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Principes de mesure de la pression

Pourquoi la mesure de la pression est-elle importante ?

La pression est l'une des variables de procédé les plus mesurées dans l'industrie. La mesure de la pression permet de garantir la sécurité et la qualité dans tout un éventail de procédés industriels. Mais qu'est-ce que la pression ? Pour faire simple, la pression peut être définie comme l'application d'une force distribuée de manière homogène sur une surface. Les techniques de mesure de la pression interviennent souvent pour déterminer de manière indirecte d'autres variables du procédé, comme le flux, le niveau et la densité.

Ci-dessous, la définition mathématique de la pression :

Pression (Pa) = Force (N) ÷ Surface (m2)

L'unité SI pour la pression est le Pa (Pascal), qui correspond à 1 Newton par mètre carré (N/m2) ; Il est cependant possible de trouver d'autres unités d'ingénierie. Les plus communes : bar, psi, kgf/cm2, kPa, mmH2O et mmHg.

En ce qui concerne les liquides et les gaz, la pression contenue dans un récipient est distribuée de manière homogène sur toute la surface interne - cette définition a été établie par le physicien Blaise Pascal dans la Loi de Pascal.

Figure 1  – Distribution des forces sur une surface

Figure 1 – Distribution des forces sur une surface

Quelle est la différence entre pression absolue et pression différentielle ?

Figure 2 - Échelles de pression

Figure 2 - Échelles de pression

Les transmetteurs de pression peuvent effectuer des mesures de la pression selon deux échelles différentes : l'échelle de pression absolue et l'échelle de pression relative. La principale différence entre ces deux échelles de pression réside dans la référence utilisée : l'échelle absolue prend le vide absolu comme point de départ tandis que l'échelle de pression relative utilise la pression atmosphérique. Les dispositifs de mesure de la pression absolue et de la pression relative adoptent des conceptions différentes. En ce qui concerne la pression relative, le fait est que la pression atmosphérique varie d'un endroit à l'autre et qu'elle dépend des conditions météorologiques, ce qui implique une compensation permanente.

Dispositifs de mesure de la pression absolue

Les dispositifs de mesure de la pression absolue mesurent la pression du procédé en utilisant le vide absolu comme point de référence. Le vide absolu est une valeur immuable et, pour cette raison, la pression mesurée ne nécessite pas de compensation supplémentaire. L'échelle de pression absolue commençant à 0 bar abs., elle n'admet aucune valeur négative.

Au niveau de la mer, un capteur en dehors de la boîte et ne subissant aucune pression supplémentaire indique approximativement 1,013 bar abs, ce qui correspond à la pression atmosphérique.

La pression absolue peut être définie mathématiquement comme suit :

Pabs = Prel + Patm

Où :

Pabs = pression absolue

Prel = pression relative

Patm = pression atmosphérique

On retrouve typiquement les dispositifs de mesure de la pression absolue dans des applications industrielles sous vide, comme l'emballage sous vide, le séchage sous vide et également pour la compensation du volume des gaz.

Figure 3 - Construction d'un capteur de pression absolue

Figure 3 - Construction d'un capteur de pression absolue

Dispositifs de mesure de la pression relative

Figure 4 - Construction d'un capteur de pression relative

Figure 4 - Construction d'un capteur de pression relative

Les dispositifs de mesure de la pression relatives, appelés aussi transmetteurs de pression manométrique, mesurent la pression d'un procédé en utilisant la pression atmosphérique comme référence. Il est cependant nécessaire de la compenser, car elle varie d'un endroit à l'autre et dépend des conditions météorologiques.

Le transmetteur est conçu de telle manière qu'un capteur mesure la pression du procédé tandis qu'une petite ouverture vers l'environnement extérieur permet de compenser la pression atmosphérique ; on parle ainsi d'une mesure relative de la pression. L'échelle de pression relative commence à 0 bar g (ou barR) et peut afficher des valeurs négatives allant jusqu'à -1,013 bar g, ce qui correspond au vide absolu.

Un capteur de pression relative en dehors du boîtier et soumis à aucune pression supplémentaire indique approximativement 0 bar g, quelle que soit l'altitude à laquelle il se trouve.

Les valeurs de pression relative sont représentées par une unité de pression d'ingénierie suivie ou non d'un "g" ou d'un "R". Ex. : 10 bar g ou 10 bar.

La pression relative peut être définie mathématiquement comme suit :

Prel = Pabs + Patm

Où :

Pabs = pression absolue

Prel = pression relative

Patm = pression atmosphérique

Les dispositifs de mesure de la pression relative servent dans un large éventail d'applications, comme la surveillance de la pression et le contrôle de systèmes hydrauliques et pneumatiques, de réservoirs, de canalisation, de conduits d'air et la mesure de niveau dans des réservoirs ouverts.

Vers les dispositifs de mesure de la pression relative

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Dispositifs de mesure de la pression différentielle

Les dispositifs de mesure de la pression différentielle servent à mesurer la différence de pression entre deux points. Leur conception implique deux raccordements au procédé, à savoir un raccordement haute pression et un raccordement basse pression, ou simplement représenté respectivement par HP et BP. La pression mesurée côté basse pression est soustraite à la pression mesurée côté haute pression et le résultat indique la pression différentielle.

Les dispositifs de mesure de la pression différentielle sont des appareils polyvalents que l'on peut utiliser dans différentes applications industrielles, comme la mesure du niveau sur des réservoirs pressurisés, la mesure du débit de liquides, gaz et vapeur et la mesure de la densité de liquides.

