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Mesures en environnements haute température

Téléchargez ce guide en pdf sur les solutions adaptées aux mesures en haute température.

INTRODUCTION

Pour choisir un capteur de vibrations fiable et précis, il y a de nombreux paramètres à prendre en compte. Parmi les influences telles que la réponse en fréquence, la déformation de la structure, le montage, la présence de bruit important, d’humidité, de champs magnétiques, etc., la température revêt une importance dans nombre d’applications. Que ce soient des températures très basses, des températures très élevées, ou des variations de température.

Pour les mesures de vibrations, PCB Piezotronics propose différentes technologies, qui ont toutefois des comportements différents dans des applications haute température :
■ les technologies résistives (jauges de contrainte collées ou Mems / silicium micro-usiné) se caractérisent par une plage de températures assez limitée, du fait d’un amortissement à l’huile pour les capteurs à jauges de contraintes collées ;
■ la technologie piézoélectrique est compatible avec des températures cryogéniques et allant jusqu’à +650 °C ou +700 °C. La plage de températures est toutefois limitée avec un capteur piézoélectrique à électronique intégrée (IEPE ou ICP®) en raison de la présence de composants électroniques (un amplificateur de charges) bien plus sensibles à la température.

UNE CONSTRUCTION EN CISAILLEMENT POUR L’ÉLÉMENT SENSIBLE

Il existe deux méthodes de construction principales, en fait de sollicitation du cristal de quartz (l’élément sensible), pour un accéléromètre piézoélectrique :
■ en compression, c’est-à-dire un écrasement de strates superposées du matériau cristallin (cette compression nécessite une pré-contrainte) ;
■ en cisaillement, c’est-à-dire un effort tangentiel à une surface ou un plan, via des masses latérales situées de part et d’autre, ou d’un seul côté.
Les capteurs piézoélectriques mis en œuvre dans des applications haute température travaillent essentiellement avec un montage en cisaillement, et ce pour plusieurs raisons :
■ une meilleure fréquence de résonance, au détriment de la sensibilité ;
■ un assemblage moins sensible aux sollicitations en transverse et donc à un signal d’erreur supplémentaire ;
■ des avantages dans les environnements à température élevée.

RACCORDEMENT « SINGLE-ENDED » OU DIFFÉRENTIEL

Pour un accéléromètre piézoélectrique avec construction en cisaillement, il existe deux interfaces possibles de raccordement :
■ Raccordement « single-ended », ou référence commune : le cristal de quartz est raccordé au conducteur central d’un câble coaxial, la masse étant connectée au corps métallique du capteur et le corps à la tresse du câble (la mesure se fait par comparaison entre la tresse et le conducteur central) ;

■ Raccordement différentiel : les électrodes sont isolées du corps du capteur et ont leur conducteur dédié dans le câble, le corps du capteur et la masse étant reliés à la tresse du câble et servant de cage de Faraday.

Chacun des deux raccordements a évidemment ses avantages et ses inconvénients :
■ Le raccordement « single-ended » par câble coaxial est standard et plus simple, même s’il y a beaucoup de précautions à prendre parce que le raccordement est sensible au bruit et aux potentiels de la structure, et qu’il est plus exposé aux perturbations EMI/RFI et aux boucles de masse ;
■ Le raccordement différentiel permet un isolement total des fils de mesure, une meilleure protection contre les perturbations (les deux conducteurs subissent de la même façon les champs magnétiques ou l’environnement), et un équilibre des deux conducteurs.
Au-delà du raccordement, il faut également s’intéresser aux câbles coaxiaux eux-mêmes. Les modèles à isolation minérale
peuvent travailler à des températures supérieures à +500 °C, et la fabrication de câbles à deux conducteurs avec tresse sera
plus compliquée pour tenir de telles températures.

IDENTIFIER LES ÉCHANGES THERMIQUES

Dans un environnement où la température est élevée, deux types d’échanges thermodynamiques se déroulent principalement au sein d’un accéléromètre :

■ La conduction thermique : lorsque la base du capteur se trouve à une température élevée, suite à l’apparition d’un point chaud sur la structure, un gradient de température peut se créer par conduction entre les différents composants de l’accéléromètre. Avec une construction en compression, ce gradient a une conséquence directe sur les strates du cristal et les éléments de l’assemblage. Cela se traduit par la génération de sollicitations mécaniques sur l’élément sensible, perçues comme des erreurs de mesure supplémentaires potentielles. Comme un montage en cisaillement est plus isolé de la conduction (déport des parties cristallines et des masses par rapport à la structure, propagation homogène du gradient thermique), les dilatations et les contraintes associées ont une incidence plus faible ;

■ Le rayonnement thermique : dans l’environnement extérieur, bien souvent de l’air, une ou plusieurs sources de chaleur rayonnent, d’où la formation possible de gradients de température dans l’accéléromètre. Contrairement à la conduction thermique, les deux constructions (en compression et en cisaillement) se comportent d’une manière homogène et similaire. En pratique, le ou les points chauds ne sont pas forcément répartis de manière homogène par rapport au capteur. Et il peut arriver, dans certains cas, que la conduction thermique et le rayonnement se combinent, rendant les choses encore plus complexes. Il est important de rappeler que, sur certains essais, un capteur peut dériver en température, puis se stabiliser à un nouveau palier. Tout le système est alors imprégné à la même température. Mais si les variations de température sont très rapides, il devient très compliquer de les compenser. Un système de refroidissement par air, par eau, etc. peut être mis en oeuvre, juste pour limiter la température d’exposition.

