Questions à se poser avant le choix de l’accéléromètre
- Quel est le niveau maximum d’accélération à mesurer ?
- Quel est le niveau minimum d’accélération à mesurer ?
- Quelle est la fréquence maximum utilisable de l’accéléromètre ?
- Quelle est la fréquence minimum utilisable de l’accéléromètre ?
- La masse de l’accéléromètre peut-elle affecter la mesure ?
- Les contraintes de base peuvent-elles être importantes ?
- Comment doit être monté l’accéléromètre ?
- Quelles sont les températures extrêmes pendant la mesure ?
- Quelles sont les températures extrêmes auxquelles le capteur sera soumis ?
- Quel est le niveau de choc maximum ?
- Quel est le niveau de vibration maximum ?
- Quelle est la fréquence maximale des vibrations ?
- La température d’environnement change t’elle rapidement pendant la mesure ?
- Quelle est l’amplitude maximum des vibrations transverses ?
- L’environnement inclut-il de la corrosion, un niveau de bruit important, une pression élevée (immersion), des niveaux de radiation ?
1. Comment choisir un accéléromètre pour des conditions de température extrême ?
Les tests en vibrations de moteurs d’avions, turbines industrielles, systèmes de propulsion, échappement, centrale thermique, nécessitent en général un accéléromètre pour conditions extrêmes, conçu pour supporter un environnement sous haute et très haute température.
Pour des températures dépassant 260°C, seuls les accéléromètres piézoélectriques PE peuvent être utilisés. Pour des températures légèrement inférieures, environ 180°C, quelques accéléromètres piézoélectriques avec amplificateur incorporé (IEPE) peuvent être utilisés. Ils présentent l’avantage d’un signal en sortie, basse impédance, associé à un meilleur rapport signal/bruit en environnement bruité, mais au détriment d’une durée de vie raccourcie, du fait de l’influence de la température sur l’électronique incorporée.
En général, tous les accéléromètres piézoélectriques sont spécifiés pour couvrir cinq plages de température, (selon l’élément piézoélectrique utilisé) :
- -54 à + 177°C
- -54 à + 260°C
- -54 à + 460°C
- -54 à + 540°C
- -54 à + 700°C
Dans leur plage d’utilisation en température, les matériaux cristallins présentent des variations de sensibilité, capacité et résistance. La réponse en température de la sensibilité est exprimée en % par rapport à la sensibilité pC/g à la température d’étalonnage (23°C), elle est très différente selon le matériau piézoélectrique utilisé. La sensibilité peut varier (presque linéairement) de +/-10% pour des températures variant de -180 à +400°C ; pour les températures supérieures, la variation de la sensibilité n’est plus du tout « linéaire », elle se présente plutôt sous une forme de « cloche » avec un maximum de variation (autour de +10%) pour une température intermédiaire, pour ensuite décroître et avoir le minimum de variation de sensibilité, quelques % à la température maximale d’utilisation.
La capacité et la résistance changent également, l’amplificateur (tension ou charge) doit pouvoir accepter ces changements. Les amplificateurs de charge peuvent accepter une plus faible résistance de source, ils sont recommandés pour les applications sous très haute température. Si les accéléromètres (PE) sont utilisés au-dessus de leur limite de température, leurs cristaux commencent à se dépolariser et perdent de la sensibilité. Si la température atteint le point de Curie, l’accéléromètre est complètement dépolarisé et définitivement inutilisable. Le choix à faire dépend vraiment de l’environnement mécanique, de la durée de l’exposition sous haute température mais aussi des variations rapides de la température (choc thermique). Pour les très hautes températures, le choix de l’amplificateur de charge peut causer un problème, dû à la faible résistance interne et d’isolement de l’accéléromètre.
Spécifications importantes
Une température de l’ordre de 400°C est courante pour les applications de surveillance de vibration de moteurs, turbines et échappements. Les accéléromètres utilisés pour ce type d’applications doivent être capable de supporter, à long terme et sans modification non identifiée (sensibilité et fréquence de résonance), ce type de température.
Pour certaines applications HT, dès que la température le permet, il est possible d’incorporer le convertisseur d’impédance dans le câble (voir l’accéléromètre 450°C sur la Figure 37 ci-dessous) afin d’avoir le plus rapidement possible un signal basse impédance.
Réponse en température
La réponse en température dépend principalement des caractéristiques suivantes :
- constante diélectrique
- point de Curie de l’élément piézoélectrique.
