Le controle d'étanchéité

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détection Bernard Seemann Le contrôle d’ étanchéité

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  1. 1. d t e c t i o n B e r n a r d S e e m a n n Le contrle dtanchit
  2. 2. Le contrle dtanchit
  3. 3. Chez le mme diteur A. Caussarieu & Th. Gaumart. Guide pratique de la rnovation des faades, 2005 Pierre, brique, bton B. Couette. Guide pratique de la loi MOP, 2005 P. Grard. Pratique du droit de lurbanisme, 2007, 5e dition J.-P. Gousset, R. Pralat, J.-C. Capdebielle. Le Mtr, 2004, 2e tirage P. Grelier Wyckoff. Pratique du droit de la construction, 2007, 5e dition Marchs publics et marchs privs P. Grelier Wyckoff. Le mmento des marchs publics de travaux, 2007, 3e dition Intervenants, passation et excution (Le code des marchs publics 2006) P. Grelier Wyckoff. Le mmento des marchs privs de travaux, 2006, 2e dition Intervenants, passation et excution J.-C. Philip, F. Bouyahbar, J.-P. Muzeau. Guide pratique de la dmolition des btiments, 2006
  4. 4. Le contrle dtanchit Bernard SEEMANN
  5. 5. ditions Eyrolles 61, Bld Saint-Germain 75240 Paris Cedex 05 www.editions-eyrolles.com Le code de la proprit intellectuelle du 1er juillet 1992 interdit en effet expressment la photocopie usage collectif sans autorisation des ayants droit. Or, cette pratique sest gnralise notamment dans les tablis- sements denseignement, provoquant une baisse brutale des achats de livres, au point que la possibilit mme pour les auteurs de crer des uvres nouvelles et de les faire diter correctement est aujourdhui menace. En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intgralement ou partiellement le prsent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans autorisation de lditeur ou du Centre Franais dExploitation du Droit de Copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris. Groupe Eyrolles, 2008, ISBN978-2-212-12374-6
  6. 6. TABLE DES MATIRES 1 Le fait de contrler............................................................... 1 1.1 Historique ...................................................................................... 1 1.2 Les contrles destructifs versus non destructifs ............................ 3 1.3 Caractres contrls....................................................................... 3 1.4 Grandeur et mesure........................................................................ 3 1.5 Rapport signal sur bruit ................................................................. 4 1.6 Qualit du contrle et de la mesure ............................................... 4 1.7 Efficacit........................................................................................ 5 1.7.1 Risque du client ................................................................... 5 1.7.2 Risque du fournisseur ........................................................... 5 1.7.3 chantillonnage ou contrle 100 % ................................... 6 2 Contrler ltanchit.......................................................... 7 2.1 Dfinition....................................................................................... 7 2.2 Dfinition dune fuite .................................................................... 8 2.2.1 Fuite de fluide gazeux........................................................... 8 2.2.2 Fuite de fluide liquide........................................................... 9 2.2.3 Principe de contrle mesure............................................... 11 2.2.4 Mthode locale ..................................................................... 12 2.2.5 Mthode globale locale ........................................................ 13 2.3 Sensibilit ...................................................................................... 14 2.4 Laboratoire et industrie.................................................................. 16 2.5 Prcision ........................................................................................ 16 2.6 Cots.............................................................................................. 16 2.7 Units............................................................................................. 17 3 valuation des taux de fuite par le calcul ..................... 19 3.1 Caractrisation dune fuite............................................................. 19 3.2 Modlisation dune fuite................................................................ 19 3.3 Les paramtres de dfinition.......................................................... 20 3.4 Cas des pertes de fron.................................................................. 21 3.5 Conversion pour un test pression atmosphrique........................ 23 3.6 Conversion de flux de rfrence pour un test sous vide................ 27 3.6.1 Premire tape : calcul du flux laminaire sous vide ............. 28
  7. 7. VI 3.6.2 2e tape : calcul du flux molculaire..................................... 29 3.6.3 3e tape : calcul du dbit total............................................... 31 3.7 Cas des fuites liquides ................................................................... 32 3.7.1 quation gnrale de Poiseuille (liquides)............................ 32 3.7.2 Calcul du diamtre quivalent avec les tensions de surface............. 33 3.7.3 Dtermination du diamtre quivalent critique..................... 33 3.7.4 Dtermination du flux gazeux correspondant....................... 34 3.8 Chute de pression sur une longue dure......................................... 35 4 Les mthodes air dans air.................................................. 39 4.1 Variation de pression .................................................................... 39 4.1.1 Mesure de la variation de pression (ou de vide) ................... 39 4.1.2 Cycle de test.......................................................................... 42 4.1.3 Mesure relative...................................................................... 43 4.1.4 Mesure diffrentielle............................................................. 45 4.1.4.1 Rglage des paramtres dun cycle de test ............... 46 4.1.4.2 Mesure diffrentielle avec rfrence......................... 49 4.1.4.3 Mesure diffrentielle sans rfrence ......................... 52 4.1.4.4 Mesure diffrentielle avec 0 central.................... 52 4.1.4.5 Mesure indirecte........................................................ 53 4.1.4.6 Composants scells ................................................... 54 4.1.4.7 Calibrage talonnage............................................. 56 4.2 Dbitmtrie .................................................................................... 57 4.2.1 Le dbitmtre thermique....................................................... 57 4.2.2 Principe du capteur ............................................................... 57 4.2.3 Principe de dtection............................................................. 59 4.2.4 Correction de la lecture......................................................... 60 4.2.5 Le dtecteur de fuite dbitmtre massique ........................... 60 5 Les mthodes par gaz traceur .......................................... 63 5.1 Gaz traceur hydrogne................................................................... 64 5.1.1 La dtection de fuite par gaz traceur hydrogne................... 64 5.1.2 Le gaz hydrogne.................................................................. 65 5.1.2.1 Utilisation dun mlange........................................... 65 5.1.2.2 Limite inflammabilit ............................................... 66 5.1.3 Le capteur, les sondes, le calibrage....................................... 66 5.1.3.1 Systme de prlvement ........................................... 68 5.1.3.2 Calibrage................................................................... 68 5.1.4 La mthode de test ................................................................ 69 5.1.4.1 Reniflage pour localisation de fuite .......................... 70 5.1.4.2 Contrle de rseau hydraulique ............................... 70
