Capteur/Capteurs de pression et de vide

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Il s'agit dans ce cours de rappeler dans un premier temps quelques notions de physique concernant la pression et le vide, et dans un deuxième temps d'expliquer comment on peut mesurer ces grandeurs physiques. Ce travail bibliographique à donc pour but une compréhension générale de principes physiques associés à ces mesures ainsi que d'aider au choix du bon capteur en fonction de la situation rencontrée.

Rappels de cours

Pression

Une pression p est une grandeur physique définie comme étant le quotient d'une force F sur une surface S sur laquelle elle s'exerce perpendiculairement.

$p={\frac {F}{S}}$

Pression partielle

Pression qu'un gaz présent dans un mélange aurait si ce gaz était seul dans l'enceinte.

Pression totale

Somme des pressions partielles de tous les gaz et vapeurs contenus dans une enceinte.

Pression de vapeur

Pression d'une matière à l'état gazeux en équilibre avec l'état liquide ou solide pour une température donnée.

Vide

Terme couramment utilisé pour désigner l'état de gaz raréfié (ou mélange gaz/vapeur) caractérisé par une pression largement inférieure à la pression atmosphérique. Un vide parfait correspond à un système où le nombre de particules, atomes ou molécules tend vers zéro.

Zones de vide

La norme NF X10-500 distingue 4 zones de vide

• Vide grossier 1000 à 1 mbar
• Vide moyen 1 à 10^-3 mbar
• Vide poussé 10^-3 à ^10-7 mbar
• Ultra-vide <10^-7 mbar

Obtention du vide

Le vide s'obtient par pompage du ou des gaz (et vapeurs) présents dans une enceinte fermée. Les principaux types de pompes utilisées sont:

• Pompe à palettes (de conception simple elle permettent de descendre à des pressions de l’ordre de 10^-3 mbar
• Pompe roots (pompe à engrenage très simplifiée)
• Pompe à diffusion (permet de descendre à des pressions comprises entre 10^-4 et 10^-8 mbar)
• Pompe turbomoléculaire (conception analogue à celle d'une turbine, mais son énergie de compression provient des chocs des molécules contre des parois en mouvement rapide)
• Pompe à sorption
• Pompe ionique
• Pompe à sublimation de titane
• Pompe cryogénique (permet de descendre à des pressions de l’ordre de 10^-11 mbar)

Il n'y a pas de pompe à vide universelle, beaucoup de pompes à vide sont sélectives, c'est-à-dire, elles pompent mieux certains gaz et ont une gamme d’utilisation limitée.

Pression de travail

Pression la plus basse atteinte pendant la mise sous vide. Elle dépend beaucoup de l'étanchéité de l'enceinte, de la pression de vapeur des produits présents dans l'enceinte, ainsi que du débit effectif au niveau du raccord d'aspiration sur l'enceinte.

Mesure de Pression

Manomètre à colonne de liquide

Utilisés en laboratoire ou pour faire des étalonnages, ils sont utilisés pour mesurer de faibles pressions relatives. Par leur nature simple, il constituent des références physiques d'étalonnage. En effet pour une masse volumique ρ connue et de hauteur h: p = h*g*ρ Si on ne peut utiliser un manomètre à colonne de liquide, on utilise généralement une balance manométrique.

les manomètres à colonne de liquide seront détaillés plus bas dans la partie mesure du vide.

Manomètre à tube de Bourdon

On utilise un tube cintré, ouvert sur une des deux extrémités, le cintrage ayant provoqué un allongement de la face externe et une contraction de la face interne. Si une pression p est appliquée à l'intérieur du tube, il en résulte des forces antagonistes sur les surfaces allongées et contractées; le tube subit une force F = Fa - Fc tendant à redresser le tube. le mouvement de la flèche (extrémité) du tube est proportionnel à F. Le déplacement de la flèche est amplifié par un système de bielles et transformé en un mouvement circulaire par un secteur denté associé à un pignon solidaire d'une aiguille indicatrice se déplaçant sur un cadran gradué en unités équivalentes à la pression équivalente. Bien sur si l’on applique des contraintes trop fortes les déformations induites sont irréversibles, en règle générale on peut appliquer une force jusqu'à 1,3 fois la pression maximale mesurable.

