Purge de l'air sur les transmetteurs de pression: causes et solutions techniques

Sur les transmetteurs de pression, la mesure de la pression relative implique l'application de la pression ambiante ou atmosphérique sur la face arrière de la membrane. Celle-ci étant située à l'intérieur du boîtier sur les transmetteurs de pression industriels courants, une purge de l'air entre la face intérieure du boîtier et l'environnement est nécessaire pour la compensation de la pression.

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La solution la plus simple pour garantir cette compensation de pression nécessaire dans les transmetteurs de pression serait de faire un trou dans le boîtier. Mais cette solution laisserait la porte ouverte aux infiltrations de liquides et solides en tout genre, qui pourraient alors endommager l'intérieur du transmetteur. Un degré de protection IP élevé (Ingress Protection = protection contre la pénétration de gaz et liquides) se révèle indispensable au bon fonctionnement des transmetteurs de pression, notamment lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements difficiles, tels que des machines de chantier exposées au vent et aux intempéries.

Une problématique qui a poussé les fabricants de transmetteurs de pression à développer différentes solutions permettant cette compensation de pression, tout en garantissant un degré de protection IP élevé. Toutes ces solutions constituent un bon compromis entre purge efficace de l'air, degré de protection IP élevé et coûts réduits. Mais c'est toujours moins bien qu'un transmetteur totalement hermétique. C'est pourquoi les transmetteurs de pression ne sont purgés que lorsque les conditions d'utilisation l'exigent.

Quand une compensation de la pressionà l'intérieur du transmetteur est-ellenécessaire?

Dans l'idéal, la pression à l'arrière de la membrane devrait être équivalente à la pression ambiante. Ce n'est qu'à cette condition qu'une mesure exacte de la pression relative est possible. La pression à l'intérieur du transmetteur doit pouvoir s'adapter aux variations de pression ambiante susceptibles de survenir en raison de changements météorologiques, d'évolutions au cours de la journée ou de changements d'altitude (pour les véhicules par ex.), sous peine, dans le cas contraire, d'engendrer une erreur de mesure. Si cette erreur de mesure peut être tolérée ou non, cela dépend de la plage de mesure concernée: pour les petites plages de mesure de seulement quelques bars, une variation de 100mbar due à un changement météorologique a un impact proportionnellement plus important que sur des plages de plusieurs centaines de bars. La précision nécessaire joue également un certain rôle: plus la mesure doit être précise, moins les écarts seront tolérés.

Par ailleurs, il convient également de tenir compte de l'échauffement du transmetteur de pression, et, par conséquent, de la dilatation de l'air à l'intérieur de ce dernier. L'air enfermé dans le transmetteur se dilate à mesure que la température augmente. Mais lorsque le boîtier est hermétiquement fermé, la pression à l'intérieur du boîtier augmente et exerce alors inévitablement une pression contre la membrane de mesure. Le graphique montre, sur la base de la loi des gaz parfaits, comment la pression à l'intérieur du boîtier augmente à mesure que l'air enfermé se réchauffe. Afin d'éviter cette montée en pression, l'air enfermé doit soit être évacué vers l'extérieur, soit pouvoir se dilater librement dans une direction. Outre la question interrogeant la nécessité de la compensation de pression, il convient également de prendre en considération la vitesse nécessaire à celle-ci. En effet, les solutions présentées ci-après ne permettent pas toutes une compensation de pression de rapidité équivalente, certaines nécessitant plus de temps, par ex. en raison de sections d'évacuation plus faibles.

Coupe transversale d'un transmetteur de pression. Dans certaines circonstances, l'espace intérieur situé au-dessus de la membrane de mesure (du côté opposé au milieu de mesure) sur les transmetteurs de pression relative doit être relié à l'environnement.

