible. Des facteurs tels que l’hystérésis de pression et l’hystérésis de température ne peuvent pas être complètement éliminés. Ils font partis, pour ainsi dire, des caractéristiques d’un capteur. Les utilisateurs peuvent s’adapter en conséquence. Pour des applications de haute précision, par exemple, l’hystérésis de pression et de température ne doit pas dépasser 0,02% de l’échelle totale.

Il convient également de mentionner que les lois de la physique imposent certaines limites à la stabilité à long terme d’un capteur. L’usure est à prévoir dans les applications particulièrement exigeantes telles que celles à hautes températures fluctuantes. Des états physiques élevés, constants, au-delà de 150 ° C finissent par détruire le capteur: la couche métallique, qui sert à entrer en contact avec les résistances du pont de Wheatstone, diffuse dans le silicium et disparaît intégralement.

Les utilisateurs qui exploite les appareils de mesure de pression dans des conditions extrêmes ou qui exigent le plus haut niveau de précision devraient donc convenir des options avec le fabricant, de manière très précise.

Erreur générale ou précision?

Erreur générale ou précision?

Le thème de la précision est souvent la principale considération pour les utilisateurs finaux lors de l’achat d’un transmetteur de pression. Cela implique une terminologie variée relative à la précision, que nous avons précédemment expliquée ici. Toutefois, la précision n’est qu’un aspect partiel d’un autre concept, l’erreur générale, qui apparaît également dans les fiches techniques des transmetteurs de pression. Nous allons développer dans ce qui suit la manière de comprendre cette désignation dans les fiches techniques et le rôle qu’elle doit jouer dans la sélection du capteur de pression approprié.

On peut d’abord affirmer que la précision ne fournit pas d’informations sur l’erreur générale. Cela dépend de divers facteurs, notamment les conditions dans lesquelles le capteur de pression est effectivement utilisé. On peut voir dans la Figure 1 les trois aspects qui composent l’erreur générale : erreurs ajustables, précision et effets thermiques.

Figure 1 : Origines de l’erreur générale

Errore regolabile 

Comme on peut le voir dans l’illustration ci-dessus, l’aspect partiel de l’erreur ajustable consiste en des erreurs de point zéro et d’intervalle. La désignation « erreur ajustable » résulte du fait que les erreurs du point zéro et d’intervalle peuvent être facilement identifiées et ajustées. Il s’agit donc d’erreurs dont ne doivent pas s’accommoder les utilisateurs et toutes deux ont certes déjà été corrigées en usine sur les capteurs de pression STS.

La stabilité à long terme, également connue sous le nom d’erreur à long terme ou de décalage à long terme, est à l’origine d’erreurs du point zéro et d’intervalle pendant le fonctionnement. Cela signifie que ces deux erreurs ajustables peuvent réapparaître ou même « empirer » après une utilisation prolongée du capteur. Un étalonnage et un ajustement ultérieur permettent donc de corriger à nouveau ce décalage à long terme. En lire plus sur l’étalonnage et l’ajustement ici.

Précision

L’aspect partiel de la précision apparaît également dans les fiches techniques sous le terme « écart caractéristique de la courbe ». Ce manque de clarté conceptuelle revient à dire que le terme « précision » lui-même n’est soumis à aucune norme définie par la loi.

Le terme englobe les erreurs de non-linéarité, d’hystérèse (pression) et de non-répétabilité (voir la Figure 2). La non-répétabilité décrit les écarts observés lorsqu’une pression est appliquée plusieurs fois de manière consécutive. L’hystérèse se réfère au fait que les signaux de sortie peuvent différer exactement à la même pression selon que l’approche est « ascendante » ou « descendante ». Cependant, ces deux facteurs sont très mineurs dans les transducteurs de pression piézorésistifs.

La plus grande influence sur la précision, et donc aussi sur l’erreur générale, se résume à la non-linéarité. Il s’agit du plus grand écart positif ou négatif que présente la courbe caractéristique par rapport à une ligne de référence lorsque la pression augmente et diminue. En lire plus sur la terminologie ici.

Figure 2 : La plus grande différence dans la courbe caractéristique lorsque la pression à mesurer est approchée plusieurs fois est appelée non-linéarité.

Effets thermiques

Les fluctuations de température ont une influence sur les valeurs mesurées d’un capteur de pression. Il existe également un effet connu sous le nom d’hystérèse de température. En général, l’hystérèse décrit l’écart d’un système lorsque le même point de mesure est approché de directions opposées. Dans le cas de l’hystérèse de température, cette hystérèse décrit la différence (l’erreur) de signal de sortie à une certaine température lorsque cette température spécifique est approchée à partir d’une température inférieure ou supérieure. Chez STS, cela se situe généralement à 25 °C.

Figure 3: Les principaux effets liés à la température sur les capteurs de pression.

Erreur générale ou précision?

La question importante soulevée par ces différents aspects consiste à savoir à quoi les utilisateurs doivent accorder le plus d’attention lors de la sélection des capteurs. Cela varie au cas par cas. Étant donné que l’aspect des erreurs ajustables a déjà été corrigé en usine, cela ne joue qu’un rôle subordonné. Dans cet exemple, le capteur doit en général être recalibré et ajusté après un an d’utilisation.

Lors de l’achat d’un nouveau capteur, le double aspect de la précision et des effets thermiques devient désormais décisif. La question clé dans ce contexte est: «Est-ce que je fais mes mesures de pression dans des conditions contrôlées ?» Cela signifie que lorsque les utilisateurs effectuent leurs mesures près de la température de référence pendant l’étalonnage (généralement 25 °C), les effets thermiques peuvent essentiellement être ignorés. Cependant, la désignation de l’erreur totale devient importante lorsque la mesure de la pression est effectuée sur une large plage de températures.

Enfin, nous étudierons une fiche technique relative au transmetteur de pression piézorésistif ATM.1st de STS (Figure 4):

Figure 4: Extrait d’une fiche technique (ATM.1st)

Les spécifications techniques de l’ATM.1st affichent à la fois la précision et l’erreur totale, où les valeurs de précision sont détaillées pour leurs plages de pression respectives. Les valeurs données découlent de la non-linéarité, de l’hystérèse et de la non-répétabilité à température ambiante. Les utilisateurs souhaitant effectuer des mesures dans des conditions de température contrôlées (température ambiante) peuvent donc s’orienter vers ces valeurs de précision spécifiées.

L’erreur générale représentée dans la fiche technique, d’autre part, inclut les effets thermiques. En outre, l’erreur totale s’accompagne des entrées «typ.» et «max.». La première décrit l’erreur générale typique. Les capteurs de pression ne sont pas tous absolument identiques et leur précision peut varier légèrement. La précision des capteurs correspond à la distribution de Gauss normale. Cela signifie que 90 % des valeurs mesurées sur toute la plage de pression et de température d’un capteur correspondent à la valeur désignée par une erreur générale typique. Les valeurs mesurées restantes se voient ensuite attribuer une erreur générale maximale.  

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