  8. 8. Table des matires VII 5.1.4.3 Reniflage par accumulation : test intgral ................ 72 5.2 Gaz traceur hlium......................................................................... 76 5.2.1 Les spectromtres ................................................................. 76 5.2.2 Dtection par spectromtre de masse hlium ....................... 77 5.2.2.1 Pourquoi les dtecteurs sappellent-ils spectromtres de masse ?.......................................... 77 5.2.2.2 Les diffrents lments qui composent un dtecteur dhlium............................................... 78 5.2.2.3 Cellule danalyse : principe ...................................... 79 5.2.2.4 Principe de mesure contre-courant......................... 82 5.2.2.5 Principe de mesure directe : mode fine fuite ............ 84 5.2.2.6 Principe de mesure directe : mode grosse fuite ........ 85 5.2.3 Test sous vide........................................................................ 86 5.2.3.1 Dans une enceinte ..................................................... 86 5.2.3.2 Test par aspersion ..................................................... 89 5.2.4 Test en reniflage.................................................................... 91 5.2.4.1 Principe de base ........................................................ 91 5.2.4.2 Conception de la sonde : quel dbit ? ....................... 93 5.2.4.3 Plus petit signal dtectable........................................ 95 5.2.4.4 Vitesse de dplacement de la sonde.......................... 96 5.2.4.5 Temps de rponse .................................................... 96 5.2.4.6 Mesure de concentration........................................... 97 5.2.4.7 Procdure de calibrage en reniflage.......................... 97 5.2.4.8 Fonction auto zro .................................................... 98 5.2.4.9 Test local................................................................... 99 5.2.4.10 Test global............................................................... 100 5.2.5 Rcupration de lhlium...................................................... 101 5.2.5.1 Calcul de la consommation dhlium ....................... 103 5.2.5.2 Calcul du taux de rcupration dhlium.................. 103 5.3 Autres gaz traceurs ........................................................................ 105 5.3.1 Dtecteur conductivit thermique ...................................... 105 5.3.2 Dtection multigaz quadruple............................................. 107 5.3.3 La lampe halode................................................................... 107 5.3.4 Contrle dtanchit des circuits sous vide......................... 107 6 Autres mthodes ..................................................................109 6.1 La voie humide.............................................................................. 109 6.2 Bac eau........................................................................................ 109 6.2.1 Mise en uvre....................................................................... 109 6.2.2 Fiabilit ................................................................................. 110
  9. 9. VIII 6.2.3 Quantification ....................................................................... 111 6.3 Colorant ......................................................................................... 112 6.4 Technique de dtection acoustique : ultrasons .............................. 113 6.5 Dcharges lectriques .................................................................... 117 6.6 Dtection des radio-isotopes.......................................................... 117 6.7 Linterface pice teste - systme de contrle............................... 119 7 Le vide......................................................................................123 7.1 Notions de vide.............................................................................. 123 7.1.1 Quest-ce que la pression atmosphrique ?........................... 123 7.1.2 Composition de latmosphre ............................................... 125 7.1.3 La pression partielle.............................................................. 126 7.2 Les niveaux de vide ....................................................................... 126 7.3 Gnration de vide : le pompage .................................................. 127 7.3.1 Pompes palettes.................................................................. 128 7.3.2 Pompes roots......................................................................... 130 7.3.3 Pompes turbo molculaires................................................... 132 7.3.4 Pompes molculaires ............................................................ 133 7.3.5 Pompes turbo molculaires hybrides .................................... 134 7.3.6 Groupe de pompage pour la dtection de fuite ..................... 135 7.3.7 Dimensionnement du groupe de pompage pour un test sous vide............................................................ 135 7.3.8 Do vient le bruit de fond ?................................................. 138 7.4 Pompage parallle.......................................................................... 139 7.5 Temps de rponse........................................................................... 140 7.5.1 Temps dapparition de la fuite .............................................. 140 7.5.2 Temps de rponse du dtecteur............................................. 141 7.5.3 Disparition du signal............................................................. 142 7.6 Mesure de la vitesse de pompage hlium dun groupe de pompage................................................................ 143 A1 Masses molaires des fluides frigorignes .....................145 A2 Tensions de surface .............................................................147 A3 Convention des units........................................................149 A4 Rsum des formules en units SI .................................151
  10. 10. 1 Le fait de contrler Le mot rle provient du mot rouleau sur lequel on crivait des listes et registres dactes. Le mot contrle vient de contrerole, registre quon tenait en double (contreroller 1310). 1.1 Historique Depuis longtemps, les clients ne font quune conance limite leurs fournisseurs. Une anecdote intressante propos dArchimde est sans aucun doute lhistoire de la couronne dor. Le roi Hiron II (306-215 av. J.-C.) de Syracuse dcida doffrir aux dieux une couronne dor an de les remercier de son ascension au trne (250 av. J.-C.). Il pesa donc une certaine quantit dor et loffrit un orfvre an quil puisse raliser ce joyau. Quelque temps plus tard, le roi reut une magnique couronne de mme masse que la quantit dor quil avait remise lartisan. Doutant de la qualit de la couronne, le roi Hiron II demanda au jeune Archimde, alors g de 22 ans, de vrier si lartisan avait t honnte, sans toutefois briser le bijou. Figure 1 : La quantit dor donne lorfvre se retrouve-t-elle dans la couronne ? Il immergea donc une quantit dor gale celle donne par le roi, dans un certain volume deau et calcula la quantit deau qui dborda. Il t la mme chose avec une masse gale dargent pour ensuite nir avec la Balance OR fourni
  11. 11. 2 couronne que lartisan avait donne au roi Hiron II. La quantit deau dplace par la couronne se situait entre celle de lor et de largent. Il prouva donc lescroquerie de lorfvre, car celui-ci avait construit la couronne avec de largent et une petite quantit dor. Dj bien avant cela, le roi Hammourabi, roi de Babylone, rdigea un code juridique. Ce code concernait la construction des maisons et la responsabilit du maon tait engage de manire trs forte ; quon en juge : Article 229 : Si un maon a construit une maison pour quelquun, mais sil na pas renforc son ouvrage et si la maison quil a construite sest effondre et sil a fait mourir le propritaire de la maison, ce maon sera tu. Article 230 : Si cest un enfant du propritaire de la maison quil a fait mourir, on tuera un enfant de ce maon. En 384 av. J.-C., on nonait Les Catgories qui sont une uvre attribue Aristote que lon place en tte de lOrganon. Aristote commence par poser quelques distinctions fondamentales : substance, qualit, relation, lieu, temps, position, tat, action et affection. En 1664, Colbert dclare : Si nos fabriques imposent force de soin la qualit de nos produits, les trangers trouveront avantage se fournir en France et alors largent afuera dans le royaume. En 1788, Jean-Baptiste de Gribeauval fournit larme le moyen de garantir linterchangeabilit des pices dartillerie au travers dune premire normalisation constitue de table de construction. En 1870 : apparition de la tolrance double mini/maxi. 1900 : production en srie et taylorisme. 1901 : cration du LNE. 1924 1931 : contrle statistique de la qualit Shewhart. 1945 : trs forte demande de produits manufacturs aprs la Seconde Guerre mondiale. La quantit lemporte donc sur la qualit. 1970 : chocs ptroliers + perces spectaculaires des entreprises japonaises, la n des Trente Glorieuses marque la deuxime naissance de la qualit et de son contrle.
