Le débit massique, une alternative rapide pour les petites

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Solutions
DÉTECTION DE FUITES
Le débit massique,
une alternative rapide
pour les petites
et grosses fuites
▼
Les bancs de test de détection de fuite s’installent au bord de la
ligne et suivent les cadences de production.
U
ne boîte fermée, c’est une boîte fermée et forcément étanche.
Les ingénieurs dans l’industrie
ne sont pas forcément sensibilisés aux problèmes de fuite. Même dans le
secteur de l’automobile qui représente 90 % du
marché, un manque de connaissance est à
déplorer dans bon nombre d’usines. Une étude de marché réalisée en France il y a quatre ans
estimait à 2000 le nombre d’appareils de détection de fuite en ligne de production industriel.
Un nombre dérisoire lorsque l’on sait que toute pièce fuit, que rien n’est étanche. Un marché qui devrait “exploser” si l’ensemble des
industriels
était
L’essentiel
conscient du bénéfice
qu’ils ont à en tirer. Et
En contrôle de production,
pas seulement en sortie
les systèmes automatisés
de ligne.La détection de
de détection de fuite par
mesure de pression sont
fuite pourrait être préles plus répandus.
sente à chaque étape de
Les systèmes avec une
production qui rajoute
mesure de débit massique
une source potentielle
apportent une mesure plus
de fuite : un usinage,
rapide et plus précise.
une soudure, la pose
Le test à l’hélium avec
d’un joint... Ceci est
détection par spectrod’autant plus crucial que
mètre de masse permet
d’atteindre des taux de fuila tendance actuelle est
te plus petits mais son coût
à l’intégration des équila limite aux applications
pements.C’est le cas des
spécialisées.
nouvelles générations de
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Pour détecter les fuites au rythme des cadences de production, les méthodes à air
sec avec mesure de pression différentielle font quasi l’unanimité Une autre mesure, par débitmétrie massique, moins connue, apporte des avantages surtout en
termes de rapidité et de capabilité pour les petits et forts débits. Intertech nous
présente ces différentes solutions qui existent déjà depuis plusieurs années mais
ne sont pas forcément bien connues.
moteurs pour l’automobile qui intègrent aussi le compresseur ou les injecteurs de carburants. En suivant les fuites le long de la chaîne,
on évite les mauvaises surprises sur les pièces
finies, lorsqu’il est trop tard.
Tout fuit
Porosité du matériau,joints plus ou moins performants, imperfections d’outillage, les problèmes de fermeture,de soudure ou de jointure,
toutes les occasions sont bonnes pour que les
molécules volatiles veuillent s’échapper du
milieu où elles sont confinées.La première étape de la sensibilisation des esprits est donc
d’admettre que tout objet fuit.Le tout est d’avoir
un taux de fuite acceptable. Seconde étape qui
se passe dans les bureaux d’étude, définir ce
taux acceptable. Exemple : les capsules pyrotechniques qui déclenchent le gonflement des
airbags. Celles-ci fonctionnent avec deux
poudres explosives qui ne doivent pas prendre
l’humidité.Il faut garantir une étanchéité équivalente à 20 ans d’utilisation. Dans ces conditions,études et calculs ont permis d’établir que
le taux de fuite acceptable doit être inférieur à
2 g d’hélium par an. Comment alors s’assurer
dès la production que ce taux sera respecté,ceci
sur chaque pièce et tout en respectant les
cadences de production? Réponse : le contrôle de production. Les tests se font en ligne, la
plupart du temps par un contrôle à 100 %. La
mesure de fuite confirmera, ou non, que le
produit fuit à un taux moindre que cette valeur
tolérée. Pas question évidemment d’attendre
un an. Alors, les pièces sont mises sous pression,avec la plupart du temps de l’air,parfois de
l’hélium. Pas moins de 30 bar pour les petites
capsules pyrotechniques des airbags.Sous pression, les fuites sont pour ainsi dire forcées. On
accélère le temps en quelque sorte et les tests
prennent quelques secondes ou moins. Ensuite, des méthodes de calculs permettent de
convertir la mesure réalisée sous pression en
un taux de fuite.Pour les petits switchs qui sont
utilisés dans le mécanisme d’ouverture et de
fermeture des vitres de voiture, le test sous air
sec prendra cinq dixièmes de seconde et permettra de détecter des taux de fuite inférieurs à
0,03 cm3/min (ou encore ccm). Pour des
pièces plus importantes, un test peut prendre
plusieurs dizaines de secondes (il est alors toujours possible de doubler les bancs de tests pour
suivre les cadences de production).
