Comment calculer la précision d’un capteur de pression et qu’est-ce que l’erreur totale probable ?
Comment calculer la précision d’un capteur de pression et qu’est-ce que l’erreur totale probable ?
Pour calculer la précision d’un capteur de pression, il faut considérer à la fois la précision de référence et les performances sur site. L’erreur totale probable (ETP) est obtenue en additionnant les incertitudes telles que la précision de l’intervalle de mesure étalonné, les effets de la température ambiante et les impacts de la pression statique.
Dans le vaste monde de l’ingénierie des procédés, la mesure de la pression est la pierre angulaire de l’efficacité, de la sécurité et de la fiabilité des opérations.
Au fur et à mesure que les technologies évoluent et que les industries progressent, le besoin de mesures de pression précises devient de plus en plus important.
Pour les ingénieurs de maintenance, les ingénieurs en instrumentation et contrôle et les ingénieurs de procédés, naviguer dans les méandres des capteurs de pression peut parfois ressembler à chercher une aiguille dans une botte de foin.
Mais n’ayez crainte ! Pour obtenir des performances optimales, il est essentiel de comprendre les nuances subtiles qui influencent la précision d’un capteur.
Cet article se penche sur le sujet des capteurs de pression, afin d’éclairer les ingénieurs de maintenance sur la méthode qui permet d’obtenir des mesures de pression précises.
Nous commencerons par explorer l’importance de définir la précision requise en fonction des applications de processus spécifiques. Ensuite, nous démêlerons la différence entre les performances sur site et la précision de référence, en soulignant pourquoi cette distinction est cruciale.
Plus loin, nous décoderons la multitude de conditions de fonctionnement qu’un capteur de pression peut rencontrer : des températures ambiantes fluctuantes aux pressions statiques variables, et leurs effets respectifs. Le décalage du zéro, le décalage de la portée et leurs ramifications cumulées seront également abordés.
Enfin, nous vous fournirons une méthodologie complète pour calculer l’erreur totale probable d’un capteur de pression.
À la fin de cet article, nous espérons que vous serez doté des connaissances nécessaires non seulement pour sélectionner le capteur de pression approprié, mais aussi pour garantir sa précision tout au long de sa durée de vie. Embarquons ensemble pour ce voyage instructif !
Définir la précision requise de la mesure de la pression pour l’application industrielle et le procédé
La première étape consiste à définir les performances requises par l’application industrielle pour le point de mesure de la pression.
Les performances sur site des capteurs de pression doivent généralement se situer entre 0,5 et 2,0 % de l’étendue de mesure étalonnée, en fonction de l’application. Les objectifs de performance suivants sont attendus, en moyenne, pour toutes les classifications de service : sécurité et efficacité de l’usine à 0,5 %, contrôle environnemental à 1,0 %, système Scada et système de contrôle distribué à 1,5 %, et système de surveillance de l’usine et optimisation du processus à 2,0 %. Bien entendu, il ne s’agit que de moyennes et certains clients auront des attentes plus ou moins élevées en fonction de leurs besoins spécifiques. Toutefois, ces chiffres donnent une idée générale du niveau de performance recherché par nos clients.
Performance sur site Vs. Précision de référence
La performance sur site ne doit pas être confondue avec la précision de référence.
Il existe deux concepts distincts lorsque l’on parle de systèmes de mesure :
La précision de référence :
Il s’agit de la précision d’un capteur de pression dans des conditions spécifiques et contrôlées, généralement en laboratoire. Elle fournit une norme ou une référence à laquelle les performances du capteur peuvent être comparées. La précision de référence comprend les effets combinés de la non-linéarité, de l’hystérésis et de la non-répétabilité dans ces conditions définies.
Performance sur site :
Il s’agit des performances d’un capteur ou d’un système de mesure dans des conditions réelles ou dans l’environnement auquel il est destiné.
Plusieurs facteurs peuvent influencer les performances sur site, notamment les variations de la température ambiante, l’effet de la pression statique, la stabilité dans le temps, l’influence de la tension d’alimentation, la position de montage et d’autres facteurs environnementaux.
Les performances sur site peuvent différer de la précision de référence en raison de ces influences externes.
En pratique, alors qu’un capteur de pression peut avoir une excellente précision de référence dans des conditions contrôlées, ses performances sur site peuvent varier en fonction des complexités et des imprévisibilités de l’environnement réel. Il est donc essentiel de prendre en compte ces deux éléments lors de l’évaluation ou du déploiement d’un capteur de pression pour une application spécifique.
Définir les conditions de fonctionnement du capteur de pression
La deuxième étape consiste à définir les conditions de fonctionnement auxquelles l’appareil sera exposé.
