L’un des premiers instruments de mesure de la pression est encore largement utilisé aujourd’hui en raison de sa précision inhérente et de sa simplicité de fonctionnement. Il s’agit du manomètre à tube en U, qui est un tube de verre en forme de U partiellement rempli de liquide. Ce manomètre ne comporte aucune pièce mobile et ne nécessite aucun étalonnage. Les mesures manométriques sont des fonctions de la gravité et de la densité du liquide, deux propriétés physiques qui font du manomètre en U un étalon de précision du NIST.
Les manomètres sont à la fois des instruments de mesure de la pression et des étalons de calibration. Ils vont du simple tube en U et des puits remplis de liquide aux instruments numériques portables dotés d’une interface informatique.
Comme le montre la figure 1, avec chaque branche d’un manomètre à tube en U exposée à l’atmosphère, la hauteur de liquide dans les colonnes est égale. En utilisant ce point comme référence et en reliant chaque jambe à une pression inconnue, la différence de hauteur des colonnes indique la différence des pressions (voir figure 2).
 Figure 1. Avec les deux branches d’un manomètre à tube en U ouvertes à l’atmosphère ou soumises à la même pression, le liquide maintient le même niveau dans chaque branche, établissant une référence zéro. |
 Figure 2. Avec une plus grande pression appliquée sur le côté gauche d’un manomètre à tube en U, le liquide s’abaisse dans la jambe gauche et monte dans la jambe droite. Le liquide se déplace jusqu’à ce que le poids unitaire du liquide, indiqué par h, équilibre exactement la pression. |
La relation fondamentale pour la pression exprimée par une colonne de liquide est:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
où :
| Δp | = pression différentielle |
| P1 | = pression au niveau du raccord basse pression |
| P2 | = pression au niveau du raccord hautehaute pression |
| ρ | = densité du fluide indicateur (à une température spécifique) |
| g | = accélération de la gravité (à une latitude et une altitude) |
| h | = différence de hauteur des colonnes |
La pression résultante est la différence entre les forces exercées par unité de surface des colonnes de liquide, avec comme unités les livres par pouce carré (psi) ou les newtons par mètre carré (pascals). Le manomètre est si souvent utilisé pour mesurer la pression que la différence de hauteur des colonnes est également une unité courante. Celle-ci est exprimée en pouces ou centimètres d’eau ou de mercure à une température spécifique, ce qui peut être changé en unités standard de pression avec un tableau de conversion.
Toutes les mesures de pression sont différentielles. La référence peut être la pression absolue zéro (un vide total), la pression atmosphérique (la pression barométrique), ou une autre pression. Avec une jambe d’un manomètre ouverte à l’atmosphère (voir figure 3A), la pression mesurée est celle qui dépasse la pression atmosphérique, qui au niveau de la mer est de 14,7 psi, 101,3 kPa ou 76 cmHg.
Figure 3. La pression manométrique est une mesure relative à la pression atmosphérique et elle varie en fonction de la lecture barométrique. Une mesure de pression manométrique est positive lorsque la pression inconnue dépasse la pression atmosphérique (A), et est négative lorsque la pression inconnue est inférieure à la pression atmosphérique (B).
Cette mesure est appelée pression manométrique, et la relation pour une pression positive s’exprime par :
| pression absolue = pression atmosphérique + pression manométrique positive | (2) |
Pour une mesure de pression négative (vide) (voir figure 3B), les hauteurs des colonnes s’inversent et la relation s’exprime par :
| pression absolue = pression atmosphérique + pression manométrique négative | (3) |
Ces relations de pression sont illustrées à la figure 4.
Figure 4. Une représentation graphique de la pression manométrique positive et négative montre l’aspect différentiel de toutes les mesures de pression, la pression manométrique étant la différence entre la pression absolue et la pression atmosphérique.
Figure 5. Dans un manomètre à tube scellé, la référence de pression est le vide, ou la pression absolue nulle. La forme la plus courante d’un manomètre à tube scellé est le baromètre à mercure classique utilisé pour mesurer la pression atmosphérique.
Un manomètre peut être conçu pour mesurer directement la pression absolue. Le manomètre de la figure 5 mesure la pression par rapport à la pression absolue nulle dans une jambe scellée au-dessus d’une colonne de mercure. La forme la plus courante de ce manomètre est le baromètre à mercure classique utilisé pour mesurer la pression atmosphérique. Avec un seul raccordement, cette configuration peut mesurer des pressions supérieures et inférieures à la pression atmosphérique.
