1 – Notions fondamentales et types de pression
La pression atmosphérique, par exemple, dépend directement du poids de la colonne d’air s’exerçant sur la surface terrestre. Elle décroît au fur et à mesure de l’élévation en altitude. À l’inverse, à mesure qu’un plongeur s’immerge en profondeur, la pression hydrostatique augmente.
L’unité légale de pression dans le Système international est le pascal (Pa ou N/m²). Elle s’exprime également en psi (pound per square inch ou livre par pouce carré), en atmosphères normales (atm), en bars (bar) ou encore en millimètres de colonne d’eau (mmH2O).
Une mesure de pression peut être statique ou dynamique. En l’absence de tout mouvement du fluide, la pression mesurée est dite statique. Lorsque le fluide est en écoulement, son énergie cinétique génère un vecteur de force supplémentaire sur les parois : la composante mesurée est alors qualifiée de dynamique.
On distingue trois modes de mesure aéraulique : la pression absolue, la pression relative et la pression différentielle.
La mesure de pression absolue est référencée par rapport au vide parfait (zéro absolu) :
La mesure de pression relative (ou manométrique) prend pour point de référence la pression atmosphérique ambiante :
La pression différentielle quantifie l’écart net entre deux prises de pression distinctes, sans référence directe à l’atmosphère extérieure :
2 – Les technologies de capteurs de pression
Compte tenu des spécificités d’application et des étendues d’échelle requises, l’industrie propose différentes familles de capteurs de pression. La pression physique y est généralement convertie en une grandeur mécanique intermédiaire (comme la flèche ou déformation d’une membrane), transformée à son tour en un signal électrique calibré (tension ou courant).
Les transducteurs prédominants sur les réseaux aérauliques sont les modèles à jauge de déformation, les technologies capacitives et les capteurs piézoélectriques.
Transducteurs à jauge de contrainte
Montés selon l’architecture d’un pont de Wheatstone, ces capteurs couvrent aussi bien les hautes que les basses pressions et se prêtent indifféremment aux mesures absolues, relatives ou différentielles.
Lorsqu’une variation de pression engendre la flexion de la membrane, la jauge subit un allongement ou un écrasement modifiant sa résistance ohmique. On répertorie trois technologies de jauges : métalliques collées, à film mince pulvérisé sous vide, ou piézorésistives (semi-conducteurs).
Sur les capteurs à couche mince, le substrat isolant pulvérisé et la piste métallique forment une liaison au niveau atomique avec la membrane. Cette intégration garantit une excellente stabilité à long terme et une grande tenue face aux environnements vibratoires et thermiques sévères.
Les capteurs à semi-conducteurs intégrés associent sur une même puce de silicium le diaphragme sensible, les résistances piézorésistives et un circuit de compensation thermique. L’étage électronique délivre directement une tension DC ou une boucle de courant (4-20 mA) rigoureusement linéaire par rapport à la pression mesurée.
Transducteurs capacitifs (à capacité variable)
La capacité électrique d’un condensateur plan est inversement proportionnelle à l’épaisseur du diélectrique séparant ses armatures. Un transducteur de pression capacitif mesure l’écartement variable induit entre un diaphragme métallique déformable et une électrode fixe de référence.
Ces dispositifs se distinguent par une linéarité élevée et une grande répétabilité, mais demeurent plus sensibles aux dérives thermiques importantes que les ponts piézorésistifs.
Transducteurs piézoélectriques
Les capteurs piézoélectriques exploitent la polarisation diélectrique de cristaux naturels non centro-symétriques (quartz). Ces éléments génèrent une charge électrostatique proportionnelle à la contrainte mécanique exercée.
Ces transducteurs ne nécessitent aucune tension d’excitation externe pour produire leur charge et offrent une robustesse mécanique exceptionnelle lors de transitoires de pression rapides. Ils exigent toutefois un amplificateur de charge en aval et s’avèrent inopérants pour mesurer des pressions purement statiques sur de longues durées.
Transducteurs dynamiques
3 – Principe de mesure de la pression différentielle
A – Mesure de pression différentielle dynamique
En mesure dynamique, un échantillon du flux d’air principal est prélevé en dérivation (by-pass) et traverse le corps de la sonde différentielle. Ce canal agit comme une cellule anémométrique miniature : un élément chauffé (sonde à filament chaud) voit sa température chuter par convection forcée lorsque la vitesse du fluide croît, générant un signal électrique image du débit d’air. Ce signal délivre une réponse parfaitement linéaire au débit global après étalonnage.
B – Mesure de pression différentielle statique
Un transmetteur à diaphragme isole deux chambres séparées dédiées aux pressions amont et aval. En situation d’équilibre de pression, la membrane reste rigoureusement plane au repos. Tout différentiel de pression entraîne un déplacement proportionnel de la membrane vers la chambre de plus basse pression. Ce déplacement mécanique génère un signal proportionnel à la pression différentielle ; le régulateur de débit doit alors appliquer une fonction de transfert en racine carrée pour en extraire le débit volumique.
