Le marché de la mesure de pression couvre les mesures de pression en elles-mêmes mais aussi les mesures de débit ou de niveau. Déjà important par lui-même, ce marché constitue également un point d'entrée stratégique en matière d'instrumentation. Dans le domaine de l'eau, capteurs piézorésistifs, piézoélectriques ou capacitifs se partagent l'essentiel des applications.
Par
Le marché de la mesure de pression couvre les mesures de pression en elles-mêmes mais aussi les mesures de débit ou de niveau. Déjà important par lui-même, ce marché constitue également un point d’entrée stratégique en matière d’instrumentation. Dans le domaine de l’eau, les applications reposant sur des manomètres de tous types (manomètres standards, manomètres montés sur séparateurs ou avec contacts électriques, manomètres différentiels...) restent très utilisées. Côté transmetteurs, les capteurs piézorésistifs, piézoélectriques ou capacitifs se partagent l'essentiel des applications.
Eau potable, eaux usées, eaux industrielles..., que ce soit pour mesurer la pression elle-même ou pour déterminer un niveau, une densité, un débit ou une vitesse, la mesure de pression est fréquemment utilisée en matière d'eau, de boues, de gaz ou de vapeur. La pression étant le paramètre résultant de l’effort appliqué par un fluide sur une surface, on comprend facilement que les applications nécessitant une mesure ponctuelle ou régulière soient très nombreuses dans le domaine de l’eau.
Max Fossey, Responsable produits et marchés chez Krohne, distingue deux types d’applications dans ce secteur : « celles qui reposent sur une mesure de pression en ligne, souvent liées à un traitement, et celles qui font appel à des capteurs immergeables, plutôt pour des applications liées à du stockage de l’eau ou des mesures en rivière, par exemple ».
La mesure de pression est omniprésente, aussi bien au stade de la production d’eau (puits, forages…) que du traitement (filtration, techniques séparatives et membranaires…), du stockage et au sein des réseaux de distribution pour assurer le bon acheminement de l’eau produite mais aussi pour surveiller l’intégrité et le bon fonctionnement du réseau. En eaux usées, la mesure de la pression contribue activement au contrôle automatique des différentes étapes du processus de traitement et au bon fonctionnement des équipements qui y concourent : détection de colmatage, pilotage de compresseurs, surveillance de pompes… Elle est également à la base des mesures de niveau en stations de pompage, déversoirs d’orage ou en bassins de rétention des eaux pluviales. En eaux industrielles, bien peu nombreux sont les process de traitement qui ne font pas appel à un moment ou à un autre à une mesure régulière ou ponctuelle de la pression.
Pour autant, et bien qu’elle soit partout présente dans le domaine de l’eau, la mesure de pression requiert souvent des exigences différentes, comme le souligne Claude Schelcher, Chef de marché Environnement chez Endress+Hauser : « Les applications en eau potable peuvent nécessiter des capteurs avec Attestation de Conformité Sanitaire (ACS). Pour les eaux industrielles, le client demande quelquefois des capteurs avec une certification ATEX (zone explosive) ». « Les utilisateurs de transmetteurs immergeables en milieu naturel sont également très attentifs à la protection des instruments contre la foudre, un motif récurrent de défaillance », souligne-t-on chez Wika qui associe sur son transmetteur de pression immergeable type LH-10 un signal de sortie “température” au signal de sortie “pression”.
Définir précisément la mesure envisagée
Mais la diversité des mesures réalisables en matière de pression implique d’abord de définir précisément de quel type de mesure on parle.
Quelques principes de base tout d’abord : la pression se définit comme le quotient d’une force par une surface. Soit « P = F/S » où P s’exprime en Pa, F en N et S en m². Lorsqu’elle est mise en œuvre pour obtenir une mesure de niveau piézométrique, c’est la formule « P = ρgh » qui s’applique. Bien que son unité de mesure soit le Pascal (Pa ou N/m²), elle peut aussi être exprimée en psi, en atmosphère normale (atm), en bar, voire en centimètres ou en millimètres de mercure (cmHg ou mmHg).