Variations sur le manomètre à tube en U
La pression différentielle est toujours la différence de hauteur des colonnes, quelle que soit la taille ou la forme des tubes. Comme le montre la figure 6A, les jambes des deux manomètres sont ouvertes à l’atmosphère et les fluides indicateurs sont au même niveau. En connectant la même pression à la branche gauche de chaque manomètre, son niveau s’abaisse. En raison de la variation de volume dans les branches des manomètres, le fluide de chaque colonne se déplace sur une distance différente. Cependant, la différence entre les niveaux de fluide dans les deux manomètres est identique (voir figure 6B).
Figure 6. La lecture de la pression est toujours la différence entre les hauteurs de fluide, quelle que soit la taille des tubes. Avec les deux branches du manomètre ouvertes à l’atmosphère, les niveaux de fluide sont les mêmes (A). Avec une pression positive égale appliquée à une jambe de chaque manomètre, les niveaux de fluide diffèrent, mais la distance entre les hauteurs de fluide est la même.
Figure 7. Dans un manomètre de type puits, la section transversale d’une branche (le puits) est beaucoup plus grande que l’autre branche. Lorsque la pression est appliquée au puits, le fluide ne s’abaisse que légèrement par rapport à la montée du fluide dans l’autre jambe.
Poursuivant cette variation des tailles de tubes, on trouve le manomètre de type puits (ou réservoir) (voir figure 7). Lorsque la pression est appliquée au puits, le niveau baisse légèrement par rapport à l’élévation du niveau dans la colonne. En compensant les graduations de l’échelle de la colonne pour corriger la chute du puits, il est possible de faire une lecture directe de la pression différentielle. Il existe des directives de connexion placées sur les manomètres de type puits, par rapport au style de tube en U:
- Connecter les pressions supérieures à l’atmosphère au puits ; connecter les pressions inférieures à l’atmosphère au tube.
- Pour les mesures différentielles, connecter la pression la plus élevée au puits.
- Pour les manomètres à puits surélevé, la connexion du puits peut être utilisée pour les mesures de jauge et de vide.
Une variante du manomètre à puits est le manomètre à tube incliné (ou jauge de tirage) de la figure 8. Avec un tube indicateur incliné, 1 pouce d’élévation verticale est étiré sur plusieurs pouces de longueur d’échelle. Le manomètre à tube incliné a une meilleure sensibilité et une meilleure résolution pour les basses pressions.
Figure 8. Les basses pressions et les faibles différentiels sont mieux traités avec un manomètre à tube incliné, où 1 po de hauteur verticale de liquide peut être étiré à 12 po de longueur d’échelle.
Fluides indicateurs
Les manomètres à liquide mesurent la pression différentielle en équilibrant le poids d’un liquide entre deux pressions. Les liquides légers comme l’eau peuvent mesurer de petites différences de pression ; le mercure ou d’autres liquides lourds sont utilisés pour les grandes différences de pression. Pour un fluide indicateur 3 fois plus lourd que l’eau, la plage de mesure de la pression est 3 fois plus grande, mais la résolution est réduite.
Les fluides indicateurs peuvent être de l’eau colorée, de l’huile, des benzènes, des bromures et du mercure pur. Lors du choix d’un fluide indicateur, vérifiez les spécifications concernant la gravité spécifique, la plage de température de fonctionnement, la pression de vapeur et le point d’éclair. Les propriétés corrosives, la solubilité et la toxicité sont également à prendre en considération.
Manomètres numériques
Un manomètre liquide a des limites. Les tubes en verre, les fluides indicateurs et les exigences de montage du niveau sont plus adaptés à un laboratoire qu’au terrain. De plus, il ne peut pas être interfacé avec un ordinateur ou un automate programmable. Ces limites peuvent être surmontées avec les manomètres numériques. Ces instruments à microprocesseur sont disponibles dans des tailles pratiques et portables pour faciliter leur utilisation sur le terrain, ou dans des styles de montage sur panneau ou autonomes, avec des sorties pour contrôler un processus ou transférer des données de mesure.
Les variations par rapport aux conditions standard de densité et de gravité doivent être compensées manuellement lors des mesures de pression avec des manomètres à liquide. Cela est plus facile avec les manomètres numériques, car certains des facteurs de correction des manomètres à liquide peuvent être ignorés et d’autres peuvent être compensés dans le logiciel.
Avec les ports doubles, il suffit de permuter les capteurs pour changer entre les mesures de pression différentielle, manométrique et absolue.
Les autres caractéristiques communes des manomètres numériques comprennent :
- Mémoire embarquée pour l’enregistrement des données ou le stockage des lectures min./max.