Le temps nécessaire pour que 90% de la différence de pression soit compensée (valeur de référence typique) varie de quelques dixièmes de seconde à plusieurs minutes ou plusieurs heures pour les solutions les plus étanches. Quand une durée donnée est-elle considérée comme acceptable? Cela dépend à son tour du contexte d'utilisation: les changements météorologiques s'étendent en général sur des périodes relativement larges, et même les transmetteurs présentant une bonne étanchéité arrivent à absorber correctement ces changements. Il en va de même pour les variations de pression au cours d'une journée. À l'inverse, les changements d'altitude peuvent eux survenir plus soudainement, comme c'est par exemple le cas pour les véhicules ferroviaires qui traversent des chaînes de montagne, ou encore les avions et les hélicoptères, qui subissent des variations encore plus fortes. C'est pourquoi dans ce genre d'applications, la pression absolue est également mesurée la plupart du temps.

Les variations de pression dues aux changements de température du transmetteur ou de l'environnement sont particulièrement délicates et pourtant souvent sous-estimées: lorsque le moteur d'une machine de chantier démarre à des températures proches de zéro, il atteint la température de service en quelques minutes, mais ne chauffe pas lui-même les agrégats directement adjacents à des températures supérieures à 30°C. Une bonne purge de l'air est ici indispensable pour des résultats de mesure corrects.

Le graphique montre comment la pression gazeuse augmente dans un volume fermé lorsque le gaz passe d'une température ambiante de 20°C à 100°C, des conditions similaires à une salle des machines.

Quelles sont les solutions possibles?

Purge d'air via le boîtier

Sur le même principe que celui consistant à réaliser un trou dans le boîtier, tel que décrit précédemment, il existe de nombreuses variantes permettant de protéger ce dernier des influences extérieures: les dispositifs de protection les plus fréquemment utilisés sont les capuchons mécaniques et les membranes de purge d'air telles que les membranes Gore. L'avantage de ces solutions est qu'elles permettent généralement une excellente compensation de la pression, à condition toutefois que la membrane soit propre. Les transmetteurs de pression sont cependant souvent installés à des emplacements où ils sont exposés aux huiles, à l'eau et à la poussière. Autant d'éléments perturbateurs qui viennent au fil du temps former de véritables couches de saletés, qui finissent par boucher le canal de purge à l'intérieur du transmetteur et ainsi empêcher la compensation de pression.

Autre inconvénient, ils n'offrent qu'une faible protection contre les produits de nettoyage agressifs ou encore le nettoyage haute pression. C'est pourquoi les membranes Gore ne doivent jamais entrer en contact avec des liquides, qui provoqueraient sinon leur dysfonctionnement. Pour les solutions avec des capuchons de protection mécaniques, il existe le risque que de l'eau pénètre à l'intérieur, par ex. en cas de pluie et de vent (également par le vent généré par le déplacement, par ex. sur les véhicules ferroviaires). Les effets de capillarité par de faibles interstices ou une pression plus basse à l'intérieur du boîtier favorisent également la pénétration de liquide à l'intérieur du transmetteur de pression. Même avec des boîtiers solides et étanches, il est impératif de veiller à ce que le transmetteur de pression reste relativement propre, ou qu'il soit au moins nettoyé régulièrement.

Purge d'air via le câble

La purge de l'air des transmetteurs de pression au niveau du raccordement électrique, à savoir au travers du câble ou du connecteur, constitue une autre possibilité. La purge des transmetteurs de pression directement reliés par câble de raccordement peut, dans certains cas, être assurée via le câble. La compensation de pression s'effectue au travers des petits interstices situés entre les fils dans le câble. Plus ces interstices sont faibles et le câble long, plus la compensation de pression est alors difficile. Quelques essais effectués par Trafag ont montré qu'avec des câbles d'environ deux mètres, une variation de la pression atmosphérique ne pouvait être compensée qu'après plusieurs minutes à l'intérieur du transmetteur. Avec de longs câbles ou lorsqu'une variation de pression doit rapidement pouvoir être compensée, des câbles spéciaux dotés d'un tube de purge intégré sont utilisés.