Une mesure de pression peut être statique ou dynamique. En l’absence de tout mouvement de l’eau ou du fluide considéré, la pression est dite statique. C’est par exemple le cas de la pression de l’air dans une cuve fermée ou de celle de l’eau dans un bassin ou dans un puits. À l’inverse, le mouvement d’un fluide modifiant la force qu’il exerce sur son environnement immédiat, on parle dans ce cas d’une pression dynamique. C’est par exemple le cas de l’eau circulant dans une canalisation. La pression hydrostatique (parfois exprimée en hauteur manométrique ou piézométrique) mesure la pression statique d’un liquide dans un réservoir, un tuyau ou un puits. Cette mesure permet par exemple de mesurer le niveau d’un liquide, de sa densité ou de mesurer l’interface liquide-liquide dans des réservoirs de toute taille, ouverts ou sous pression.
Ceci défini, il reste à positionner la mesure par rapport à un zéro de référence. Car sur certaines applications courantes, les mesures de pression peuvent se faire par rapport à la pression de l’air ambiant, c’est-à-dire l’atmosphère. Mais en milieu industriel, les applications se situent surtout en mesure de pression relative et non absolue ou par rapport à un vide relatif. On utilise la mesure absolue lorsque l’on ne souhaite pas être influencé par la variation de la pression atmosphérique. On parle ainsi de pression absolue lorsque la pression est exprimée par rapport au vide, et de pression relative lorsqu’elle est exprimée par rapport à la pression atmosphérique. Une pression exprimée de cette façon est donc égale à la pression absolue diminuée de la pression atmosphérique. Quant à la mesure de la pression différentielle, omniprésente en contrôle-commande, elle représente l’écart de pression qui existe entre deux points dans un circuit dynamique. Cependant, il convient de l’aborder avec précaution, car elle nécessite également une connaissance précise de l’ensemble du processus que l’on souhaite contrôler.
points dont l'un sert de référence (détection de colmatage, rupture, vanne, étanchéité...). Une application courante en mesure de pression différentielle est la mesure de niveau sur des cuves sous pression. Le niveau est égal à la différence de pression entre la partie haute et la partie basse de la cuve.
À chaque application son capteur
La mesure de la pression consiste à traduire un effort appliqué par un fluide en une unité électrique exploitable. L'objectif est donc d’exploiter un moyen pour traduire une énergie mécanique en un signal électrique équivalent.
Trois types de capteurs permettent cette traduction.
Les capteurs piézorésistifs dont le principe de fonctionnement repose sur une mesure de contrainte physique réalisée par un pont de Wheatstone sur la base de résistances piézorésistives. Sous l'action de la pression, un élément sensible, le plus souvent une membrane en céramique, caoutchouc, matières plastiques, alliages métalliques, acier inox, se déforme de manière élastique. Logé derrière une membrane de contact, cet élément sensible fait appel à des techniques de micro-usinage. La microstructure intègre la membrane de mesure et les piézorésistances. Le transfert de la pression de la membrane de contact vers l’élément sensible est assuré par une huile silicone. La membrane peut être soumise à une pression sur l'une ou sur ses deux faces, voire par l’intermédiaire d'une tige ou d’une liaison hydraulique. Le capteur détecte la variation de pression exercée par la colonne de liquide qui augmente ou diminue en fonction de sa hauteur. La mesure est ensuite convertie en un signal électrique (4-20 mA). Cette technologie s’applique à des plages de pression allant de 100 mbar à 1 500 bar en modes absolu, relatif et différentiel. Elle est parfaitement maîtrisée par Keller qui l'a mise au point et en a fait une technologie de référence, mais aussi par les leaders mondiaux tels que GE Druck, Emerson Process Management, Yokogawa, Endress+Hauser, Wika ou Krohne. Parmi les avantages de ce type de capteurs, un rapport qualité/prix intéressant, une bonne résistance aux fluides difficiles (chlore, boues, etc.), une bonne sensibilité, une faible hystérésis et un nettoyage facile de la membrane. Au total, des capteurs bien adaptés au domaine de l'eau, selon Jacques Bouchinet chez Hitec : « Les capteurs piézorésistifs restent de loin la technologie la plus utilisée car la moins chère et la plus facile à mettre en œuvre. Les capteurs capacitifs sont plus onéreux et demandent une électronique plus sophistiquée et fragile. De plus, dans le domaine de l'eau, le signal 4-20 mA reste un grand standard, car il s'affranchit de la longueur de câble (plusieurs milliers de mètres sans problème) et est très cohérent avec un signal analogique provenant d’une cellule piézorésistive ».
