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Absolue contre relative : choisir le bon réglage de pression

Alicat U mass flow and pressure application training

Pression absolue ou pression relative ? Quelle référence utiliser lorsque vous mettez en place un procédé de contrôle de pression ? Pour beaucoup d’applications, ce choix peut se borner à suivre les conventions établies. Toutefois, certaines applications de régulation de pression opèrent soit au niveau ou juste au-dessus de la pression atmosphérique, par exemple le contrôle de la contre-pression pour les analyseurs de procédés ou la caractérisation du débit pour les filtres de cigarette. Pour des applications comme celles-ci, le choix entre la pression absolue ou relative peut devenir critique et considérablement affecter le fonctionnement souhaité de votre procédé.

Pression absolue vs. pression relative

Pressure is caused by the kinetic energy of molecules pressing against a surface.

Schéma 1. La pression est causée par l’énergie cinétique des molécules qui appuient sur une surface.

La pression est une mesure de la force exercée contre une surface. Cette force provient de l’énergie cinétique des molécules en mouvement contre la surface. Selon la loi des gaz parfaits (PV=nRT), la pression augmente avec la température et la masse, et diminue avec le volume. Considérons un contenant rigide avec un vide parfait à l’intérieur. Puisqu’il n’y a pas de matière, il n’y a pas de pression. Si nous ajoutons du gaz au contenant, les molécules de gaz en mouvement vont générer de la pression contre les parois du contenant (Schéma 1). Le fait de doubler le nombre de molécules de gaz double leur pression contre le contenant (Schéma 2). Toutefois, si nous doublons le volume, les molécules de gaz ont plus de place, et la pression est divisée par deux (Schéma 3). L’augmentation de la température du gaz augmente également la pression parce que cela accroît l’énergie cinétique des molécules de gaz et leur interaction à l’intérieur du contenant (Schéma 4). Inversement, une baisse de la température fait baisser la pression, ce qui explique pourquoi la pression des pneus peut être un peu faible un matin d’hiver.

Schéma 2. Ajouter de la masse dans un contenant rigide augmente la pression à l’intérieur de celui-ci.

Increasing the volume of a rigid container reduces the pressure inside it.

Schéma 3. Augmenter le volume d’un contentant rigide réduit la pression à l’intérieur de celui-ci.

Schéma 4. Augmenter la température d’un contenant rigide augmente la pression à l’intérieur de celui-ci.

 

Ce vide parfait que nous avons mentionné dans les exemples ci-dessus est la référence pour la pression absolue. Les mesures de pression absolue ne peuvent pas avoir de valeurs négatives. La pression relative se réfère à la pression atmosphérique locale, qui elle-même est mesurée sur une échelle absolue. En d’autres termes, la pression relative vous dit de combien la pression de votre procédé est supérieure ou inférieure à la pression atmosphérique locale.  Lorsqu’on utilise une échelle de pression relative, la pression totale réelle est la mesure sur le compteur plus la pression atmosphérique locale (en référence à une échelle de pression absolue).

Par convention, les procédés qui ne peuvent aller plus bas que la pression atmosphérique sont généralement mesurés en utilisant la pression relative. La pression des pneus, par exemple, utilise une référence relative parce que nous voulons savoir combien d’air s’y trouve en plus comparé à l’air dans l’atmosphère tout autour.  Un pneu à plat a une pression relative de 0 parce que sa pression interne est équivalente à la pression atmosphérique. Les procédés de dépôt sous vide, néanmoins, se référent habituellement à une échelle absolue parce qu’ils ont besoin de maintenir le procédé à un niveau spécifique de pression au-dessus du vide absolu. Les choses ne s’arrêtent toutefois pas là.

Pression, température et altitude

Avez-vous déjà pris votre voiture un matin froid et trouvé la pression de vos pneus bien basse ? Le système de surveillance de la pression des pneus (TPMS) de votre voiture n’est pas détraqué. Selon la loi des gaz parfaits (PV=nRT), la pression augmente avec la température et la masse, et diminue avec le volume. La température froide a réduit l’énergie cinétique des molécules d’air à l’intérieur de votre pneu, et sa pression a donc diminué. Le même phénomène est apparu l’hiver dernier pendant le “Deflategate” qui s’est produit lors d’un match de football du Championnat de l ‘AFC, lorsque les températures froides ont pu contribuer à une baisse de pression de 1,8 psi à l’intérieur du ballon de foot.

Pour compliquer davantage les choses, la pression atmosphérique diminue avec l’altitude, parce qu’il y a moins de molécules de gaz s’appuyant sur tout ce qu’il y a autour. Dans le vide de l’espace, il n’y a pas effectivement aucune pression, mais au niveau de la mer la pression est, en moyenne, de 14,696 psia (absolue). De fait, les villes qui se trouvent au niveau de la mer ont une pression atmosphérique supérieure aux villes situées dans les montagnes. En changeant d’altitude, les mesures de pression absolue seront différentes des mesures de pression relative.