Comment faire ?
Quels sont donc les moyens de détection?
Lorsque l’on retrace les différentes méthodes,on
commence toujours par le test hydraulique,dit
aussi méthode des bulles dans l’eau.Celle-ci est
encore utilisée en particulier pour les tests de
fuite des pièces type récipient dans un environnement hostile,fait de mélange d’huile,de
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Le capteur de débit massique donne la valeur d’un débit directement converti en un taux de fuite
poussière ou à température variable. L’opérateur pressurise la pièce qui est immergée dans
un bain d’eau,puis il surveille si un courant de
bulles s’échappe de la pièce, signe manifeste
d’une fuite. Bien que cette technique permette de détecter de très petites fuites et de les localiser,elle ne peut pas fournir une mesure fiable
et exploitable du taux de fuite, car elle dépend
essentiellement de l’attention et de la concentration de l’opérateur. De plus, après le test, la
pièce doit généralement être séchée avant de
continuer dans le processus de fabrication et
d’expédition. C’est donc un contrôle lent qui
exige l’attention constante de personnel qualifié, sans obtenir des valeurs de fuite comparables,donc sans possibilité d’avoir une répétitivité et une reproductibilité de la fuite pour
une série de même pièce.
pression initiale.Une seconde mesure sera réalisée après un temps défini,qui mettra ainsi en
évidence une chute de pression, laquelle sera
convertie en taux de fuite. Il y a donc deux
mesures. Ce qui double les possibilités d’enregistrer des erreurs de mesure et augmente l’erreur finale dans les calculs de taux de fuite.
La seconde méthode est la mesure de pression
différentielle (∆P).On pressurise un volume de
référence et la pièce à tester. Un capteur différentiel lit l’écart de pression entre le volume (non
fuyard) et la pièce. On gagne un peu en rapidité de mesure.Il faut cependant nuancer,car dans
un test de détection de fuite, la mesure en ellemême est rarement l’étape la plus lente. Il faut
aussi tenir compte du temps de pressurisation
et,surtout,du temps de stabilisation.Le capteur
Tests à air sec
Alimentation
d’air
Pièce à tester
Régulateur
de pression
Vanne 1
Capteur
(de pression ou de
débit massique)
Volume
de référence
La pression : 2 mesures, 2 erreurs
C’est la raison pour laquelle, dès que l’on veut
passer à un système de contrôle automatisé des
applications de contrôle en ligne, le choix se
limite aux méthodes de test de fuite à air sec.
L’une mesure une chute de pression, procédé
classiquement utilisé ces quinze dernières
années. L’autre mesure directement le taux de
fuite en terme de débit massique, technologie
qui existe depuis une douzaine d’années et qui
a été introduite en Europe il y a environ 10 ans
par Intertech. Mesure de pression ou débit massique,la solution reste toujours la même.Il n’y
a finalement que les capteurs qui changent.Au
lieu d’injecter de l’air,on peut aussi faire le vide
dans la pièce et mesurer le flux d’air qui y rentre
après dépressurisation. C’est un procédé
d’ailleurs souvent conseillé, lorsque la pièce, le
permet car on évite les problèmes de température et de turbulences de l’air.
Dans le cas d’une mesure par pression, il
existe en réalité deux méthodes.
La première est dite “mesure de chute de pression”, qui consiste à pressuriser et isoler de la
source la pièce à tester, et à mesurer alors la
∆P est également plus précis qu’un simple capteur de pression (jauge manométrique utilisée en
mesure de chute de pression).
Dans les deux cas, Il y a toujours deux
mesures de pression et donc deux erreurs de
mesure. Ce temps entre les deux mesures
peut être long, voire très long si le volume est
grand ou si le taux de fuite est faible. En raison d’autres variables externes au processus
de test (température, vibration…), la probabilité d’erreur de mesure augmente directement avec la longueur de l’intervalle entre
les mesures. Des conditions défavorables
comme les changements ambiants de température, les mauvaises pièces, la déformation de la pièce pendant le test, ou la vibration
du joint modifient les conditions de mesures.
