Types de transmetteurs de pression

Présentation simple du transmetteur de pression

Un transmetteur de pression, capteur de pression dont la sortie est un signal normalisé, est un instrument qui reçoit une variable de pression et la convertit proportionnellement en un signal de sortie normalisé. Il convertit les paramètres de pression physique d'un gaz, d'un liquide, etc., mesurés par un capteur de force, en signaux électriques normalisés (par exemple, 4-20 mADC) afin d'alimenter des instruments secondaires tels que des indicateurs d'alarme, des enregistreurs, des régulateurs, etc., pour la mesure, l'indication et la régulation de processus.

La classification des transmetteurs de pression

Généralement, les transmetteurs de pression dont nous parlons sont classés selon leur principe :
Il existe différents types de transmetteurs de pression pour les mesures haute fréquence : capacitifs, résistifs, inductifs, à semi-conducteurs et piézoélectriques. Les transmetteurs résistifs sont les plus répandus. Le transmetteur 3051S de Rosemount est un exemple de produit haut de gamme parmi les transmetteurs de pression capacitifs.

Les transmetteurs de pression peuvent être classés en fonction de leurs composants sensibles à la pression : métal, céramique, silicium diffusé, silicium monocristallin, saphir, film pulvérisé, etc.

• Le transmetteur de pression métallique présente une faible précision, mais est peu sensible à la température et convient aux zones présentant une large plage de températures et des exigences de précision faibles.
• Les capteurs de pression en céramique offrent une meilleure précision, mais sont plus sensibles aux variations de température. La céramique présente également l'avantage d'une résistance aux chocs et à la corrosion, ce qui la rend utilisable dans le domaine de la réponse aux incidents.
• La précision de transmission de la pression du silicium diffusé est très élevée, mais sa dérive thermique est également importante ; une compensation de température est donc généralement nécessaire avant son utilisation. De plus, même après compensation, la pression au-delà de 125 °C ne peut être mesurée. Cependant, à température ambiante, le coefficient de sensibilité du silicium diffusé est cinq fois supérieur à celui de la céramique, ce qui explique son utilisation fréquente dans le domaine des mesures de haute précision.
• Le transmetteur de pression en silicium monocristallin est le capteur le plus précis utilisé dans l'industrie. Il s'agit d'une version améliorée du silicium diffusé. Naturellement, son prix est également plus élevé. Actuellement, Yokogawa (Japon) est le leader sur le marché des transmetteurs de pression en silicium monocristallin.
• Le transmetteur de pression en saphir est insensible aux variations de température et présente de bonnes caractéristiques de fonctionnement même à haute température ; le saphir possède une résistance aux radiations extrêmement élevée ; aucune dérive pn ; il peut fonctionner normalement dans les conditions de travail les plus difficiles et est fiable. Hautes performances, bonne précision, erreur de température minimale et rapport qualité-prix global élevé.
• Le transmetteur de pression à couche mince pulvérisée ne contient aucun adhésif et présente une stabilité et une fiabilité à long terme supérieures à celles des capteurs à jauge de contrainte adhésifs. Il est moins sensible aux variations de température : pour une variation de 100 °C, la dérive du zéro n’est que de 0,5 %. Ses performances thermiques sont nettement supérieures à celles des capteurs de pression en silicium à diffusion. De plus, il peut être mis en contact direct avec des milieux corrosifs courants.

Principes des différents types de transmetteurs de pression

• Principe du transmetteur de pression capacitif.

Lorsque la pression s'exerce directement sur la surface du diaphragme de mesure, celui-ci se déforme légèrement. Le circuit de haute précision intégré au diaphragme transforme cette déformation en un signal de tension linéaire, proportionnel à la pression et à la tension d'excitation. Ce signal est ensuite converti par une puce dédiée en un signal de courant standard de 4 à 20 mA ou en un signal de tension de 1 à 5 V.

• Principe de fonctionnement d'un transmetteur de pression en silicium diffusé

La pression du milieu mesuré agit directement sur le diaphragme du capteur (généralement un diaphragme 316L), provoquant un micro-déplacement du diaphragme proportionnel à la pression du milieu, modifiant la valeur de résistance du capteur et la détectant à l'aide d'un circuit de Wheatstone. Ce changement est ensuite converti et produit un signal de mesure standard correspondant à cette pression.

• Principe de fonctionnement d'un transmetteur de pression en silicium monocristallin

Les capteurs de pression piézorésistifs sont construits en exploitant l'effet piézorésistif du silicium monocristallin. Une plaquette de silicium monocristallin sert d'élément élastique. Lorsque la pression varie, le silicium monocristallin subit une déformation, ce qui induit une variation de la résistance de déformation directement diffusée à sa surface, proportionnelle à la pression mesurée. Le circuit en pont génère alors le signal de tension correspondant.

• Principe du transmetteur de pression en céramique

La pression s'exerce directement sur la face avant du diaphragme en céramique, provoquant une légère déformation de celui-ci. Une résistance à couche épaisse est imprimée sur la face arrière du diaphragme et connectée à un pont de Wheatstone (pont fermé). Grâce à l'effet piézorésistif de la varistance, le pont génère un signal de tension très linéaire, proportionnel à la pression et à la tension d'excitation. Ce dispositif est généralement utilisé pour la mesure de pression des compresseurs d'air, et fait souvent appel à des résistances en céramique.

