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Comprendre les spécifications d’exactitude des calibrateurs de pression

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Comparer les spécifications d’exactitude des calibrateurs de pression peut s’avérer ardu, car d’un fournisseur à l’autre, elles sont présentées différemment. Il ne suffit donc pas de comparer simplement les valeurs entre elles, il faut aussi comprendre comment elles sont calculées et ce qu’elles signifient en pratique.

Dans cet article de blog, nous allons nous intéresser aux différentes manières de présenter les spécifications d’exactitude des calibrateurs de pression, expliquer ce qu’elles signifient, les comparer et nous terminerons par les éléments à prendre en compte lors de l’acquisition d’un calibrateur de pression.

Spécifications d’exactitude

Commençons par nous intéresser aux différentes spécifications d’exactitude données par les fournisseurs et à la façon de les interpréter.

1. Pourcentage pleine échelle

Le pourcentage pleine échelle (parfois écrit « % pleine échelle, % PE ou encore % FS en anglais) est l’une des manières les plus courantes de spécifier l’exactitude d’une mesure de pression. Vous le trouverez d’ailleurs dans de nombreuses spécifications d’instruments.

Comme son nom l’indique, on calcule la valeur du pourcentage sur la pleine échelle de la plage de pression, la pleine échelle correspondant à la pression maximale mesurable par le module.

Grâce au pourcentage pleine échelle, les mesures possèdent la même exactitude (ou erreur, souvent nommé « précision ») absolue sur toute la plage de pression. Cette spécification est très facile à calculer et à comprendre.

Elle est adaptée aux technologies où le zéro et la pleine échelle ont la même propension à l’erreur et à la dérive et où l’utilisateur ne peut pas facilement faire de correction de zéro en conditions d’utilisation standard.

En effet, la plupart des instruments de mesure de pression permettent à l’utilisateur de faire un zéro à la pression atmosphérique en ouvrant la mesure de pression à la pression atmosphérique (air ambiant) en utilisant la fonction zéro. Cela facilite la correction des erreurs de zéro avant et après la mesure. Le pourcentage pleine échelle n’est donc pas la spécification d’exactitude la plus adaptée pour les équipements de mesure de pression modernes.

Exemple

Pour clarifier, jetons un œil à quelques exemples graphiques des différentes méthodes de spécifications en commençant par la méthode du pourcentage pleine échelle.

  • Plage de pression : 0 à 200 kPa
  • Spécifications d’exactitude : ±0,05 % pleine échelle (% FS ou % PE)

Comme on peut le voir sur la première illustration ci-dessous, la spécification d’exactitude est une droite horizontale dont la valeur reste identique en unité de mesure technique (0,1 kPa) sur toute la plage de pression que l’unité de l’axe Y soit en % PE ou en kPa.

Mais si on représente l’exactitude en tant qu’exactitude d’une pression mesurée en un point (ou exactitude en tant que « pourcentage de la mesure »), alors la situation est bien différente et correspond au second graphique ci-dessous.

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Graph--v2

Le graphique ci-dessus montre le pourcentage de l’exactitude de la mesure sur l’axe Y. Cela montre ce qu’il se passe quand on mesure une pression avec ce type de module et l’exactitude de cette mesure par rapport à la pression mesurée.

L’erreur de pression effectivement mesurée augmente rapidement si on mesure une pression plus faible que la pleine échelle.

Une mesure de pression spécifiée en % PE doit donc être utilisée principalement pour des mesures proches de la valeur maximale du module, car l’exactitude diminue rapidement quand la pression mesurée diminue. Si on mesure des très basses pressions, l’erreur de mesure de la pression peut être énorme.

Par exemple, quand on mesure une pression au milieu de la plage (à 50 %), l’erreur de cette mesure est déjà deux fois plus élevée que celle à pleine échelle. Si on mesure à 25 % de la plage, l’erreur est multipliée par quatre !

Si vos modules de pression ont des spécifications d’exactitude en % PE, vous devrez avoir plusieurs modules, car l’exactitude se détériore rapidement quand vous allez mesurer des basses pressions.

Exactitude exprimée en ppm ou en unités de mesure technique

Ces deux méthodes sont très similaires à la méthode du pourcentage pleine échelle.