Par exemple, supposons que nous fermions le bouchon d’une bouteille d’eau vide dans les bureaux d’Alicat à Tucson. À une élévation de 2 160 pieds (environ 660 mètres), la pression moyenne de l’air ambiant est de 16,67 pisa (absolue), donc la pression à l’intérieur de la bouteille est également de 13,67 sur une échelle absolue. Sur une échelle de pression relative, la pression à l’intérieur de la bouteille est de 0 psig, égale à la pression de l’air ambiant. Nous conduisons la bouteille jusqu’au sommet du Mt. Lemmon, à 9 159 pieds (plus de 2 790 mètres), juste au nord de Tucson, où la pression de l’air ambiant est de seulement 10,44 psia. La pression d’air à l’intérieur de la bouteille fermée est toujours de 13,67 psia, ce qui à cette altitude est maintenant équivalent à 3,23 psig (13,67-10,44).

 

La pression relative d’un procédé augmente à mesure que la pression atmosphérique diminue.

Selon le deuxième principe de la thermodynamique, les fluides se déplacent des zones de haute pression vers les zones de basse pression. Si nous ouvrons la bouteille d’eau scellée au sommet, la pression plus élevée à l’intérieur va pousser l’air en-dehors de la bouteille jusqu’à ce que la pression interne soit égale à 10,44 psia, ou ce qui est maintenant 0 psig. Ensuite, nous refermons de nouveau la bouteille au sommet puis nous redescendons de la montagne. La pression à l’intérieur de la bouteille (10,44 psia) est maintenant inférieure à la pression atmosphérique environnante (13,67 psia), donc sur une échelle relative la pression se mesure à -3,23 psig (10,4 – 13,67). Lorsque nous ouvrons la bouteille, l’air ambiant s’engouffre dans la bouteille à basse pression jusqu’à ce que sa pression ait atteint 13,67 psia.

La pression relative d’un procédé diminue à mesure que la pression atmosphérique augmente.

 

Pression et systèmes météorologiques

Les systèmes météorologiques augmentent ou diminuent dans une faible proportion la pression atmosphérique locale.  La pression barométrique varie tout au long de la journée, atteignant habituellement son pic vers 10 heures du matin et son creux vers 4 heures de l’après-midi. La différence est plus grande à l’équateur, où la rotation de la terre ainsi que les variations de température quotidiennes sont les plus élevées. En plus des variations quotidiennes, les systèmes météorologiques entraînent des pressions qui peuvent être soit plus hautes ou plus basses que les moyennes.  Tout au long de l’année, la pression atmosphérique locale d’un seul emplacement peut varier de près de 0,3 psi. Les endroits coutumiers des tempêtes fréquentes, des dépressions tropicales ou des ouragans peuvent voir des variations encore plus grandes dans un espace de temps bien plus court.

Prenons encore le cas de Tucson, Arizona, où notre pression atmosphérique moyenne est d’environ 13,7 psia, avec des pics habituels de 13,8 psia et des creux de 13,6 psia. Si nous voulions contrôler un procédé à juste 0,3 psi au-dessus de la pression atmosphérique, devrions-nous utiliser un régulateur de pression relative ou un régulateur de pression absolue ? Le contrôle de pression relative (le côté gauche du diagramme ci-dessous) résulterait en un contrôle instable surfant sur les vagues des variations de la pression atmosphérique locale. Toutefois, ces variations ne seraient pas visibles puisque le régulateur afficherait toujours une pression relative de 0,3 psig. Le contrôle de pression absolue (à droite ci-dessous) fournit un contrôle stable, quoi qu’il se produise dans l’atmosphère, puisqu’il se réfère au vide, et non à la pression atmosphérique.

Le contrôle de pression absolue stabilise les effets de la variabilité de la pression atmosphérique.

Notez que plus votre point de consigne de pression s’élève au-dessus de la pression atmosphérique, moins les variations ci-dessus auront d’effet. À Tucson, un procédé mis en place pour 100,0 psig verrait des variations de 113,6 psia à 133,8 psia, tandis que le contrôle de pression absolue fournirait une pressure stable de 113,7 psia. Sur l’échelle de 113,7 psia, une variation de +/- 0,1 psi n’aurait pas d’incidence sur le procédé et la question et ne nécessiterait pas un contrôle de pression absolue.

Choisir la bonne référence de pression

Les exemples ci-dessus illustrent l’importance de choisir la bonne échelle de référence pour mesurer ou contrôler la pression dans vos procédés. Si nous souhaitons isoler un niveau spécifique de pression à l’intérieur d’un procédé, quoi qu’il puisse se produire dans l’atmosphère, alors nous devrions utiliser un système de pression absolue. Par contre, si nous sommes soucieux de maintenir une certaine pression relative à la pression atmosphérique actuelle, alors nous devrions utiliser un système de pression relative. Un régulateur de pression relative permettra d’ajouter ou d’enlever de l’air à mesure que la pression d’air ambiante monte ou descend pour maintenir la pression différentielle souhaitée. Comme nous l’avons vu, les applications qui nécessitent le contrôle de basses pressions atmosphériques bénéficieront davantage d’un contrôle de pression absolue.

Si vous avez des questions sur votre application de contrôle de pression, veuillez contacter Alicat (info@alicat.com ou 888-290-6060) pour que l’un de nos ingénieurs d’applications puisse vous aider à trouver la bonne solution.

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