Mais lorsqu’il s'agit de mesurer des pressions de l’ordre du mbar, la technologie piézorésistive n'est plus forcément la plus adaptée économiquement. On se reporte alors sur la technologie capacitive qui permet de réaliser des membranes de grand diamètre à plus faible coût. En technologie capacitive, une membrane se comportant comme l'une des plaques d'un condensateur est disposée en vis-à-vis de l’autre plaque : c’est alors la mesure de capacité qui est liée au phénomène pression. La technologie est précise et assez sensible, mais reste onéreuse et ne permet pas de mesurer des pressions importantes.
ifm a toutefois développé une technologie qui permet de mesurer jusqu’à 600 bar en utilisant la technologie capacitive. ifm est par exemple leader sur le marché de l'automobile pour les applications hydrauliques et utilise cette technologie en raison de son excellente tenue aux pics de pression (gamme PN). La fonction des capteurs est un simple pressostat à un prix économique, accepté par le très exigeant marché de l'automobile.
« La cellule céramique capacitive apporte également une vraie valeur ajoutée, estime Claude Schelcher, Endress+Hauser, avec une épaisseur de membrane jusqu'à 40 fois plus importante, elle est bien adaptée aux applications abrasives et colmatantes, et facilite le nettoyage ».
Les capteurs piézo-électriques reposent quant à eux sur la particularité que possèdent certains cristaux (quartz, céramique, tita-
…nate de baryum…) de se polariser électriquement lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques. La quantité de charges électriques produites est proportionnelle aux efforts appliqués. Ce type d’élément sensible permet d’effectuer des mesures de pression gazeuses ou liquides en appréhendant les phénomènes dynamiques : car si le capteur est soumis à une pression stable, il verra, lors de son application, le phénomène puis le signal de sortie reviendra à zéro quel que soit le niveau de pression appliqué. Ces capteurs se caractérisent par une précision de mesure élevée, une grande solidité grâce au boîtier entièrement soudé et une bonne stabilité à long terme. Ils permettent d’effectuer des mesures de pression différentielle sans qu’il soit nécessaire de raccorder un deuxième capteur. Il est ainsi possible de surveiller la propreté d’un filtre dans des applications liquides ou gazeuses, ou encore d’obtenir une mesure de niveau dans des cuves pressurisées ou sous vide ou encore au sein de colonnes de distillation et évaporateurs.
Au-delà du principe de mesure, le choix d’un capteur repose sur un grand nombre de critères. Le premier d’entre eux concerne les caractéristiques du liquide à mesurer, notamment sa composition chimique et sa densité. Les conditions dans lesquelles se déroule le process sont tout aussi essentielles pour sélectionner la plage d’utilisation du capteur par rapport à la température et à la pression. Le contenant – lorsqu’il s’agit d’un réservoir – et son environnement extérieur (poussières, humidité, projections d’huile, vapeurs chaudes, etc.) entrent également en jeu pour définir la plage de travail du capteur. Enfin, il faut déterminer la plage de mesure et le degré de précision requis, sans oublier de prendre en compte la nature des signaux de sortie en courant ou en tension ainsi que les interfaces et protocoles pour différents bus de terrain.
