Le fonctionnement et la technologie des capteurs de pression
Le fonctionnement et la technologie des capteurs de pression
Find out more about the function, structure, types and areas of application of pressure sensors
How does a pressure sensor work?
Ils permettent des solutions personnalisées, adaptées à presque toutes les tâches et possèdent une précision et une fiabilité absolues. Il faut tenir compte des conditions d’installation (avec ou sans membrane affleurante), des exigences de l’application (hygiénique, industrielle) et des propriétés des fluides.
Surveillance ou contrôle de process physique par rapport à la pression absolue, par exemple la pression de vapeur
Relative :
Mesure de la pression par rapport à la pression atmosphérique
Capteur à compensation relative
Capteur « ouvert » et donc influencé par son environnement
Surveillance ou contrôle des process physiques en fonction des conditions ambiantes
Dépression ex. : force de maintien tout le long du process de vide pour manutention des pièces à usiner
Surpression ex. : mesure du niveau hydrostatique dans les réservoirs ventilés
Composée :
Mesure de la pression manométrique ou différentielle à partir de valeurs négatives à positives
Différentielle :
Mesure de la différence entre deux pressions
Structure and types of pressure sensors
Baumer pressure sensors basically work with two different pressure measurement methods. The method to be used depends on the intended use of the sensor.
Resistive pressure measurement: In resistive pressure measurement, the deformation of a thin metal body or a ceramic membrane leads to a change in electrical resistance. When the metal strip is stretched by pressure, it becomes longer and its electrical resistance increases. When the metal strip is compressed, its cross-sectional area increases and its electrical resistance decreases. The change in resistance is then recorded as an electrical signal and converted into pressure.
Piezoresistive pressure measurement: This principle is also based on the change in electrical resistance when a material is deformed. However, this measurement principle uses a piezoresistive material. This material has the property that the mechanical stress that occurs during deformation (stretching or compression) also causes a change in electrical conductivity. The change in resistance is greater than with resistive pressure measurement.
In addition to the types of pressure measurement and pressure sensors listed here, piezoelectric, capacitive and inductive pressure sensors are also mentioned, as well as vacuum pressure sensors, frequency analogue pressure sensors and pressure sensors with Hall element.
Dans le cas des matériaux semi-conducteurs, la variation de la résistance spécifique, et donc du signal, découle de la mobilité variable des électrons dans la structure cristalline. Cette mobilité est influencée par la contrainte mécanique. La séparation de la puce de silicium sensible et du milieu du process est assurée par une membrane en acier inoxydable (encapsulage). Pour la transmission interne de la pression, on fait appel à un liquide spécial, de l’huile de paraffine ou de silicone selon l’application.
Dans le cas des matériaux semi-conducteurs, la variation de la résistance spécifique, et donc du signal, découle de la mobilité variable des électrons dans la structure cristalline. Cette mobilité est influencée par la contrainte mécanique. La séparation de la puce de silicium sensible et du milieu du process est assurée par une membrane en acier inoxydable (encapsulage). Pour la transmission interne de la pression, on fait appel à un liquide spécial, de l’huile de paraffine ou de silicone selon l’application.
Les transmetteurs à technologie piézorésistive au silicium se caractérisent par une précision de mesure élevée et une bonne stabilité à long terme. De par leur boîtier entièrement soudé, ils ont une longue durée de vie et trouvent aussi utilisation dans les zones explosives (ATEX).
Ils conviennent même aux petites plages de mesure, en particulier aux mesures de niveau hydrostatiques à partir d’une hauteur de 0,50 m.
Le corps de base est constitué d’un monolithe céramique, sur la membrane duquel les résistances sont pressées au verso. De ce côté, la pression de l’air ambiant fait office de pression de référence. Ce principe ne rend donc possible qu’une mesure de la pression relative. Les cellules de mesure en céramique se caractérisent par une bonne stabilité à long terme et une bonne résistance à la corrosion. Comme la céramique ne peut être soudée au raccord process, il faut insérer un joint de séparation du milieu. La technologie à couche épaisse céramique consiste à interconnecter quatre résistances en un pont de Wheatstone. Sous l’action d’une pression, les résistances subissent au centre de la membrane l’allongement le plus élevé, la plus grande compression se produisant dans la région des bords. Dans les cellules à céramique, la membrane de mesure fait simultanément office de membrane de séparation du milieu. Aucun liquide de transmission interne n’est requis.