  12. 12. Le fait de contrler 3 1.2 Les contrles destructifs versus non destructifs Les contrles sont regroups dans deux grandes familles selon quils modient lintgrit de lobjet du test, le rendant ainsi impropre la vente ; ou selon quils sont neutres. Dans le premier cas, on les appelle tests destructifs et il ne peut sagir que de prlvements dchantillons dans la production. Les tests neutres, ou non destructifs, peuvent tre appliqus lintgralit de la production. Dans tous les cas, le taux de pices testes varie de quelques pourcents 100 %. Le contrle dtanchit est, sauf exception rare, un contrle non destructif. Attention ne pas confondre avec un test dpreuve, qui consiste mesurer la rsistance mcanique de lobjet en lui appliquant une pression dessai (cas des rservoirs sous pression). Le non-succs de cette preuve conduisant gnralement la destruction de la pice. 1.3 Caractres contrls Deux justications sont lorigine de ces contrles : les qualits commerciales et les qualits techniques. Dans les deux cas, cest lintgrit de lenveloppe qui sera vrie, ou sa capacit ne pas laisser sortir (ou trs peu) ce quelle renferme, ou ne rien laisser entrer qui soit gnant. Le cas des tanchits grossires, pour lesquelles le taux de fuite sapparente clairement une mesure de dbit, ne sera pas trait dans cet ouvrage. Ceci concerne particulirement les rgimes de dbit turbulents. Le contrle dtanchit consiste mesurer le ux entrant ou sortant de la pice, ou son impact sur la grandeur mesure (cas de la variation de pression par exemple). 1.4 Grandeur et mesure Le taux de fuite peut tre mesur avec une certaine prcision et une certaine rptabilit. Mais on peut aussi faire une mesure comparative un talon. Si le taux de fuite est infrieur ltalon, la pice est accepte.
  13. 13. 4 Dans le cas contraire, elle sera refuse. Cette manire de procder est la plus conomique et, en thorie, aussi able puisque le but dun moyen de contrle est de trier la production en fonction dun seuil de refus. La tendance dans lindustrie est pourtant dopter pour des moyens de mesure donnant exactement le taux de fuite de chaque pice contrle. Il faut intgrer alors la gestion des calibrages et talonnages de la chane de mesure. 1.5 Rapport signal sur bruit En dtection de fuite, le rapport signal sur bruit est le rapport entre la valeur du signal quand il ny a pas de fuite dtectable, et la valeur du signal laquelle on prendra la dcision de rejeter une pice. Plus ce rapport est lev, plus le test sera able, cest--dire plus le risque du fournisseur sera faible (risque de rejeter une pice tort). La valeur de ce rapport gnralement retenue est dau moins 10 la conception. En condition de production, on mesure plutt des rapports de lordre de 3 5. Cette caractristique concerne surtout le test par gaz traceur quand la mesure est faite sur un signal non stabilis pour des raisons de temps de cycle dans les applications industrielles. 1.6 Qualit du contrle et de la mesure Linteraction entre la pice et lappareil est mesure par le systme de mesure en fonction de la procdure de contrle, ce qui conduit : accepter ou rejeter la pice ; modier les rglages car aucune dcision nest possible ; si ncessaire, une modication de la procdure ou de la spcication ; ltalonnage est matrialis par une courbe faisant correspondre la mesure m chaque valeur n de la grandeur mesurer ; lappareil de mesure doit se situer dans une chane de mesure. Centre d'talonnage agr talon de rfrence de l'entreprise talon de travail Instrument de mesure
  14. 14. Le fait de contrler 5 Pour un contrle russi, il est ncessaire de surveiller les rglages pendant toute la dure du contrle. Ltalonnage dun appareil de mesure consiste comparer sur toute lchelle de mesure le rsultat afch la valeur de ltalon. On obtient donc une courbe dtalonnage, souvent fournie sous forme de tableau. Dans la dtection de fuite, lattention doit surtout porter sur les valeurs proches du seuil de refus. Cest pourquoi on se contente quelquefois de seulement un ou deux points de comparaison. 1.7 Efcacit Tout systme de contrle, aussi able soit-il, peut se tromper quand il sagit de dcider de manire binaire si le rsultat est bon ou mauvais. Cette possibilit statistique sappelle le risque (sous-entendu de ne pas prendre la bonne dcision) et lon peut lanalyser selon limpact quil peut avoir sur lentit entreprise. 1.7.1 Risque du client Il sagit de la probabilit quune pice mauvaise, qui naurait pas t carte par le contrle, se retrouve chez le client et soit dtecte mauvaise par lui. En termes dimage comme en termes de cot, cest le cas le plus critique quil faut viter tout prix. Les critres de contrle, ainsi que la conception du systme et lorganisation des ux doivent intgrer la gestion de ce risque pour le minimiser autant que possible. Par exemple : une pice mauvaise ne doit pas pouvoir tre change avec une pice bonne (marquage, contrle de lvacuation de la pice vers les rebuts, etc.). Les tolrances de mesures doivent tre places du ct fournisseur, en modiant le seuil de refus au besoin. 1.7.2 Risque du fournisseur Il sagit de la probabilit de refuser tort une pice bonne. Cela induit un cot car cette pice a t fabrique pour rien, nanmoins, le client nen saura rien, et aucune valeur ajoute inutile ne sera donne ultrieurement cette pice. Ajoutons que dans la plupart des cas, cette pice peut tre
  15. 15. 6 teste nouveau si le contrle est non destructif, et la probabilit de se tromper deux fois de suite de la mme manire est encore plus faible. 1.7.3 chantillonnage ou contrle 100 % Comme tout contrle de qualit effectu une tape intermdiaire ou lorsquon a ni de fabriquer le produit, le choix peut tre fait de contrler tous les produits, ou de se limiter contrler un prlvement reprsentatif de la production. Dans ce dernier cas, il faut calculer la taille de lchantillon daprs les mthodes de calcul statistiques classiques.
