Introduction aux capteurs de pression dynamique

Les capteurs de pression piézoélectriques mesurent la pression dynamique. Ils ne sont généralement pas adaptés aux mesures de pression statique. Les mesures de pression dynamique, notamment les turbulences, les explosions, la balistique et la combustion des moteurs, nécessitent des capteurs dotés de capacités particulières. Ces capacités comprennent une réponse rapide, une robustesse, une rigidité élevée, des plages étendues et la possibilité de mesurer des pressions quasi statiques. Ce sont des caractéristiques standard associées aux capteurs de pression à quartz PCB®.

PCB® fabrique deux types de capteurs de pression. Les capteurs de pression en mode charge génèrent une sortie de charge à haute impédance. Les capteurs en mode tension ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric) comportent des amplificateurs microélectroniques intégrés qui convertissent le signal de charge à haute impédance en une tension de sortie à basse impédance.

Les capteurs de pression piézoélectriques sont disponibles dans différentes formes et configurations de filetage afin de permettre un montage approprié pour différents types de mesures de pression. Des cristaux de quartz sont utilisés dans la plupart des capteurs pour assurer un fonctionnement stable et répétable. Les cristaux de quartz sont généralement préchargés dans les boîtiers pour assurer une bonne linéarité. La tourmaline, un autre cristal piézoélectrique naturel stable, peut être utilisée dans les capteurs PCB lorsque la sensibilité volumétrique est requise. La figure 1 représente un capteur de pression à usage général avec électronique intégrée.

Lorsqu'une pression positive est appliquée à un capteur de pression ICP, le capteur produit une tension positive. La polarité des capteurs de pression à mode de charge PCB est inverse : lorsqu'une pression positive est appliquée, le capteur produit une sortie négative. Les capteurs à sortie de charge sont généralement utilisés avec des amplificateurs de charge externes qui inversent le signal. La polarité de sortie du système résultant d'un capteur à sortie de charge utilisé avec un amplificateur de charge produit une sortie identique à celle d'un capteur ICP. Des capteurs à polarité inversée sont également disponibles.

La plupart des capteurs de pression piézoélectriques à circuit imprimé sont construits avec des cristaux de quartz en mode compression préchargés dans un boîtier rigide ou des cristaux de tourmaline non contraints. Ces conceptions donnent aux capteurs des temps de réponse de l'ordre de la microseconde et des fréquences de résonance de l'ordre de centaines de kilohertz, avec un minimum de dépassement ou d'oscillation.

La structure mécanique du capteur de pression impose une limite de haute fréquence. La sensibilité commence à augmenter rapidement à mesure que l'on s'approche de la fréquence naturelle du capteur. L'augmentation de la sensibilité est illustrée à la figure 2.

Il est généralement acceptable d'utiliser les capteurs sur une plage où la sensibilité s'écarte de moins de ± 5 %. La limite supérieure de la fréquence se situe à environ 20 % de la fréquence de résonance du capteur.

La réponse à haute fréquence peut être limitée par le courant de commande, la longueur du câble et la capacité du câble. Pour des informations plus détaillées sur le pilotage de longs câbles, consultez la page Web PCB Driving Long Cables.

La réponse à basse fréquence d'un capteur de pression en mode charge est déterminée par l'amplificateur de charge. La constante de temps de décharge (DTC) de l'amplificateur qui définit la réponse à basse fréquence peut être très longue ou très courte selon le modèle d'amplificateur de charge utilisé. Une DTC plus longue permet d'effectuer des mesures à basse fréquence. Un DTC plus court limitera la réponse en basse fréquence.

Les valeurs de résistance et de capacité internes déterminent la constante de temps de décharge et la réponse à basse fréquence des capteurs de pression ICP®. La constante de temps de décharge établit la réponse en basse fréquence de manière analogue à l'action d'un filtre passe-haut R-C du premier ordre. Le DTC du conditionneur de signal doit également être pris en considération. Il influence la réponse en basse fréquence de l'ensemble du système. Reportez-vous à la section sur la réponse en basse fréquence des capteurs ICP® dans le guide sur le conditionnement général des signaux des circuits imprimés pour obtenir des informations plus détaillées.