La couche mesurante se trouve entre un mince disque membrane en céramique et un corps de base en céramique. Le jeu nécessaire à la flexion de la membrane est assuré par l’espacement généré de manière ciblée. Le volume ainsi créé peut être ventilé ou vidé à la pression ambiante, ce qui permet de mesurer la pression relative ou la pression absolue. Les cellules de mesure en céramique se caractérisent par une bonne stabilité à long terme et une bonne résistance à la corrosion. Comme la céramique ne peut être soudée au raccord process, il faut insérer un joint de séparation du milieu. La technologie à couche épaisse céramique consiste à interconnecter quatre résistances en un pont de Wheatstone. Sous l’action d’une pression, les résistances subissent au centre de la membrane l’allongement le plus élevé, la plus grande compression se produisant dans la région des bords. Dans le cas des cellules à couche mince, la membrane de mesure fait simultanément office de membrane de séparation du milieu. Aucun liquide de transmission interne n’est requis.
Le corps de base est en acier inoxydable. La structure de la résistance est réalisée par photolithographie Les cellules de mesure de la couche mince se caractérisent par une excellente résistance aux pics de pression et aux pressions d’éclatement. Même les pressions extrêmement élevées pourront être mesurées en toute fiabilité - même sous chocs et vibrations élevés. La technologie de couche épaisse céramique consiste à interconnecter quatre résistances en un pont de Wheatstone. Sous l’action d’une pression, les résistances subissent au centre de la membrane l’allongement le plus élevé, la plus grande compression se produisant dans la région des bords. Dans le cas des cellules à couche mince, la membrane de mesure fait simultanément office de membrane de séparation du milieu. Aucun liquide de transmission interne n’est requis. En règle générale, la technologie à couche mince n’est proposée que pour la mesure de la pression relative, car il est plus compliqué, en termes de conception, de générer un vide au verso de la membrane.
Suitability for gas applications
Pression dans les process de stérilisation
De la vapeur brûlante est utilisée pour stériliser les appareils et équipements. De petits éléments, comme les capteurs (PBMH autoclavables) peuvent être stérilisés dans un caisson approprié (autoclave). Dans de plus grandes installations, de la vapeur brûlante traverse le système, procédé appelé « Stérilisation en place » (SEP). En conséquence, un capteur doit être conçu pour être robuste bien que, en général, le signal ne soit pas transmis durant le process de stérilisation. Il doit résister à la température et la pression ambiantes pour la durée concernée (par ex. 134 °C à plus de 3 bars pendant 30 minutes). En physique, la pression et la température sont interdépendantes comme le montre la courbe de vapeur saturée.
Pressure of saturated steam with respect to temperature
Les capteurs de pression PBMx et PFMx de Baumer sont parfaits pour contrôler le process de stérilisation. Ils fournissent des valeurs exactes même en cas de variations rapides de température, pour ainsi contrôler la fiabilité du process en surveillant la pression qui donne la température correspondante.
Definition of the pressure ranges
Explication de la terminologie et des relations
Précision : Ceci décrit l’écart possible d’une mesure isolée avec la moyenne de plusieurs mesures et peut être interprétée comme un cercle de dispersion. Précision élevée : petit cercle de dispersion, précision faible : grande cercle de dispersion.
Exactitude : Elle décrit la distance (l’offset) de la valeur moyenne de plusieurs mesures de la valeur réelle. Exactitude élevée : petit offset, exactitude : grand offset.
Erreur de mesure standard : Cette information est obtenue avec la meilleure ligne droite d’ajustement (BFSL) , et décrit la précision (cercle de dispersion).
Erreur de mesure maximale : Elle inclut l’erreur de mesure standard et l’offset d’un capteur.
Dépendance de température
Cette application peut diverger de la température de référence (20 °C par ex.) si bien qu’il faut considérer de manière différente l’erreur de mesure standard ou maximale.
Le « point zéro du coefficient de température » (point zéro TC) décrit la dépendance de température du point zéro et ainsi l’influence sur l’exactitude.
L’« Écart de coefficient de température » (écart TC) décrit la dépendance de température de la plage de mesure et donc l’influence sur la précision, c’est-à-dire l’erreur de mesure standard.
Le point zéro TC et l’écart TC décrivent ensemble la dépendance de température sur l’erreur de mesure maximale.
Dépendance de température de l’erreur de mesure maximale
Dans de nombreux cas, on préférera un capteur stable en température, à faible exactitude initiale, à un capteur plus instable d’une exactitude initiale plus élevée si la température de service diverge de la température de référence (20 °C par ex.).
Indication d'erreur
Baumer spécifie l’« indication d’erreur maximale », c’est-à-dire que, statistiquement, 99,7% des capteurs sont conformes à cette spécification. Certains concurrents entrent l’« indication d’erreur typique », dans laquelle 32% des produits ne sont pas conformes à cette spécification.
