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Manomètre différentiel : le sentinelle de la pression dans l'industrie
1. Principe de fonctionnement : liaison complète entre la réponse du capteur et la présentation du signal
Le principe de base d'un manomètre différentiel est de convertir la différence de pression en un signal observable. Différents types d'instruments réalisent cette conversion grâce à des structures de détection distinctes, que l'on peut classer en deux catégories techniques : mécaniques et électroniques.
(2) Manomètre différentiel électronique : conversion électrique de signaux mécaniques
Le manomètre différentiel électronique détecte les variations des caractéristiques électriques induites par la déformation de l'élément de détection et génère un signal numérique après traitement par le circuit, ce qui lui confère une précision accrue et des capacités intelligentes.
Piézorésistif : Le cœur est une puce semi-conductrice sensible à la pression. Sous l’effet d’une différence de pression, la membrane en silicium subit une déformation élastique, ce qui modifie le coefficient piézorésistif du réseau cristallin et déséquilibre ainsi la résistance du pont de Wheatstone. Après compensation de la dérive thermique par ajustement laser, le dispositif génère un signal électrique linéairement proportionnel à la différence de potentiel, avec une précision de ±0,1 % à ±0,5 %, un temps de réponse inférieur à 5 ms et prend en charge les protocoles de transmission 4-20 mA et HART.
Type capacitif : Doté de plaques parallèles comme noyau de détection, ce type de capteur exploite la différence de pression qui modifie la distance entre la plaque mobile et la plaque fixe, induisant ainsi une variation de capacité. Il offre une sensibilité extrêmement élevée et peut mesurer de très faibles différences de pression, de l’ordre du µPa. Sa grande stabilité et sa faible dérive thermique le rendent idéal pour les applications exigeant une précision maximale.
(1) Manomètre différentiel mécanique : amplification et conduction de la déformation mécanique
Les manomètres différentiels mécaniques ne nécessitent pas d'alimentation électrique et fonctionnent grâce à la déformation mécanique de l'élément sensible et à l'amplification du signal par le mécanisme de transmission. Voici les types courants et leurs principes de fonctionnement :
Type à colonne de liquide : Utilisant le principe physique « ΔP = ρgh » (ρ étant la masse volumique du liquide, g l’accélération de la pesanteur et h la différence de hauteur de la colonne de liquide), la différence de pression est convertie en différence de hauteur de liquide dans le tube en verre. L’eau, l’alcool ou le mercure sont couramment utilisés comme fluides. La structure est simple et la précision peut atteindre ±0,5 %, mais la réponse est lente et facilement affectée par l’angle d’installation et la température. Par exemple, lors de l’étalonnage de la pression d’un gaz à basse pression en laboratoire, la différence de pression peut être lue directement en observant la différence de niveau de liquide de part et d’autre du tube en U.
Type à membrane : Une membrane élastique en métal ou en caoutchouc constitue l’élément de détection principal. La différence de pression provoque la déformation de la membrane. Cette déformation, amplifiée par un levier ou un mécanisme d’engrenage, entraîne le déplacement de l’aiguille sur le cadran. Sa plage de mesure s’étend de quelques Pa à plusieurs dizaines de kPa. Ce capteur présente une bonne résistance aux chocs et une précision d’environ ±1 % à ±2,5 %. Toutefois, il est sujet à l’usure mécanique et convient à la surveillance des débits et à la détection d’obstructions sur les sites industriels.
Type à tube à ressort : Deux tubes à ressort symétriques sont reliés respectivement aux extrémités haute et basse pression. La différence de pression provoque la déformation des tubes à ressort dans des directions opposées. Après transmission de la déformation par le support en forme de « I », un mécanisme d’engrenage convertit cette déformation en une lecture à l’aide d’une aiguille. Cette structure présente une forte résistance à la haute pression, permet de mesurer des différences de pression de l’ordre du MPa et offre une excellente résistance aux chocs. Elle est largement utilisée dans la surveillance des pipelines haute pression de l’industrie pétrochimique.