Dans les mesures complexes de fluides des industries pétrolière et chimique, la précision et la stabilité des instruments de pression sont cruciales. Les manomètres à membrane en polypropylène (PP) se distinguent par leur excellente résistance à la corrosion, ce qui les rend idéaux pour la manipulation de fluides corrosifs acides et alcalins. Cependant, les utilisateurs professionnels se concentrent fréquemment sur un indicateur de performance clé : l’hystérésis.
L'hystérésis fait référence au phénomène dans lequel la valeur indiquée par le manomètre diffère lorsqu'un point de consigne spécifique est atteint à partir d'un état basse pression (pression ascendante) et qu'il est atteint à partir d'un état haute pression (pression décroissante). Cet écart n'est pas une erreur aléatoire mais un écart systématique résultant des caractéristiques physiques internes et des limitations structurelles de l'instrument. Pour un contrôle de haute précision dans les processus pétrochimiques, comprendre et minimiser l’hystérésis est essentiel pour garantir la qualité des produits et la sécurité opérationnelle.
I. Hystérésis mécanique des éléments élastiques : propriétés intrinsèques des matériaux
Les composants essentiels d'un Manomètre à membrane PP sont le diaphragme et le mécanisme de mouvement interne. La première source d'hystérésis provient des imperfections mécaniques de ces éléments élastiques.
1. Hystérésis élastique du matériau du diaphragme
Bien que les membranes en PP soient souvent renforcées avec des revêtements PTFE ou utilisées dans le cadre d'une structure composite, en tant qu'élément élastique, le chemin de récupération de contrainte n'est pas parfaitement identique lorsqu'une contrainte est appliquée puis relâchée.
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À mesure que la pression augmente, le diaphragme se déforme.
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À mesure que la pression diminue, le frottement microstructural interne et le réarrangement des chaînes moléculaires au sein du diaphragme retardent son retour complet à l'état initial.
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Cette dissipation d'énergie fait que la déformation (ou le déplacement) pendant le processus de pression ascendante diffère de celle pendant le processus descendant à la même valeur de pression, se manifestant directement par une hystérésis du pointeur.
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Surtout pour le matériau polymère PP, ses caractéristiques viscoélastiques sont plus prononcées. Lors d'une application de pression prolongée ou cyclique, cet effet d'hystérésis mécanique est souvent plus important que dans le cas des membranes métalliques.
2. Friction mineure dans le mécanisme du mouvement
Le déplacement du diaphragme doit être transmis au pointeur via des composants mécaniques de précision tels que des biellettes, des engrenages sectoriels et des engrenages centraux. Des forces de friction infimes entre ces paires mobiles constituent la deuxième source majeure d'hystérésis.
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Durant le processus de pression ascendante, la force de friction s’oppose à la direction du mouvement.
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Pendant le processus de pression descendante, la direction de la force de friction s’inverse.
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Au moment où la pression s'inverse, le mécanisme doit surmonter la friction statique avant que le mouvement ne recommence, provoquant un délai entre le changement de pression et la réponse du pointeur.
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Même une friction de l’ordre du micron suffit à provoquer un écart observable dans l’indication de pression.
II. Effets de viscosité et de compressibilité dans le système de transfert de fluide
Les manomètres à membrane PP utilisent généralement un système de joint à membrane avec un fluide de remplissage pour isoler les fluides corrosifs. Les propriétés physiques de ce système de transfert de fluide contribuent de manière significative à l’hystérésis.
1. Viscosité du liquide de remplissage
Le liquide de remplissage (tel que l'huile de silicone ou l'huile fluorocarbonée) possède un certain degré de viscosité. Lorsque le diaphragme se déforme sous la pression et déplace le fluide :
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Le liquide doit s'écouler par des canaux internes et des capillaires.
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La friction interne du liquide (traînée visqueuse) empêche la transmission immédiate de l'énergie.
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Ceci est particulièrement pertinent lors de changements rapides de pression ou lorsque de basses températures ambiantes augmentent la viscosité, ralentissant la mobilité du fluide et retardant la transmission de la pression, exacerbant ainsi le phénomène d'hystérésis.
2. Dissolution des gaz et microbulles résiduelles
Si le processus de dégazage est incomplet lors du remplissage du fluide, des microbulles résiduelles ou des gaz dissous dans le liquide introduisent une compressibilité lors des changements de pression.
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Cela provoque le déplacement initial du diaphragme pour comprimer d'abord ces bulles de gaz plutôt que de transmettre immédiatement la pression au tube de Bourdon ou au capteur interne.
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Le processus de compression et de libération du gaz est non linéaire et temporisé, créant un effet de « tampon élastique » qui introduit une hystérésis de mesure.
III. Libération des contraintes et relaxation dans les composants structurels
Un fonctionnement à long terme ou des cycles thermiques peuvent entraîner une relaxation des contraintes dans le boîtier en PP et le système de connexion, ce qui constitue un autre facteur indirect contribuant à l'hystérésis.
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La connexion de précharge (par exemple, assemblage boulonné) sur les bords du boîtier en PP et de la membrane peut subir une relaxation par fluage au fil du temps et des variations de température.
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La relaxation de la précharge modifie les conditions aux limites fixes du diaphragme, ce qui signifie que l'état de départ et le chemin de chaque cycle de pression peuvent ne pas être parfaitement cohérents.
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Lorsqu'une pression est appliquée à plusieurs reprises, les minuscules mouvements et la redistribution des contraintes au niveau de l'interface de connexion provoquent une légère dérive du point zéro de l'élément élastique, conduisant à la séparation des chemins de pression ascendants et descendants.