Les cristaux de quartz d'un capteur de pression piézoélectrique génèrent une charge lorsqu'une pression est appliquée. Même si la résistance d'isolation électrique est assez importante, la charge finit par s'échapper jusqu'à zéro. La vitesse à laquelle la charge revient à zéro dépend de la résistance de l'isolation électrique.

Dans un capteur de pression en mode charge avec un amplificateur de tension, le taux de fuite est fixé par les valeurs de capacité et de résistance dans le capteur, le câble à faible bruit et l'amplificateur de tension à source suiveuse externe. Lorsqu'un capteur de pression en mode charge est utilisé avec un amplificateur de charge, le taux de fuite est fixé par la résistance et le condensateur de retour électrique dans l'amplificateur de charge.

La résistance et la capacité du cristal et de l'électronique intégrée déterminent normalement le taux de fuite d'un capteur de pression ICP®.

La caractéristique de sortie des systèmes de capteurs de pression piézoélectriques est celle d'un système couplé en courant alternatif. Les signaux répétitifs diminuent jusqu'à ce qu'il y ait une zone égale au-dessus et au-dessous de la ligne de base originale. Lorsque les niveaux de magnitude de l'événement surveillé fluctuent, la sortie reste stabilisée autour de la ligne de base, les zones positives et négatives de la courbe restant égales. La figure 3 représente un signal CA suivant cette courbe.

Dans cet exemple, un signal de sortie de 0 à 2 volts est généré à partir d'une application de pression couplée en courant alternatif avec une fréquence d'impulsion en régime permanent d'une seconde et une seconde entre les impulsions. La fréquence reste constante, mais le signal décroît rapidement de façon négative jusqu'à ce qu'il se centre autour de la ligne de base originale (où zone A = zone B). La sortie crête à crête reste la même.

Un montage précis des capteurs de pression est essentiel pour obtenir de bonnes mesures. Vérifiez toujours les schémas d'installation fournis dans le manuel avec le capteur, ou contactez le PCB pour demander des instructions de montage détaillées. Utilisez de bonnes pratiques d'usinage pour le perçage et le filetage des orifices de montage, et couplez les capteurs aux valeurs indiquées. Le matériel de montage est fourni avec les capteurs PCB. Divers adaptateurs de filetage standard sont disponibles pour simplifier l'installation de certains capteurs.

Pour les applications de souffle en champ libre, utilisez des supports aérodynamiques propres pour minimiser les réflexions indésirables des supports de montage ou des trépieds.

Les cristaux de détection de nombreux capteurs de pression sont situés à l'extrémité de la membrane du capteur. La charge latérale de cette partie du capteur pendant une mesure de pression crée des distorsions dans la sortie du signal.

Il est important d'éviter les contraintes et les tensions inhabituelles de chargement latéral sur le corps supérieur du capteur. Une installation correcte minimise les distorsions du signal de sortie. Les causes de contraintes latérales sur le corps supérieur comprennent : un câble tendu tirant à angle droit sur le connecteur électrique, et l'utilisation d'un adaptateur lourd avec un câble fixé au petit connecteur électrique dans un environnement à fortes vibrations transversales.

Dans des applications telles que les mesures de souffle en champ libre, un capteur de pression monté dans une plaque mince peut être soumis à des contraintes de charge latérale lorsque la pression fait fléchir la plaque. Utilisez un montage à joint torique pour minimiser cet effet.

Le montage affleurant de capteurs de pression dans une plaque ou une paroi est souhaitable pour minimiser les turbulences, éviter un effet de cavité ou une augmentation du volume de la chambre. Le montage encastré est plus souhaitable dans les applications où l'extrémité de la membrane du capteur de pression est susceptible d'être soumise à des températures de flash excessives ou à l'impact de particules. Le montage en retrait des capteurs de pression dégrade la capacité à mesurer les hautes fréquences. L'effet de cavité de ce type de montage réduit généralement la fréquence de résonance du capteur. Pour des informations plus détaillées, consultez le document Introduction aux mesures par soufflage d'air - Partie 2 : Interfaçage du transducteur. Voir la Figure 4 pour une installation typique en montage encastré. Voir la Figure 5 pour une installation typique de montage encastré.