Vanne 2
Avant la mesure,le volume de référence et la pièce à tester sont pressurisés. Dans le cas d’une mesure de pression différentielle,le capteur
différentiel lit l’écart de pression entre le volume (non fuyard) et la pièce.Les calculs convertissent les deux lectures de cette pression en une
mesure de taux de fuite.Dans le cas,d’une mesure de débit massique,n'importe quelle fuite provenant de la pièce est compensée naturellement par l'air du volume de référence passant à travers le capteur de débit massique.La quantité d'air qui s’écoule pour remplacer l’air de
la pièce est mesurée directement en centimètres cubes standard par minute.
Le capteur de débit massique
Réchauffeur
Approvisionnement
en air
R1
Sortie
détecteur
R2
Le capteur de débit massique(voir schéma ci-dessus) utilise le principe de transfert de chaleur.Le débit de fuite traverse un élément chauffé,
où un peu de chaleur est transférée au gaz circulant.Sur un circuit intégré,des résistances sensibles de température (R1 et R2) mesurent la
température du flux entrant et sortant.Le pont est équilibré quand les deux résistances sont exposées à la même température (débit nul).
Quand le flux traverse,R2 devient plus chaud que R1,le pont est déséquilibré.La tension produite est proportionnelle au débit massique
d’air s’échappant de la pièce.
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Question rapidité
Applications
Pression
Seuil
de fuite
Temps de test
débit massique
Temps de test
Différentiel de pression
Carter boîte vitesse
Boîte vitesse
Refroidisseur ou échangeur
Injecteur essence
Corps de valve hydraulique
500 mbar
1 bar
22 bar
4 bar
2 bar
9,0 ccm*
10 ccm*
2 ccm*
0,05 ccm*
2 ccm*
10 s
21 s
6s
1,4 s
44 s
30 s
37 s
45 s
6s
65 s
*ccm = cm3/min
Les chiffres parlent d’eux mêmes… Mais il faut aussi tenir compte,pour déterminer le temps complet d’un test de fuite,des temps de pressurisation et de stabilisation.
D’où l’avantage de la méthode de débit massique. La mesure est plus rapide et elle offre
de meilleures performances métrologiques
en terme de capabilité des moyens de contrôle (selon la norme CMC définie par les
constructeurs automobiles français) ou en
termes de répétabilité et reproductibilité (définies par les normes américaines AIAG, elles
aussi spécifiques au secteur de l’automobile).
Débit massique : une seule mesure
La méthode de débit massique applique une lecture de mesure en un seul point (il y a donc une
seule erreur de mesure). Et puisque l’on n’effectue qu’une seule mesure,il n’y a donc pas de
laps de temps ni d’impact de variables incontrôlables. Une mesure de débit massique par un
capteur thermique n’est généralement pas réputée pour sa précision,ni même pour sa rapidité.
Pourtant,Intertech a adapté ce type de capteur à la
détection de fuite. Son équipement permet de
mesurer des petites fuites jusqu’à 0,01 cm3/min
en moins d’une seconde.
Pour atteindre ce temps de réponse, il est très
important que les masses de l’élément chauffant et de l’élément de détection soient aussi
petites que possible.Le capteur Intertech est posé
sur un circuit intégré et les éléments de détec-
tion sont les deux résistances en équilibre d’un
pont de Weatstone. Par ailleurs, l’utilisation
d’un réservoir permet au test d’être isolé de
l’arrivée d’air. En se servant d’une source alternative, le système est beaucoup plus stable que
les régulateurs de pression d’air conventionnels généralement utilisés dans les ateliers. Un
autre avantage touche à la compensation en
température. Celle-ci se fait directement grâce
à une mesure de température de la pièce par le
capteur lui-même, juste avant le test (ce qui
donne une fuite virtuelle qui est déduite de la
lecture finale et corrigée par un facteur correspondant au type du circuit de contrôle).
Pour les capteurs de pression, la compensation
en température, à l’aide de courbes mathématiques, est moins précise.
