Mesure de pression

De nombreux instruments ont été inventés pour mesurer la pression, avec différents avantages et inconvénients. La plage de pression, la sensibilité, la réponse dynamique et le coût varient tous de plusieurs ordres de grandeur dune conception dinstrument à lautre. Le type le plus ancien est le manomètre à colonne de liquide (un tube vertical rempli de mercure) inventé par Evangelista Torricelli en 1643. Le tube en U a été inventé par Christiaan Huygens en 1661.

HydrostaticEdit

Les jauges hydrostatiques (comme le manomètre à colonne de mercure) comparent la pression à la force hydrostatique par unité de surface à la base dune colonne de fluide. Les mesures de jauge hydrostatique sont indépendantes du type de gaz mesuré et peuvent être conçues pour avoir un étalonnage très linéaire. Leur réponse dynamique est médiocre.

PistonEdit

Les jauges de type à piston contrebalancent la pression dun fluide avec un ressort (par exemple des jauges de pression de pneu de précision relativement faible) ou un poids solide , auquel cas il est connu comme un testeur de poids mort et peut être utilisé pour létalonnage dautres jauges.

Colonne de liquide (manomètre) Modifier

Les jauges de colonne de liquide se composent dune colonne de liquide dans un tube dont les extrémités sont exposées à différentes pressions. La colonne montera ou descendra jusquà ce que son poids (une force appliquée due à la gravité) soit en équilibre avec le différentiel de pression entre les deux extrémités du tube (une force appliquée en raison de la pression du fluide). Une version très simple est un tube en forme de U à moitié plein de liquide, dont un côté est connecté à la région dintérêt tandis que la pression de référence (qui peut être la pression atmosphérique ou un vide) est appliquée à lautre. La différence des niveaux de liquide représente la pression appliquée. La pression exercée par une colonne de fluide de hauteur h et de densité ρ est donnée par léquation de pression hydrostatique, P = hgρ. Par conséquent, la différence de pression entre la pression appliquée Pa et la pression de référence P0 dans un manomètre à tube en U peut être trouvée en résolvant Pa – P0 = hgρ. En dautres termes, la pression à chaque extrémité du liquide (indiquée en bleu sur la figure) doit être équilibrée (puisque le liquide est statique), et donc Pa = P0 + hgρ.

Dans la plupart des liquides- mesures de la colonne, le résultat de la mesure est la hauteur h, exprimée généralement en mm, cm ou pouces. Le h est également connu sous le nom de tête de pression. Lorsquelle est exprimée en hauteur de pression, la pression est spécifiée en unités de longueur et le fluide de mesure doit être spécifié. Lorsque la précision est critique, la température du fluide de mesure doit également être spécifiée, car la densité du liquide est fonction de la température. Ainsi, par exemple, la hauteur de pression peut être écrite «742,2 mmHg» ou «4,2 inH2O à 59 ° F» pour les mesures prises avec du mercure ou de leau comme fluide manométrique respectivement. Le mot «manomètre» ou «vide» peut être ajouté à une telle mesure pour distinguer une pression supérieure ou inférieure à la pression atmosphérique. Les mm de mercure et les pouces deau sont des têtes de pression courantes, qui peuvent être converties en unités SI de pression en utilisant la conversion dunité et les formules ci-dessus.

Si le fluide mesuré est significativement dense, des corrections hydrostatiques peuvent avoir à réaliser pour la hauteur entre la surface mobile du fluide de travail du manomètre et lemplacement où la mesure de pression est souhaitée, sauf lors de la mesure de la pression différentielle dun fluide (par exemple, à travers une plaque à orifices ou un venturi), auquel cas la densité ρ doit être corrigé en soustrayant la densité du fluide mesuré.

Bien que nimporte quel fluide puisse être utilisé, le mercure est préféré pour sa haute densité (13,534 g / cm3) et sa faible pression de vapeur. Son ménisque convexe est avantageux car cela signifie quil ny aura pas derreurs de pression dues au mouillage du verre, bien que dans des circonstances exceptionnellement propres, le mercure adhère au verre et le baromètre peut se coincer (le mercure peut supporter une pression absolue négative) même sous un vide poussé. Pour les différences de basse pression, on utilise couramment de lhuile légère ou de leau (cette dernière donnant lieu à des unités de mesure telles que les pouces jauge deau et les millimètres H2O). Les manomètres à colonne de liquide ont un étalonnage hautement linéaire. Leur réponse dynamique est médiocre car le fluide dans la colonne peut réagir lentement à un changement de pression.