La plupart des capteurs de pression PCB sont fournis avec des bagues d'étanchéité pour un montage encastré. Certains modèles, tels que les séries 111, 112 et 113, peuvent être fournis avec des manchons d'étanchéité pour les ports de montage encastré. Demandez les manchons d'étanchéité lors de votre commande. Commandez un nombre suffisant de bagues d'étanchéité ou de manchons de rechange pour les applications qui nécessitent un retrait et une réinstallation fréquents du capteur de pression. Avant de réinstaller un capteur de pression, vérifiez l'orifice de montage pour vous assurer que l'ancienne bague d'étanchéité déformée a été retirée du trou de montage. Si vous utilisez des capteurs de pression PCB® et que vous avez perdu ou égaré les joints, appelez PCB pour demander des joints de remplacement sous forme d'échantillons gratuits.

PCB propose divers adaptateurs de montage qui facilitent le montage des capteurs de pression. Les capteurs de pression et les adaptateurs à filetage droit usiné utilisent une bague d'étanchéité comme joint de pression. Les adaptateurs à filetage de tuyau ont des filets coniques, ce qui fait que les filets créent le joint de pression. Pour des informations plus détaillées sur les adaptateurs et les accessoires pour capteurs de pression, consultez la page Web Accessoires pour capteurs de pression.

Le contrôle de l'emplacement du diaphragme du capteur de pression est réalisé avec un montage à filetage droit/anneau d'étanchéité. Les montages à filetage ne permettent pas un positionnement précis de la profondeur du capteur car l'étanchéité est obtenue par un serrage progressif des filets dans le trou conique jusqu'à ce que l'engagement requis soit atteint. Les filetages de tubes offrent la commodité d'un orifice plus facile à usiner que les filetages droits. Les supports à filetage tubulaire sont bien adaptés à certaines applications générales.

Les pressions intra-cylindriques automobiles, les pressions balistiques et les explosions en champ libre sont des exemples d'applications où le choc thermique accompagne l'impulsion de pression. Le choc thermique peut prendre la forme d'une chaleur rayonnante, telle que l'éclair d'une explosion, d'une chaleur provenant de la convection de gaz chauds passant sur le diaphragme d'un capteur de pression, ou d'une chaleur conductrice provenant d'un liquide chaud.

Pratiquement tous les capteurs de pression sont sensibles aux chocs thermiques. Lorsque la chaleur frappe le diaphragme d'un capteur de pression piézoélectrique dont les cristaux sont contenus dans un boîtier extérieur, la chaleur peut provoquer une expansion du boîtier entourant les cristaux internes. Bien que les cristaux de quartz ne soient pas très sensibles aux chocs thermiques, l'expansion du boîtier entraîne une diminution de la force de précharge sur les cristaux, ce qui provoque un signal de sortie négatif. Pour minimiser cet effet, différentes méthodes sont utilisées.

Certains capteurs de pression à quartz PCB sont dotés d'une isolation thermique interne afin de minimiser les effets du choc thermique. Certains modèles comportent des diaphragmes à chicanes. D'autres, conçus pour maximiser la réponse en fréquence, peuvent nécessiter un revêtement de protection thermique, un montage en retrait ou une combinaison de ces éléments pour réduire les effets du choc thermique. Les revêtements comprennent la graisse de silicone (qui peut également être utilisée pour remplir un trou de montage en retrait), le caoutchouc de silicone RTV, le ruban électrique en vinyle et la céramique. Le RTV et le ruban sont utilisés comme ablatifs, tandis que le revêtement en céramique est utilisé pour protéger les diaphragmes des gaz corrosifs et de l'impact des particules.

Des cristaux autres que le quartz sont utilisés dans certains capteurs PCB. Bien que sensible aux chocs thermiques, la tourmaline est utilisée pour les capteurs à tube de choc et les capteurs de souffle sous-marin. Dans les mesures par tube de choc, la durée de la mesure de pression est généralement si courte qu'une couche de ruban vinyle suffit à retarder les effets thermiques pendant la durée de la mesure. Dans les applications de dynamitage sous-marin, le transfert de chaleur à travers l'eau n'est pas significatif.

Les effets du choc thermique ne sont pas liés à la spécification du coefficient de température du capteur de pression. La spécification du coefficient de température fait référence à la variation de la sensibilité du capteur par rapport à la température statique du capteur. Comme les effets des chocs thermiques ne peuvent pas être facilement quantifiés, ils doivent être anticipés et minimisés par l'une des techniques mentionnées pour garantir de meilleures données de mesure.