Utiliser des capteurs de pression isolés du milieu pour améliorer la fiabilité et la précision des processus industriels

Les concepteurs de procédés industriels et commerciaux en boucle fermée, tels que les systèmes de chauffage, de ventilation, de climatisation et de réfrigération (CVC/R), utilisent des transducteurs de pression électromécaniques pour améliorer le contrôle et les performances de ces procédés. Or, les liquides et les gaz utilisés dans ces systèmes, combinés à la large gamme de températures et de pressions auxquelles les systèmes fonctionnent, peuvent attaquer les matériaux du transducteur de pression, provoquant une corrosion qui peut entraîner des fuites compromettant l'intégrité du capteur.

Les concepteurs ont besoin d'une technologie alternative capable de répondre aux défis environnementaux, tout en offrant la précision et la fiabilité requises pour l'application.

Cet article décrit le fonctionnement des transducteurs de pression basés sur une jauge de contrainte avant de présenter les transducteurs de pression isolés du milieu (MIP) de Honeywell. Ces derniers sont fabriqués en acier inoxydable et présentent une conception hermétiquement soudée au lieu d'un joint torique et des joints adhésifs qui se révèlent souvent être les maillons faibles des capteurs typiques. L'article examine ensuite les sources d'erreurs de mesure et la manière dont elles peuvent être réduites avant de démontrer comment les transducteurs peuvent être appliqués dans un système de réfrigération commercial pour augmenter le rendement du processus.

Fonctionnement d'un transducteur de pression électromécanique

Les transducteurs de pression modernes sont basés sur des sorties électriques et se passent des anciens cadrans et liaisons mécaniques plus imprévisibles. Les principaux avantages des dispositifs électromécaniques actuels résident dans leur fiabilité, leur précision et la possibilité d'être surveillés à distance. Leur principale technologie de mesure se base soit sur des matériaux piézoélectriques, soit sur des jauges de contrainte. Les transducteurs de pression piézoélectriques ne conviennent qu'à la mesure de la pression dynamique, tandis que les jauges de contrainte peuvent être utilisées pour la mesure de la pression dynamique et statique. Le présent article se concentre sur ce dernier point.

Les jauges de contrainte sont des circuits électriques qui changent de résistance lorsqu'ils sont soumis à une contrainte, cette dernière correspondant au rapport entre la variation de longueur d'un matériau soumis à une force et sa longueur non chargée (désignée « ε »). La jauge de contrainte est généralement classée en fonction de son « facteur de jauge » (GF) qui est une mesure de sa sensibilité à la contrainte. En d'autres termes, le facteur GF est le rapport entre la variation fractionnaire de la résistance électrique et la variation fractionnaire de la longueur (ou de la contrainte).

En utilisation, le transducteur de pression est inséré directement dans le système pressurisé où le liquide ou le gaz du système pénètre dans un orifice du transducteur et déplace une membrane. Une jauge de contrainte est fixée à l'aide d'un adhésif approprié sur la face supérieure de cette membrane (figure 1).

Figure 1 : Jauge de contrainte à membrane, utilisable dans un transducteur de pression. Dans cet exemple, le diamètre réel de la jauge de contrainte est de 6,35 mm. (Source de l'image : Micro Measurements)

Même à de très fortes pressions, la modification de la longueur de la jauge de contrainte ne devrait pas subir de déformations supérieures à quelques mε, ce qui entraîne une très faible modification de la résistance. Supposons, par exemple, qu'un échantillon d'essai subisse une contrainte de 350 mε. Sous cette charge, une jauge de contrainte avec un facteur GF de 2 présentera une variation de la résistance électrique de 2 (350 x 10^-6) = 0,07 %. Pour une jauge de 350 Ω, la variation de résistance ne serait que de 0,245 Ω.

Comment effectuer des mesures à l'aide de jauges de contrainte

Pour mesurer avec précision des variations de résistance aussi faibles tout en minimisant l'impact du bruit, la jauge de contrainte du transducteur de pression est incorporée dans l'une des jambes d'un pont de Wheatstone, un réseau de quatre bras résistifs sur lesquels est appliquée une tension d'excitation E (figure 2).