Lors de la mesure du vide, le liquide de travail peut sévaporer et contaminer le vide si sa pression de vapeur est trop élevée. Lors de la mesure de la pression dun liquide, une boucle remplie de gaz ou dun fluide léger peut isoler les liquides pour les empêcher de se mélanger, mais cela peut être inutile, par exemple, lorsque le mercure est utilisé comme fluide de manomètre pour mesurer la pression différentielle dun fluide tel que leau. Des jauges hydrostatiques simples peuvent mesurer des pressions allant de quelques torrs (quelques 100 Pa) à quelques atmosphères (environ 1000000 Pa).

Un manomètre à colonne de liquide à une branche a un réservoir plus grand au lieu dun côté du tube en U et une échelle à côté de la colonne la plus étroite. La colonne peut être inclinée pour amplifier davantage le mouvement du liquide. En fonction de lutilisation et de la structure, les types de manomètres suivants sont utilisés

1. Manomètre simple
2. Micromanomètre
3. Manomètre différentiel
4. Inversé manomètre différentiel

McLeod gaugeEdit

Une jauge McLeod isole un échantillon de gaz et le comprime dans un manomètre à mercure modifié jusquà ce que la pression atteigne quelques millimètres de mercure. La technique est très lente et inadaptée à une surveillance continue, mais elle est capable dune bonne précision. Contrairement aux autres manomètres, la lecture de la jauge McLeod dépend de la composition du gaz, puisque linterprétation repose sur la compression de léchantillon en tant que gaz idéal. En raison du processus de compression, la jauge McLeod ignore complètement les pressions partielles des vapeurs non idéales qui se condensent, telles que les huiles de pompe, le mercure et même leau si elle est suffisamment comprimée.

Plage utile: denviron 10 à 4 torrs (environ 10−2 Pa) pour des aspirateurs aussi hauts que 10−6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa est la mesure directe la plus basse de pression possible avec la technologie actuelle. Dautres jauges à vide peuvent mesurer des pressions plus basses, mais seulement indirectement en mesurant dautres propriétés dépendant de la pression. Ces mesures indirectes doivent être étalonnées en unités SI par une mesure directe, le plus souvent une jauge McLeod.

AneroidEdit

Les jauges anéroïdes sont basées sur un élément de détection de pression métallique qui fléchit élastiquement sous leffet dune différence de pression à travers lélément. «Anéroïde» signifie «sans fluide», et le terme distinguait à lorigine ces jauges des jauges hydrostatiques décrites ci-dessus. Cependant, des jauges anéroïdes peuvent être utilisées pour mesurer la pression dun liquide ainsi que dun gaz, et elles ne sont pas le seul type de jauge qui peut fonctionner sans fluide. Pour cette raison, ils sont souvent appelés jauges mécaniques dans le langage moderne. Les jauges anéroïdes ne dépendent pas du type de gaz mesuré, contrairement aux jauges thermiques et à ionisation, et sont moins susceptibles de contaminer le système que les jauges hydrostatiques. Lélément de détection de pression peut être un tube de Bourdon, un diaphragme, une capsule ou un ensemble de soufflets, qui changera de forme en réponse à la pression de la région en question. La déviation de lélément de détection de pression peut être lue par une liaison connectée à une aiguille, ou elle peut être lue par un transducteur secondaire. Les transducteurs secondaires les plus courants dans les vacuomètres modernes mesurent un changement de capacité dû à la déflexion mécanique. Les jauges qui dépendent dun changement de capacité sont souvent appelées manomètres de capacité.

Bourdon gaugeEdit

Le manomètre Bourdon utilise le principe quun tube aplati a tendance à se redresser ou à retrouver sa forme circulaire en section transversale lorsquil est pressurisé. Ce changement de section transversale peut être à peine perceptible, impliquant des contraintes modérées dans la plage élastique des matériaux facilement travaillables. La déformation du matériau du tube est amplifiée en formant le tube en forme de C ou même en hélice, de sorte que le tube entier a tendance à se redresser ou à se dérouler élastiquement lorsquil est mis sous pression. Eugène Bourdon a breveté sa jauge en France en 1849 et elle a été largement adoptée en raison de sa sensibilité, de sa linéarité et de sa précision supérieures; Edward Ashcroft a acheté les droits de brevet américains de Bourdon en 1852 et est devenu un important fabricant de jauges. Toujours en 1849, Bernard Schaeffer à Magdebourg, Allemagne a breveté un manomètre à membrane (voir ci-dessous) qui, avec le manomètre Bourdon, a révolutionné la pression mesure dans lindustrie. Mais en 1875, après lexpiration des brevets de Bourdon, sa société Schaeffer et Budenberg fabriqua également des jauges à tube de Bourdon.

