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Capteurs

de pression et baromètres de précision

Mardi 27 mai 2oo8

actuelles des capteurs de pression. Projet tutoré

1ère année

Tuteur du projet : M. Pierre Bezborodko

BENE Samuel

BARROS Anthony

CORREA Loup

HUA Yi

SANKAI Tang

VALLON Cécile

VERDIER David

Département Mesures

Physiques

Projet Tutoré N°9 Capteur de pression et

baromètre de précision

1ère Année

2007 - 2008

2 aidés tout au long de ce projet, en particulier M. Bezborodko, responsable de notre projet et M. Pichon, directeur du laboratoire météorologique physique.

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Sommaire

I. Introduction ..............................................................................................................4

II. Historique de la pression ..........................................................................................5

A. .....................................................................................5

B. Les travaux de Blaise Pascal .................................................................................5

C. Les retombés des découvertes de Torricelli ...........................................................6

III. ? ....................................................................................7

A. Définition thermodynamique ................................................................................7

B. Autres définitions..................................................................................................7

C. Les différents types de pression et leur utilisation..................................................8

D. Les unités et leur application technique .................................................................8

IV. Les capteurs de pression et les baromètres.............................................................9

A. Les capteurs utilisés au département Mesures Physiques .......................................9

B. La correction du baromètre de précision .............................................................. 11

C. Les différents types de baromètres ...................................................................... 12

D. Les baromètres-altimètre du commerce ............................................................... 17

V. La pression en chine ............................................................................................... 19

VI. Application pratique............................................................................................ 20

A. La visite du LaMP .............................................................................................. 20

B. Evolution de la pression entre le Campus et le Puy de Dôme ............................... 22

VII. Conclusion .......................................................................................................... 24

VIII. Bibliographie ...................................................................................................... 25

Le sommaire des annexes se trouve à la page 26.

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I. Introduction

La pression est un paramètre très connu et étudié de nos jours. En effet, ne serait-ce que

dans des installations de chauffage ou autres, la pression est déterminante e, parfois très exactement, grâce à des capteurs de pression ou des baromètres.

Pour cela, d

Physiques, nous allons étudier les capteurs de pression et les baromètres de précision.

cet historique. Dans une deuxième partie, nous définirons la pression et étudierons ses

principales applications techniques. Les parties suivantes concernent les matériels utilisés

pour mesurer cisément en Chine. Pour finir trouve notre institut, et le Puy-de-Dôme. Capteur de pression (pressostat) haute technologie

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II. Historique de la pression

Torricelli était un physicien et mathématicien Italien. Dans les années 1640, il reprend les travaux de Galilée, dont il est dix mètres au dessus du niveau du fleuve Arno.

Il a alors une idée : Torricelli remplace

expérimenter.

A. LTorricelli

Torricelli remplit complètement un tube de mercure, le renverse sur un bassin, lui aussi rempli de mercure. Il constate alors que 76 cm de mercure restent dans le tube. Deux forces se compensent exactement à la surface du tube : le poids de la Cette dernière est la pression atmosphérique. Toricelli constate ainsi que si le mercure est remplacé par de fontainiers Florentins. Il émet donc cette première hypothèse : les couches d'air exerçent par leur poids une véritable pression sur le mercure de la cuve et cette pression provoque l'ascension du mercure dans le tube. Il en déduit que cet appareil peut ainsi mesurer les variations de cette pression :

B. Les travaux de Blaise Pascal

1. Première Expérience de Blaise Pascal

Torricelli communique ses découvertes au Père Mersenne qui entretient une liaison, avec entre, des autres savants de son temps dont Pierre Petit qui en informe Blaise Pascal et décide

colonne de mercure est liée à la pression atmosphérique, alors cette hauteur doit varier avec

Figure 1 : Evangelista Torricelli

Figure 2 :

de Torricelli

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Résultats sur une colonne de 1m :

-Clermont-Ferrand (460 m):71,2 cm de mercure (950 hPa) -Puy de dôme (1464 m);62,7 cm de mercure(836 hPa)

2. Deuxième expérience de Blaise Pascal :

Cette expérience consiste à prendre un tuyau de verre de 46 pieds de long (environ 14 m) ayant un bout ouvert et l'autre scellé. Pascal le remplit de vin rouge et le renverse perpendiculairement à l'horizon pour que l'ouverture du tuyau soit vers le bas. Il constate alors que le vin dans le tuyau descend à une

1003 cm correspondant à un vide de 396 cm. Il

remarqua aussi que si on inclinait le tuyau jusqu'à la hauteur de

975cm, le tuyau se remplissait complètement.