Figure 2 : Dans ce schéma du circuit en pont de Wheatstone, la jauge de contrainte est incorporée dans un bras ; R_G est la résistance de la jauge de contrainte, tandis que R_L1 et R_L2 sont les résistances des fils de la jauge de contrainte ; les résistances R₂, R₃, et R₄ sont des valeurs fixes et connues ; e_o est la tension de sortie et E la tension d'excitation. (Source de l'image : Micro Measurements)

Le pont de Wheatstone est l'équivalent électrique de deux circuits diviseurs de tension parallèles avec R_G (en supposant que la résistance des fils R_L1 et R_L2 est négligeable) et R₄ comprenant un circuit diviseur de tension, et R₂ et R₃ comprenant le second circuit. La sortie, e_o, est mesurée entre les nœuds intermédiaires des deux diviseurs de tension et peut être calculée à partir de la formule suivante :

Équation 1

L'équation 1 montre que lorsque R_G/R₄ = R₃/R₂, la tension de sortie, e_o, est nulle et le pont est dit équilibré. Toute modification de la résistance de la jauge de contrainte déséquilibre le pont et produit une valeur e_o non nulle, proportionnelle à la contrainte. Dans un transducteur de pression, la tension de sortie de la jauge de contrainte à membrane est dite « ratiométrique » (linéairement proportionnelle) à la tension d'alimentation (d'excitation), E, sur toute la plage de pressions.

Compensation de température

L'une des difficultés de conception liées à l'utilisation des jauges de contrainte réside dans leur sensibilité aux effets de la température. Les fluctuations de température peuvent introduire des erreurs de décalage et de portée, et augmenter l'hystérésis.

La jauge de contrainte peut s'échauffer en raison de la tension d'excitation, E, mais ce problème peut être atténué dans une large mesure en maintenant E à un niveau bas. L'inconvénient est que cela réduit la sensibilité du système, mais il est possible d'amplifier la tension de sortie du pont de Wheatstone, e_o, si nécessaire. Il faut cependant veiller tout particulièrement à éviter d'amplifier les bruits superposés. Une solution consiste à utiliser des amplificateurs à "fréquence porteuse" qui convertissent la variation de tension en une variation de fréquence et utilisent une sortie à bande passante étroite pour maintenir le bruit à un faible niveau et réduire les interférences électromagnétiques (EMI) hors bande.

Une deuxième source de chaleur provient de la membrane et du corps du transducteur de pression lui-même. Des températures élevées provoquent une dilatation de la membrane et l'enregistrement par la jauge d'une contrainte qui n'est pas directement due à la pression du liquide ou du gaz.

Pour atténuer ces effets, les jauges de contrainte modernes intègrent des mesures de compensation de température. Les jauges de contrainte sont généralement fabriquées à partir d'un alliage composé de 55 % de cuivre et de 45 % de nickel. Le matériau affiche un très faible coefficient de dilatation thermique (CTE) qui limite la contrainte induite par la température. De plus, en faisant correspondre avec soin le coefficient CTE de la jauge de contrainte avec celui du matériau de la membrane auquel elle est fixée, un certain degré d'auto-compensation de la température peut être mis en œuvre, limitant la contrainte induite par la température à seulement quelques micromètres/mètres/degrés centigrades (μm/m/°C).

Une autre source d'erreur induite par la température peut avoir pour origine les fils conducteurs transportant les signaux de tension des jauges de contrainte. Dans la discussion initiale sur les caractéristiques du pont dans la figure 2 ci-dessus, la résistance de ces fils (les valeurs R_L1 et R_L2) est supposée être négligeable ; mais si les fils étaient en cuivre, une augmentation de température de seulement 10°C pourrait causer un décalage du pont équivalent à plusieurs centaines de microdéformations (µε) directement à partir des fils. Une technique courante pour remédier à ce décalage consiste à utiliser un pont à trois fils (figure 3).

Figure 3 : Dans ce schéma du circuit en pont de Wheatstone, le nœud électrique du pont à sortie négative est déplacé du haut de R₄ vers le bas de la jauge de contrainte à l'extrémité de R_L2. Avec les fils R_L1 et R_L2 formant la même résistance, le pont est équilibré. Le fil R_L3 est un fil de détection de tension uniquement et n'a aucun effet sur l'équilibre du pont. (Source de l'image : Micro Measurements)

Sur la figure 3, on peut voir que le nœud électrique du pont à sortie négative est déplacé du haut de R₄ au bas de la jauge de contrainte à l'extrémité de R_L2. Le fil R_L1 et la jauge de contrainte (R_G) comprennent un bras, avec R_L2 et une résistance R₄ formant le bras adjacent. Si les fils R_L1 et R_L2 présentent la même résistance, les deux bras du pont auront une résistance égale et le pont sera équilibré. Le fil R_L3 est un fil de détection de tension uniquement ; il n'est pas connecté en série avec l'un des bras du pont et n'a aucun effet sur l'équilibre du pont.

Si les deux fils R_L1 et R_L2 sont soumis aux mêmes fluctuations de température, le pont reste équilibré. De plus, comme un seul fil est connecté en série avec la jauge de contrainte, la sensibilisation à la température induite par le fil est réduite de moitié par rapport à une configuration à deux fils.