- Moyennage d’un certain nombre de lectures pour amortir les impulsions de pression
Les manomètres numériques de plus haute précision sont utilisés pour étalonner les transmetteurs de pression et autres instruments de pression sur le terrain. Les calibrateurs numériques sont plus rapides et plus simples car ils ne nécessitent pas de boîtes, de bouteilles de gaz, de régulateurs ou de poids à mettre en place et n’ont pas de plateformes spéciales ou d’exigences de mise à niveau critique. D’autres comparaisons des spécifications des manomètres liquides et numériques sont présentées dans le tableau 1.
| TABLEAU 1 | |||||
| Préférences des manomètres | |||||
| Manomètres à liquide | Manomètres numériques | ||||
| U-tube | Puits | Incliné | Utilisation générale | Calibrage | |
| Gamme | 100 po. | 100 po. | 20 po. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Exactitude | ±½ de la graduation de la petite échelle | ±½ de la graduation de la petite échelle | ±½ de la graduation de la petite échelle | ±0.025-0,1% DE L’E.M. | ±0,025-0,1% DE L’E.M. |
| Pièces mouillées ou milieux Compatibilité |
Fonte, acier inoxydable, PVC, verre, Viton | Acier inoxydable, verre, Viton | Acrylique, acier inoxydable, aluminium, verre, Viton | Gaz non corrosifs propres et secs ; liquides compatibles avec l’acier inoxydable | Gaz non corrosifs propres et secs ; liquides compatibles avec l’acier inoxydable |
| Pression Régulation |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × la gamme | 2 × la gamme |
| Montage | Mural, table | Mur, table, encastré, tuyau | Mur, table | Portable | Portable |
| Coût relatif | Faible | Faible/moyen | Moyen | Moyen | Élevé |
Pour plus de lecture
Massey, B.S. 1989. Mécanique des fluides, 6e édition, Londres : Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Utilisation de manomètres pour mesurer avec précision la pression, le débit et le niveau, Cleveland : Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. Le manomètre et ses utilisations. 2nd Ed., Cleveland : Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transactions en mesure et contrôle : Force-Related Measurements, 2nd Ed. Stamford, CT : Putnam Publishing et Omega Press.
Yeager, John, et Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Low Level Measurements. 5th Ed. Cleveland : Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Glossaire de la pression et de la précision des manomètres
Pression absolue. Une mesure référencée à la pression zéro ; égale à la somme de la pression manométrique et de la pression atmosphérique. Les unités courantes sont les livres par pouce carré (psia), les millimètres de mercure (mmHga) et les pouces de mercure (in.Hga).
Précision. Mesure de la proximité de l’accord d’une lecture avec celle d’une norme. Pour une précision absolue, comparer à un étalon primaire (un étalon reconnu par le NIST). Les précisions sont généralement spécifiées en plus ou en moins d’un pourcentage de la pleine échelle. Les précisions d’étalonnage sont souvent données comme un pourcentage en plus ou en moins de la lecture avec des comptes en plus ou en moins.
Pression ambiante. La pression du milieu qui entoure un dispositif. Elle varie de 29,92 in.Hg au niveau de la mer à quelques pouces en haute altitude.
Pression atmosphérique. La pression de l’atmosphère sur une surface unitaire. Aussi appelée pression barométrique. Au niveau de la mer, elle est de 29,92 in.Hg absolu.
Count. Le plus petit incrément d’une conversion A/D qui est affiché.
Pression différentielle. La différence entre deux points de mesure. Les unités courantes sont les pouces d’eau (in.H2O), les livres par pouce carré (psi) et les millibars (mbar).
Résolution de l’affichage. Le nombre maximum de chiffres sur un affichage numérique. Par exemple, une résolution d’affichage de 4½ chiffres lit un maximum de 19 999 comptes ; et une résolution d’affichage de 5 chiffres significatifs lit un maximum de 99 999 comptes.
Pression manométrique. Une mesure référencée à la pression atmosphérique. Elle varie en fonction de la lecture barométrique. Également utilisée pour spécifier la pression nominale maximale des manomètres. Les unités courantes comprennent les livres par pouce carré (psig).
Range. La région entre les limites inférieure et supérieure des mesures.
Résolution. La plus petite partie d’une mesure qui peut être détectée.
Sensibilité. Le plus petit changement dans la mesure qui peut être détecté.
Incertitude. Une estimation de l’erreur possible dans une mesure. C’est le contraire de la précision.
Vide. Toute pression inférieure à la pression atmosphérique. Lorsqu’elle est référencée à l’atmosphère, on parle d’une mesure de vide (ou de jauge négative). Lorsqu’elle est référencée à la pression zéro, il s’agit d’une mesure de pression absolue.
Pression absolue zéro. L’absence totale de tout gaz ; un vide parfait.
