Capteurs de pression de gaz

Applications

Les capteurs de pression de gaz peuvent être utilisés pour mesurer l'altitude dans les avions, les fusées ou les ballons. Ils sont fréquemment utilisés dans la conception automobile, de l'optimisation du fonctionnement du moteur et du contrôle des émissions à la surveillance des pressions dans les pneus et les airbags, et même au contrôle des coussins d'air gonflables dans les sièges dynamiques.

Dans les environnements industriels, ils peuvent être utilisés pour mesurer la vitesse à laquelle le gaz s'écoule (parfois appelée «pression d'impact»), pour confirmer la présence d'aspiration, pour gérer les pressions à la source ou pour rechercher des fuites.
 

Possibilités de mesure

Les capteurs de pression de gaz sont conçus (ou peuvent être configurés) pour mesurer la pression de gaz de différentes manières.

• Pression relative est mesuré par rapport à la pression atmosphérique environnante. La pression atmosphérique est d'environ 100 kPa (14.7 PSI) au niveau de la mer. Le capteur intégré aux pompes à air pour pneus mesure ainsi la pression, indiquant la pression de l'air à l'intérieur du pneu par rapport à la pression atmosphérique locale. Une lecture de zéro indique que les pressions sont égales à l'intérieur et à l'extérieur.
• A capteur de pression de gaz scellé est similaire à un capteur de pression de gaz manométrique mais a été pré-étalonné pour mesurer la pression de gaz par rapport à la pression atmosphérique au niveau de la mer. Ainsi, ses lectures ne changeront pas si l'appareil est amené à une altitude ou à un emplacement différent.
• Pression de vide est la mesure de la différence négative entre la pression du gaz à un endroit donné et la pression atmosphérique.
• Pression de gaz absolue est mesuré à partir de zéro, ou un vide parfait (0 PSI). Encore une fois, contrairement à la pression manométrique, celle-ci n'est pas affectée par les conditions autour de l'unité, qui peuvent varier en fonction des changements d'altitude et d'autres facteurs.
• Pression différentielle est la différence entre deux pressions de gaz - par exemple, celles de deux tuyaux de gaz connectés au capteur. Comme pour la pression manométrique, le capteur peut être capable de mesurer des changements de pression de gaz dans les deux sens (c'est-à-dire des différences positives ou négatives).

Au-delà des différents types de mesure, certains capteurs de pression de gaz sont également conçus pour mesurer des changements rapides de pression dans des environnements dynamiques, comme la pression de combustion dans un cylindre de moteur ou une turbine à gaz.
 

Technologie

Les capteurs de pression de gaz sont des transducteurs : ils génèrent un signal électrique proportionnel à la pression qu'ils mesurent. Cela permet de surveiller la pression par des microprocesseurs, des contrôleurs programmables, des ordinateurs et d'autres appareils électroniques connectés au capteur.

Certains capteurs de pression de gaz sont analogiques et fournissent un retour de pression sous la forme d'un courant électrique. Il existe également des capteurs numériques, qui fournissent une valeur numérique pour la pression du gaz, et des capteurs qui fournissent d'autres types de rétroaction, tels que des signaux optiques, visuels ou auditifs. La technologie la plus couramment utilisée dans les capteurs de pression de gaz analogiques est la jauge de contrainte piézorésistive, qui utilise le principe de la piézorésistance.

Une coupe transversale d'une jauge de distorsion à semi-conducteur, utilisé dans de nombreux capteurs de pression de gaz

Le capteur est basé sur un diaphragme en silicium monocristallin, en film mince de polysilicium, en feuille métallique collée, en film épais ou en film mince pulvérisé. Le diaphragme agit comme une jauge de distorsion du semi-conducteur : lorsque le gaz appuie dessus, il se déforme, ce qui déforme la structure cristalline du matériau. Ceci, à son tour, modifie la résistance électrique du diaphragme, permettant au capteur de refléter les changements de pression sous la forme d'un changement de courant (voir schéma ci-dessous).

D'autres technologies, moins couramment utilisées, pour les capteurs de pression de gaz comprennent la capacité (similaire à la piézorésistance, mais la capacité du matériau change), l'électromagnétique, le piézoélectrique (pour les changements de pression uniquement), l'optique et le potentiométrique.

Certains capteurs électroniques utilisent d'autres propriétés, telles que la densité, l'ionisation ou la conductivité thermique, pour déduire la pression d'un gaz plutôt que de la mesurer directement.

Un capteur résonnant utilise les changements de fréquence de résonance (la fréquence à laquelle un gaz vibre le plus facilement) pour mesurer les changements de densité de gaz causés par la pression. L'élément sensible peut être réalisé à partir d'un fil vibrant, d'un cylindre vibrant, de quartz ou de silicium.

Les capteurs d'ionisation mesurent la pression du gaz en surveillant le flux de particules de gaz chargées (ions), à mesure qu'il varie en raison des changements de densité. Des exemples de capteurs d'ionisation comprennent des jauges à cathode chaude et à cathode froide.

Les capteurs thermiques utilisent les variations de la conductivité thermique d'un gaz (la facilité avec laquelle il conduit la chaleur) pour mesurer la pression. Un exemple est la jauge Pirani, qui comporte un filament métallique chauffé suspendu dans un tube et mesure la chaleur perdue du filament vers le gaz environnant.

Dans les capteurs de pression de gaz numériques, une puce de silicium convertit le courant à travers la jauge de distorsion à semi-conducteur en une lecture numérique, et les données sont ensuite transmises hors de l'unité via un connecteur de processus. Cela peut ensuite être surveillé et/ou stocké par un ordinateur ou un autre dispositif de surveillance électronique.

Ces dernières années, des capteurs de pression sans fil ont été introduits. Ces capteurs avancés peuvent être contrôlés à distance, ce qui leur permet d'être utilisés pour des applications où les connexions filaires ne seraient pas possibles. Ils sont généralement alimentés par batterie, ce qui les rend complètement autonomes et autonomes jusqu'à ce que la batterie doive être remplacée. Ils offrent généralement plus d'options de personnalisation et de contrôle que les capteurs standard, et certains permettent de modifier des paramètres tels que les limites hautes et basses pendant le fonctionnement de l'unité.

Certains capteurs sans fil peuvent se connecter à des appareils mobiles tels que les smartphones, qui peuvent surveiller, collecter et stocker les données du capteur, exécutant des fonctions qui nécessitaient auparavant un ordinateur.
 

Options et spécifications

Une large gamme de capteurs de pression de gaz est disponible. Ils varient en termes d'adéquation à l'application, de coût, de technologie utilisée, de dimensions physiques, de raccords, de connecteurs de processus et de matériaux de fabrication utilisés.

Les capteurs de pression de gaz ont normalement une plage de fonctionnement définie en kilopascal (kPa), atmosphères (atm) ou millimètres de mercure (Hg). Ils auront également une cote de précision. Par exemple, un capteur peut avoir une plage de fonctionnement de 0 à 210 kPa, avec une précision de ±4 kPa.

Ils peuvent être livrés avec un temps de réponse indiqué, qui reflète le temps qu'il leur faut pour fournir une lecture de pression - par exemple, 10 ms.

Et ils ont généralement une plage de température de fonctionnement, car la sensibilité d'un manomètre peut être affectée par la température.