Outre l'effet de la température sur la sortie du transducteur de pression, il existe d'autres sources d'erreur. Ces sources d'erreur sont souvent référencées en tant que « fonction de transfert idéale », qui est une ligne droite, indépendante de la température, passant par le décalage idéal avec une pente égale à la sortie pleine échelle (FSS) idéale sur la plage de pressions de fonctionnement. Ce décalage correspond au signal de sortie obtenu lorsqu'une pression de référence est appliquée, tandis que la valeur FSS fait référence à la différence entre le signal de sortie mesuré aux limites supérieure et inférieure de la plage de pressions de fonctionnement (figure 4).

Figure 4 : La fonction de transfert idéale d'un transducteur de pression est une ligne droite, indépendante de la température, passant par le décalage idéal avec une pente égale à la valeur FSS idéale sur la plage de pressions de fonctionnement. (Source de l'image : Honeywell)

Les transducteurs de pression de qualité inférieure peuvent être soumis à des erreurs de décalage et de FSS relativement importantes lorsqu'ils sortent de l'usine. L'erreur de décalage correspond à l'écart maximal de la pression par rapport au décalage idéal, tandis que l'erreur de FSS désigne l'écart maximal de la FSS mesurée à la température de référence par rapport à la FSS idéale (ou cible) telle qu'elle est déterminée à partir de la fonction de transfert idéale.

D'autres erreurs tiennent à la précision du transducteur de pression lui-même, qui peut être sujet à la non-linéarité de la pression, à l'hystérésis de la pression et à la non-répétabilité. La combinaison des erreurs induites thermiquement, des imprécisions du transducteur, et des erreurs de décalage et de FSS détermine la bande d'erreur totale (TEB) du transducteur de pression. La bande d'erreur totale TEB indique l'écart maximal de sortie par rapport à la fonction de transfert idéale sur toute la plage de pressions et de températures compensées (figure 5).

Figure 5 : Les sources d'erreur d'un transducteur de pression s'additionnent pour former la bande d'erreur totale (TEB). (Source de l'image : Honeywell)

Transducteurs de pression à usage intensif

Les transducteurs de pression utilisés dans les applications industrielles sont exposés à des liquides et des gaz corrosifs, ainsi qu'à de fortes variations de température. Par exemple, les transducteurs utilisés dans une application de CVC/R sont exposés à des réfrigérants tels que le butane, le propane, l'ammoniac, le CO₂, le glycol plus l'eau, ou une gamme de réfrigérants hydrofluorocarbonés synthétiques, comme le R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze ou R1234yf. En outre, les températures des systèmes CVC/R industriels couvrent la plage de températures industrielles de -40 à +85°C, voire plus.

De nombreux transducteurs de pression de basse à moyenne gamme sont fabriqués à partir d'alliages tels que le laiton et utilisent des joints toriques et des adhésifs pour isoler l'électronique du capteur des fluides et des gaz qui entrent en contact avec la membrane. Lorsqu'ils sont utilisés en présence de substances corrosives, ces joints peuvent présenter une faiblesse et commencer à fuir. De telles fuites peuvent passer inaperçues dans un premier temps, ce qui entraîne des lectures erronées et un mauvais contrôle du système. Mais elles finissent par provoquer un dysfonctionnement lorsque l'électronique est exposée aux fluides ou aux gaz corrosifs.

Pour éviter ces dysfonctionnements potentiels, les concepteurs peuvent faire appel aux transducteurs de pression série MIP de Honeywell. Ces transducteurs de pression à usage intensif et isolés du milieu permettent de supprimer le joint torique interne et les joints adhésifs. Les transducteurs sont fabriqués en acier inoxydable et présentent une conception soudée hermétiquement au lieu d'un joint torique. Cette conception rend les capteurs MIP compatibles avec un large éventail de milieux, y compris les fluides agressifs, l'eau et les gaz, sur une plage de températures allant de -40 à 125°C et une plage de pressions comprise entre 100 kPa et 6 mPa (figure 6).

Figure 6 : Les transducteurs de pression série MIP de Honeywell sont fabriqués en acier inoxydable et utilisent une conception hermétiquement soudée qui supprime la nécessité de joints. Cette conception rend les capteurs compatibles avec une large gamme de milieux, y compris les fluides agressifs, l'eau et les gaz. (Source de l'image : Honeywell)

La série MIP fonctionne à partir d'une alimentation de 5 V et fournit une sortie ratiométrique sur une plage de 0,5 V à 4,5 V CC. La bande d'erreur totale (TEB) sur toute la plage de températures du transducteur de pression est de ±1,0 % pour les pressions ≤ 1 MPa et de 0,75 % pour les pressions > 1 MPa. Le transducteur affiche une précision de ±0,15 % FSS (droite de meilleur ajustement, BFSL) (Figure 7), et son temps de réponse est de 1 ms avec un taux en rafale de plus de 20 MPa.