Ces spécifications déterminées, il faut faire son choix au sein d’une offre très large en sélectionnant le capteur le plus adapté. « C’est souvent l’application, notamment la position de montage, la place disponible, les contraintes de montage mécaniques et électriques… qui orientent le choix, estime Claude Schelcher, Endress+Hauser. Après, en fonction des spécifications (précision, capteur configurable, afficheur, communication, …) demandées par le client, on définit le capteur le plus adapté. Le prix n’intervient qu’ensuite, même s’il reste, dans le domaine de l’eau, un élément important. »
Un point de vue partagé par Jacques Bouchinet, Hitec, pour qui « les clients, de par leur expérience, privilégient maintenant la fiabilité et la facilité d’installation par rapport au prix ». La mesure de niveau demandant énormément de sur-mesure (pleine échelle adaptée, longueur de câble particulière…), Hitec a toujours accordé une attention particulière aux besoins de ses clients pour proposer le capteur adapté à l’utilisation qui en sera faite.
Une offre portée par de nombreux acteurs
Un grand nombre d’applications industrielles, dans le domaine 10 à 1 000 mbar, est dominé par les capteurs capacitifs céramiques. Dans le domaine 1 à 1 000 bar, la technologie piézorésistive domine le marché. Les autres technologies occupent des créneaux plus étroits. L’offre, en matière de capteurs de process, est portée par de nombreux acteurs parmi lesquels, outre ceux cités précédemment, Vega, Hydreka, C2Plus, Fuji Electric, ifm electronic, STS France, Nivus, Sart Von Rohr, Bürkert, Baumer, Wika, GE Druck.
STS ou encore Kobold. Les capteurs immergés sont développés par Keller, Hitec, Krohne, Sdec, 2G Métrologie, Paratronic, PLM Equipements ou Aqualabo.
L’offre est d’autant plus large que le paramètre pression est un point d’entrée stratégique pour toutes les autres grandeurs à mesurer et pour l’ensemble de l’instrumentation en général. « Comme le paramètre température, la pression est partout présente dans le domaine de l’eau, souligne Max Fos… »
Krohne propose également des transmetteurs compacts pour des applications OEM ainsi qu’une offre importante en entrée de gamme qui permet d’être plus présent sur des applications basiques, fréquentes dans le domaine de l’eau, qui ne nécessitent pas une très grande précision.
Sécurité chez Krohne.
Les clients souhaitant des offres packagées pour regrouper leurs commandes, leurs stocks et simplifier leur gestion, il est important, sur le plan commercial, de pouvoir proposer une offre globale. Le développement des contrats-cadres pousse également en ce sens. Krohne propose donc une offre complète qui couvre la plupart des applications dans une gamme de prix très large. Elle démarre avec le capteur classique 4-20 mA, celui-là même qui a supplanté les manomètres pour remplacer l’indication locale par un système 4-20 mA et la centraliser sur un petit afficheur en salle de contrôle, et s'étend jusqu'aux matériels SIL2 et SIL3 dédiés à la pétrochimie.
La nouvelle série Optibar
La nouvelle série Optibar comprend toute une palette de transmetteurs de pression à cellules de mesure céramiques ou métalliques destinés à des applications de débit, niveau ou de pression de service, du transmetteur seul aux points de mesure complets. La gamme comporte des transmetteurs de pression à cellules de mesure céramiques ou métalliques pour les applications standards : l’Optibar PC 5060 à cellule de mesure capacitive céramique est destiné aux applications travaillant jusqu’à des pressions relatives de +100 bar. Krohne propose également des transmetteurs compacts pour des applications OEM ainsi qu'une offre importante en entrée de gamme qui permet d'être plus présent sur des applications basiques, fréquentes dans le domaine de l'eau, qui ne nécessitent pas une très grande précision.
Endress+Hauser a également développé en mesure de pression une gamme complète reposant sur les deux technologies (métallique piézo-résistive et céramique capacitive) pour un choix sans compromis.
