Capteur de pression de gaz

Qu'est-ce qu'un capteur de pression de gaz ?

Un capteur de pression de gaz est un dispositif qui convertit les signaux de pression de gaz en signaux électriques mesurables. Il détecte les variations de pression de gaz grâce à des composants sensibles et les convertit en signaux électriques normalisés (tension, courant ou fréquence) pour la sortie, qui peut être lue, enregistrée et surveillée à distance par un automate programmable (PLC), un système de contrôle-commande distribué (DCS), un instrument d'affichage numérique ou un système SCADA.

Contrairement aux manomètres mécaniques à aiguille traditionnels qui ne peuvent lire les valeurs que localement, le principal avantage des capteurs de pression de gaz réside dans la possibilité de transmettre, d'enregistrer et d'intégrer les signaux à l'automatisation. Une simple ligne de signal peut fournir un retour d'information en temps réel des données de pression sur site à la salle de contrôle, ce qui rend mesure de pression un élément fondamental de l'automatisation industrielle moderne et de la fabrication intelligente.

Grâce à la maturité de la technologie MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), les capteurs de pression de gaz modernes évoluent rapidement vers la miniaturisation, la haute précision, la faible consommation d'énergie et la production de masse.

Principe de fonctionnement d'un capteur de pression de gaz

Le principe de fonctionnement de base de capteurs de pression de gaz L'objectif est de convertir les signaux de pression de gaz en signaux électriques mesurables. La clé réside dans l'exploitation des propriétés physiques de composants sensibles à la pression, qui varient en fonction de celle-ci, puis dans la conversion de cette variation en signaux électriques normalisés grâce à des circuits de sortie.

Les principes de détection dominants actuels comprennent les éléments suivants :

• Effet piézorésistif : Exploitant l’effet piézorésistif des matériaux semi-conducteurs en silicium, lorsqu’une puce de silicium se déforme sous pression, sa résistance varie. Cette variation est convertie en tension de sortie par un pont de Wheatstone. Actuellement, cette technologie est la plus répandue dans l’industrie. Elle présente l’avantage d’une sensibilité élevée, d’une réponse rapide et d’un coût relativement faible, et convient aux applications gazeuses et liquides dans une plage de pression de 0 à 1 000 bar.

• capacitif Ce capteur détecte les variations de capacité en modifiant l'espacement entre les plaques du condensateur par la pression. Il offre une forte résistance aux surtensions et une excellente stabilité à long terme, ce qui le rend adapté à la mesure de basses et micro-pressions ou de milieux corrosifs.

  

• Piézoélectrique : Certains matériaux (comme les cristaux de quartz) génèrent des charges sous pression et produisent des signaux électriques, adaptés à la mesure dynamique de la pression.
• Optique : Utilisation des changements de caractéristiques optiques des fibres optiques ou des réseaux sous pression pour effectuer des mesures, adapté aux environnements à fortes interférences électromagnétiques.

Types de capteurs de pression de gaz

Selon les différentes normes de mesure, les capteurs de pression de gaz sont principalement divisés en catégories comme suit :

• Capteur de pression absolue : mesure la pression par rapport au vide absolu, couramment utilisé pour la surveillance de la pression atmosphérique et la mesure de l’altitude.
• capteur de pression manométrique : mesure la pression par rapport à la pression atmosphérique ambiante, comme par exemple la surveillance de la pression des pneus (TPMS).
• Capteur de pression différentielle : mesure la différence entre deux points de pression et est largement utilisé dans le contrôle du débit des canalisations et la surveillance des pertes de charge des filtres.
• Capteur de pression étanche : Basé sur une pression de référence étanche fixe, adapté à des scénarios industriels spécifiques.

Scénarios d'application typiques des capteurs de pression de gaz

1. Industrie pétrolière et gazière

L'industrie pétrolière et gazière représente l'un des domaines d'application les plus exigeants pour les capteurs de pression de gaz. La pression de service des gazoducs longue distance peut atteindre 35 à 100 bars, et les exigences relatives à la pression nominale, à la certification antidéflagrante et au choix des matériaux des transmetteurs de pression sont extrêmement strictes. Le transport du gaz naturel s'effectue dans cinq plages de pression : les gazoducs principaux haute pression longue distance (35 à 100 bars), les gazoducs provinciaux (16 à 35 bars), les gazoducs urbains haute pression (1,6 à 4 bars), les canalisations de distribution moyenne pression (0,1 à 1,6 bar) et les réseaux de distribution basse pression (inférieur à 0,1 bar), chacun présentant des exigences spécifiques en matière d'instrumentation.

