Courbe caractéristique, hystérésis, erreur de mesure : la terminologie des technologies de mesure de la pression

STS Sensors: Les premières sources de données auxquelles se réfèrent les utilisateurs de technologies de mesure de la pression sont souvent les fiches techniques fournies par les fabricants. Ce qui va être tout particulièrement intéressant pour eux, ce sont généralement les données relatives à la précision. Dans ce contexte, un grand nombre de termes différents apparaissent, dont la compréhension est primordiale pour pouvoir juger correctement des performances d'un instrument de mesure donné.

Sur la question de la précision, on peut dire avant tout que le terme même de précision n'est pas défini de façon standardisée. Ce n'est toutefois pas le cas pour la terminologie associée aux spécifications de précision : courbe caractéristique, hystérésis, non-linéarité, non-répétabilité et erreur de mesure. Nous allons expliquer brièvement ces différents termes dans ce qui suit.

Courbe caractéristique

La courbe caractéristique indique la dépendance entre le signal de sortie (valeur mesurée) et le signal d'entrée (pression). Dans un scénario idéal, la courbe caractéristique serait une ligne droite.

Non-linéarité

Le plus grand écart (positif ou négatif) qui existe entre la courbe caractéristique et une droite de référence est décrit sous le nom de non-linéarité. La droite de référence peut elle-même être déterminée selon trois méthodes différentes : Ajustement du point final, régression linéaire optimale et meilleur ajustement par l'origine. Chacune de ces méthodes donne des résultats différents, l'ajustement du point final étant la méthode la plus communément employée en Europe. Avec cette méthode, la droite de référence passe par le point initial et le point final de la courbe caractéristique.

Erreur de mesure

L'erreur de mesure ou erreur de mesurage décrit l'écart entre la valeur affichée et la valeur « correcte ». Cette valeur « correcte » est la valeur idéale, qui dans la pratique ne peut être obtenue qu'avec un appareil de mesure extrêmement précis dans les conditions de référence, comme c'est le cas pour le standard principal utilisé lors de l'étalonnage. L'erreur de mesure est exprimée soit sous forme d'erreur absolue, soit sous forme d'erreur relative. L'erreur absolue est donnée avec la même unité que celle de la valeur mesurée, tandis que l'erreur relative se rapporte à la valeur correcte et n'a pas d'unité.

Erreur de point zéro et erreur d'étendue

Dans la production de capteurs, il y a des écarts avec le dispositif de référence (standard). Les erreurs de mesure au début de la plage de mesure et à la fin de la plage de mesure sont appelées erreur de point zéro et erreur d'étendue. L'erreur d'étendue se rapporte à la différence entre les deux valeurs. L'erreur de point zéro est la différence entre le point zéro idéal de la droite caractéristique ciblée et la valeur de sortie effective de la courbe caractéristique réelle.

L'erreur de point zéro peut être lue facilement par l'utilisateur dans des conditions non pressurisées. Afin de l'éliminer, l'utilisateur doit alors la saisir comme valeur de décalage dans l'unité d'évaluation. L'élimination de l'erreur d'étendue est un peu plus difficile, puisque la pression mesurée à la fin de la plage de pression doit être obtenue le plus précisément possible.

Hystérésis

La valeur mesurée affichée dépend non seulement de la variable d'entrée (ici, la pression), mais également des valeurs mesurées précédemment à partir de la variable d'entrée.

Si la courbe caractéristique de l'appareil de mesure est enregistrée avec une pression qui augmente de façon continue, puis qu'on la compare à la courbe caractéristique obtenue avec une pression qui décroît de façon continue, on peut remarquer que les signaux de sortie, alors que les pressions sont identiques, ne sont pas tout à fait identiques quant à eux. L'écart maximal entre ces deux courbes caractéristiques est nommé « hystérésis », et on l'exprime sous forme de pourcentage de l'échelle complète (% FS).

Non-répétabilité

Même lorsque les mesures sont effectuées dans des conditions identiques, les transmetteurs de pression électroniques sont soumis à des influences stochastiques, ce qui fait que le signal de sortie n'est pas identique pour les mêmes valeurs de pression lorsque l'on répète la mesure. L'écart le plus important sur trois mesures successives prises avec la même direction d'approche est alors exprimé sous forme de « non-répétabilité ». Un appareil de mesure de pression fiable est reconnu par les utilisateurs à cela qu'il présente la non-répétabilité la plus faible possible.

De la même façon que pour l'hystérésis, il n'est pas possible de compenser la non-répétabilité.

Erreur de température

Les changements de température affectent directement les caractéristiques d'un capteur de pression. La résistance électrique des semi-conducteurs, comme ceux utilisés dans les transmetteurs de pression piézo-résistifs, décroît lorsque la température augmente, par exemple. Les fabricants optimisent donc leurs produits au moyen de l'équilibrage de la caractéristique thermique. Les erreurs liées à la température sont soit compensées directement au niveau du capteur, soit compensées électroniquement. Certains appareils ont également un capteur de température qui compense directement ces erreurs liées à la température. Quoi qu'il en soit, de telles erreurs ne peuvent être que minimisées ; il n'est pas possible de les éliminer complètement. L'erreur de température résiduelle est indiquée par certains fabricants sous forme d'un coefficient de température.

Pression de surcharge - Surpression

Dans la plage de surcharge, les limites d'erreur spécifiées sont dépassées. Le transmetteur de pression n'est néanmoins pas endommagé.

Pression de rupture

La pression de rupture indique à quelle pression le transducteur de pression est déformé de telle manière qu'il s'en trouve mécaniquement endommagé.

Stabilité à long terme

Des influences externes affectent l'instrument de mesure. Pour cette raison, la courbe caractéristique ne reste pas constante année après année. La stabilité à long terme (également nommée « dérive à long terme ») est déterminée par les fabricants en conditions de laboratoire et elle est donnée dans les fiches techniques sous forme d'un pourcentage de l'échelle totale par année.

Les conditions de fonctionnement effectives de l'appareil peuvent néanmoins s'écarter sensiblement des conditions de test. Les procédures de test peuvent également varier énormément d'un fabricant à un autre, ce qui rend la comparaison entre les données d'autant plus ardue. En général, il est conseillé d'étalonner le transducteur de pression à intervalles réguliers et, au besoin, de l'ajuster.

Précision : non-conformité d'une courbe

Comme nous l'avons indiqué dès le début, le terme « précision » n'est pas fixé de façon définitive. Un autre terme est parfois utilisé pour faire référence à la précision : celui de « non-conformité d'une courbe ». Ce terme décrit l'erreur totale maximale selon la norme IEC 770 et comprend l'écart de linéarité et l'hystérésis, ainsi que la non-répétabilité. Il s'agit par conséquent de l'écart avec la droite caractéristique idéale à la valeur finale de la plage de mesure. Il est exprimé sous la forme d'un pourcentage.