« Notre offre repose sur une segmentation T-M-S, comparable à ce que font les constructeurs automobiles allemands, qui permet de fournir, en fonction de la demande exprimée par le client, un capteur compact avec échelle fixe tel que le Cerabar T, aussi bien qu'un capteur plus sophistiqué et communicant comme le Cerabar S », explique Claude Schelcher.
Le nouveau Cerabar T, lancé en juillet 2016, bénéficie de nombreuses avancées tant en ce qui concerne ses caractéristiques techniques que son design, comparable à la famille niveaumétrie.
Pour la mesure de niveau hydrostatique, le transmetteur Hart Waterpilot FMX21, avec cellule de mesure capacitive céramique, permet un réglage des gammes de mesure et une mesure de niveau avec compensation de la densité pour améliorer la précision de mesure lorsque la température de l'eau varie. Certifié pour l'eau potable, il est également disponible en version robuste pour les applications en eaux usées et boues ou en version sans métal pour une utilisation en eau salée.
Bien connue dans le domaine de la mesure de niveau, notamment par radar, Vega n’en développe pas moins une offre très complète en pression depuis plus de 40 ans. « La gamme démarre avec des capteurs crayons compacts pour des applications simples de 0 à 1000 bar en absolu ou en relatif », détaille Luc Heusch, Sales Manager chez Vega Technique. Elle est complétée par une offre de capteurs de pression différentielle classiques pour des applications allant du vide jusqu’à 1000 bar. Ces capteurs intègrent de l’intelligence embarquée permettant par exemple de les programmer via le protocole Hart, de régler leur rangeabilité, voire d’intégrer la forme de la cuve, avec, pour l'ensemble de la gamme, la possibilité de faire de la pression différentielle électronique. « La gamme permet également de faire de la pression différentielle classique, souligne Luc Heusch, le différentiel se fait alors au niveau de la cellule de mesure et non pas de l’électronique. »
Par ailleurs, Vega offre aujourd’hui la possibilité d’accéder aux paramétrages et fonctions diagnostics du capteur avec un smartphone ou une tablette en liaison Bluetooth. Il suffit pour cela d'installer sur le capteur le nouveau module de réglage PLICSCOM.
Bluetooth, également compatible avec les transmetteurs d’anciennes générations et ce depuis 2003.
Hitec développe une gamme complète de capteurs piézométriques spécifiques pour l'eau potable (capteur en inox 316L ACS), pour l’assainissement (capteur anti-adhérent en PTFE, câble en FEP), pour les forages avec un capteur de faible diamètre (15 ou 18 mm), un câble autoporteur sur de grandes longueurs (500 m), une tenue à de forte pression (50 bar) et pour les eaux industrielles (capteur et câble résistant aux acides, bases, hydrocarbures…). « Un capteur piézométrique doit être industrialisé de façon spécifique suivant le milieu dans lequel il sera immergé, prévient Jacques Bouchinet. De nombreux industriels ont cru qu'un capteur simple pour eau potable pouvait être utilisé n’importe où, ce qui a desservi cette technologie pourtant très adaptée à cette mesure. »
Modularité et systèmes packagés se développent
« Il n'y a pas de grandes innovations dans le domaine de la mesure de niveau depuis 20 ans. Par contre les critères de prix, de service, de délai ne cessent d’évoluer et nous obligent à faire évoluer les produits, les outils de fabrication et la logistique pour une amélioration permanente, souligne Jacques Bouchinet, Hitec, qui relève toutefois une demande croissante pour des enregistreurs autonomes pour des campagnes de mesure de niveau sur le terrain et des capteurs communicants ou reliés à des unités communicantes par GSM pour obtenir des informations en temps réel, éventuellement sur Smartphone pour des alarmes... ». Hitec propose déjà EPR40, un enregistreur de mesure de pression/niveau autonome sur un an ou plus avec 2 millions de données, mais l'entreprise développe actuellement une interface qui permettra à l'ensemble d’être autonome sur le terrain et d’envoyer des mesures par GSM ainsi que de déclencher des alarmes (haute, basse, fuite...) sur Smartphone. « La mesure de pression repose sur des technologies matures, confirme Max Fossey chez Krohne. L’essentiel des innovations intervenues ces dernières années repose sur les certifications SIL, sur le traitement du signal et le développement des bus de terrain. »