Dans le secteur pétrolier et gazier, la certification antidéflagrante est un critère de sélection primordial. Le gaz naturel appartient au groupe IIC et, pour les zones dangereuses (zones 1 et 2), il est impératif de choisir des équipements antidéflagrants de niveau Ex db IIC T6. De plus, le gaz naturel contient souvent des traces de sulfure d'hydrogène (H₂S), corrosif pour les membranes en acier inoxydable ordinaire. Par conséquent, l'utilisation d'acier inoxydable 316L est indispensable pour les composants en contact avec les liquides.

2. Automatisation industrielle et contrôle des processus

Dans le domaine de l'automatisation industrielle, les capteurs de pression de gaz sont largement utilisés pour la surveillance de la pression dans les canalisations, la commande des systèmes pneumatiques, le contrôle du fonctionnement des compresseurs et dans d'autres applications. Qu'il s'agisse de la surveillance de la pression dans les réacteurs des usines chimiques ou de la commande de la pression dans les systèmes de compresseurs d'air, des capteurs de pression de gaz à haute fiabilité sont indispensables.

3. Électronique automobile

L'électronique automobile est un marché d'application important pour les capteurs de pression de gaz, notamment pour la surveillance de la pression du collecteur d'admission du moteur (capteur MAP) et le système de surveillance de la pression des pneus (TPMS).

4. Équipement médical

Dans le domaine de la santé, des équipements tels que les ventilateurs, les appareils d'anesthésie et les tensiomètres utilisent des capteurs de pression de gaz de haute précision pour assurer un contrôle précis du débit et de la pression des gaz.

5. Surveillance environnementale et CVC

La mesure de la pression dans les stations météorologiques, la détection de la pression par les systèmes de surveillance de la qualité de l'air et la surveillance de la pression et de la pression différentielle des systèmes CVC reposent toutes sur des capteurs de pression de gaz.

Guide général pour la sélection des capteurs de pression de gaz

Le choix judicieux des composants est essentiel pour garantir la précision, la stabilité et la sécurité des mesures. Voici six éléments communs à prendre en compte lors de la sélection :

1. Plage de pression

La plage de mesure est le paramètre de spécification le plus fondamental des capteurs de pression de gaz. Lors du choix d'un capteur, il est essentiel de s'assurer que sa plage de mesure couvre la valeur maximale de la pression cible, tout en prévoyant une marge de sécurité. Les plages courantes varient de kPa à MPa.

2. Type de signal de sortie

Sélectionnez le signal de sortie approprié en fonction des exigences d'interface du système de commande (PLC/DCS) :

• Signal de courant bifilaire 4-20 mA : signal standard le plus couramment utilisé dans les domaines industriels, offrant une forte résistance aux interférences et adapté à la transmission longue distance.
• Signal de tension 0-5 V/0-10 V : convient à la transmission sur de courtes distances
• Communication numérique HART : permet la superposition de communications numériques sur des signaux 4-20 mA, prend en charge la configuration et le diagnostic à distance des paramètres
• Modbus RS-485 : Adapté aux réseaux multipoints et à la surveillance centralisée à distance

3. Compatibilité des médias

Les propriétés chimiques du gaz mesuré déterminent directement le choix du matériau du capteur. Lors de la mesure de gaz corrosifs (tels que le gaz naturel contenant du H₂S, le chlore gazeux, l'ammoniac gazeux, etc.), il est nécessaire d'utiliser de l'acier inoxydable 316L ou des alliages spéciaux pour les pièces en contact avec le capteur. Lors de la mesure de gaz spéciaux tels que l'hydrogène, il convient également de tenir compte des problèmes de fragilisation par l'hydrogène.

4. Niveau de précision

La précision des capteurs de pression de gaz industriels est généralement exprimée en pourcentage de la pleine échelle (% PE), les niveaux de précision courants étant ± 0,1 % PE, ± 0,25 % PE, ± 0,5 % PE, etc. Pour les applications de haute précision telles que les mesures commerciales, il est recommandé d'utiliser des produits de classe 0,1 ou 0,25.

