Capteur de pression relative et capteurs de pression absolue et différentielle : un guide technique pour l'automatisation industrielle et le contrôle des processus

Un capteur de pression relative (également appelé capteur de pression relative) est un appareil qui mesure la pression par rapport à la pression atmosphérique ambiante. Le capteur dispose d'un port de référence ventilé ouvert sur l'atmosphère environnante. L'élément de détection mesure la différence entre la pression de processus appliquée d'un côté de la membrane et la pression atmosphérique appliquée de l'autre côté. Lorsque la pression du procédé est égale à la pression atmosphérique, la sortie du capteur est nulle (0 psi, 0 bar ou 0 kPa). Lorsque la pression du procédé est supérieure à la pression atmosphérique (pression positive), la sortie est positive. Lorsque la pression du procédé est inférieure à la pression atmosphérique (vide ou pression négative), la sortie est négative. L'élément de détection est généralement un diaphragme micro-usiné en silicium (MEMS) piézorésistif ou une jauge de contrainte à couche mince sur un diaphragme métallique. À mesure que la pression déforme le diaphragme, la résistance des piézorésistances change, produisant une sortie électrique proportionnelle à la pression appliquée. Le signal de sortie est généralement amplifié aux niveaux industriels standard : courant de boucle 4-20 mA, 0-5 VCC, 0-10 VCC ou sorties numériques (I2C, SPI, bus CAN). Les capteurs de pression relative sont utilisés dans des milliers d'applications : surveillance de la pression des systèmes hydrauliques, systèmes d'air comprimé, réseaux de distribution d'eau, contrôle de pompes, mesure de niveau de réservoir (par mesure de la pression hydrostatique) et commandes pneumatiques. Pour des spécifications techniques détaillées, les professionnels du sourcing peuvent se référer à capteurs de pression relative pages produits pour les fiches techniques des matériaux et les rapports de tests.

La différence fondamentale entre les capteurs de pression relative, absolue et différentielle réside dans la pression de référence utilisée pour la mesure. Les capteurs de pression relative utilisent la pression atmosphérique comme référence. Le capteur possède un boîtier ventilé ou un port de référence ouvert à l'air. La sortie est nulle à pression atmosphérique. Les capteurs à jauge conviennent à la plupart des processus industriels car les opérateurs se soucient de la pression par rapport à l'environnement (par exemple, 100 psi au-dessus de l'atmosphère). Les capteurs de pression absolue utilisent une chambre de référence à vide scellée (vide parfait, 0 psi absolu) comme référence. Le capteur n'est pas ventilé vers l'atmosphère. Le rendement n’est nul que dans un vide parfait. Les capteurs absolus sont utilisés pour la mesure de la pression barométrique, la détection de l'altitude et les applications où les variations de pression atmosphérique pourraient affecter la mesure (par exemple, test d'étanchéité de conteneurs scellés, contrôle de la pression des fours sous vide). Les capteurs de pression différentielle mesurent la différence entre deux pressions de processus (P1 - P2). Aucun des deux ports n'est évacué dans l'atmosphère. Les capteurs différentiels sont utilisés pour la mesure du débit (à l'aide de plaques à orifice), la surveillance du filtre (chute de pression à travers un filtre) et la mesure du niveau de liquide dans des réservoirs fermés (différence entre la pression inférieure et la pression de vapeur supérieure). Le choix dépend de l'application. Pour un réservoir ventilé, la jauge est correcte. Pour un réservoir scellé avec une pression atmosphérique variable, un différentiel peut être nécessaire. Pour la mesure de l'altitude, l'absolu est requis. Le tableau ci-dessous résume les principales différences.