Ce petit tube en plastique, situé à côté des fils à l'intérieur du câble, permet une compensation fiable de la pression par rapport à la pression ambiante. Étant donné que l'extrémité du câble se trouve généralement dans une zone protégée, cette solution est également adaptée aux transmetteurs installés dans des zones exposées aux impuretés ou immergés. Il convient dans cette situation de veiller lors du montage à ce que le câble et le tube en plastique ne soient pas pincés ou pliés en passant sur des arêtes.

Purge d'air via le connecteur

Si l'on opte pour une purge via le connecteur, il convient de garder à l'esprit que les connecteurs n'ont pas été conçus uniquement pour les transmetteurs de pression, mais qu'ils sont utilisés de façon standard pour toute une variété de capteurs et actionneurs. La question de la purge de l'air n'est cependant pertinente que pour les transmetteurs de pression relative; dans les autres cas, un connecteur hermétique serait idéal, car il offre une protection optimale de l'intérieur de l'appareil.

En matière de compensation de pression, on distingue deux groupes de connecteurs: d'une part les connecteurs présentant un degré de protection IP plutôt faible, tels que les connecteurs conformes à la norme EN 175301-803-A (DIN43650-A) ou aux normes industrielles (DIN 43650-C). Leur étanchéité aux gaz est moyenne, et ils permettent presque systématiquement une compensation rapide de la pression. D'autre part, la catégorie des connecteurs plus étanches, tels que les connecteurs M12, Deutsch ou Mil-C, pour lesquels la purge de l'air doit être réalisée différemment. Soit l'on opte pour des solutions avec une purge de l'air au travers du boîtier tel que décrit en premier lieu, soit la purge de l'air doit être réalisée via l'intérieur du connecteur puis via le câble. La purge de l'air via le câble offre au transmetteur de pression une protection idéale contre les saletés extérieures. Cette solution suppose néanmoins que la purge soit possible à l'extrémité du câble. Les câbles couramment utilisés avec connecteur surmoulé sans blindage ne sont ici pas adaptés. Les câbles avec connecteur surmoulé et blindage ne sont adaptés que sous certaines conditions, étant donné que le plastique injecté pénètre le blindage, ne permettant ainsi qu'une moindre compensation de la pression.

Sur demande, Trafag propose, en collaboration avec un fabricant de câbles, une variante avec connecteur M12 surmoulé et tube de purge d'air intégré. Certaines de vos applications nécessitent une purge efficace de l'air? Vous n'êtes pas sûr du transmetteur de pression qui convient le mieux à vos besoins? Ou vous utilisez déjà des transmetteurs de pression, mais ceux-ci génèrent des erreurs de mesure potentiellement liées à la purge de l'air? Contactez-nous. Nos spécialistes seront ravis de vous conseiller et de trouver avec vous une solution adaptée à vos exigences en matière de mesure de la pression.

Comparaison de différents concepts de purge d'air de transmetteurs de pression. De gauche à droite: tubes de purge d'air dans un câble (ici sur une sonde de niveau); connecteur DIN 43650-A avec faible degré de protection; connecteur M12x1 avec orifice dans la zone protégée du filetage (membrane Gore non visible); connecteur Deutsch avec orifice de purge dans le boîtier (membrane Gore non visible); connecteur MIL-C avec orifice et membrane Gore pour la purge de l'air via le câble.

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La loi des gaz parfaits

La loi des gaz parfaits décrit le comportement d'un gaz à l'aide d'une formule simple.

pV=nRT
p=pression absolue
V=volume
n=nombre de molécules de gaz (en mol)
T=température (en K)
R=constante des gaz parfaits

Pour un volume de gaz constant, l'équation est établie de façon à mettre en relation différents états.

p1V1 / T1 = p2V2 / T2

De façon simplifiée et en lien avec la question des variations de pression à l'intérieur du transmetteur de pression, l'air enfermé peut être considéré comme un gaz parfait. De même, pour les légères variations de température, le volume peut être considéré comme constant. Ainsi, le rapport entre pression et température doit toujours rester constant, c'est-à-dire que si la température augmente, la pression doit elle aussi augmenter dans la même proportion.

p1V1 = p2V2