Figure 7 : Les transducteurs de pression série MIP fonctionnent à partir d'une alimentation de 5 V et fournissent une sortie ratiométrique sur une plage de 0,5 V à 4,5 V CC. La bande d'erreur totale (TEB) sur toute la plage de températures du transducteur de pression est de ±1,0 % pour les pressions ≤ 1 MPa et de 0,75 % pour les pressions > 1 MPa. (Source de l'image : Honeywell)

En outre, la série offre une protection contre les surtensions de ±40 V CC et un diagnostic de sortie de capteur en cas de défaillance électrique (tableau 1).

Tableau 1 : Caractéristiques de fonctionnement des transducteurs de pression de la série MIP. (Source de l'image : Honeywell)

Transducteurs de pression dans les applications CVC

Les transducteurs de pression jouent un rôle clé dans des applications telles que les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) en permettant un contrôle précis pour optimiser le rendement tout en réduisant la consommation d'énergie. Prenons, par exemple, le cycle CVC/R utilisé par une unité de réfrigération industrielle (figure 8).

Figure 8 : Schéma montrant le cycle CVC/R. Des transducteurs de pression à usage intensif aux sorties du compresseur et de l'évaporateur peuvent être utilisés pour surveiller la pression du réfrigérant afin d'assurer des changements de phase optimaux du réfrigérant, et ainsi déterminer le rendement du cycle. (Source de l'image : Honeywell)

À l'étage du compresseur, la vapeur à basse pression de l'évaporateur est comprimée (ce qui provoque un échauffement) et pompée vers le condenseur. Au niveau du condenseur, la vapeur à haute température libère sa chaleur latente dans l'air et se condense en un liquide chaud. Un séchoir permet ensuite d'éliminer l'eau du réfrigérant. Ensuite, au niveau du dispositif de régulation, le liquide chaud provenant du condenseur est poussé à travers un limiteur de débit qui réduit sa pression, forçant le réfrigérant à restituer de la chaleur. Ensuite, à l'intérieur de l'évaporateur, ce liquide froid absorbe la chaleur du flux d'air renvoyé par le condenseur et se transforme en vapeur. Cette vapeur continue à absorber de la chaleur jusqu'à ce qu'elle atteigne le compresseur où le cycle se répète. L'air froid de l'évaporateur est utilisé pour abaisser la température du conteneur frigorifique.

Le cycle de réfrigération est efficace car, lorsque le réfrigérant passe de l'état liquide à l'état vapeur et vice-versa, il se produit une libération ou un gain important d'énergie latente. Pour fonctionner efficacement, la pression dans les différentes parties du système doit être soigneusement surveillée et régulée. C'est notamment le cas lorsque le réfrigérant subit les changements de phase liquide-vapeur et vapeur-liquide. Par exemple, en cas de basse pression, le réfrigérant passe de l'état liquide à l'état gazeux et absorbe l'énergie latente (chaleur) à une température plus basse qu'il ne le ferait autrement. En cas de haute pression, le gaz réfrigérant passe de l'état gazeux à l'état liquide à des températures plus élevées qu'il ne le ferait autrement, libérant ainsi une énergie latente (chaleur).

En surveillant la pression à la sortie du compresseur et de l'évaporateur, le compresseur et le dispositif de régulation peuvent être réglés pour contrôler précisément le débit (et donc la pression) dans les parties basse pression et haute pression du cycle, et en même temps, la température de la phase du réfrigérant change afin d'optimiser le rendement du système.

Conclusion

Les transducteurs de pression à jauges de contrainte constituent une bonne solution pour la mesure de la pression dans les processus industriels, mais les concepteurs de systèmes susceptibles d'être exposés à des conditions environnementales extrêmes doivent être conscients des limites des modèles qui utilisent des joints toriques et des adhésifs.

Conçus pour des applications qui peuvent connaître de telles conditions extrêmes, les transducteurs de pression série MIP de Honeywell utilisent une fabrication en acier inoxydable et une conception hermétiquement soudée. Cette construction rend les capteurs MIP compatibles avec un large éventail de liquides et de gaz industriels et leur assure une longue durée de vie, même à des températures et des pressions élevées. Les transducteurs de pression de Honeywell offrent également une grande précision, une réponse rapide, une bonne stabilité à long terme et une excellente immunité aux interférences électromagnétiques.