5. Certification antidéflagrante

Les capteurs de pression utilisés dans des environnements gazeux inflammables et explosifs doivent obtenir la certification antidéflagrante correspondante :

• Type antidéflagrant (Ex d) : L’enveloppe résiste aux explosions internes sans dommage et ne s’enflamme pas dans des environnements explosifs externes.
• Type à sécurité intrinsèque (Ex ia/Ex ib) : les étincelles électriques ou les effets thermiques générés en fonctionnement normal et en cas de défaut ne sont pas suffisants pour enflammer des atmosphères explosives.
• Lors de la sélection, il est nécessaire de préciser le type de gaz dangereux, le groupe de température et le niveau de zone (Zone 0/1/2) dans la zone d'installation.

6. Plage de températures de fonctionnement

Les capteurs de pression de gaz doivent s'adapter à différentes températures ambiantes. La plage de températures de fonctionnement typique des produits de qualité industrielle est de -40 °C à 85 °C. Dans les environnements extrêmes, caractérisés par des températures élevées ou basses, il convient de choisir des produits à large plage de températures.

Guide de sélection spécifique pour différents milieux gazeux

Les propriétés chimiques des différents gaz varient considérablement, ce qui exige des matériaux, des procédés et des conceptions de capteurs très différents. Voici une analyse détaillée du choix des capteurs de pression de gaz industriels courants :

Capteur de pression d'azote

L'azote est l'un des gaz inertes les plus utilisés dans l'industrie, et la mesure de sa pression n'est pas compliquée en soi, mais elle présente des exigences particulières dans les scénarios de haute pureté et de haute pression.

• Mesure conventionnelle : Pour les canalisations d’azote ordinaires, un capteur de pression universel suffit pour répondre aux exigences.
• Azote de haute pureté : Dans les industries telles que les semi-conducteurs qui exigent une pureté extrêmement élevée (telle que ≥ 99,999 %), les capteurs fabriqués en acier inoxydable SUS 316L doivent être sélectionnés pour éviter la pollution gazeuse causée par les joints en alliage de cuivre et d'autres matériaux.
• Bouteille de gaz haute pression : lors de la mesure de la pression des bouteilles de gaz azote haute pression, il est recommandé de choisir des produits dont la plage de pression est de 1,5 à 2 fois la pression de service, et de privilégier le remplissage avec un liquide amortisseur de chocs (tel que la glycérine) pour faire face aux chocs de pression et aux vibrations lors du remplissage et de la vidange de la bouteille de gaz.
• Exigences en matière de protection contre les explosions : Dans les zones dangereuses telles que les industries pétrochimiques, il convient de sélectionner des produits antidéflagrants certifiés ATEX ou IECEx.

Capteur de pression d'air/oxygène

La mesure de l'air est la plus courante, mais la mesure de l'oxygène pur présente les exigences de sécurité les plus élevées et les plus spécifiques parmi tous les gaz.

• Air comprimé : fluide de mesure le plus courant, un capteur de pression universel est généralement choisi. Dans les systèmes pneumatiques tels que les compresseurs d’air, il est recommandé d’opter pour des capteurs à sortie de signal standard (4-20 mA par exemple) afin de s’adapter à une régulation de fréquence variable.
• L’oxygène : l’oxygène n’est pas inflammable en soi, mais il favorise fortement la combustion. Sous haute pression, il réagit violemment avec les substances organiques telles que les huiles et les graisses, ce qui présente un risque d’explosion.
• Exigence fondamentale : Traitement « sans huile » : Il s’agit de la priorité absolue pour la sélection des capteurs d’oxygène. Ces capteurs doivent être fabriqués, nettoyés et conditionnés selon un procédé « sans huile ».
• Fluide de remplissage spécial : Pour éviter la réaction d'oxydation entre l'huile de silicone ordinaire et l'oxygène, le capteur doit être rempli d'huile inerte (telle que l'huile fluorolubrifiante ®).

Capteur de pression de dioxyde de carbone (capteur de pression de CO₂)

La mesure de la pression du CO₂ se divise principalement en deux directions : la surveillance environnementale et la réfrigération industrielle, avec des différences significatives dans les exigences techniques.