Pour un accéléromètre usuel, l’augmentation de la sensibilité en charge en fonction de la température, peut être minimisée par des éléments compensateurs insérés dans le cristal lors de sa fabrication. Cette construction interne présente la particularité d’utiliser un empilage symétrique d’éléments piézoélectriques afin d’obtenir une sensibilité importante, ceci permet d’insérer entre les éléments piézoélectriques, d’autres éléments dont la variation de capacité en fonction de la température compensera celles des éléments piézoélectriques.
Résistance interne
Il existe quelques accéléromètres piézoélectriques utilisant un élément piézoélectrique gardant une sensibilité avec une stabilité acceptable ou variation « identifiée » dans une plage de température bien définie pouvant jusqu’à 700°C. En revanche, ces accéléromètres ont une résistance interne qui chute avec la température, passant de quelques M? à quelques K?. Ce qui affecte la mesure pour des fréquences inférieures à 10 Hz. Un amplificateur de charge, capable d’accepter en entrée une telle variation sans augmentation importante du bruit résiduel, doit être utilisé.
Transitoires thermiques
En plus des caractéristiques ci-dessus mentionnées, des accéléromètres piézoélectriques engendrent un signal de sortie, fonction du taux de changement de température. Ces signaux peuvent être importants et sont dus à deux effets :
- les transitoires thermiques peuvent causer des contraintes mécaniques différentielles ou non uniformes dans la structure de l’accéléromètre, et changer les forces s’exerçant sur le cristal, ce qui produit un signal parasite souvent intermittent de sortie.
- quelques matériaux piézoélectriques engendrent un signal de sortie selon le changement de température (effet pyroélectrique). Ce signal de sortie est heureusement un phénomène quasi statique qui suit les lentes variations de température du cristal
Le signal engendré est souvent inférieur à la fréquence de coupure basse du système piézoélectrique (souvent 5 Hz) et ne cause pas de problème. Certaines configurations internes sont particulièrement moins susceptibles aux effets des transitoires thermiques.
La construction interne type cisaillement montre moins de sensibilité aux changements thermiques que la compression.
Les effets d’un environnement aux transitoires thermiques importants peuvent être réduits ou éliminés :
- par sélection d’un capteur connu pour avoir une faible susceptibilité.
- en incorporant un écran thermique pour augmenter le temps de transmission au capteur.
- en s’assurant que la réponse en basse fréquence du système n’est pas supérieure à ce qui est nécessaire pour l’application
- l’insertion d’un filtre passe-haut 5 ou 10 Hz peut souvent être utile.
Câble
Un câble coaxial souple faible bruit peut être utilisé jusqu’à environ 260°C. Pour des températures plus élevées, il est nécessaire d’utiliser un câble métallique ayant un élément céramique comme diélectrique. Ces câbles ne sont malheureusement pas souples, assez fragiles et non traités contre les effets « triboélectriques ».
2. Comment assurer la performance des accéléromètres à très basse température ?
Des mesures en environnement très basse température lors d’essais de systèmes de refroidissement de moteurs de fusées, de caméras ou application « cryogénique » de composants et module électronique « espace » nécessitent des accéléromètres et câbles pouvant supporter des températures extrêmes, proches du zéro absolu. Un accéléromètre piézoélectrique (PE) soumis à un grand changement de température (chaud ou froid) peut développer une importante charge électrique à travers son élément sensible. Si l’accéléromètre est connecté à une électronique, cette charge se dissipera d’elle-même dans le circuit d’entrée. Si l’accéléromètre n’est pas connecté, la haute tension développée peut causer une perte de sensibilité. Il est recommandé, pour les accéléromètres soumis à des variations importantes de température, de les garder connecté à leur électronique ou de court-circuiter leur sortie avant le raccordement à l’amplificateur.
Les accéléromètres IEPE, ayant une électronique incorporée et étant de toute manière limités en température, ne présentent pas ce risque.
Beaucoup d’accéléromètres de différentes technologies peuvent être utilisés de façon satisfaisante jusqu’à – 100°C. Pour une température inférieure, seul un accéléromètre spécialement conçu peut être utilisé de manière correcte. De la même façon que pour les accéléromètres piézoélectriques « haute température », la sensibilité des accéléromètres piézoélectriques « basse température » chute d’une façon importante lors de l’approche du zéro absolu. Pour ce type d’application, il est quelques fois nécessaire d’utiliser des câbles coaxiaux sans dégazage (Teflon prohibé).
Spécifications importantes
Réponse en température
Pour la plupart des conceptions d’accéléromètres piézoélectriques la sensibilité diminue grandement en approchant le zéro absolu. Cependant, les accéléromètres utilisant du quartz comme élément piézoélectrique présentent une diminution linéaire et prévisible de leur sensibilité, ils peuvent être plus facilement utilisés.