Parfois, l’exactitude est exprimée en ppm (partie par millions) de la pleine échelle. Un pour cent correspondant à 1/100 et un ppm à 1/1 000 000, il y a donc un facteur 10 000 entre les deux.

Par exemple, 0,05 % PE équivaut à 500 ppm PE, les deux méthodes sont donc très similaires. Bien sûr, on peut aussi utiliser les ppm pour l’erreur de mesure, mais nous reviendrons dessus plus loin.

Parfois, on exprime aussi l’exactitude en unités de mesure technique. Dans l’exemple ci-dessus, on aurait aussi pu exprimer l’exactitude sous la forme : ±0,1 kPa, au lieu de ±0,05 % PE.

2. Pourcentage de l’intervalle de mesure

La méthode du pourcentage de l’intervalle de mesure est similaire à la méthode du pourcentage pleine échelle, mais au lieu de calculer le pourcentage de la valeur maximale de l’intervalle (pleine échelle), il est calculé sur la totalité de l’intervalle de mesure.

Naturellement, si la valeur minimale de l’intervalle est zéro, il n’y a pas de différence entre le pourcentage pleine échelle et le pourcentage d’intervalle de mesure.

Une plage de mesure de pression est souvent une plage « combinée », c’est-à-dire qu’elle s’étend de pressions négatives à des pressions positives. Par exemple, une plage de mesures peut s’étendre de –100 kPa à +200 kPa. Dans ce cas, le pourcentage est calculé sur la totalité de l’intervalle de mesure (300 kPa, soit la différence entre les valeurs minimales et maximales) au lieu de la pleine échelle (200 kPa).

Dans le cas d’une plage de pressions entièrement symétriques (par exemple de –1 bar à +1 bar ou de –15 psi à +15 psi), une spécification d’exactitude de « ±0,05 % de l’intervalle de mesure » aura une erreur deux fois plus élevée qu’une spécification de « ±0,05 % pleine échelle ».

Exemple

  • Plage de pression : –100 kPa à +200 kPa
  • Spécifications d’exactitude : ±0,05 % de l’intervalle de mesure

Graphiquement, on peut représenter l’exemple ci-dessus comme ceci :

Graph--v3

Dans les faits, une plage combinée est rarement totalement symétrique, en effet, le côté positif de la plage est souvent plus étendu que le côté négatif. Bien évidemment, le côté « vide » ne peut jamais dépasser le vide absolu, en revanche le côté positif peut avoir n’importe quelle valeur maximale.

Dans le cas d’une plage combinée, le côté positif mesure rarement des très hautes pressions, car un capteur très haute pression n’est souvent pas très précis pour des pressions négatives.

3. Pourcentage de la mesure

Pour ce qui est des spécifications d’exactitude en pourcentage de la mesure (parfois écrit % de la mesure), l’exactitude est toujours calculée sur la valeur de pression mesurée.

Avec ce genre de spécifications, la valeur absolue de l’erreur (exactitude) change quand la pression mesurée change.

À l’évidence, cela signifie qu’à zéro, la spécification d’exactitude est de zéro et que pour une valeur très proche de zéro, elle est extrêmement faible ou négligeable. Ainsi, en pratique, on trouve assez rarement une spécification en pourcentage de la mesure utilisée seule.

Les classiques balances à poids mort ont souvent des spécifications d’exactitude exprimée en pourcentage de mesure. Dans les faits, la pression la plus basse générée avec une balance à point mort est limitée par le poids le plus petit disponible ou par la plus basse pression à laquelle la spécification d’exactitude est valide.

Une pure spécification d’exactitude en pourcentage de la mesure n’est pas très adaptée aux instruments de mesure de pression ou aux calibrateurs, car l’exactitude devient très faible proche de zéro et qu’elle est nulle à une pression de zéro.

Ce n’est pas pratique, car il y a toujours du bruit ou une dérive du zéro. Ainsi, fournir uniquement une spécification d’exactitude en pourcentage de la mesure pour les calibrateurs n’est pas réaliste. Si c’est la seule spécification fournie, alors le minimum de la plage, à savoir la limite en dessous de laquelle la spécification d’exactitude n’est plus valide, doit aussi être spécifié.

On peut aussi exprimer la spécification en pourcentage de la mesure en ppm. C’est beaucoup plus adapté aux instruments de haute précision (par exemple les balances à poids mort), car une valeur en pourcentage va rapidement comporter de nombreux zéros. Comme déjà expliqué, convertir une valeur en pourcentage en ppm revient à multiplier le pourcentage par 10 000.