Il refait l'expérience avec plusieurs autres instruments tels que des seringues, des soufflets ou des siphons de longueurs et formes diverses. Il essaye aussi plusieurs substances comme du vif-argent, de l'eau, du vin, de l'huile, de l'air, etc.

3. Ses conclusions

- L'espace vide n'est pas rempli d'air extérieur et l'air ne peut entrer par les pores du verre. - Le tuyau n'est pas plein d'air, comme plusieurs philosophes l'affirment. Ils soutiennent que l'air est enfermé dans tous les corps ou dans les liqueurs. - Le tuyau n'est pas plein d'air, il n'y a pas d'air qui a été coincé entre le verre et la liqueur. Il n'y a pas d'air non plus qui a pu entrer par la faute d'un doigt qui a mal fermé le tuyau avant de le renverser. - Il n'y a pas de vapeur de liqueur qui a pu se condenser et remplir l'espace vide. - Le tuyau n'est pas plein des esprits de la liqueur. - L'espace vide n'est rempli d'aucune matière connue dans la nature. Par ces affirmations, Blaise Pascal prouva qu'aucune substance n'était contenue dans le tuyau, il était bel et bien vide. C. Les retombés des découvertes de Torricelli Les premières approches de Torront laissé place à de nombreuses controverses , à savoir : " la Nature a

horreur du vide ». Mais les expériences de Blaise Pascal étant tellement convaincantes, celui-

ci n'a aucun mal à persuader les scientifiques du moment *Une frise chronologique est en annexe 1 page 27

Figure 3 : Blaise Pascal au

Puy-de-Dôme en 1645

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III. ?

A. Définition thermodynamique

gaz. On a pour habitude de parler de la pression en terme atmosphérique -ce que la pression du point de vue de la thermodynamique des particules ? Prenons un volume de dimensions connues, possédant un certain nombre de molécules. rapport aux autres érisée par la température. Plus

parois. Ces chocs molécules-parois définissent la pression. Plus il y a de chocs, plus la

pression est élevée dans ce volume. Autre remarque, si la température diminue, il y a plus de place dans le volume et donc un nombre plus important de molécules peut rentrer.

B. Autres définitions

définitions. Nous citerons les deux suivantes : ¾ P = F / S avec P en Pascal (Pa), F en Newton (N), et S en m². Cette équation, très précédent : " la pression est le rapport de la force sur la surface considérée ». ¾ Une autre définition connue est celle de la pression atmosphérique. Elle définie par le poids de la située au dessus de la surface considérée. Si le ciel est dégagé, dizaines de kilomètres de hauteur. nous diminue de hauteur. Ainsi la force exercée est plus faible, et pour la même surface considérée, la pression diminue.

Figure 4 :

particule dans un volume

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8 C. Les différents types de pression et leur utilisation s de la physique, on utilise la pression. Mais celle-ci possède différents types :

¾ La pression absolue (pression

nulle) gaz.

¾ La pression relative

par exemple la pression atmosphérique est exprimée par rapport à la pression au niveau de la mer qui vaut environ 1013,25 hPa à 15 °C. pression couramment employé par les gens et les cartes météorologiques : Une signifie beau temps au-delà de 1020 hPa.

¾ La pression différentielle

Elle peut être négative. Ce type de pression est très utilisée en laboratoire pour du temps. Une remarque concernant les baromètres : de nos jours, ils utilisent place du mercure, car il est beaucoup moins polluant.

D. Les unités et leur application technique

t leur conversion est en annexe 2 page 27.

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IV. Les capteurs de pression et les baromètres

A. Les capteurs utilisés au département Mesures Physiques -Ferrand utilise des baromètres, des manomètres, ainsi que des baromètres de précision. Nous allons effectuer un bref inventaire

1. Le baromètre de précision à Fortin

liquide (Photo 1). Il est possible zéro (Photo 2) grâce à une petite molette située en dessous.

Sa précision est 10-2

parfois nécessaire pour parvenir à lire la bonne graduation. étalonné, lors de sa conception, à 0°C. Ce qui implique une ; Ce problème sera

étudié par la suite.