Figure 5 - Construction d'un capteur de pression différentielle

Figure 5 - Construction d'un capteur de pression différentielle

Dispositifs de mesure de la pression hydrostatique

Figure 6 – Dispositif de mesure de la pression hydrostatique

Figure 6 – Dispositif de mesure de la pression hydrostatique

Les dispositifs de mesure de la pression hydrostatique permettent d'effectuer des mesures de niveau. Mesurer la pression exercée par une colonne de liquide sur un capteur permet d'en déterminer le niveau. La pression ainsi mesurée est proportionnelle à la hauteur de la colonne de liquide directement au-dessus du capteur, indépendamment de la forme du conteneur selon le Théorème de Stevin, du physicien Stevin.

Les dispositifs de mesure de la pression hydrostatique suivent le même principe de mesure que les dispositifs de mesure de la pression relative; ils sont cependant conçus pour être immergés. Et puisqu'il s'agit d'un capteur immergé, il est doté d'un tube d'aération pour la compensation de la pression atmosphérique avec le câble électrique à l'intérieur. Le tube d'aération ne doit jamais être obstrué sous peine de fausser les mesures.

On retrouve souvent les dispositifs conventionnels de mesure de la pression relative pour mesurer le niveau d'un réservoir ouvert ; cependant, pour certaines applications, comme les forages ou les réservoirs souterrains, il n'est pas possible d'en installer un à montage externe dans la paroi du réservoir. C'est là qu'interviennent les dispositifs de mesure de la pression hydrostatique.

Découvrir les dispositifs de mesure de la pression hydrostatique

Figure 7 – Dispositifs de mesure de la pression relative (à gauche) ; Dispositifs de mesure de la pression hydrostatique (à droite)

Figure 7 – Dispositifs de mesure de la pression relative (à gauche) ; Dispositifs de mesure de la pression hydrostatique (à droite)


Comment choisir un transmetteur de pression ?

Il est parfois difficile de choisir un transmetteur de pression en raison de la variété des modèles disponibles qui couvrent le large éventail d'applications que l'on retrouve dans l'industrie, chacune d'elle s'accompagnant des exigences et des conditions propres au procédé. Il suffit cependant de répondre à quelques questions pour mieux cerner l'appareil dont vous avez besoin :

1) Pour quelle application ?

Les exigences de l'application déterminent le type d'appareil nécessaire. Certaines applications nécessitent un dispositif de mesure de la pression relative tandis qu'il vaudra mieux utiliser un dispositif de mesure de la pression absolue pour d'autres. Si l'application nécessite le déclenchement d'une alarme ou d'un relais lorsque la pression atteint une valeur déterminée, il est recommandé d'opté pour un détecteur de pression. Si une simple indication locale suffit, un manomètre constituera une solution tout à fait rentable.

2) Quelle est la plage de mesures demandée ?

Il est préférable de sélectionner un dispositif offrant une plage de mesure adaptée à l'application pour garantir une efficacité maximale. Les dispositifs à plage de mesure trop large auront des problèmes de précision s'ils doivent travailler à de faibles pressions. Inversement, une plage de mesure trop réduite ne permet de mesurer qu'une pression supérieure à la valeur maximale. En outre, une pression excessive peut endommager le capteur. Un vide excessif peut aussi endommager certains capteurs ; en conséquence, si l'application implique le vide, il est important de vérifier la résistance au vide du capteur sélectionné.

3) Quelles sont les propriétés du milieu ?

Certains types de liquides et de gaz sont susceptibles de réagir chimiquement avec certains matériaux. Les fluides contenant des particules peuvent s'avérer abrasifs sur certains matériaux et entraîner une usure prématurée. Il est donc recommandé de vérifier la compatibilité entre le fluide mesuré et les matériaux du capteur. Les principaux matériaux sont : l'acier inoxydable, la céramique ou l'acier inoxydable revêtu d'alliages spéciaux comme l'or-rhodium. Les capteurs métalliques peuvent fonctionner avec des pressions plus élevées par rapport à un capteur en céramique ; cependant, les capteurs en céramique peuvent s'avérer plus performants et résistants dans les applications sous vide. En termes de résistance, les capteurs en céramique sont plus résistants à l'abrasion, à la corrosion chimique et aux chocs de pression par rapport aux capteurs métalliques.

4) Quelle est la précision demandée ?

Suivant l'application, la précision peut constituer un facteur clé pour maintenir les normes de qualité au cours du procédé ou concernant le produit final. Les différents modèles de capteurs et de transmetteurs peuvent avoir des niveaux de précision différents. Il existe des capteurs adaptés à chaque type d'application : pour les applications qui nécessitent un haut niveau de précision ou celles pour lesquelles la précision est secondaire.

5) Quelle est la température du procédé ?

Chaque transmetteur a été conçu pour fonctionner dans une plage de températures spécifique. Il convient donc de vérifier si le transmetteur sélectionné est adapté à la température de procédé requise. Certains capteurs sont spécialement conçus pour fonctionner à des températures cryogéniques ou élevées.

6) Quel est le type de raccordement demandé ?

Le raccordement au procédé est la partie mécanique qui fixe le capteur au procédé. Les adaptateurs doivent toujours être évités ; il est donc important de sélectionner un capteur avec un raccord compatible avec le procédé. Pour les applications hygiéniques, il est recommandé d'utiliser des raccords de processus avec agrément sanitaire pour éviter toute contamination dans le processus.

7) Quelle est la forme du signal en sortie ?

Si la valeur mesurée doit être envoyée à un technologie de contrôle ou à un autre équipement, il convient de vérifier que le signal en sortie du transmetteur est pris en charge par cet appareil. Les types de sorties les plus communes sont 4-20 mA et 0-10 V pour les transmetteurs de pression, PNP/NPN et relais pour les interrupteurs à pression. Les appareils dotés de protocoles de communication industrielle comme HART communication et IO-Link sont également courants.

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