Exemple

  • Plage : 0 à 200 kPa
  • Spécifications d’exactitude : ±0,05 % de la mesure

Sur le graphique ci-dessous, l’axe Y correspond au « pourcentage de la mesure », qui est évidemment une droite horizontale.

Graph--v4

Le graphique ci-dessous montre l’exactitude du pourcentage de la mesure en fonction de l’incertitude absolue (en unités de mesure technique, des kPa dans ce cas) sur l’axe Y. On peut voir que lorsqu’une pression est faible, son erreur absolue est faible. Quand la pression augmente, l’erreur absolue augmente

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4. Exactitude combinée (pourcentage plein échelle et pourcentage de la mesure)

Cela signifie que la spécification d’exactitude est une combinaison du pourcentage pleine échelle et du pourcentage de la mesure.

Les deux pourcentages peuvent avoir des valeurs différentes. Par exemple, la spécification d’exactitude peut être exprimée comme ceci : ±(0,01 % pleine échelle + 0,05 % de la mesure).

En pratique cela signifie que la partie « pourcentage pleine échelle » permet de s’assurer qu’on a une spécification d’exactitude valide à zéro et proche de zéro tandis que la partie « pourcentage de la mesure » signifie que la spécification d’exactitude absolue augmente quand la pression augmente.

Ce type de spécifications est assez répandu pour les instruments de mesure de pression.

L’exemple ci-dessous illustre ce type de spécifications.

Exemple

  • Plage de pression : 0 à 200 kPa
  • Spécifications d’exactitude : ± (0,01 % pleine échelle + 0,04 % de la mesure)

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Spécification d’exactitude combinée

Dans l’exemple ci-dessus, l’exactitude combinée de la valeur de pleine échelle est de ±0,1 kPa qui correspond à une spécification de ±0,05 % pleine échelle, l’exactitude au point de pleine échelle est donc identique.

Cependant, comme une partie de cette spécification est donnée sous forme de pourcentage de la mesure, ce module est par conséquent beaucoup plus précis à des pressions faibles qu’un module dont la spécification est simplement 0,05 % pleine échelle.

Pour réaliser des étalonnages à des faibles pressions sans pour autant sacrifier l’exactitude, ce type de calibrateur de pression sera donc meilleur qu’un calibrateur qui n’aurait qu’une spécification d’exactitude en pourcentage plein échelle. De plus, avec ce type de spécification combinée, il vous faudra moins de modules de pression de plages différentes, car ils sont plus exacts sur une plage de pression plus étendue.

5. Exactitude à double échelle

Cela signifie que la partie inférieure de la plage de pression possède une exactitude fixe (% pleine échelle, % de l’intervalle de mesure ou unités de mesure technique) et que la partie supérieure possède quant à elle une spécification en pourcentage de la mesure.

C’est une autre manière pour les fournisseurs de calibrateurs de s’assurer qu’ils peuvent fournir des spécifications d’exactitude crédibles à zéro et proche de zéro ainsi que des spécifications d’exactitude absolue qui augmentent quand la pression augmente.

L’exactitude de la partie basse de la plage peut être spécifiée sous la forme d’un pourcentage pleine échelle, d’une partie de l’échelle ou d’un pourcentage de la mesure (fixe). Elle peut aussi être donnée en unités de mesure technique.

Dans les faits, cela signifie que la partie basse est « plate » et que la partie haute est ascendante. Le graphique ci-dessous illustre ce concept.

Exemple :

  • Plage de pression : 0 à 200 kPa
  • Spécifications d’exactitude : « 0,01 % pleine échelle » pour le premier tiers de la plage et « 0,05 % de la mesure » pour le reste de la plage

Graph--v7

Autres éléments à prendre en compte

Stabilité à long terme

Souvent, la spécification d’exactitude donnée n’est pas valide pour de longues durées et n’inclut pas de spécifications de dérive à long terme. Lisez attentivement la documentation de vos calibrateurs pour vérifier si c’est le cas.

Si vous étalonnez vos calibrateurs de pression une seule fois par an par exemple, c’est très important de savoir le type d’exactitude que vous allez rencontrer juste avant le prochain étalonnage, soit 11,5 mois après le précédent.