• Principe du transmetteur de pression à jauge de contrainte

Les transmetteurs de pression à jauge de contrainte les plus couramment utilisés sont les jauges de contrainte à résistance métallique et les jauges de contrainte à semi-conducteurs. Une jauge de contrainte à résistance métallique est un dispositif sensible qui convertit la variation de contrainte de la pièce testée en un signal électrique. Il existe deux types de jauges de contrainte : à fil et à feuille métallique. Généralement, la jauge est solidement collée à la matrice de contrainte mécanique à l'aide d'un adhésif spécial. Lorsque la matrice est soumise à une variation de contrainte, la jauge de contrainte se déforme également, ce qui modifie sa résistance et, par conséquent, la tension appliquée à ses bornes. Les transmetteurs de pression à jauge de contrainte sont relativement rares sur le marché.

• Transmetteur de pression en saphir

Le transmetteur de pression en saphir utilise le principe de fonctionnement par résistance à la déformation, adopte des composants sensibles en silicium-saphir de haute précision et convertit le signal de pression en un signal électrique standard via un circuit amplificateur dédié.

• transmetteur de pression de film pulvérisé

L'élément sensible à la pression, déposé par pulvérisation cathodique, est fabriqué selon une technologie microélectronique, formant un pont de Wheatstone robuste et stable à la surface d'une membrane élastique en acier inoxydable. Lorsque la pression du fluide mesuré s'exerce sur cette membrane, le pont de Wheatstone génère un signal électrique proportionnel à la pression. Grâce à leur bonne résistance aux chocs, les films déposés par pulvérisation cathodique sont fréquemment utilisés dans des applications soumises à des impacts répétés, comme les équipements hydrauliques.

précautions de sélection du transmetteur de pression

• Sélection de la valeur de la plage de pression du transmetteur :

Il faut d'abord déterminer la valeur maximale de la pression mesurée dans le système. En règle générale, il convient de choisir un transmetteur dont la plage de pression est environ 1,5 fois supérieure à cette valeur maximale, ou bien de choisir un transmetteur dont la plage de pression nominale correspond à celle du transmetteur. Une plage comprise entre 1/3 et 2/3 de la plage nominale est également une méthode courante.

• Quel type de fluide de pression :

Les liquides visqueux et les boues risquent d'obstruer les orifices de pression. Les solvants ou les substances corrosives risquent-ils d'endommager les matériaux du transmetteur en contact direct avec ces fluides ?
Le matériau du transmetteur de pression standard en contact avec le fluide est l'acier inoxydable 316. Si le fluide n'est pas corrosif pour l'acier inoxydable 316, alors en principe, tous les transmetteurs de pression conviennent à la mesure de la pression du fluide ;
Si le fluide est corrosif pour l'acier inoxydable 316, un joint chimique et une mesure indirecte sont nécessaires. L'utilisation d'un tube capillaire rempli d'huile de silicone pour guider la pression permet de protéger le transmetteur de pression contre la corrosion et d'en prolonger la durée de vie.

• Niveau de précision requis par l'émetteur :

La précision est déterminée par la non-linéarité, l'hystérésis, la non-répétabilité, la température et le décalage du zéro de l'échelle. Plus la précision est élevée, plus le prix est élevé. Généralement, la précision d'un transmetteur de pression en silicium diffusé est de 0,5 ou 0,25, tandis que celle d'un transmetteur de pression capacitif ou en silicium monocristallin atteint 0,1 voire 0,075.

• Raccordement du transmetteur au processus :

Généralement, les transmetteurs de pression sont installés sur des canalisations ou des réservoirs. Certains sont également utilisés avec des débitmètres. Il existe trois types de montage : fileté, à bride et à collier. Avant de choisir un transmetteur de pression, il est donc essentiel de prendre en compte le type de raccordement. Pour un montage fileté, il convient de vérifier les spécifications du filetage. Pour un montage à bride, il faut considérer les spécifications du diamètre nominal.

Introduction à l'industrie des transmetteurs de pression

Une quarantaine de pays à travers le monde sont impliqués dans la recherche et la production de capteurs. Les États-Unis, le Japon et l'Allemagne sont les régions qui en produisent le plus. À eux trois, ils représentent plus de 50 % du marché mondial des capteurs.

Aujourd'hui, le marché des transmetteurs de pression dans mon pays est un marché mature et fortement concentré. Cependant, la position dominante est occupée par des entreprises étrangères, représentées notamment par Emerson, Yokogawa et Siemens. Les produits de marque représentent environ 70 % des parts de marché et bénéficient d'un avantage certain pour les projets d'ingénierie de grande et moyenne envergure.

Cela s'explique par les conséquences de l'adoption précoce par mon pays de la stratégie du « marché pour la technologie », qui a durement touché les entreprises d'État et les a même conduites à l'échec. Parallèlement, certains fabricants, représentés par des entreprises privées chinoises, ont discrètement émergé et se sont renforcés. L'avenir du marché chinois des transmetteurs de pression est donc plein d'incertitudes.