• Surveillance environnementale : mesure principalement de faibles concentrations (telles que 400-10000 ppm), souvent à l'aide de capteurs de concentration de CO₂ plutôt que de transmetteurs de pression purs.
• Réfrigération industrielle : Dans les systèmes de réfrigération au CO₂, la pression est très élevée (dépassant généralement 30 bars), et des capteurs de pression spécialement conçus pour la haute pression doivent être sélectionnés pour garantir que leur résistance à la pression et leurs capacités de protection contre les surcharges puissent répondre aux exigences de pression extrêmes.

Capteur de pression d'hydrogène

• La mesure de l'hydrogène représente un défi majeur dans le domaine des instruments industriels, dont l'enjeu principal est de résoudre les deux problèmes majeurs que sont la « fragilisation par l'hydrogène » et la « perméation de l'hydrogène ».
• Fragilisation par l'hydrogène : les atomes d'hydrogène s'infiltrent dans le réseau métallique, ce qui rend la membrane fragile et provoque une rupture soudaine sous une contrainte bien inférieure à la résistance normale.
• Perméation d'hydrogène : les atomes d'hydrogène pénètrent la membrane en acier inoxydable et pénètrent dans la chambre interne d'huile de silicone pour former des bulles, provoquant une dérive du point zéro et de la portée du capteur, ce qui conduit finalement à une panne.
• Membrane plaquée or : Le plaquage or de la surface d'une membrane en acier inoxydable est une méthode efficace pour supprimer la perméation d'hydrogène.
• Matériaux spéciaux : Dans les environnements à haute pression ou à haute pureté d’hydrogène, il peut être nécessaire d’utiliser des matériaux présentant une meilleure résistance à la fragilisation par l’hydrogène, tels que l’Hastelloy et l’Inconel.

⚠️ Il est strictement interdit d'utiliser des noyaux remplis d'huile ordinaires : les capteurs de pression standard remplis d'huile ne doivent pas être utilisés dans l'hydrogène ou dans des mélanges gazeux dont la concentration en hydrogène dépasse 30 %, car leur défaillance est systématique.

Capteur de pression de chlore/gaz corrosif

Pour ce type de gaz, le choix du matériau du capteur détermine directement la sécurité et la fiabilité de la mesure.

• Gaz corrosifs (comme le chlore gazeux Cl₂) : gaz toxiques jaune-vert à température et pression ambiantes. Le chlore gazeux sec est toujours corrosif pour l’acier, le fer, etc. Mais dès qu’il contient une petite quantité de vapeur d’eau, il génère de l’acide hypochloreux et de l’acide chlorhydrique, hautement corrosifs. La membrane et l’enveloppe de l’appareil doivent être fabriquées dans des matériaux résistants à la corrosion, comme le tantale ou un alliage de titane.
• Autres gaz corrosifs (tels que l'ammoniac NH₃ et le sulfure d'hydrogène H₂S) : comme pour le chlore gazeux, il convient d'utiliser des membranes revêtues d'Hastelloy ou de PTFE (polytétrafluoroéthylène) afin de résister à la corrosion électrochimique. Lors de la mesure de gaz naturel contenant du H₂S, il est nécessaire de choisir un manomètre spécifique résistant au soufre.

Capteur de pression de gaz naturel

La mesure du gaz naturel se concentre principalement sur la prévention des explosions et les matériaux, avec une gamme de pressions allant des gazoducs longue distance au gaz résidentiel.

• Certification antidéflagrante : Le gaz naturel appartient au groupe IIC des gaz dangereux, et des instruments antidéflagrants de haut niveau tels que Ex db IIC T6 doivent être sélectionnés dans la zone 1/2.
• Exigences relatives aux matériaux : Si le gaz naturel contient du sulfure d'hydrogène (H₂S), le matériau en contact avec le liquide doit être amélioré pour éviter la fissuration par corrosion sous contrainte.
• Large gamme de couverture : De la transmission de gaz à haute pression (>100 bar) à la micropression du gaz urbain (<30 mbar), la gamme et la précision appropriées doivent être sélectionnées en fonction des conditions de fonctionnement spécifiques.

