Accéléromètre pour conditions extrêmes : comment le choisir ?

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).