En ce qui concerne les calibrateurs de pression où l’utilisateur peut faire une correction de zéro, le zéro ne dérive pas dans le temps (ou il peut être remis à zéro par l’utilisateur).

Cependant, les utilisateurs ne peuvent pas corriger la dérive à haute pression (dérive d’intervalle de mesure). La dérive modifie habituellement l’exactitude à haute pression, en ajoutant souvent une dérive de type « pourcentage de la mesure » au fil du temps, ainsi l’intervalle de mesure pleine échelle a tendance à plus dériver dans le temps.

Quand vous choisissez un calibrateur de pression, vérifiez bien ses spécifications de dérive à long terme.

Incertitude et exactitude

C’est aussi très important de savoir quelles composantes sont incluses dans votre spécification d’exactitude.

En effet, certains calibrateurs spécifient une incertitude au lieu d’une exactitude. Typiquement, la spécification d’incertitude inclut aussi l’incertitude des étalons de références utilisés dans le laboratoire d’étalonnage au moment de la fabrication et pour l’étalonnage du calibrateur. Ces spécifications ont aussi souvent une période de validité, par exemple un an.

De manière générale, l’incertitude est un concept plus exhaustif que l’exactitude. J’aurais bien des choses à écrire à propos de l’incertitude, mais pour le moment contentons-nous de mentionner qu’il faut bien connaître toutes les composantes de l’incertitude applicables à l’intégralité de votre étalonnage, car l’incertitude totale de la procédure d’étalonnage est souvent bien supérieure à celle spécifiée uniquement pour le calibrateur.

Si le sujet vous intéresse, vous pourrez en apprendre plus sur l’incertitude dans l’article de blog intitulé L’incertitude d’étalonnage pour les nuls.

Rapport d’exactitude de test, rapport d’incertitude de test et incertitude d’étalonnage

Les critères usuels utilisés pour exprimer l’exactitude des calibrateurs (étalon de référence) sont les rapports d’exactitude de test et les rapports d’incertitude de test (abrégés en anglais TAR et TUR), également appelé capabilité. Cela correspond au rapport d’exactitude ou d’incertitude entre le calibrateur et les instruments que vous allez étalonner avec. On les utilise pour déterminer le niveau d’exactitude nécessaire pour votre calibrateur. Plus ce rapport est élevé, mieux c’est. Habituellement dans l’industrie traditionnelle on a tendance à utiliser un rapport de quatre pour un.

Souvent les instruments de procédés à étalonner ont une spécification d’exactitude exprimée en pourcentage plein échelle alors que les calibrateurs peuvent avoir une spécification exprimée (partiellement) en pourcentage de la mesure.

Dans les faits, cela signifie que l’exactitude d’un calibrateur est plus élevée que celle de l’instrument de procédé quand la pression mesurée est inférieure à la pleine échelle.

Ainsi, même si le rapport d’exactitude de test (TAR) n’est pas assez élevé pour une pression à pleine échelle, il devient plus élevé (meilleur) quand vous mesurez des basses pressions. L’exemple ci-dessous explicite ce concept.

Je pense que le graphique ci-dessous nécessite quelques explications :

  • La droite verte correspond à l’exactitude de l’instrument de procédé (celui à étalonner), elle est de 0,2 % pleine échelle (=0,4 kPa) [axe Y de gauche]
  • La courbe gris clair correspond à l’exactitude du calibrateur, elle est de 0,05 % de la mesure [axe Y de gauche].
  • La courbe gris foncé correspond au rapport d’exactitude de test (TAR), soit le rapport entre les deux exactitudes ci-dessus (axe Y de droite). On peut voir que le rapport d’exactitude de tests est de quatre à la valeur de pleine échelle, mais dès que la pression diminue, ce rapport augmente beaucoup, car le calibrateur possède une spécification en « pourcentage de la mesure » tandis que l’instrument de process possède une spécification en « pourcentage pleine échelle » [axe Y de droite].

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Rapport d’exactitude de test

Ce qu’il faut retenir du graphique ci-dessus (même s’il est un peu confus, j’en conviens) c’est qu’il faut calculer le rapport d’exactitude de tests à différentes valeurs de pression. Même s’il semble trop faible à pleine échelle, il peut être largement suffisant à basses pressions, à partir du moment où l’exactitude du calibrateur possède au moins une composante partielle en « pourcentage de la mesure ».