Principaux défis et critères de sélection clés des types de gaz

• De l'azote de haute pureté (N₂) est nécessaire, et l'acier inoxydable 316L est requis pour les chocs haute pression. Choisir une capacité 1,5 à 2 fois supérieure et un modèle antichoc rempli de liquide pour les applications haute pression.
• Les risques liés à l'air/oxygène (O₂) (assistance à la combustion) doivent être traités conformément à la règle « interdiction d'utiliser de l'huile » ; remplissage interne avec de l'huile inerte ; utilisation de techniques de nettoyage spécifiques.
• Capteur de concentration pour la surveillance de routine du dioxyde de carbone (CO₂) haute pression (système frigorifique) ; le système frigorifique doit utiliser un capteur haute pression dédié.
• Fragilisation par l'hydrogène (H₂) et placage or de la membrane de perméation d'hydrogène ; sélection d'alliages spéciaux pour les applications haute pression ; l'utilisation de noyaux ordinaires remplis d'huile est strictement interdite.
• La membrane et l'enveloppe du réservoir contenant du chlore gazeux (Cl₂), hautement corrosif, sont fabriquées à partir de matériaux résistants à la corrosion tels que le tantale ou un alliage de titane.
• Le risque d'explosion de gaz naturel et de corrosion par le soufre doit être couvert par une certification antidéflagrante (Ex db IIC T6). En présence de H₂S, des matériaux résistants au soufre doivent être sélectionnés.

précautions d'installation

Une installation correcte est essentielle pour garantir le fonctionnement stable à long terme des capteurs de pression de gaz :

1. Lors de la mesure de la pression du gaz, la prise de pression doit être ouverte en haut de la canalisation de traitement, et le capteur doit également être installé dans la partie supérieure de la canalisation pour faciliter le reflux du liquide accumulé dans celle-ci.
2. Avant l'installation, il est nécessaire de vérifier la compatibilité de la taille de l'interface. Dans le cas contraire, un adaptateur approprié doit être utilisé.
3. Évitez l'installation dans le rayon d'action des sources de chaleur ou à proximité de fortes vibrations. Si nécessaire, installez des protections isolantes ou des dispositifs anti-vibrations.
4. Les câbles de signal ne doivent pas être mélangés aux câbles d'alimentation, et les fortes interférences électromagnétiques doivent être évitées à proximité des capteurs.
5. L'installation doit être effectuée sans pression ni alimentation électrique.
6. Pour l'oxygène et autres fluides sans huile, il est nécessaire de s'assurer que toutes les pièces en contact avec le fluide subissent un nettoyage rigoureux sans huile avant l'installation.

Composant essentiel des systèmes modernes de mesure et de contrôle industriels, les capteurs de pression de gaz contribuent au développement de l'automatisation et de l'intelligence dans divers secteurs grâce aux progrès technologiques. Qu'il s'agisse des oléoducs et gazoducs longue distance, du contrôle des procédés chimiques ou encore de l'électronique automobile et des équipements médicaux, des solutions de mesure de pression de gaz de haute précision et de haute fiabilité sont indispensables.

Lors du choix d'un capteur, outre les paramètres communs tels que la plage de mesure, la précision et le signal de sortie, le type de gaz mesuré est souvent le facteur déterminant du matériau du capteur, du procédé de fabrication et de la conception de sécurité. De l'air comprimé classique aux gaz spéciaux comme l'oxygène, l'hydrogène et le chlore, chaque gaz impose des exigences techniques spécifiques à son équipement de mesure.

Silverinstruments est un acteur majeur du secteur des instruments industriels depuis de nombreuses années, s'engageant à fournir à ses clients des transmetteurs de pression de haute qualité. Nos capteurs de pression de gaz couvrent une large gamme de plages de mesure, de signaux de sortie et de niveaux de protection contre les explosions, répondant ainsi à tous les besoins applicatifs, de l'industrie générale au secteur pétrolier et gazier, de la température ambiante à une large plage de températures, et des zones ordinaires aux zones à risque d'explosion. Pour les gaz spéciaux tels que l'oxygène, l'hydrogène et le chlore, nous proposons également des traitements personnalisés « sans huile », des films plaqués or et des solutions en alliages spéciaux.