EFFET PYROÉLECTRIQUE ET CRISTAL UHT-12

Un cristal peut réagir suivant des variations de températures, des contraintes mécaniques et des variations de charges électriques. L’effet pyroélectrique – on utilisait déjà des cristaux de Tourmaline pour cet effet dans la Grèce antique – correspond à un changement de polarité d’un cristal lorsqu’il est soumis à une variation de température. Dans le cas d’un capteur piézoélectrique, où une contrainte mécanique est l’image de l’accélération, le signal correspondant à la variation de température se superpose à celui de la vibration que l’on veut mesurer, sans que l’on puisse séparer les deux composantes du signal de sortie. D’où une erreur de mesure supplémentaire. Pour s’affranchir le plus possible de l’effet pyroélectrique et répondre ainsi aux applications haute température, PCB Piezotronics a développé le cristal naturellement piézoélectrique UHT-12 :

■ Construction et production à façon ;
■ Plage de température : -55 à +650 °C pour les accéléromètres standard ;
■ Sollicitation du cristal en cisaillement isolé de la base ;
■ Perturbations réduites issues des accélérations transverses ;
■ Perturbations réduites issues de l’effet pyroélectrique ;
■ Signal de sortie faiblement perturbé par des variations de température dynamiques.

En plus des accéléromètres haute température, le cristal UHT-12 est également mis en œuvre dans des capteurs de pression (en compression) et des capteurs LTC (Low Temperature Coefficient) intégrés dans des accéléromètres ICP® de grande stabilité.

EXEMPLES D’APPLICATIONS HAUTE TEMPÉRATURE

Pour les essais HALT / HASS (Highly Accelerated Life Test / Highly Accelerated Stress Screen), les solutions privilégiées sont des accéléromètres ICP® avec un faible coefficient de température inférieure à 0,020 %/°C (UHT-12) et une plage d’utilisation de -70 °C à +180 °C :
■ l’accéléromètre mono-axial 320C52 : 10 mV/g, 25 kHz de bande passante, 1,85 g, Forme “goutte d’eau” ;
■ l’accéléromètre tri-axial 339B31 : 10 mV/g, 11 kHz de bande passante, 4,2 g, 10,2 mm d’arête.

Pour les essais de freinage au-delà de +180 °C, il est nécessaire d’utiliser des capteurs à sortie charge (sans électronique intégré) :
■ les accéléromètres mono-axiaux 7240C (1 000 g, 20 kHz) et J357B03 (2 000 g, 18 kHz), les accéléromètres tri-axiaux 340A50 (1 000 g, 10 kHz) et 356A71 (500 g, 7 kHz), pour les températures jusqu’à +260 °C ;
■ l’accéléromètre mono-axial 357A63 (5 000 g, 10 kHz), l’accéléromètre tri-axial EX356A73 (500 g, 4 kHz), pour les températures jusqu’à +460 °C.

Pour les mesures effectuées sur des turbines d’avions, PCB Piezotronics recommande des capteurs à sortie charge supportant des températures respectives jusqu’à +538 °C ou +650 °C :
■ l’accéléromètre 357B63 : 10 mm d’arête, 5,8 g, boîtier isolé ;
■ les accéléromètres 357A64 et 357M168 (12 x 22 mm, 15 g, boîtier isolé), ainsi que 357A9x (14 x 24 mm, 45 g, boîtier isolé).

PCB Piezotronics et ses différentes marques

Luc Migeon, ingénieur d’applications chez PCB Piezotronics France, et Philippe Briquet, responsable des ventes A&D chez PCB Piezotronics France. PCB Piezotronics développe et fabrique des solutions de mesure de grandeur physique, sous différentes marques :

  • accéléromètres piézoélectriques/Mems,
  • capteurs de pression piézoélectriques/ piézorésistifs,
  • capteurs de force piézoélectriques et à jauge de contraintes,
  • microphones de mesure (PCB Piezotronics),
  • accéléromètres piézoélectriques/Mems,
  • capteurs de pression piézorésistifs(Endevco),
  • produits industriels basés sur la technologie piézoélectrique (IMI Sensors),
  • pots vibrants et des stations d’étalonnage (The Modal Shop),
  • sonomètres et des dosimètres (Larson Davis).

CONCLUSION

Pour conclure, les mesures de vibrations en environnements haute température nécessitent des technologies spécifiques pour garantir des résultats fiables. PCB Piezotronics conçoit pour ce faire, des capteurs piézoélectriques et piézorésistifs capables de résister à des conditions extrêmes tout en assurant des mesures précises. Les solutions présentées dans ce document permettent de surmonter les défis thermiques, qu’il s’agisse de conduction ou de rayonnement. Pour les industries nécessitant des mesures de haute précision dans des environnements thermiquement contraignants, ces capteurs sont essentiels.

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