Les capteurs de pression relative modernes utilisent la technologie MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), qui intègre des structures mécaniques microscopiques avec des circuits électroniques sur une seule puce de silicium. Le cœur du capteur de pression MEMS est un diaphragme en silicium micro-usiné, généralement de 5 à 50 micromètres d'épaisseur, fabriqué à l'aide de procédés de photolithographie et de gravure. Des piézorésistances (régions de silicium dopées qui changent de résistance lorsqu'elles sont sollicitées) sont diffusées dans le diaphragme aux endroits soumis à de fortes contraintes (bords et centre). Lorsqu'une pression est appliquée, le diaphragme se déforme, provoquant une contrainte dans les piézorésistances. Le changement de résistance est proportionnel à la pression appliquée. Les quatre piézorésistances sont connectées dans une configuration en pont de Wheatstone, qui convertit les changements de résistance en un signal de tension différentielle. Le signal de tension est amplifié, linéarisé, compensé en température et converti au format de sortie souhaité (4-20 mA, tension ou numérique) par un ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) ou un circuit de conditionnement de signal. La puce MEMS est montée sur un substrat (céramique, PCB ou métal), liée par fil et protégée par un revêtement en gel ou un diaphragme d'isolation en acier inoxydable pour la compatibilité avec les supports. La référence de jauge est obtenue en évacuant la face arrière de la puce MEMS (ou la face arrière du diaphragme d'isolation) vers l'atmosphère à travers un trou d'aération dans le boîtier du capteur. La technologie MEMS offre plusieurs avantages : une très petite taille (puce aussi petite que 1 mm x 1 mm), une sensibilité élevée (plage de microvolts par pascal), une faible consommation d'énergie (milliwatts), une excellente répétabilité et un faible coût dans des volumes élevés. Pour les environnements industriels sévères (fluides corrosifs, haute température), la puce MEMS peut être isolée du média par une membrane en acier inoxydable et remplie d'huile silicone (capteur de pression manométrique rempli d'huile).

Les capteurs de pression relative sont disponibles dans une large gamme de plages de pression pour s'adapter à différentes applications industrielles. Les plages de basse pression (0-1 psi à 0-15 psi, 0-0,07 bar à 0-1 bar) sont utilisées pour la surveillance de la pression de l'air CVC, la pression différentielle des salles blanches et les systèmes pneumatiques basse pression. Les plages de pression moyenne (0-50 psi à 0-500 psi, 0-3,5 bar à 0-35 bar) sont utilisées pour l'hydraulique industrielle générale, la distribution d'eau, la pression de refoulement des pompes et le contrôle des processus. Les plages de haute pression (0 à 1 000 psi à 0 à 10 000 psi, 0 à 70 bar à 0 à 700 bar) sont utilisées pour les équipements hydrauliques lourds, les machines de moulage par injection, les presses hydrauliques et la découpe au jet d'eau à haute pression. Les plages de vide ou composées (-14,7 psi à 0 psi, -1 bar à 0 bar) mesurent la pression négative (vide) pour la surveillance de l'aspiration, l'emballage sous vide et les applications de laboratoire. Les plages composées (-14,7 à 30 psi, -1 à 2 bar) mesurent à la fois le vide et la pression positive. Les signaux de sortie sont standardisés pour une compatibilité industrielle. Sorties analogiques : courant de boucle 4-20 mA (le plus courant pour le contrôle industriel, les longs câbles, l'immunité au bruit), 0-5 VCC, 0-10 VCC (commun pour les automates et l'acquisition de données) et 1-5 VCC. Sorties numériques : I2C et SPI (pour les systèmes embarqués et les appareils IoT), RS-485 Modbus (pour les réseaux industriels) et CAN bus (pour l'automobile et les équipements lourds). La tension d'excitation est généralement de 5 VCC ou de 9 à 30 VCC (pour les capteurs 4 à 20 mA alimentés par boucle).