  16. 16. 2 Contrler ltanchit tymologie : tancher : arrter lcoulement (milieu du XIIe sicle). Il faudra attendre 1876 pour voir apparatre le mot tanchit pour la premire fois dans une gazette juridique. Ltanchit est donc une proccupation plutt rcente. 2.1 Dnition Ltanchit telle que nous la traitons dans cet ouvrage se dnit comme la capacit qua une enveloppe garder son contenu intact. Cela signie quelle est apte empcher tout passage de uide au travers de ses parois, quil soit entrant ou sortant. Dans la pratique, ltanchit absolue est utopique et cette aptitude devra se situer un niveau nces- saire et sufsant pour garantir les critres de qualits recherchs. Dans les transferts de uides, il existe galement des phnomnes plus complexes que le simple coulement quon rsumera sous les termes : permation et diffusion. Ces phnomnes ne remettent pas en cause ltanchit dune paroi, dans la trs grande majorit des cas. Nous ne les traiterons pas, mais ils seront cits quand ils peuvent interfrer avec un contrle et perturber la mesure, typiquement dans le test hlium sous vide. Le niveau dtanchit sexprime par le seuil de refus ou de rejet. Cest la limite partir de laquelle on dclarera une pice bonne ou mauvaise. Un seuil x trop bas conduit faire de la surqualit. linverse un seuil trop tolrant fait prendre le risque de dcevoir le client ou lutilisateur nal par une qualit insufsante. Dans tous les cas, exprimer un seuil de refus comme cela : zro fuite ! nest pas raliste et il faut se plier au difcile exercice quest lestimation de la taille de fuite maximale acceptable. Il faut accepter lide quun produit vendable peut fuir, mais pas trop. Tout est dans la mesure.
  17. 17. 8 2.2 Dnition dune fuite La dtection de fuite permet surtout de dtecter les dfauts traversant une paroi. Une fuite peut tre dtecte si on met en vidence un ux (gazeux ou liquide) qui passe au travers de la paroi soumise une pression diffrentielle. On peut dans certains cas dtecter les dfauts non dbouchants, condition que le volume interne du dfaut soit sufsamment important pour constituer un rservoir alimentant cette pression diffrentielle nces- saire la cration dun dbit. On fera appel aux techniques de ressuage. Figure 1 : Une fuite due un dfaut dans la matire. Le ux dpend de la pressure diffrentielle Pint Pext, la viscosit du uide, la taille du dfaut Quand Pext est la pression atmosphrique, on dit que le test a lieu la pression atmosphrique . Cela ne prsume en rien de la valeur de Pint qui peut tre suprieure ou infrieure, mais pas gale, la pression atmosphrique ; ceci an de crer la pression diffrentielle ncessaire la cration dun dbit au travers du dfaut traversant. 2.2.1 Fuite de uide gazeux Les gaz tant compressibles, lexpression dun ux devra prendre en compte le produit Pression Volume test pour exprimer la quantit de uide qui passe par unit de temps. Prenons une enveloppe contenant un fluide (gaz ou liquide) une pression suprieure la pression atmosphrique Pas de fuite Aucune molcule ne sort de lenveloppe Fuite Des molcules sortent de lenveloppe : prsence dun flux
  18. 18. Contrler ltanchit 9 Dans la dtection de fuite hlium, on trouve des dtecteurs indiquant le rsultat de leur mesure en mbar.l/s. Ce nest pas lunit lgale qui est le Pa.m3/s mais cest lunit trs souvent en usage sur le terrain. En cas de fuite, il y a un impact sur la pression interne ou sur le volume externe (ou les deux). On peut donc dtecter les fuites par leurs effets : variation de la pression, variation de la pression partielle, variation du volume externe (bulles) ; ou par la mesure de la fuite elle-mme : gaz traceur, dbitmtrie. 2.2.2 Fuite de uide liquide ou La variation de volume du uide lie la pression est ngligeable dans le cas des liquides. Le ux peut alors tre exprim au choix en masse ou en volume par unit de temps. Le lien entre ces deux expressions est la masse volumique du uide, cest--dire sa masse par unit de volume (kg/m3). La valeur du dbit correspond bien la quantit de molcules par unit de temps. Que se passe-t-il si on change de nature de uide, du gaz vers le liquide ou inversement ? Flux = Volume Temps essionGaz Pr m3, l, cm3... Pa, bar, mbar... s, min, h, jours, an... Flux = Volume Temps Liquide m3, l, cm3... s, min, h, jours, an... Flux = Masse Temps Liquide kg, g, mg... s, min, h, jours, an...