Effet de la température ambiante
Selon l’application, les transmetteurs de pression peuvent être soumis à des variations importantes de la température ambiante.
Par exemple, si un capteur de pression est utilisé à l’extérieur, la température ambiante peut varier de -20°C à 60°C. Ceci est très différent d’une utilisation en laboratoire où la température ambiante est stable et climatisée.
Effet de la pression statique
L’autre paramètre à prendre en compte est la pression statique sur le processus.
Dans le cas d’une mesure de pression différentielle, plus la pression statique est élevée, plus la précision se dégrade. Pour les capteurs de pression absolue et relative, l’effet de la pression statique est nul.
La connaissance de ces facteurs qui peuvent influencer la précision nous permet de calculer l’erreur totale probable (ETP) qui définit la précision du capteur de pression dans les conditions d’installation de l’application lorsque toutes les sources d’erreur individuelles sont combinées. Cette erreur totale de performance est la différence entre l’écart de mesure le plus positif et le plus négatif par rapport à la pression réelle. Elle est calculée en combinant toutes les erreurs possibles dans les limites des conditions de fonctionnement de l’application.
La valeur de l’erreur totale probable est utilisée pour définir la performance la plus défavorable du transmetteur de pression installé sur le site.
Effet sur le zéro et sur l’échelle de mesure réglée
Des facteurs tels que la température ambiante et la pression statique ont une certaine influence sur la précision et les performances du capteur de pression. Leur influence s’exerce à la fois sur le zéro et la plage de mesure réglée des transmetteurs de pression, ce qui entraîne des écarts ou des imprécisions de mesure.
Décalage du zéro : Le décalage du zéro, souvent appelé simplement “dérive du zéro”, désigne la situation dans laquelle le point zéro ou la mesure de référence du capteur s’écarte de son zéro réel ou étalonné. En termes simples, lorsqu’il n’y a pas d’entrée (comme aucune pression appliquée), le capteur devrait indiquer zéro, mais s’il y a un décalage du zéro, il peut indiquer une valeur positive ou négative à la place.
Décalage de la plage de mesure : Le décalage de l’étendue de mesure, souvent appelée “dérive de l’étendue de mesure”, fait référence à la différence entre les sorties maximale et minimale d’un instrument. Le décalage de l’échelle est une modification de la sensibilité ou du facteur d’échelle du capteur de pression.
Effet total : Cet effet combine les effets des décalages du zéro et des dérives de la plage de l’échelle de mesure. L’effet total quantifie l’écart global ou l’erreur de lecture de l’instrument due aux deux décalages.
Comment calculer l’erreur totale probable d’un capteur de pression ?
Nous avons préalablement déterminé la précision souhaitée sur site pour l’application, déterminé les paramètres d’installation qui influencent la précision de notre mesure et leur influence sur le décalage du zéro et le décalage de l’échelle.
L’étape suivante consiste à calculer l’erreur totale probable à l’aide des spécifications disponibles sur le site web du fabricant du capteur de pression (spécifications techniques). Ce calcul consiste en la somme des racines carrées des incertitudes liées à la précision de référence et aux facteurs d’installation tels que la température ambiante et l’effet de la pression statique.
L’erreur totale probable de l’appareil comprend la précision de référence, l’effet de la température ambiante, l’effet de la pression statique et est calculée à l’aide de la formule TPE suivante :
Erreur totale probable = ± √ ((E1)²+(E2)²+(E3)²)
E1 = Précision nominale de l’échelle étalonnée ou précision de référence E2 = Effet de la température ambiante E3 = Effet de la pression statique
E1. Précision nominale ou précision de référence
La précision nominale doit être calculée à l’échelle étalonnée ou réglée. La précision de référence inclut les erreurs d’incertitude maximales pour l’hystérésis, la non-linéarité et la non-répétabilité.
E2. Effet de la température ambiante
Les capteurs de pression sont étalonnés en laboratoire à une température ambiante stable. La température ambiante sur le lieu d’application peut être différente. Cette température a une influence sur les composants électroniques de l’instrument de mesure, et une mesure inexacte peut en résulter. Les fabricants de capteurs de pression, comme Fuji Electric, expriment généralement cet effet par des paliers de variation de 28°C.
E3. Effet de la pression statique
Les erreurs de pression statique peuvent être causées par plusieurs phénomènes à l’intérieur du capteur de pression. Il s’agit notamment de la déformation des membranes métalliques sous la pression de la ligne et de l’équilibre des volumes d’huile de remplissage. Les fournisseurs définissent généralement l’influence de la pression statique tous les 10 MPa de variation de pression. Les effets de la pression statique sur un capteur de pression différentielle peuvent se manifester par des décalages du zéro et de l’échelle. Ce phénomène est parfois appelé “effet de pression statique” ou “effet de pression de ligne”.
