1.2 Mesure de pression : manomètre, transmetteur, absolue, relative et différentielle

Une pression ne se mesure jamais « dans l'absolu » : on la compare toujours à quelque chose. La pression absolue se compare au vide parfait. La pression relative, dite aussi effective ou « gauge », se compare à la pression atmosphérique ambiante : c'est celle qu'indique la plupart des manomètres. La pression différentielle compare deux pressions du procédé, par exemple l'amont et l'aval d'un filtre.

Le décalage entre absolue et relative est l'atmosphère normale, soit 101,325 kPa (environ 1,013 bar). Exemple : un réseau d'air à 6 bar relatifs est à environ 7,01 bar absolus. Les unités qui expriment toujours une pression absolue (l'atmosphère, le torr) n'ont pas de version « relative ».

Les instruments les plus simples convertissent la pression en une force, donc en un déplacement. Trois éléments sensibles mécaniques dominent :

• le tube de Bourdon : un tube métallique élastique, cintré, qui tend à se redresser sous la pression interne ; il entraîne une aiguille par un petit mécanisme. La plupart des manomètres l'utilisent ;
• le soufflet, qui ressemble à un accordéon métallique et s'allonge quand la pression augmente ;
• la membrane, un disque mince qui se bombe sous la pression. La plupart des transmetteurs de pression en sont équipés.

Ces trois éléments peuvent mesurer une pression relative, absolue ou différentielle. Il suffit d'exposer la seconde face de l'élément à une autre pression (mesure différentielle) ou à une chambre sous vide (mesure absolue). Pour une mesure relative, la seconde face est tout simplement à l'air libre.

Le manomètre donne une lecture locale, sans énergie ni signal. Il rend un service précieux à côté du transmetteur : il permet de vérifier au pied de l'installation, en quelques secondes, la valeur affichée en salle de contrôle.

Pour envoyer la mesure à un régulateur, on remplace l'aiguille par un élément qui produit un signal électrique. Plusieurs technologies cohabitent :

• le capteur piézorésistif (jauge de contrainte) : une résistance collée sur la membrane dont la valeur varie quand elle se déforme. Les modèles métalliques peuvent perdre leur justesse après une surpression, car le métal fatigue et peut « fluer » au-delà de sa limite élastique. Les jauges en silicium sont plus linéaires ;
• le capteur capacitif : une membrane sensible, placée entre deux plaques fixes, forme deux condensateurs. Une différence de pression la fait fléchir et modifie leurs capacités. Un liquide d'isolement, de type huile silicone, transmet la pression et sert aussi de diélectrique ;
• le capteur à élément résonant, dont la fréquence de vibration dépend de la contrainte.

Le transmetteur convertit ensuite cette grandeur électrique en signal normalisé : 4-20 mA analogique (chapitre 2.3), éventuellement enrichi du protocole HART, ou signal numérique de bus de terrain.

Retenez une règle de prudence : la surpression est le premier ennemi d'un capteur de pression. Un coup de bélier ou un test hydraulique de ligne peuvent dépasser la limite de surcharge du capteur ; l'appareil continue d'afficher une valeur, mais sa justesse n'est plus garantie. Après toute surpression suspectée, il est prudent de contrôler l'étalonnage (chapitre 4.1).

Le transmetteur différentiel dispose de deux ports : « H » (haute) et « L » (basse). Il ne mesure que l'écart entre les deux pressions, quelle que soit leur valeur absolue. Appliquer 10 bar d'un côté et 9 bar de l'autre donne exactement le même signal qu'appliquer 1 bar d'un côté et laisser l'autre à l'air libre.

Cette polyvalence en fait l'instrument le plus répandu en instrumentation de procédé. Selon la façon dont on raccorde les ports, le même appareil mesure :

• une perte de charge : colmatage d'un filtre (prise H à l'amont, prise L à l'aval : plus le filtre se colmate, plus le signal monte), encrassement d'un échangeur ;
• une pression relative (port L à l'air libre) ou une pression absolue (port L fermé sur une chambre sous vide) ;
• un débit, par la chute de pression créée par un organe déprimogène (chapitre 2.1) ;
• un niveau, par la pression hydrostatique d'une colonne de liquide (chapitre 2.2).

Les tubes qui relient le transmetteur au procédé s'appellent les lignes d'impulsion (ou prises de pression). Ils transmettent la pression sans la modifier, à condition de rester propres, étanches et sans poche d'air ni de liquide parasite : une ligne bouchée ou mal purgée donne une mesure lente, figée ou décalée.

Un transmetteur de pression ne se raccorde presque jamais en direct. Le manifold (bloc de vannes) permet de l'isoler du procédé pour le contrôler ou le remplacer sans arrêter l'installation.

• Manifold à 3 vannes pour un différentiel : une vanne d'isolement côté haute pression, une côté basse pression, une vanne d'égalisation entre les deux. Un purgeur évacue la pression piégée.
• Manifold à 5 vannes : même principe, avec une purge intégrée qu'on peut déporter à un endroit sûr plutôt que de vider le fluide sur le transmetteur.
• Bloc d'isolement et de purge pour une mesure relative : une vanne d'isolement et une vanne de purge.

Deux règles sont à connaître par cœur. Pour isoler un transmetteur différentiel, on ferme d'abord la vanne haute pression, on ouvre l'égalisation, on ferme la vanne basse pression, puis on ouvre la purge en dernier : ainsi l'appareil n'est jamais soumis à une forte pression différentielle et la pression piégée est aussi faible que possible. Et surtout, l'égalisation ne doit jamais être ouverte alors que les deux vannes d'isolement le sont : le fluide du procédé passerait de la haute à la basse pression, avec le risque d'atteindre le transmetteur et de blesser l'intervenant (vapeur, fluide chaud).

D'autres accessoires protègent l'instrument selon le fluide :

• manomètre rempli de glycérine ou d'huile pour amortir les vibrations et les pulsations modérées ;
• amortisseur de pulsations (restriction à l'entrée de l'appareil, par exemple une vanne pointeau mi-ouverte) : elle filtre les pics de pression, mais elle peut se boucher avec des impuretés et rendre la mesure lente ;
• séparateur à membrane relié par un capillaire rempli d'un liquide de transfert : il isole l'instrument du fluide du procédé, par exemple en agroalimentaire où un tube de raccordement stagnant favoriserait la prolifération de micro-organismes ;
• ligne d'impulsion remplie d'un liquide neutre : elle crée sa propre pression selon la différence de hauteur avec le point de prise, ce qui impose un décalage de zéro volontaire à l'étalonnage.

La plupart des mesures de pression fausses viennent de l'installation, pas du capteur. Trois contrôles évitent l'essentiel des déconvenues.

• La prise de pression. Elle doit être au bon endroit, bien dégagée, avec une vanne d'isolement. Vérifiez le sens (haut et bas d'un différentiel) et l'absence de poche d'air (en liquide) ou de condensat (en gaz).
• Le zéro. Une ligne d'impulsion remplie de liquide exerce sa propre pression selon la différence de hauteur entre le point de prise et l'appareil : cette valeur ne vient pas du procédé. On la compense par un décalage de zéro volontaire, noté dans le dossier d'étalonnage.
• La compatibilité. Matériaux de la membrane et des joints avec le fluide, limite de surpression, température maximale du procédé et de l'environnement.

Un test simple permet de contrôler un différentiel en quelques minutes : fermer les deux vannes d'isolement et ouvrir l'égalisation pour obtenir 0 de pression différentielle. L'instrument doit alors lire zéro. Si ce n'est pas le cas, il faut le réétalonner ; s'il le fait, son étalonnage est probablement correct sur toute la plage.