  19. 19. 10 Une pice fuyarde lair peut-elle tre tanche avec du liquide ? Nous pouvons rpondre sans hsiter : oui, cest possible. En effet, on observe la surface des liquides une tension de surface. Ce phnomne peut boucher la fuite et empcher tout dbit au travers du dfaut. Il ne faut toutefois sen proccuper que dans le cas des micro- fuites ( quivalent de quelques microns pour leau) ou pour des liquides trs forte tension de surface, comme certaines huiles basse temprature. En rsum, en de dune certaine taille, mme en prsence dun dfaut dbouchant, aucun dbit de liquide ne pourra stablir. On parlera alors de diamtre critique. Dans la problmatique dune pice conue pour contenir du liquide et teste avec un gaz, le seuil de rejet correspondant doit tre dni, cest-- dire la fuite maximum admissible. Il peut tre obtenu soit par le calcul, soit par exprimentation. Le calcul pour les faibles pertes de liquide conduit souvent un seuil de rejet svre, posant la question de la surqualit et du cot dun test haute sensibilit qui ne serait justi que par le calcul. Lexprimentation est une manire efcace de positionner son seuil de refus. Isoler une pice fuyarde la limite de la qualit acceptable. Mesurer son taux de fuite par une mthode adapte nous permet alors de xer une limite plus basse pour scuriser lexprience. On peut prendre en seconde approche le rapport entre la viscosit de leau et celle de lair. Ce rapport varie de 30 80 selon quil sagisse deau pure ou dun mlange thanol-glycol. Cest pourquoi la valeur de 50 est souvent utilise sur le terrain pour estimer grossirement le seuil de rejet en air correspondant une fuite de liquide. Exemple : radiateur de refroidissement moteur, carter de bote de vitesses, direction assiste, rservoir de lave-glace. Une fuite de liquide peut donc tre dtecte par une mise en vidence dun dbit de gaz au travers de la paroi pendant le test.
  20. 20. Contrler ltanchit 11 Figure 2 : Changement de mdia liquide / gazeux Lexistence dun ux dpend de : la pressure diffrentielle Pint Pext applique de chaque ct de la paroi considre, la viscosit du liquide, la tension de surface, la taille du dfaut, la temprature ( laquelle est lie la viscosit). Nous avons vu que le liquide peut boucher la fuite grce aux tensions de surface qui sappliquent son contact avec latmosphre. Elles dpendent du uide considr et peuvent sexprimer comme une contre- pression (pression sopposant lcoulement du liquide au travers de la fuite). 2.2.3 Principe de contrle mesure Comme nous venons de le voir, dans tous les cas cest lexistence dune pression diffrentielle (interne externe) qui permettra de gnrer un dbit dtectable. On trouve sur le march un grand nombre de principes diffrents pour contrler ltanchit dune pice. Tous ne sont pas quivalents et il est parfois difcile de faire son choix. Il faut ranger ces techniques dans Un dfaut peut permettre un dbit gazeux mais faire barrage du liquide. La nature du mdia conditionne ltanchit.
  21. 21. 12 des tiroirs selon des critres utiles, comme la taille des fuites dcelables, la localisation possible des dfauts, le cot, etc., pour pouvoir les comparer. Critres de classement gnraux : sensibilit : plus petite fuite dtectable ; type de test : local ou global ; adapt lindustrie ou au laboratoire ; cot (investissement, maintenance). Critres de classement par principe de dtection : air dans air ; air sous eau ; gaz traceurs ; spectromtrie ; capteur lectrochimique ; autres. 2.2.4 Mthode locale Une mthode dite locale permet didentier les fuites individuellement. On pourra notamment localiser la fuite, en vue dune ventuelle rparation ou dune expertise qualit. Une mthode locale : mesure ou met en vidence individuellement une fuite ; permet de localiser la fuite ; permet de ne contrler quune partie dun ensemble dans le cas de grande taille. Exemple Leau savonneuse applique sur les jonctions dun rseau de gaz va permettre lapparition dune bulle chaque endroit o il y a une fuite. Cette mthode est trs pratique pour savoir o se trouvent les fuites, mais pour contrler lintgralit de lenveloppe, il faudrait mouiller lensemble de lobjet du test. De mme, si une des fuites est plus petite que les autres, loprateur peut la manquer. Exemple Lampe hallode de frigoriste.
  22. 22. Contrler ltanchit 13 2.2.5 Mthode globale locale Figure 3 : Une mthode globale collecte et mesure lensemble des fuites Une mthode globale, quelquefois appele intgrale, mesure en une seule fois la somme de toutes les fuites prsentes sur lobjet du test. Dans le cas o lon a plusieurs trs petites fuites, la somme de celles-ci peut constituer une valeur dtectable. Les mthodes globales sont donc gnralement plus nes. Une mthode globale (contrle de lintgrit dun ensemble) : mesure la somme de toutes les fuites prsentes (valeur totale) ; ne permet pas de localiser une fuite ; est conseille quand le critre dtanchit est global. Exemple Quand on fait un essai en pression dun rseau deau ou de gaz dans un btiment neuf, on le met sous pression dazote et lon regarde si cette pression baisse. Si elle baisse, cest quil y a une ou plusieurs fuites. On ne sait pas o elles se trouvent sur le rseau. Par contre si la pression ne baisse pas, on peut ainsi tre certain que lintgralit du rseau test est tanche. La localisation des fuites sur le rseau devra tre faite par eau savonneuse, reniage hydrogne, etc.
