Systèmes de capteurs pour environnements extrêmement difficiles

Performant sous pression : des systèmes de capteurs pour des environnements extrêmement difficiles

Photo 1 : Circuit imprimé en céramique avec circuits intégrés résistant aux hautes températures. Crédit : Fraunhofer IZM

À l’heure actuelle, l’industrie manque de capteurs robustes capables de résister à des températures et des pressions extrêmement élevées. Huit instituts Fraunhofer ont maintenant développé une plate-forme technologique pour la construction de ce type de système de capteurs dans le cadre du projet de phare “eHarsh”. Ceux-ci sont même capables de surveiller l’intérieur des turbines et des forages profonds pour les systèmes géothermiques.

Ils détectent les vibrations perturbatrices, émettent des avertissements lorsqu’une machine chauffe et sont capables d’identifier les composants endommagés sur une ligne de production. Les capteurs jouent un rôle clé dans les processus de production d’aujourd’hui. Des lignes de production complètes sont gérées à l’aide de dispositifs de détection fiables et d’yeux artificiels. Cependant, il n’a pas encore été possible de déployer ces assistants vigilants dans tous les domaines de l’industrie : les capteurs conventionnels ne durent pas longtemps dans des environnements classés comme extrêmement sévères. Il s’agit notamment de l’intérieur des centrales électriques ou des turbines d’avion et des trous de forage dans le sol, où les températures et les pressions sont élevées. Les capteurs sont également endommagés par des gaz et des liquides agressifs ou de la poussière. Pour répondre à ce problème, huit instituts Fraunhofer ont uni leurs forces dans le projet « eHarsh » pour développer les premiers capteurs très robustes pour les environnements extrêmement difficiles. « Nous avons beaucoup de connaissances approfondies au sein des instituts individuels », déclare Holger Kappert, coordinateur d’eHarsh, de l’Institut Fraunhofer pour les circuits et systèmes microélectroniques IMS. « Nous en savons beaucoup sur les céramiques résistantes à la chaleur et nous avons la capacité de tester les propriétés des matériaux et de produire des circuits microélectroniques robustes. Cependant, aucun d’entre nous n’a été capable de créer ce type de capteur. Ce n’est que par la coopération et le combinaison de nombreuses technologies individuelles que nous avons réussi à réussir.”

Performant sous pression : des systèmes de capteurs pour des environnements extrêmement difficiles

Image 2 : Tête de capteur avec élément de capteur en céramique. Crédit : Fraunhofer ILT

Traitement du signal directement sur site

L’équipe s’est d’abord concentrée sur les applications avec des températures et des pressions élevées – les turbines et les trous de forage susmentionnés. L’objectif n’était pas seulement d’incorporer des éléments de pression et thermiques robustes dans les turbines et les forages, mais aussi d’inclure les composants électroniques pour évaluer les mesures. « L’avantage d’avoir les composants électroniques sur place et d’avoir le traitement du signal dans le capteur lui-même est que cela améliore la qualité des signaux du capteur », explique Holger Kappert. “Cela signifie également que nous pouvons mieux mettre en réseau les capteurs à l’avenir, en économisant sur les efforts de câblage.” Cela serait particulièrement utile dans les moteurs d’avion car cela réduirait leur poids. Ces moteurs sont complexes. Les flux d’air, les tensions et la puissance électrique doivent être soigneusement contrôlés en fonction de la manœuvre de vol. En utilisant de petits capteurs robustes directement à l’intérieur du moteur, l’état du moteur pourrait être mesuré et le processus de combustion contrôlé avec une précision beaucoup plus grande à l’avenir afin que le carburant puisse être utilisé plus efficacement, par exemple.

Le boîtier du capteur est en métal et les éléments du capteur en céramique pouvant résister à des températures allant jusqu’à 500 degrés Celsius. L’électronique interne peut résister à environ 300 degrés Celsius. L’un des défis consistait à combiner les différents composants afin qu’ils ne se séparent pas même lorsqu’ils sont chauffés et refroidis à plusieurs reprises, bien qu’ils soient fabriqués à partir de matériaux qui se dilatent et se contractent à des vitesses différentes. Parmi les matériaux utilisés figuraient des circuits imprimés en céramique résistant à la chaleur et des conducteurs avec un mélange de tungstène qui est également utilisé pour le filament des ampoules.

Capteurs pour systèmes géothermiques

Les capteurs sont non seulement résistants à la chaleur, mais peuvent également supporter des pressions allant jusqu’à 200 bars, soit près de cent fois la pression d’un pneu de voiture. Une utilisation future possible de ces capteurs est dans les pompes pour les systèmes géothermiques. Dans les systèmes géothermiques, les bâtiments sont chauffés avec de l’eau chaude de la terre. Les pompes sont situées au fond du forage et doivent pouvoir résister à la fois à la chaleur et aux pressions à cette profondeur. Ces nouveaux capteurs permettent de surveiller les pompes facilement et en permanence. Ces possibilités améliorées peuvent également aider les fabricants de machines à tester la durée de vie de leurs capteurs. Ces tests soumettent les composants à des pressions ou des températures élevées afin qu’ils vieillissent plus rapidement, ce qui permet de déterminer la durée de vie d’un produit dans un laps de temps maîtrisable. Si les capteurs sont capables de fonctionner dans des conditions plus extrêmes, il sera possible d’effectuer les tests avec une charge plus élevée. Cela réduira considérablement le temps de test. « Dans l’ensemble, la nature interdisciplinaire d’eHarsh nous a permis de développer avec succès une plate-forme technologique pour des systèmes de capteurs robustes pour de nombreuses utilisations différentes », déclare Holger Kappert.


Transducteurs à ultrasons résistants à la chaleur


Fourni par Fraunhofer-Gesellschaft

Citation: Performing under pressure : Systèmes de capteurs pour environnements extrêmement difficiles (2021, 1er décembre) récupéré le 1er décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-pressure-sensor-extremely-harsh-environments.html

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