Effet sur le zéro :
Il s’agit du décalage du signal de sortie du capteur lorsqu’il n’y a pas de pression différentielle dans le transmetteur, mais qu’il y a une pression statique ou une pression de ligne appliquée. Astuce : l’effet sur le zéro peut être éliminé par un “réglage du zéro” dans des conditions de pression statique, ce qui signifie que le transmetteur peut être réétalonné ou ajusté sous pression statique pour ramener son point zéro au niveau de référence correct.Le transmetteur est “informé” que le courant de sortie sous pression statique, sans pression différentielle, doit représenter zéro. Cela permet de compenser efficacement les effets de la pression statique sur la lecture du zéro.
Effet sur l’échelle :
Il s’agit de la modification de la plage de sortie du transmetteur due à la pression statique ou à la pression de ligne.
Exemple de calcul de l’erreur totale de performance d’un capteur de pression
Nous considérerons pour notre exemple les conditions de service suivantes pour notre application.
Plage de pression différentielle Dp : 0-100 mbar
Plage de température ambiante : 4 à 32 °C, le delta est de 28 °C
Pression statique du processus : 69 bar
Performance acceptable (TPE) : 0,2 % de l’étendue de mesure
Donc, tout d’abord, considérons le bon modèle pour la plage de mesure de pression requise et pour les conditions de fonctionnement de l’application en suivant ce guide de sélection des capteurs de pression. Le réglage de l’échelle doit être réglé au plus près de la limite supérieure de la plage de la cellule du capteur afin d’obtenir la meilleure précision. Pour une mesure de pression de 0-100 mbar, nous choisissons le modèle FKC..33 qui offre la plage la plus proche de 0/320 mbar.
Capteur de pression différentielle Fuji Electric [FKC33…6]
Modèles
Limite en pression statique MPa {bar}
Étendues de mesure kPa {mbar} MIN
Étendues de mesure kPa {mbar} MAX
Réglages possibles kPa {m bar}
FKC 11
−0.1 à + 3.2 {−1 à + 32}
0.1 {1}
1 {10}
±1 {±10}
FKC 22
−0.1 à + 10 {−1 à + 100}
0.1 {1}
6 {60}
±6 {±60}
FKC 33
−0.1 à + 16 {−1 à + 160}
0.32 {3.2}
32 {320}
±32 {±320}
FKC 35
−0.1 à + 16 {−1 à + 160}
1.3 {13}
130 {1300}
±130 {±1300}
FKC 36
−0.1 à + 16 {−1 à + 160}
5 {50}
500 {5000}
±500 {±5000}
FKC 38
−0.1 à + 16 {−1 à + 160}
30 {300}
3000 {30000}
±3000 {±30000}
FKC 43
−0.1 à + 42 {−1 à + 420}
0.32 {3.2}
32 {320}
±32 {±320}
FKC 45
−0.1 à + 42 {−1 à + 420}
1.3 {13}
130 {1300}
±130 {±1300}
FKC 46
−0.1 à + 42 {−1 à + 420}
5 {50}
500 {5000}
±500 {±5000}
FKC 48
−0.1 à + 30 {−1 à + 300}
30 {300}
3000 {30000}
±3000 {±30000}
FKC 49
−0.1 à + 30 {−1 à + 300}
500 {5000}
20000 {200000}
{+20000,−10000} {+200000,−100000}
L’étendue de mesure étalonnée est de 100 mbar La limite supérieure de la plage de la cellule du transmetteur de pression est de 320 mbar.
Précision de la plage de mesure étalonnée ou précision de référence
EMR > à 1/10 de l’échelle maximale : ±0,065% de l’EMR ou ±0,04% de l’EMR en option
EMR < à 1/10 de l’échelle maximale : ± (0.015 + 0.005 × Ech.max/EMR ) % de l’EMR
La meilleure précision de référence, y compris les erreurs d’incertitude maximales pour l’hystérésis, la non-linéarité et la non-répétabilité, est de ± 0,04 % de l’échelle pour le transmetteur de pression Fuji Electric FKC.
E1 = 0.04 % *100 E1 = 0,04 mbar
Effet de la température ambiante
Influence de la température
Les valeurs ci dessous sont données pour des variations de température de 28°C entre -40°C et +85°C
Nous considérons ici le décalage de zéro de l’effet de pression statique. E3 = ± 0.035*320% E3 = ± 0,112 mbar Nous pouvons maintenant calculer l’erreur totale probable.