Capteur à membrane

Il s'agit d'un transmetteur pneumatique à balance de forces, le capteur est constitué d'une chambre de mesure séparée en deux par une membrane métallique. Lorsque la pression p1 à mesurer est appliquée sur la membrane, cette dernière se déplace et le fléau s'appuyant sur la membrane subit une rotation autour de son pivot. Le mouvement du fléau est détecté par un système buse-palette et la sortie du relais amplificateur délivre une pression de sortie appliquée à un soufflet de contre réaction qui ramène le fléau à une nouvelle position d'équilibre.

Transmetteurs électroniques à microdéformation

L'introduction de la micro électronique et des micro processeurs a permis d’amener le concept de capteur intelligent. Ce type de capteur repose sur le principe des capteurs à déviation (ancien), sans contre réaction sur le capteur. Il agit donc comme un capteur de la vieille génération mais le déplacement est converti en signal électrique.

Le même type de dispositif existe pour les capteurs à membranes.

Séparateurs à membranes

Il permet d’éviter le contact direct entre le fluide et le capteur, on intercale un liquide de remplissage entre le capteur et une membrane mise en contact avec le fluide soit en montage rigide (pour mesure de niveau) soit par un ou deux capillaire(s) (0,7 à 2 mm d'épaisseur) pour toutes les autres applications. La pression s'exerçant sur la membrane est transmise par le fluide de remplissage à la membrane de séparation du capteur puis à la membrane du capteur.

Temps de réponse de l’ordre de 10 s

Forte influence de la température.

Contraintes:

• Il faut utiliser un séparateur avec le plus grand diamètre possible
• La longueur des capillaires doit être juste compatible avec les besoins de l'installation
• Le capillaire doit avoir un diamètre le plus faible possible
• Choix du liquide de remplissage en fonction de la température

Oscillateurs à Quartz

Un quartz soumis à une force F, émet des variations de fréquence de résonance, si on applique F sur la tranche d'un disque (de faible épaisseur) de Quartz, deux plots déposés en deux points distincts de ce disque permettent chacun l'entretien d'une oscillation de haute fréquence. Un des plots est placé dans la zone soumise à la contrainte par l’application de la force, l'autre est placé dans un domaine non contraint (pour servir de référence). Le battement des deux fréquences d'oscillation induit un signal de sortie.

L'étendue de mesure est de 0 à 1 bar, avec des erreurs de linéarité, d'hystérésis inférieures à 0,025% de l'étendue de mesure.

étalonnage

Pour étalonner un capteur, on doit disposer d'un étalon primaire (étalon de référence), ici il s'agira d'une pression de référence, représentative d'une équation de définition:

• Soit: $p={\frac {F}{S}}$
• Soit: p = h*g*ρ

Sur site, on utilise souvent des portables d'étalonnage plus aisés d’utilisation qu'une balance manométrique ou une colonne liquide. On parle ici d'étalons secondaires.

Mesure du vide

Introduction

Le domaine des basses pressions étant très vaste ( de 1 bar à 10^-12 mbar), il pose naturellement des problèmes quant à sa mesure. On utilise donc plusieurs appareils pour faire diminuer la pression dans une enceinte étant donné que chaque pompe à une plage d’utilisation restreinte. On utilise, afin de mesurer les faibles pressions (on dit parfois le vide), différents types de manomètres qui utilisent des principes physiques différents, et utilisent parfois certaines propriétés des gaz qui sont directement affectées par la pression.

Il y a 3 familles de manomètres:

• Manomètres mécaniques (ou manomètres absolus): mesurent réellement la pression (rapport de force à une surface)
• Manomètres thermiques
• Manomètres à ionisation

Les deux derniers (manomètres thermiques et à ionisation) mesurent la pression de manière indirecte, ils mesurent en réalité la concentration moléculaire que l’on rattache à la pression par la formule suivante:

P = a . k . T

L'étalonnage d'un manomètre est une opération délicate, et les spécialistes ne sont pas toujours d'accord sur la démarche expérimentale à employer.

Pour des mesures de pressions inférieures à 10^-3 mbar, une erreur relative de l’ordre de 50 à 100% est courante pour des conditions expérimentales bien définies.

Manomètre mécanique

La force produite par la pression déforme un tube ou une membrane, les déplacements provoqués par les déformations mécaniques sont amplifiées (système de leviers et d'engrenages ou bien transformateur différentiel).