  23. 23. 14 Figures 4 : Contrle de ltanchit dun rseau rnov dans un btiment 2.3 Sensibilit On appelle sensibilit dun appareil ou dune mthode de test la plus petite fuite dcelable. Il faut distinguer deux valeurs : celle donne par le catalogue du fabricant ou la notice technique : cest la plus petite variation de signal qui a pu tre observe dans des conditions idales de laboratoire que lon arrivera rarement repro- duire en industrie ou sur un chantier. Considrons-la seulement comme une valeur commerciale ou de rfrence. la valeur de fuite la plus petite rencontre sur au moins une applica- tion relle. Cest une valeur de terrain plus raliste car elle a dj t mise en pratique au moins une fois. Il ne faut pas confondre la sensibilit avec la rsolution qui correspond au pas de rglage des paramtres ou lafchage. Quizz : une pice est pressurise lair et plonge dans leau. Un oprateur lobserve et dclare la pice bonne ou mauvaise selon quil a vu des bulles ou non sortir de la pice. Ce type de contrle constitue-t-il une mthode locale ou globale ? Rponse : locale car chaque fuite sera identie individuellement. Cela reste vrai mme si lensemble de la pice est contrl durant la mme phase de test, comme cest le cas ici. B.Seeman
  24. 24. Contrler ltanchit 15 Elle est gnralement dnie par le composant qui transforme le signal analogique dun capteur en signal numrique plus pratique pour le traitement informatique et pour lafchage. Gamme de sensibilit des diffrentes techniques de dtection Exemple Sur les appareils de dtection de fuite par chute de pression, on peut rgler et voir les valeurs avec un chiffre aprs la virgule. Mais la sensibilit se situe quelques pascals, et non pas 0,1 Pa qui est la rsolution. On peut afcher des valeurs qui vont de 0,1 en 0,1 mais cela ne conditionne pas la sensibilit de lappareil. Ionique Dbitmtrie Air sous eau Variation de pression relative Variation de pression diffrentielle Acoustique Bulle de savon Variation de vide Conductivit thermique Colorant Dtection dhalognes Reniage hlium Reniage hydrogne Radio isotopes Spectromtres de masse Pa.m3/s 10 1 0,1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13
  25. 25. 16 2.4 Laboratoire et industrie Quand on choisit une technique, il convient toujours de sassurer que celle-ci est bien adapte lenvironnement dans lequel elle va servir. Il faut considrer le temps de test, la scurit des oprateurs qui vont la mettre en uvre, la rudesse de lenvironnement, particulirement en milieu industriel. On peut retenir une technique pour valider les prototypes en laboratoire, et en choisir une autre lorsquon passe la production de srie ou sur chantier. 2.5 Prcision La prcision est une arme double tranchant en dtection de fuite. Comme il est rappel au dbut de cet ouvrage, il faut accepter lide que lobjet test puisse fuir et nanmoins tre conforme. Limportant est que ce taux de fuite soit infrieur au seuil critique quon sest x. On comprend alors aisment que cest autour de cette limite quil est important dtre prcis. Cest l que se situe le risque de se tromper dans un sens ou dans lautre (risque client, risque du fournisseur). Quand une pice est trs bonne (trs tanche) ou trs mauvaise (trs fuyarde), la prcision de la mesure perd de son importance. Cest pourquoi on calibre toujours les appareils de mesure une valeur proche du seuil de refus choisi. Si ce seuil varie en cours de production en fonction du modle ou de la rfrence teste, on peut tre amen recalibrer lappareil de mesure au moment du changement de srie. 2.6 Cots Le cot est une autre variable qui entre en ligne de compte pour le choix dune mthode. De manire gnrale, plus lappareillage mis en uvre est simple, moins lacquisition de la technique sera onreuse. On trouvera par exemple dans les techniques chres celles qui utilisent le vide, comme la spectromtrie de masse hlium. Attention galement aux cots induits. Par exemple, dans le cas dun test par bac eau, le systme en lui-mme nest pas trs cher, mais il va monopoliser une importante surface au sol et, dans le cas dun schage des pices, une consommation dnergie et de temps de processus.
  26. 26. Contrler ltanchit 17 De plus, certaines techniques permettent une plus grande automatisation que dautres. Le bac eau que nous venons de citer reste trs majoritai- rement un test manuel requrant un oprateur. Enn, les cots de mainte- nance sont gnralement proportionnels aux cots dachat. 2.7 Units Les conditions de test et les seuils de refus doivent toujours tre exprims avec une unit pour signier quelque chose. Au-del de la rigueur scientique, cela permet dviter des erreurs. En toute rigueur, il nous faut utiliser les units du systme SI. Mais dans la pratique, on retrouve pour chaque technique des units que lon pourrait qualier de traditionnelles . Exemple : les dtecteurs de fuite hlium sont gradus en mbar.l/s. Dans cet ouvrage, les valeurs SI seront galement converties en units dusage pour vous faciliter lusage de ce manuel sur le terrain. Dans la pratique, on considre que 1 mbar.l/s = 1 atm.cm3/s, ce qui permet de faire mentalement les conversions pour les spectromtres de masse hlium qui sont encore gradus en mbar.l/s. Voir annexe A3, p. 149. Exemple 10 MPa cest une pression (de test, dpreuve, etc.) ; 10 Pa/s cest une variation de pression, indpendante de la pression de test. Exemple 1 Pa.m3/s 10 mbar.l/s
  27. 27. 3 valuation des taux de fuite par le calcul 3.1 Caractrisation dune fuite Il y a diffrentes manires dexprimer une fuite : une perte de masse (annuelle par exemple) ; un dbit instantan ; une perte de pression dans un temps donn ; un pourcentage de perte sur une dure ; un diamtre de trou, avec une longueur (paisseur de la paroi), etc. Une fuite peut tre compltement dnie par le dbit de uide (gaz ou liquide) qui passe au travers dune paroi si on connat : la nature du uide (gaz, liquide, viscosit, tension de surface, etc.) ; les pressions de chaque ct de la fuite (Pint Pext) ou pression diffrentielle ; la temprature du uide (T). Ce sont les conditions de Rfrence. La forme de la fuite (du dfaut) ne peut pas tre dnie et sera donc quelconque dans la pratique. Par contre, pour pouvoir utiliser des modlisations mathmatiques, nous gerons la gomtrie du dfaut en consquence. Pour pouvoir calculer le dbit avec des conditions dapplication diff- rentes, nous allons considrer la fuite comme tant un tube capillaire de diamtre D et de longueur L. Cette assimilation un tube appel capillaire quivalent va nous permettre de calculer le dbit passant au travers quelles que soient les conditions donnes. 3.2 Modlisation dune fuite Pour faciliter les calculs, on considre quune fuite sapparente toujours un trou cylindrique. Cette convention est accepte dans lindustrie et dans le btiment.