Des fabricants leaders dans le domaine des capteurs, des actionneurs et de la technologie de commande ont par ailleurs développé IO-Link, une interface standardisée et indépendante des bus de terrain, créée pour l’automatisation et permettant à l'utilisateur une connexion point à point sans adressage. « Il a tous les avantages des capteurs numériques et est aussi économique que les capteurs standards 4-20 mA, souligne-t-on chez ifm. Parmi ses autres atouts, une installation facile car les produits IO-Link sont plug and play, paramétrables en local et à distance et sans perte de précision du fait de la communication numérique, ce qui est essentiel pour les applications en niveaumétrie. »
L’essor des microtechniques pousse également vers davantage d'intégration et de modularité. Chez Krohne tous les transmetteurs Optibar PC, PM et DP reposent sur un concept modulaire et ont en commun des boitiers interchangeables, l’électronique, l’affichage et les modules de réglage. « Il est possible de répondre, avec une seule et même plateforme, aux différentes exigences telles qu’aux concepts de sécurité intrinsèque/antidéflagrant ou aux options de communication par 4...20 mA Hart, Foundation fieldbus ou Profibus PA » souligne Max Fossey.
Chez Vega, le concept Plics® permet d’individualiser les combinaisons, les caractéristiques et performances des capteurs en associant librement les éléments de mesure, raccords process, électro-
mentation 2 fils, explique Claude Schelcher. Cela augmente la fiabilité et la sécurité tout en réduisant les coûts ».
La simplification passe également par le développement de systèmes packagés dédiés à des applications prédéfinies. L’objectif est alors de simplifier et de sécuriser l’exploitation. C’est par exemple le cas de la solution de surveillance des pompes d’Emerson Process Management qui fournit un module de surveillance en temps réel des pompes. Ces solutions prédéfinies fournissent des données de diagnostic sous forme de tendances, de comptes rendus et d’analyses afin d’alerter les exploitants de problèmes potentiels contribuant à une défaillance, avant que ceux-ci ne se produisent. Modulables, elles permettent de choisir les pompes à surveiller. Si certaines pompes ont par exemple souffert de cavitation dans le passé, il est possible d’intégrer des capteurs de pression différentielle et de détection de vibration, ou d’élargir le niveau de protection en incluant une détection des fuites ou une mesure du niveau afin d’obtenir une meilleure visibilité sur les défaillances des joints. Sans fil, l’infrastructure est économique, facile à configurer et s’intègre de manière transparente à votre réseau existant de contrôle et de gestion des équipements.
Endress+Hauser propose également un système associant un capteur de pression hydrostatique avec module de pilotage alterné des pompes garantissant à l’exploitant un fonctionnement optimisé et sans risque de son groupe de pompage. « Le développement de capteurs autonomes et sans fils ouvre sans cesse de nouveaux champs d’application à la mesure de pression », estime Claude Schelcher.
« Les possibilités d’informations et de contrôles embarqués sont nombreuses mais pas toujours exploitées, souligne de son côté Luc Heusch chez Vega Technique. On observe également le développement d’une offre périphérique de capteurs dotés d’une carte Sim pour faire de la communication à distance, par exemple de la télégestion client/fournisseur ». Luc Heusch cite en exemple la gestion d’un stock de chlorure ferrique en station d’épuration qui peut se faire, soit par l’exploitant lui-même, soit via la mise en place par le fournisseur d’un capteur susceptible d’envoyer un signal déclenchant la livraison lorsqu’un niveau bas est atteint. « Dans la pratique, ce type d’application se développe en industrie, mais pas encore dans le domaine de l’eau ».