La précision est la spécification la plus critique pour un capteur de pression relative. Il est généralement exprimé en pourcentage de la pleine échelle (%FS). Les capteurs de pression relative de qualité industrielle atteignent une précision de ±0,5 % FS, ±0,25 % FS ou ±0,1 % FS. Les capteurs de haute précision destinés aux applications de laboratoire ou d'étalonnage atteignent ±0,05 % FS ou mieux. La précision inclut plusieurs sources d'erreur : la linéarité (déviation de la sortie par rapport à une ligne droite sur la plage de pression), l'hystérésis (différence de sortie lorsque la pression augmente par rapport à la pression décroissante), la répétabilité (capacité à produire la même sortie pour la même pression dans des conditions identiques) et les effets de température (décalage du zéro et décalage de l'échelle avec la température). Pour un capteur de ±0,5 % FS, la bande d'erreur totale (y compris la linéarité, l'hystérésis, la répétabilité et les effets de température sur la plage de température compensée) se situe à ±0,5 % de la lecture à pleine échelle. Par exemple, un capteur de 0 à 100 psi avec une précision de ±0,5 % FS a une erreur maximale de ±0,5 psi à tout moment. La compensation de température est essentielle pour une mesure précise à différentes températures de fonctionnement. Le capteur est calibré à plusieurs températures (généralement -20 °C, 25 °C et 85 °C) et les coefficients de compensation sont stockés dans l'ASIC ou le microcontrôleur du capteur. Pendant le fonctionnement, le capteur mesure la température et applique les facteurs de correction à la lecture de pression. La plage de température compensée est généralement de -20°C à 85°C pour les capteurs industriels, ou de -40°C à 125°C pour les capteurs automobiles et à plage étendue. En dehors de la plage compensée, la précision se dégrade à un taux spécifié (par exemple ±0,03 % FS par °C).

Les matériaux utilisés dans la construction du capteur de pression relative déterminent la compatibilité chimique, la résistance à la température et la stabilité à long terme. Matériau du port de pression : l'acier inoxydable (304, 316 ou 316L) est le plus courant pour les capteurs industriels, offrant une excellente résistance à la corrosion pour l'eau, l'huile, l'air et les produits chimiques doux. Pour les milieux hautement corrosifs (acides, produits caustiques, eau salée), des ports en Hastelloy C-276, Inconel ou en titane sont disponibles. Pour les applications alimentaires et pharmaceutiques, de l'acier inoxydable 316L avec des connexions sanitaires Tri-Clamp est requis. Matériau du diaphragme : pour les capteurs à usage général, le diaphragme en acier inoxydable 316L (épaisseur 0,05-0,2 mm) offre une bonne sensibilité et durabilité. Pour les capteurs basse pression (inférieures à 5 psi), le diaphragme en céramique ou en silicium (contact direct avec le fluide) offre une sensibilité plus élevée. Pour les applications d'ultra haute pureté (semi-conducteurs, pharmaceutique), le diaphragme peut être en céramique d'alumine ou en silicium sans pièces métalliques en contact avec le produit. Matériau du boîtier du capteur : des boîtiers classés IP65/IP67/IP68 sont requis pour les applications lavables, extérieures ou submersibles. Les options de boîtier incluent l'acier inoxydable (pour les environnements corrosifs), l'aluminium (pour l'industrie générale) et le polycarbonate (pour les intérieurs légers). Matériaux d'étanchéité : des joints toriques (Viton, EPDM, NBR) ou des joints sont utilisés pour sceller l'orifice de pression et le boîtier. Le matériau du joint doit être compatible avec le fluide de procédé. Le Viton (FKM) convient à la plupart des huiles, carburants et produits chimiques ; L'EPDM convient à l'eau, à la vapeur et aux liquides de frein ; Le NBR convient aux huiles minérales et aux carburants. Pour les applications à haute température (au-dessus de 125°C / 260°F), des joints métalliques ou une étanchéité verre-métal peuvent être nécessaires.

