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.

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.

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.