Erreur totale probable (ETP)
Erreur totale probable = ± √ ((E1)²+ (E2)²+ (E3)²) E1 = Précision nominale de l’échelle étalonnée E2 = Effet de la température ambiante par 28°C E3 = Effet de la pression statique par 6,9 MPa
TPE = SQRT ((0.04)^2+(0.135)^2+(0.112)^2) TPE = 0,179 mbar TPE = 0,179 % de la portée
L’application du processus exigeait une précision de ± 0,2 % de l’étendue de mesure. Le capteur mesurera une pression différentielle de 100 mbar dans les conditions normales de fonctionnement. La performance requise pour le capteur installé sur site sera de ±0,5 mbar. Nous pouvons conclure que le capteur de pression différentielle Fuji Electric FKC est adapté à cette application. Pour compléter notre analyse des performances de pression, nous pouvons ajouter un facteur supplémentaire qui influence la précision de la pression sur site.
Effet de surpression
La surpression se réfère à une situation dans laquelle la pression dépasse la plage maximale étalonnée de l’appareil de mesure. Ces conditions peuvent se produire lors d’un accident ou d’une situation anormale. La précision des capteurs de pression est également affectée par une surpression. Les fabricants de capteurs de pression, comme Fuji Electric, expriment généralement cet effet en se basant sur la pression maximale de service.
Décoder la précision : Naviguer dans les nuances de la précision des capteurs de pression
La mesure de la pression reste un aspect fondamental pour garantir l’efficacité et la sécurité des opérations dans le domaine de l’ingénierie des procédés. Sa précision est primordiale, compte tenu de la diversité et de la complexité des applications dans les différents secteurs d’activité.
L’exploration complète des capteurs de pression dans cet article a souligné l’importance de comprendre à la fois la précision de référence et la performance sur site, ainsi que les facteurs qui influencent ces paramètres, y compris les effets de la température ambiante, les impacts de la pression statique, les décalages du zéro et les décalages de l’étendue de mesure.
Grâce à une explication systématique, nous avons dévoilé comment calculer l’erreur totale probable (ETP) en tenant compte de diverses incertitudes telles que la précision de la portée étalonnée, les influences de la température ambiante et les effets de la pression statique. L’exemple donné, qui utilise les spécifications du capteur de pression différentielle Fuji Electric FKC, simplifie encore l’application pratique de ces connaissances.
En substance, lors de la sélection d’un capteur de pression, il est impératif de s’assurer qu’il est non seulement conforme aux paramètres de performance requis, mais qu’il résiste également aux conditions variables du site, garantissant ainsi sa précision tout au long de sa durée de vie opérationnelle. En intégrant les informations fournies, les ingénieurs de maintenance et de procédés peuvent sans aucun doute prendre des décisions plus éclairées, améliorant ainsi la fiabilité et l’efficacité de leurs systèmes.
Des mesures de précision avec les capteurs de pression Fuji Electric de classe haute performance !
Lors du choix d’un capteur de pression, il est important d’opter pour un appareil dont l’influence sur l’environnement est minimale.
La technologie avancée des cellules flottantes des capteurs de pression Fuji Electric offre une grande immunité contre les variations de température, la pression statique et la surpression que l’on trouve couramment dans l’industrie des procédés et réduit considérablement l’erreur de mesure globale.
Les capteurs de pression Fuji Electric de classe haute performance sont conçus pour révolutionner la mesure de la pression. Ils sont caractérisés thermiquement au cours du processus de fabrication afin d’améliorer la précision de la référence et de minimiser l’influence de la température ambiante et de la pression statique.
Ce processus unique de caractérisation thermique, appelé gyration 4D, a permis de caractériser la cellule du transmetteur de pression dans une plage de températures allant de -40 à +85 °C.
Les données sont collectées au cours du processus de fabrication en enregistrant le décalage du zéro et la portée à différentes températures à l’aide d’un processus de fabrication automatisé. Un algorithme d’ajustement de courbe non linéaire est réalisé pour caractériser le comportement unique du capteur de pression.
Des données de compensation sont chargées en permanence dans chaque cellule du transmetteur de pression au cours de ce processus afin de compenser activement les effets de l’environnement thermique. Le résultat est une précision de référence (y compris l’hystérésis, la non-linéarité et la non-répétabilité) inférieure à +0,04 % de la pleine échelle sur cette large plage compensée en température.
Éliminez les erreurs potentielles lors de la mesure de la pression différentielle : gagnez du temps et de l’énergie en vous appuyant sur un seul appareil conçu spécifiquement pour des mesures précises de la pression différentielle.
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