En pratique, une paroi mince aplatie, extrémité fermée le tube est relié à lextrémité creuse à un tuyau fixe contenant la pression de fluide à mesurer. Au fur et à mesure que la pression augmente, lextrémité fermée se déplace en arc, et ce mouvement est converti en rotation dun (segment dun) engrenage par une liaison de connexion qui est généralement réglable. Un pignon de petit diamètre se trouve sur larbre du pointeur, de sorte que le mouvement est encore amplifié par le rapport de transmission. Le positionnement de la carte indicatrice derrière le pointeur, la position initiale de laxe du pointeur, la longueur de la liaison et la position initiale, fournissent tous des moyens pour calibrer le pointeur pour indiquer la plage de pression souhaitée pour les variations du comportement du tube de Bourdon lui-même.La pression différentielle peut être mesurée par des jauges contenant deux tubes Bourdon différents, avec des liaisons de connexion.

Les tubes Bourdon mesurent la pression relative, par rapport à la pression atmosphérique ambiante, par opposition à la pression absolue; le vide est détecté comme un mouvement inverse. Certains baromètres anéroïdes utilisent des tubes de Bourdon fermés aux deux extrémités (mais la plupart utilisent des diaphragmes ou des capsules, voir ci-dessous). Lorsque la pression mesurée est pulsée rapidement, comme lorsque la jauge est à proximité dune pompe à piston, une restriction dorifice dans le tuyau de raccordement est fréquemment utilisée pour éviter une usure inutile des engrenages et fournir une lecture moyenne; lorsque la jauge entière est soumise à des vibrations mécaniques, lensemble du boîtier, y compris lindicateur et la carte indicateur, peut être rempli dhuile ou de glycérine. Il nest pas recommandé de taper sur la face de la jauge car elle aura tendance à fausser les lectures réelles initialement présentées par la jauge. Le tube Bourdon est séparé de la face de la jauge et na donc aucun effet sur la lecture réelle de la pression. Les jauges modernes typiques de haute qualité fournissent une précision de ± 2% de léchelle, et une jauge spéciale de haute précision peut être aussi précise que 0,1% de la pleine échelle.

Les capteurs à tube de bourdon en quartz fondu à équilibrage de force fonctionnent sur le même principe mais utilise la réflexion dun faisceau de lumière provenant dun miroir pour détecter le déplacement angulaire et le courant est appliqué aux électroaimants pour équilibrer la force du tube et ramener le déplacement angulaire à zéro, le courant qui est appliqué au les bobines sont utilisées comme mesure. En raison des propriétés mécaniques et thermiques extrêmement stables et reproductibles du quartz et de léquilibrage des forces qui élimine presque tous les mouvements physiques, ces capteurs peuvent être précis à environ 1 PPM de pleine échelle. En raison des structures en quartz fondu extrêmement fines qui doivent être fabriquées à la main, ces capteurs sont généralement limités à des fins scientifiques et détalonnage.

Dans les illustrations suivantes, la face de couverture transparente de la combinaison de mesure de pression et de vide a été retiré et le mécanisme retiré du boîtier. Cette jauge particulière est une combinaison de jauge de vide et de pression utilisée pour le diagnostic automobile:

• Le côté gauche du visage, utilisé pour mesurer le vide du collecteur, est calibré en centimètres de mercure sur son échelle intérieure et en pouces de mercure sur son échelle extérieure.
• Le La partie droite de la face est utilisée pour mesurer la pression de la pompe à carburant ou de la turbo-suralimentation et est calibrée en fractions de 1 kgf / cm2 sur son échelle intérieure et en livres par pouce carré sur son échelle extérieure.

Détails mécaniquesModifier

Parties stationnaires:

• A: bloc récepteur. Celui-ci relie le tuyau dentrée à lextrémité fixe du tube de Bourdon (1) et fixe la plaque de châssis (B). Les deux trous reçoivent des vis qui fixent le boîtier.
• B: Plaque de châssis. La carte faciale y est attachée. Il contient des trous de roulement pour les essieux.
• C: Plaque de châssis secondaire. Il supporte les extrémités extérieures des essieux.
• D: Poteaux pour joindre et espacer les deux plaques de châssis.