Les capteurs de pression relative sont utilisés dans plusieurs secteurs, avec des spécifications variant selon l'application. Pour les systèmes hydrauliques (presses industrielles, machines de moulage par injection, matériel de construction, chariots élévateurs), un capteur de pression manométrique de 0 à 5 000 psi à 0 à 10 000 psi avec sortie 4-20 mA et indice de protection IP67 est standard. Le capteur doit résister aux pics de pression (2 à 3 fois la pression nominale) et avoir une capacité de surpression élevée. Pour les systèmes pneumatiques (surveillance de l'air comprimé, outils pneumatiques, actionneurs pneumatiques), un capteur de jauge de 0 à 150 psi ou de 0 à 300 psi avec une sortie de 0 à 10 V CC et un temps de réponse rapide (inférieur à 1 ms) est utilisé. Pour la mesure du niveau de liquide dans les réservoirs ouverts (châteaux d'eau, puisards, réservoirs de produits chimiques, bassins d'eaux usées), un capteur de pression manométrique submersible mesure la pression hydrostatique au fond du réservoir. La pression est proportionnelle à la hauteur du liquide : 1 psi ≈ 2,31 pieds (0,7 mètre) d'eau. Pour une mesure de niveau précise, le capteur doit être ventilé à travers le câble (conception de jauge ventilée) afin d'annuler les variations de pression atmosphérique. Pour la surveillance du vide (emballage sous vide, ventouses, aspiration médicale, chambres à vide de laboratoire), un capteur de pression composé (-14,7 à 0 psi, -1 à 0 bar) est nécessaire pour mesurer la pression négative par rapport à l'atmosphère. Le capteur doit avoir une haute résolution à basse pression (0,1 % FS ou mieux). Pour le contrôle des pompes et la surveillance des puits (puits d'eau, pompes d'irrigation, pompes de surpression), un capteur de jauge de 0 à 200 psi avec une sortie de 4 à 20 mA et un boîtier robuste en acier inoxydable est utilisé pour surveiller la pression de refoulement de la pompe et se protéger contre les conditions de marche à sec. Le tableau ci-dessous correspond aux applications avec les spécifications recommandées.

Pour les fabricants exportant des capteurs de pression relative, des certifications documentées de qualité et de conformité sont essentielles. Les normes et certifications les plus demandées comprennent : le marquage CE (conformité européenne) selon la directive CEM (2014/30/UE) et la directive RoHS (2011/65/UE), ISO 9001 (système de gestion de la qualité), et pour les applications en zones dangereuses, la certification ATEX (européenne) ou IECEx (internationale) pour la sécurité intrinsèque (Ex ia) ou l'enceinte antidéflagrante (Ex d). Les tests de performance spécifiques incluent : test de précision (mesure à 5 à 10 points d'étalonnage sur toute la plage de pression, de haut en bas, pour vérifier la linéarité, l'hystérésis et la répétabilité), test de compensation de température (mesure à -20°C, 25°C et 85°C ou plage spécifiée pour vérifier le décalage du zéro et le décalage de l'échelle), test de stabilité à long terme (test de dérive de 500 à 1 000 heures à la pression nominale à 85°C pour vérifier que la sortie ne change pas plus que spécifié pourcentage par an), test de surpression (application de 1,5x à 3x la pression nominale sans dommage), test de pression d'éclatement (test destructif pour vérifier la marge de sécurité), test de sécurité électrique (résistance d'isolement, rigidité diélectrique) et test CEM (émissions rayonnées et conduites selon CISPR 11, immunité selon CEI 61000-4-2 à -6). Pour les capteurs de pression utilisés dans les dispositifs médicaux, la certification ISO 13485 est requise. Pour les applications automobiles, la certification IATF 16949 est requise. Pour les applications d'eau potable, la certification NSF/ANSI 61 peut être requise pour les matériaux en contact avec l'eau potable. De nombreux grands acheteurs industriels exigent également des audits d'usine couvrant la norme ISO 9001 et une traçabilité documentée de l'étalonnage selon les normes internationales (NIST, PTB ou autres instituts nationaux de métrologie). Les fabricants qui maintiennent des certifications à jour et des dossiers de qualité transparents bénéficient d'un avantage concurrentiel en matière d'approvisionnement international.