2. Le baromètre / manomètre types Bourdon :

Il mesure en

général des pressions relatives à la pression atmosphérique en bar. Le manomètre de la Photo 3, qui est en fait un vacuomètre, mesure les pressions inférieures à la pression atmosphérique. Il est en général fixé à une canalisation.

Photo 2 : Le réglage de zéro

Photo 1 : Le baromètre Fortin

Photo 3 : Vacuomètre de la salle de

mécanique des fluides

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Le manomètre de la Photo 4 mais aussi

dans quasiment toutes les installations de plomberie, mesure supérieure à la pression atmosphérique. Celui- le temps. Le mécanisme intérieur de ce manomètre sera expliqué dans la prochaine partie.

3. Les baromètres à déformation de

liquide : ¾ Les baromètres relatifs (ou différentiels) Ces baromètres utilisent différents fluides pour mesurer la différence de pression entre deux cavités. Celui de la Photo 5 utilise du mercure et possède une de ses extrémités ouverte à la pression atmosphérique. Ce dispositif permet donc de mesurer une pression relative à P0. Le baromètre incliné de la Photo 6 utilise un fluide composite de couleur rouge éthylique. Il mesure quant à lui la différence de pression entre deux cavités avec une excellente précision mais sans donner la pression absolue de chacunes s.

Photo 4 : Manomètre classique

Photo 5 : Baromètre différentiel de la

salle de TP de thermodynamique Photo 6 : Baromètre différentielle incliné

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¾ Les baromètres absolues

, interdit relatif au vide. Ils donnent donc une valeur de pression très dépendant principalement de la manière dont le vide à été effectué (manipulation difficile). mesures s

Remarque :

de baromètres, utilisés pendant longtemps dans les stations météorologiques, appelé barographes, qui permettent

B. La correction du baromètre de précision

Dans le cadre du projet nous devions réétalonner le baromètre Fortin de précision dont

En effet celui-

mesures de pression à température ambiante.

Ce problème a été enrayé par notre groupe : nous avons contacté le fabriquant en lui

demandant les caractéristiques us avons alors appris

que celui-ci était étalonné, lors de sa fabrication, à 0 ° Celsius. Ce qui implique une correction

lecture à 20 °C.

Cette formule est la suivante :

où t tBCt.1 ED B = Valeur indiquée par le baromètre à t (°C) Į -4 : coefficient de dilatation cubique du mercure ȕ -4 : coefficient de dilatation linéaire de l'échelle t = température de mesure en °C

Photo 7 : Zone de vide du

baromètre

Photo 8 : Baromètre atmosphérique

classique avec dispositif de réglage

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12 Calcul de la valeur du coefficient de dilatation à 20°C : Ct = - B ×(1,818.10െ4െ 0,184.10െ4)×20

1+1,818.10െ4×20 = - B ×3,256.10െ3

Pour une pression de 980 hPa la correction donne - 3,19 hPa, ce qui est conforme aux observations habituelles (cf. annexe 3 page 29).

C. Les différents types de baromètres

1. A déformation de solide

dire ceux qui utilisent la force de la pression pour déformer un métal tel que le cuivre. Le dispositif ci-dessus est relié à la source de pression via des tubes, tuyaux ou autres. La le épreuve est souvent une membrane solide déformable et de

caractéristiques bien connues. Sa déformation est reliée à un cadran de mesures via une

Remarque

principalement de condensateur, schématisé ci dessous :

¾ Membrane lâche

¾ Membrane corugée

¾ Plaque encastrée

¾ Capsule plane

¾ Soufflet

¾ Tube de Bourdon La transmission :

¾ A levier

¾ Par secteur

sdentés

¾ Hélice

Transmission

Boitier

Pression Figure 5 : Schéma général

Plaque Mobile

Plaque Fixe

ο݄ V Figure 6

capteur capacitif

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Avantages et Inconvénients :

Les baromètres à déformation de solide sont faciles à raccorder et non-polluants (canalisation, filetages). Pour cette ils sont très utilisés en industrie.

Problème, ils sensible à tous les paramètres qui déforment irréversiblement les solides :

™ La température : sensible aux chocs de température, pour contrer ce phénomène on peut utiliser un serpentin réfrigérant, une cavité tampon ou calorifuger le ™ La pulsation : phénomène nuisible surtout pour les tubes de Bourdon, il faut amortir capillaire. ™ Les vibrations : nécessite un support élastique, on peut remplir le manomètre de liquide (huile). ™ Les fluides corrosifs : utilisation de manomètre spéciaux, de solution tampon (huile) avec séparateur de fluide. ™ Hystérésis : frottement, jeux mécaniques.