Les manomètres à membrane les plus récents utilisent un principe physique sensiblement différent, la membrane déformable constitue l'armature mobile d'un condensateur variable. Ces appareils ont un temps de réponse très rapide, et sont très résistants à la corrosion ce qui est très apprécié. Fait important ici aussi, la mesure ne dépend pas de la composition du gaz!

Les manomètres à colonne de liquide utilisent la force produite par la pression en appliquant la loi fondamentale de l'hydrodynamique dans laquelle la pression équilibre une colonne de liquide. On peut donc effectuer des mesures "précises" en mesurant des différences de niveau.

Manomètre thermique

La température d'équilibre d'un fil chauffé placé dans une atmosphère gazeuse dépend des échanges thermiques entre lui et le gaz dans lequel il baigne. Les échanges se font par convection, conduction, et rayonnement. La convection est une fonction de la densité gazeuse et de la conductivité thermique du gaz. Or, pour des faibles pressions, la conductivité thermique diminue avec la pression. Donc si on utilise un fil chauffé par un courant électrique d'intensité constante, sa température est fonction de la pression (plus la pression est basse plus il est chaud). C'est le principe des manomètres à thermocouple. La variation de tension du thermocouple qui est proportionnelle à la variation de température, indiquera donc les variations de pression.

Manomètre à ionisation

Le mécanisme élémentaire utilisé est le choc d'un électron sur une molécule qui lui arrache un électron et qui le transforme en ion. On définit aussi une probabilité d'ionisation (rapports du nombre de chocs ionisants par rapport au nombre total de chocs).

Il en existe deux types:

• Jauge de Penning
• Jauge de Bayard et Alpert

Jauge de Penning

La jauge de Penning (aussi appelée manomètre inverse ou manomètre à ionisation à cathode froide) est une\ tube à décharge évolué, dans lequel on superpose un champ électrique et un champ magnétique pour permettre l'ionisation à très basse pression. Une différence de potentiel de l’ordre de 1500 à 3 000 V est appliquée entre l'anode et la cathode, s'ensuit un phénomène d'ionisation. Le courant ionique est proportionnel à la densité moléculaire, sa mesure permet de calculer facilement la pression.

Le manomètre à ionisation à cathode froide est un appareil type pour des mesures de pression de l’ordre de 10^-3 à 10^-7 mbar. C'est un appareil robuste qui est insensible aux remises brutales à la pression atmosphérique et qui possède un temps de réponse de l’ordre de 10 à 100 ms. Néanmoins, la mesure dépend du gaz et il se pollue aisément. Il a donc tendance à indiquer des pressions plus basses que la réalité. Certaines jauges de Penning sont utilisables jusqu'à 10^-9 mbar.

Jauge de Bayard et Alpert

La jauge de Bayard et Alpert fait partie d'une famille d'appareils appelés "Jauges Triodes". Par opposition à la jauge de Penning, celle-ci est dite à cathode chaude car elle possède un filament porté à haute température qui constitue en fait la source d'électrons.

Ce type de manomètre comprend 3 éléments :

• Un filament émetteur d'électrons (à la masse)
• Une grille accélératrice, (potentiel positif d'environ 200 V)
• Un collecteur d'ions, constitué d'un fil placé dans l'axe de la grille (potentiel négatif).

Les électrons qui sont émis par le filament chauffé sont attirés par la grille. Le courant circulant vers le collecteur est proportionnel à la pression du gaz, la mesure du courant permet donc de remonter à la pression.

La jauge de Bayard et Alpert est un appareil fiable et fidèle, et doté d'une bonne erreur relative. Il s'agit du manomètre de référence pour des mesures de pression de l’ordre de 10^-2 à 10^-11 mbar (large étendue de mesure).

Cependant comme tous les manomètres à ionisation, leur sensibilité est fonction du type de gaz présent dans l'enceinte. Il existe des coefficients de corrections en fonction des gaz dont on souhaite mesurer la pression.

Bibliographie

• Les Capteurs en Instrumentation Industrielle, Georges Asch, éditions DUNOD
• Spécification et installation des capteurs et Vannes de régulation, Michel grout et Patrick Salaun, éditions DUNOD