Attention cependant, le rapport d’exactitude de test inclut uniquement une comparaison d’exactitude, cela signifie qu’il ne prend pas du tout en compte l’incertitude. Dans les faits, les procédures d’étalonnage peuvent inclure d’autres sources d’incertitude plus importantes que le calibrateur, c’est donc crucial de toujours déterminer l’incertitude totale de la procédure d’étalonnage.

Spécifications de conditions ambiantes

Il faut toujours lire dans le détail les spécifications pour connaître les conditions ambiantes dans lesquelles les spécifications sont valides. Si vous réalisez votre étalonnage sur le terrain plutôt que dans un environnement contrôlé comme un laboratoire ou un atelier, vos conditions ambiantes vont grandement varier.

En effet, parfois, les spécifications données ne sont valides qu’à une température spécifique ou dans une gamme de températures donnée. Vous trouverez parfois une spécification distincte quand on est hors de la gamme de températures ou bien un coefficient de température.

Parmi les autres conditions ambiantes à prendre en considération, on peut citer l’humidité, l’altitude, l’indice de protection, l’effet d’orientation, la durée de réchauffement ainsi que les chocs/vibrations.

En résumé, vérifiez bien les spécifications de conditions ambiantes applicables à votre cas quand vous allez comparer les calibrateurs de pression.

Composantes additionnelles

Les spécifications incluent-elles toutes les composantes pertinentes (hystérésis, non-linéarité répétabilité) ? Ou bien sont-elles spécifiées séparément et doivent être ajoutées à la spécification ?

Enfin, il n’y a pas que l’exactitude qui compte

Bien que l’incertitude et l’exactitude soient des considérations cruciales au moment de choisir votre calibrateur de pression, il y a d’autres paramètres à prendre en compte que nous allons passer en revue.

  • Le calibrateur inclut-il une protection en cas de surpression ? En effet, il n’est pas toujours facile d’éviter la surpression d’un instrument de mesure de pression. Certains calibrateurs de pression possèdent des capteurs qui peuvent être endommagés même par une surpression très faible, tandis que d’autres peuvent supporter un certain niveau de surpression sans endommager les capteurs ou affecter l’exactitude. Par exemple, le calibrateur et communicateur de terrain Beamex MC6 inclut une soupape de sécurité décharger la surpression et empêcher qu’il soit endommagé.
  • Est-ce que le calibrateur possède son certificat d’étalonnage accrédité certifiant sa traçabilité métrologique formelle ? Si ce n’est pas le cas, il va falloir le faire étalonner séparément.
  • Les spécifications sont-elles conservatrices ou agressives ? Bien que ce soit parfois difficile à déterminer, c’est toujours intéressant de se renseigner pour savoir si l’entreprise a tendance à donner des spécifications plutôt conservatrices et fiables ou si elle donne des chiffres plutôt agressifs.
  • Quelle est la marque de l’entreprise qui fabrique l’instrument ? Ce fabricant est-il fiable ?
  • Quelles sont les conditions de garantie ? Y a-t-il une option pour étendre la garantie ? Existe-t-il des contrats de service après-vente pour couvrir les éléments qui ne rentrent pas dans le cadre de la garantie ?
  • Le fournisseur propose-t-il des formations ? Comment fonctionne le service après-vente et est-il disponible ? Comment se passe le ré-étalonnage ?
  • Outre la mesure de pression, le calibrateur propose-t-il d’autres fonctions qui pourraient vous être utiles ?
    • Par exemple, une boucle d’alimentation 24 V et une mesure exacte des mA peuvent être très utiles si vous avez prévu d’étalonner des transmetteurs de pression.
    • La plupart des transmetteurs sont compatibles HART, ainsi si le calibrateur inclut un communicateur HART, vous n’avez pas besoin d’emporter un communicateur distinct avec vous.
  • L’étalonnage doit être documenté, comment avez-vous prévu de le faire ? Un calibrateur de pression de documentation documente automatiquement vos résultats d’étalonnage et peut les communiquer à votre logiciel de métrologie industrielle, vous permettant de gagner un temps précieux tout en éliminant le risque d’erreur de saisie manuelle des données.

Vous pouvez également télécharger notre nouvel ebook pour tout savoir sur l'étalonnage en pression.

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