Sensibilité aux transitoires thermiques
Pour les températures extrêmes, un changement brutal de la température peut entraîner des variations dimensionnelles des éléments internes et générer un signal en sortie non attendu. Pour les applications de ce type il est important de connaître la réponse de l’accéléromètre à ce type de sollicitation. La Figure 39 ci-dessous montre le résultat obtenu pour l’essai d’un accéléromètre piézoélectrique disposé sur un bloc de montage stabilisé à une température de 25°C et immergé rapidement dans un bain glacé à une température de -20°C. Le signal transitoire de sortie suivant l’immersion a montré une série de 2 à 5 renversements de polarité d’un signal approximativement sinusoïdal dans un temps de 1 à 10 secondes. Ce phénomène transitoire (sensibilité pyroélectrique) n’est pas identique pour tous les accéléromètres, il dépend de l’élément piézoélectrique et de la construction interne de l’accéléromètre. Pour ce type d’essais, il est recommandé de faire ce test sur l’accéléromètre envisagé.
Pour un accéléromètre PE de construction Compression avec une sensibilité de 12 pC/g, une immersion bloc et accéléromètre dans le bain glacé donnera un signal transitoire similaire à la figure ci-dessus équivalent à 130 g crête
Pour un accéléromètre PE de construction Cisaillement avec une sensibilité de 17 pC/g, une immersion bloc et accéléromètre dans le bain glacé donnera un signal transitoire similaire à la figure ci-dessus équivalent à 20 g crête. Heureusement pour ce type de mesure, la réponse en basse fréquence est rarement primordiale.
Survivance
Les accéléromètres pour ce type de mesure doivent survivre aux basses températures mais aussi aux chocs thermiques qui entraînent des contraintes mécaniques importantes sur les éléments internes des accéléromètres. La plupart des circuits électroniques montage en surface (puces et fils) utilisés par les accéléromètres IEPE / ICP, présentent à long terme des problèmes de fiabilité. Les accéléromètres avec une électronique incorporée sont déconseillés pour ces applications.
Câble
Le choix du câble est un facteur critique, en général les câbles deviennent très fragiles lorsqu’ils sont utilisés en très basse température. Un accéléromètre avec une sortie basse impédance facilitera le choix du câble.
3. Accéléromètres piézoélectriques et radiations : comment résistent-ils et où sont-ils utilisés ?
Les accéléromètres piézoélectriques peuvent être exposés à des doses de radiations relativement élevées sans effet notable. L’institut Battelle a soumis des accéléromètres piézoélectriques à un flux neutronique de 1016 n/cm² avec des radiations gamma de 1011 erg/g. La plupart des accéléromètres testés ont fonctionné correctement sans incident. Les applications les plus courantes en tels environnements concernent les systèmes de détection de corps migrants du circuit primaire de réacteurs nucléaires (PWR), les mesures sismiques de cuve, circuits de refroidissement, générateurs de vapeur, systèmes de pompage, avec des niveaux de radiation différents selon l’emplacement.
En général les accéléromètres piézoélectriques offrent la meilleure résistance aux radiations, les modèles avec électronique incorporée étant beaucoup moins résistants.
Spécifications importantes
Exposition
Quelques accéléromètres piézoélectriques peuvent supporter une exposition à 1E8 RAD et 6E10 flux gamma. La grande longueur de câble entre le capteur et la zone d’acquisition des mesures impose l’utilisation, le plus près possible du capteur piézoélectrique, d’un convertisseur de charge (in line charge amplifier), capable de supporter également des radiations.
Câble
La plupart des câbles coaxiaux utilisent une gaine Teflon qui, à long terme, se détériore sous l’effet des radiations, ces câbles ne sont pas recommandés. Il existe des câbles spécifiques pouvant supporter à long terme cette exposition.
Marc Chambroux, Consultant Mesure et Système.
Conclusion
Choisir un accéléromètre pour conditions extrêmes n’est pas une tâche facile. Il faut tenir compte de nombreux facteurs, comme la gamme de fréquence, la sensibilité, la résolution, la linéarité, la stabilité et la durabilité. Il faut aussi connaître les caractéristiques de l’environnement de mesure, comme la température, les chocs et les vibrations.
Heureusement, il existe des accéléromètres spécialement conçus pour résister aux conditions extrêmes, avec des matériaux robustes, des technologies innovantes et des méthodes d’étalonnage rigoureuses.
Bénéficiez de l'accompagnement d'experts
Faites appel à Alliantech pour vous aidez a trouver l’accéléromètre le plus adapté à vos besoins et à vos applications