Pièces mobiles:

1. Extrémité stationnaire du tube de Bourdon. Celui-ci communique avec le tuyau dentrée à travers le bloc récepteur.
2. Extrémité mobile du tube de Bourdon. Cette extrémité est scellée.
3. Pivot et axe de pivot
4. Reliez laxe de pivotement au levier (5) avec des axes pour permettre la rotation du joint
5. Levier, une extension de le pignon de secteur (7)
6. Axe daxe de pignon de secteur
7. Pignon de secteur
8. Axe de pointeau dindicateur. Celui-ci a un engrenage droit qui engage lengrenage de secteur (7) et sétend à travers la face pour entraîner laiguille indicatrice. En raison de la courte distance entre le bossage de liaison du bras de levier et le pivot et la différence entre le rayon effectif de lengrenage de secteur et celui de lengrenage droit, tout mouvement du tube de Bourdon est grandement amplifié. Un petit mouvement du tube entraîne un grand mouvement de laiguille indicatrice.
9. Ressort à cheveux pour précharger le train dengrenages pour éliminer le jeu dengrenage et lhystérésis

DiaphragmEdit

Un deuxième type de jauge anéroïde utilise la déflexion dune membrane flexible qui sépare les régions de pression différente. La quantité de déflexion peut être répétée pour des pressions connues, de sorte que la pression peut être déterminée en utilisant un étalonnage. La déformation dun diaphragme mince dépend de la différence de pression entre ses deux faces. La face de référence peut être ouverte à latmosphère pour mesurer la pression relative, ouverte sur un deuxième orifice pour mesurer la pression différentielle, ou peut être scellée contre un vide ou une autre pression de référence fixe pour mesurer la pression absolue. La déformation peut être mesurée à laide de techniques mécaniques, optiques ou capacitives.Des diaphragmes céramiques et métalliques sont utilisés.

Plage utile: au-dessus de 10−2 Torr (environ 1 Pa)

Pour les mesures absolues, des capsules de pression soudées avec des membranes de chaque côté sont souvent utilisées.

forme:

• Plat
• Ondulé
• Tube aplati
• Capsule

Soufflet

Dans les manomètres destinés à détecter de petites pressions ou différences de pression, ou à exiger quune pression absolue soit mesurée, le train dengrenages et laiguille peuvent être entraînés par une chambre à soufflet fermée et scellée, appelée anéroïde, ce qui signifie « sans liquide ». (Les premiers baromètres utilisaient une colonne de liquide tel que leau ou le mercure métallique liquide suspendu par un vide.) Cette configuration de soufflet est utilisée dans les baromètres anéroïdes (baromètres avec une aiguille indicatrice et une carte à cadran), les altimètres, les barographes denregistrement daltitude et laltitude instruments de télémétrie utilisés dans les radiosondes à ballons météorologiques. Ces dispositifs utilisent la chambre étanche comme pression de référence et sont entraînés par la pression externe. Dautres instruments daéronef sensibles tels que les indicateurs de vitesse de lair et les indicateurs de taux de montée (variomètres) ont des connexions à la fois à la partie interne de la chambre anéroïde et à une chambre denceinte externe.

Couplage magnétiqueEdit

Ces jauges utilisent lattraction de deux aimants pour traduire la pression différentielle en mouvement dun pointeur à cadran. Lorsque la pression différentielle augmente, un aimant fixé à un piston ou à une membrane en caoutchouc se déplace. Un aimant rotatif attaché à un pointeur se déplace alors à lunisson. Pour créer différentes plages de pression, la raideur du ressort peut être augmentée ou diminuée.

Jauge à rotor tournantModifier

La jauge à rotor tournant fonctionne en mesurant la quantité de ralentissement dune bille en rotation par le viscosité du gaz mesuré. La bille est en acier et est lévitée magnétiquement à lintérieur dun tube en acier fermé à une extrémité et exposé au gaz à mesurer à lautre. La bille est mise en vitesse (environ 2500 rad / s), et la vitesse mesurée après coupure du variateur, par des transducteurs électromagnétiques. La plage de linstrument est comprise entre 10−5 et 102 Pa (103 Pa avec une précision moindre). Il est suffisamment précis et stable pour être utilisé comme étalon secondaire. Linstrument nécessite certaines compétences et connaissances pour être utilisé correctement. Diverses corrections doivent être appliquées et le ballon doit être tourné à une pression bien inférieure à la pression de mesure prévue pendant cinq heures avant utilisation. Il est particulièrement utile dans les laboratoires détalonnage et de recherche où une haute précision est requise et des techniciens qualifiés sont disponibles.