Ainsi, la répétitivité et la reproductibilité des lectures (R*R), selon les normes américaines ou
françaises obtenues avec les capteurs de débit d’Intertech sont dans la plupart des cas meilleures
qu’avec les systèmes différentiels traditionnels de
test de fuite informatisés.Enfin,la conversion d’un
débit masse en un taux de fuite est plus logique
et facile que celle d’une mesure de pression.
Tandis que la technologie à air sec peut être
poussée pour détecter des taux de fuite aussi
bas que 0,01 cm3/s voire 0,00016 cm3/s dans
Contrôle des Moyens de Contrôle
CMC est une référence de qualité utilisée en
France par PSA et Renault, de la même façon que
R&R est utilisé par AIAG, normes américaines utilisées aussi dans le secteur automobile.
Le CMC est le coefficient de capacité d’une
machine, c’est la capacité qu’un équipement
a pour mesurer des paramètres demandés
avec un grand degré de précision. Ce standard est imposé par CNOMO (normes pour la
construction des machines et installations
industrielles des groupes PSA Peugeot Citroën
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et Renault). Il est décrit dans la norme
E41.36.110.N datée du 10/1991.
Plus grand est le CMC plus précis est le banc
de contrôle. Le standard CNOMO
E41.36.416.N (en date de mai 1995) a pour titre :
« Capacité des moyens de production. Approbation des moyens de mesure. Moyen d’inspection à
l’air avec l’étanchéité à l’air ». Il décrit la procédure pour obtenir un CMC sur un banc de contrôle
à l’air. Le niveau d’acceptation, pour un test de
fuite, correspond à un CMC supérieur à 3.
des circonstances idéales,certaines productions
ont besoin de détecter des taux beaucoup plus
petits.Dans l’aéronautique et l’automobile,certains composants, vannes, raccords, circuits de
sécurité, des circuits de climatisation, etc. utilisent des gaz à molécules plus fines que les
molécules d’air.Pour ces applications,le capteur
de débit massique touche ses limites. Il y a
mieux : les systèmes de test automatisés utilisant des spectromètres de masse à hélium, qui
peuvent mesurer une fuite aussi faible que
10-6cm3/s,et fournir les mêmes données techniques que les systèmes de test à air.
L’hélium, c’est encore mieux
Le test à hélium par spectrométrie de masse
implique la pressurisation de la pièce à tester avec l’hélium ou un hélium mélangé avec
de l’air, dans une chambre de test. La
chambre est évacuée, incitant l’hélium à passer par n’importe quels points de fuite dans
le vide environnant. Cette fuite est amenée
au spectromètre de masse. Les molécules
d’hélium représentant la fuite sont ionisées
et aisément détectées. La capacité de test à
hélium pour détecter de très bas taux de fuite résulte de la relative petite structure moléculaire d’hélium. Ces molécules passent facilement dans les porosités des matériaux, ce
que l’air ou les gaz, à molécules plus grosses
ne peuvent faire. Autre avantage, le spectromètre de masse à hélium est insensible aux
perturbations extérieurs (température, vibration,… parce qu’il travaille dans le vide et
que l’hélium n’est pas sensible à la température). Il délivre des données de fuite plus
fiables et dans des temps plus courts. Les techniques à l’hélium peuvent être particulièrement utiles dans des situations où un produit scellé doit être contrôlé pour l’étanchéité.
Ici, la pression confinée dans le produit ne
peut pas être accessible pour mesurer n’importe quel changement. Par le test à l’hélium,
le produit est d’abord soumis à un environnement à hélium pressurisé (on utilise souvent le terme “bombardement” du produit),
puis on le met dans un environnement sous
vide d’air. Si un peu d’hélium a pénétré dans
le produit pendant le processus de bombardement, cet hélium sera expulsé de nouveau
sous le vide où sa présence est détectée,
signalant la fuite du produit. La seule
contrainte de cette technique est son prix.
Guy Mermet
Directeur d’Intertech Europe
Intertech, spécialiste en technologie de détection d’étanchéité, est une société américaine fondée en 1973.
Elle est installée à Chicago. Son implantation
européenne est basée à Villeurbanne (69).
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