  28. 28. 20 Figure 1 : Modlisation dune fuite par un capillaire quivalent 3.3 Les paramtres de dnition La pression de chaque ct de la fuite est une des conditions indispen- sables de dnition. Donner une valeur de fuite sans rfrence de pression est un non-sens, pourtant cela se voit encore dans les cahiers des charges. La seconde condition est la nature du uide qui nous fournira les indications de viscosit, dtat vapeur ou liquide, de masse volumique, de masse molaire, etc. La troisime condition est la temp- rature. En premire approche, son inuence peut tre ignore si lon considre que le test sera effectu la mme temprature que celle de rfrence, gnralement celle de lambiance proche de 20 C. Pour pouvoir choisir une mthode de test, il faut connatre le dbit (taux de fuite) qui sera le seuil de rejet en test. Nous allons suivre le chemi- nement suivant : convertir le dbit massique en dbit volumique du uide de rfrence si ncessaire ; convertir le dbit volumique du uide de rfrence en dbit du uide de test ; calculer le dbit de uide test quivalent sous les conditions de test. Un dbit de fuite gazeux est gnralement exprim la pression atmos- phrique (do les units atm.cm3/s ou /min), cest le dbit qui sort du circuit, dans lair qui nous entoure. Cest une convention que lon D L P1 P2 L>>D
  29. 29. valuation des taux de fuite par le calcul 21 retrouve, par exemple, sur les certicats dtalonnage des fuites calibres. Quelle que soit la pression dalimentation de la fuite, on la dnit pour de lair une pression de une atmosphre. Le cas des pertes maximales admissibles de fron sur les circuits de climatisation offre un exemple intressant de la mthode suivre. 3.4 Cas des pertes de fron Un circuit de climatisation est un circuit ferm. Le uide frigorigne circule grce au compresseur qui agit comme une pompe. Le uide comprim schauffe et il est alors possible dchanger de la chaleur avec lair extrieur si on atteint un niveau de temprature sufsant. Quand cet change a lieu, le uide se condense et passe de ltat gazeux ltat liquide, nous sommes dans le condenseur. Le uide liquide passe ensuite par un dtendeur (ou un tube capillaire dans les systmes les plus simples) qui rduit sa pression. Comme chaque fois quil y a une dtente, la temprature baisse un niveau qui nous permet de faire du froid. Ce liquide peut alors changer avec le uide refroidir (air, eau, etc.) dans un changeur de chaleur appel vaporateur. En effet, cest l que le liquide va svaporer et donc changer dtat, liquide vapeur. la sortie de cet changeur, le uide rejoint le compresseur et le cycle recommence. Quand la quantit de uide frigorigne nest plus sufsante dans le circuit, il ny a plus de changement dtat liquide-vapeur pendant le cycle. La perte du transfert de lnergie latente de vaporisation rend alors le systme de climatisation totalement inoprant et hors dusage. Si le circuit est rechargeable, comme cest le cas pour les automobiles, un appoint de uide est ncessaire. Pour les systmes non rechargeables (rfrigrateur par exemple), on peut le jeter. Dfinition Perte annuelle en g/an Chute de pression Quantit de fluide Etc. Calcul de dbit de rfrence Qr Calcul de dbit en test Qhe Qh2 Qair Seuil de refus
  30. 30. 22 Ltanchit du circuit conditionne donc directement la dure de vie du systme. Dautre part les uides frigorignes sont polluants et nocifs pour lenvironnement. Les normes conduisent donc restreindre les rejets de tels gaz dans latmosphre et favorisent les contrles dtanchit svres. Les critres dtanchit de circuits frigoriques sont exprims en perte annuelle admissible de uide, en gramme par an. Ce critre peut concerner des points prcis du circuit ou son ensemble. La premire tape consiste convertir cette perte admissible en un dbit de gaz, car cest en phase gazeuse que le dbit sera le plus consquent et que se droule gnralement le contrle dtanchit. Convertir une perte massique de gaz rfrigrant en dbit de gaz Formule n 1 Avec : F perte annuelle massique du gaz rfrigrant en gramme M masse molculaire du gaz rfrigrant considr en gramme 22 400 volume dune mole de gaz en cm3 273 C et 1 atmos- phre 2 240 volume dune mole de gaz en m3 273 C et 1 Pa 365 24 3 600 nombre de secondes dans une anne T temprature de rfrence du rfrigrant en kelvin QR valeur de la fuite Pa.m3/s Masse molculaire de quelques gaz Pour une liste plus complte, voir le tableau en page 145 (annexe A1). Gaz H2 R134a R410a FX100 R507a R744 (CO2) Masse molaire (g) 2 102 72,6 90,4 98,9 44 QR F M ----- 22 400 365 24 3 600 ----------------------------------------- T 273 --------- sous PRef en atm.cm 3 /s= ou QR F M ----- 2 240 365 24 3 600 ----------------------------------------- T 273 --------- sous PRef en Pa.cm 3 /s=