La pression est caractéristique du lieu géographique où elle est mesurée, ce qui implique

Les différents capteurs à déformations de solide : Le baromètre ci-contre est utilisé à un usage domestique pour avoir une idée de la variation du temps dans les prochaines heures ; tube de bourdon. Ce dernier est détaillé sur la photo ci-dessous.

Figure 7 et 8 :

manomètre à tube de bourdon (gauche) et à membrane (droite) Photo 9 : Baromètre domestique météorologique

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2. A déformation de fluide

Dans un deuxième temps nous étudions les baromètres à déformation de fluide. Grâce à ce

type de capteurs, on peut mesurer des pressions relatives, différentielles et même absolues. La limite de pression est due à la hauteur du tube pour le fluide qui restreint les pressions entre -1 et 2 mais aussi que leur précision est assez fia utilisés principalement en laboratoire ou

Pour étudier les pressions aux différents points considérés, on va se servir du principe de

a. Le tube piézométrique.

Le liquide dans le tube possède une

masse volumique . ߩ+ܣܲ݃Vߩ+ܯܲ=ܣ݃Vܯ ߩ+ܣܲ=ܯܲ݃(ݖܣെVܯ b. Le tube en U à branches de même diamètre.

Mesure de la pression relative :

Le liquide manométrique a une masse

volumique m. Le gaz, une masse volumique

On a une égalité avec PB donc on remplace :

Il y a une simplification possible si le fluide

en question est un gaz car <Figure 9 : Le tube piézométrique

Figure 10 : Le tube en U

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15 Mesure de la pression différentielle dans un fluide de masse volumique :

Le liquide manométrique a une masse

volumique m. Le gaz, une masse volumique fondamental de ߩ+ܯܲ݃Vߩ+ܣܲ=ܯ݃Vܣ

On regroupe les différentes équations

pour obtenir : Mesure de la pression différentielle dans un liquide de masse volumique avec un tube en U retourné :

La pression emprisonnée par les deux

liquides est inutile et ne nous intéresse pas ici (pression constante). ߩ+ܯܲ݃Vߩ+ܣܲ=ܯ݃Vܣ

On obtient donc :

Figure 11 : Le tube en U différentiel

Figure 12 : Le tube en U différentiel

renversé

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Le manomètre à réservoir :

Le liquide manométrique a une masse

volumique m. Le gaz, une masse volumique

Ce manomètre est considéré comme un

tube en U pour une branche ayant une section

Donc nous obtenons la même équation :

liquide se trouve en un niveau de référence O. Lorsque la pression augmente en M, le liquide va Or : #:VܥെVܱ #A Finalement, on obtient : ܯܲെ2ߩ=ܥ݉݃D@1+ܽ c. Micromanomètres.

Le manomètre à tube incliné :

Ces manomètres ont été créés car sa sensibilité augmente certain angle. est de

10°, la sensibilité est multipliée par 5,8.

Figure 13 : Le manomètre à réservoir

Figure 14 : Le manomètre à tube incliné

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Le manomètre à deux liquides :

deux liquides non miscibles de masses volumiques cm et sm.

Lorsque zA=zD, on applique le principe de

nt :

ܯܲെ2ߩ+ ܰ݃:VܯെVܰ

plus grande que les masses volumiques sont proches.

Par exemple, le couple aniline-eau, on a :

U = 24 kg.m-3,

D. Les baromètres-altimètre du commerce

Seront présentés dans cette partie les altimètres électroniques de poche ou de poignet, qui sont les modèles les plus répandus dans le commerce. Ces microprocesseur qui analyse cette mesure et en

1. Fonctionnement

Pour une situation météorologique donnée, la pression atmosphérique varie en fonction de

ܲ:D;=ܲ

60൰

[)N=@:6;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,&[M P0 et T0 sont respectivement la pression et la température au niveau de la mer.

Mair .

pression mesurée par le capteur de pression)

Figure 15 : Le manomètre à deux liquides

Photo 10 : Montres altimètres

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18 enregistrée dans le microprocesseur est fonction des valeurs standards données par

288)(5,25)

On peut en déd :

݄=288

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