  31. 31. valuation des taux de fuite par le calcul 23 Une perte de 5 g/an de R134A une temprature de 20 C reprsente donc un ux volumique qui se calcule ainsi : La pression de rfrence peut correspondre la pression de vapeur saturante une temprature donne pour un uide donn. Cest le cas par exemple quand on considre quun appareil passe la majorit du temps arrt. On peut aussi faire une moyenne pondre des dures de fonctionnement et du temps pass larrt sur une anne pour dnir une valeur de pression de rfrence moyenne. De mme pour les viscosits des mlanges de plusieurs uides frigori- gnes, on calculera une viscosit moyenne du mlange par pondration des viscosits de chaque composant par son pourcentage dans le mlange. 3.5 Conversion pour un test pression atmosphrique Nous ne traitons ici que le cas o le test est ralis avec un mdia gazeux, ce qui reprsente la trs grande majorit des cas. Ce qui nous intresse maintenant, cest de connatre le ux du gaz qui sera utilis lors du contrle dtanchit. Si le test a lieu avec la pression atmosphrique rgnant autour de la pice, seule lquation de Poiseuille sera ncessaire. Nous verrons que nous pourrons utiliser une version simplie qui consiste corriger le dbit volumique de rfrence en tenant compte : de la variation de viscosit si le gaz de test est diffrent du gaz de rfrence ; du changement de la pression si la pression de test est diffrente de la pression de rfrence ; du taux de gaz traceur dans le mlange utilis pendant le test si la mthode requiert un gaz dtecter qui est dilu dans un mlange. QR 5 102 --------- 22 400 365 24 3 600 ----------------------------------------- 293 273 ---------= QR 3,74.10 5 atm.cm 3 /s de R134a= QR 3,74.10 6 Pa.cm 3 /s de R134a=
  32. 32. 24 Nous pouvons identier dans la formule : un terme de correction li au gaz : le rapport des viscosits ; un terme de correction li la pression de test ; un terme li la concentration en gaz traceur, utilis seulement pour les tests utilisant un mlange de gaz. Ce qui nous permet de calculer la valeur du dbit de fuite quivalant la fuite de rfrence, sous les conditions de test. Nous traitons ici le cas de lhlium qui est un des gaz les plus courants. Pour tout autre gaz, la mthode suivre est la mme. Il suft de prendre pour le calcul les donnes physiques du gaz dont il est question (viscosit, masse molaire, etc.). Les tests pression atmosphriques sont les tests air/air, les tests en reniage, la dbitmtrie massique. Dans le cas dun test en reniage, le dbit du gaz sortant sera considr comme laminaire dans le champ dapplication qui est le ntre, cest-- dire pour des valeurs de fuites comprises dans une trs large fourchette : depuis 10-6 jusqu 0,1 Pa.m3/s pour lair ; mme si cela dpend des pressions de chaque ct et de la longueur de la fuite. La formule du dbit laminaire dun gaz que nous utiliserons est : Formule n 2 (Entre parenthses, les units utilises sur le terrain) D diamtre du tube capillaire en m (cm) L longueur de la fuite en m (cm) h viscosit du gaz en Pa.s (bar.s) P1 pression absolue dun ct de la fuite en Pa (bar) P2 pression absolue de lautre ct de la fuite en Pa (bar) On notera les termes de pression qui sont levs au carr. La pression de test qui est un des deux termes P1 ou P2 aura donc une consquence importante sur le dbit rsultant. En doublant la pression de test, on multiplie presque par quatre le dbit. Cest donc un trs bon levier pour augmenter la valeur du seuil de refus quand on frle la limite de sensi- bilit dune mthode. La formule n 2 peut tre utilise pour convertir directement le dbit dun rfrigrant QR en un dbit dhlium QHe dans le cas dun test la pression atmosphrique. Q D 4 256 L ---------------------------- P1 2 P2 2 ( )=
  33. 33. valuation des taux de fuite par le calcul 25 En divisant QTR par QR : Donc Formule n 3 Avec : QR dbit du gaz (rfrigrant dans lexemple prcdent) sous les conditions de rfrence QTR dbit de gaz traceur sous les conditions du test R viscosit du gaz de rfrence (rfrigrant dans lexemple) dans les conditions de rfrence (PRef, TRef) Test viscosit du mlange de test dans les conditions de test (PTest, TTest) PTR pression partielle du gaz traceur dans le mlange de test Ptest pression absolue du mlange de test Pref pression absolue du gaz de rfrence (rfrigrant dans lexemple) dans les conditions de rfrence correction du dbit en fonction des viscosits des gaz considrs correction du dbit en fonction des pressions internes et externes QR D 4 256 R L ------------------------------- PRef 2 Patm 2 ( )= QTR D 4 256 Test L ----------------------------------- PTest 2 Patm 2 ( ) PTR PTest ---------= Q Q = D L D L P PTR R R Test Test atm 4 4 2 256 256 22 Re 2 2 ( ) ( ) P P P Pf atm TR Test Q = Q P P P P TR R R Test Test atm f atm ( ) ( ) 2 2 Re 2 2 PP P TR Test R Test = P P P P = Test atm f atm 2 2 Re 2 2 ( ) ( )
  34. 34. 26 correction du dbit en fonction du taux de gaz traceur visible par le dtecteur. Ce terme correspond un pourcentage de traceur dans le mlange. Attention : en cas dutilisation dun mlange, la viscosit retenue doit tre celle du mlange. Viscosit de quelques gaz 15 C et 1 bar Pour dautres rfrigrants, voir le tableau en page 145 (annexe A1). Le R134A est actuellement le uide frigorigne le plus utilis pour la climatisation automobile. Des uides de remplacement sont en cours dvaluation pour le futur. Le CO2 pourrait tre lun deux. Il exige des pressions leves pour se condenser, mais est moins polluant. QR = 3,74.10-6 Pa.m3/s = dbit de R134A prcdemment calcul R = 1,21.10-5 Pa.s AIR = 1,75.10-5 Pa.s PTEST = 11 bars absolus = 11.105 Pa PHe = 0,3 11 = 3,3 bar PREF = 4 bars absolus = 4.105 Pa Viscosit moyenne du mlange de test : Test = (0,7 AIR) + (0,3 He) = [(0,7 1,75) + (0,3 1,93)] 1.10-5 Pa.s = 1,8.10-5 Pa.s Gaz R 404A R134A ISOBUTANE C4H10 AIR N2 HE H2 Viscosit 10-5 Pa.s 1,24 1,21 0,73 1,75 1,69 1,93 0,88 Exemple pratique Une perte de 5 g/an de R134A 15 C une pression de 3 bars relatifs dans un vaporateur. Les conditions de test sont : reniage avec 10 bars relatifs 15 C et un mlange air/hlium de 30 % (concentration dhlium dans la pice au moment du test). P P =TR Test
  35. 35. valuation des taux de fuite par le calcul 27 En utilisant la formule n 3, on obtient : 3.6 Conversion de ux de rfrence pour un test sous vide Rgimes dcoulement : ux laminaire et molculaire Quand on fait le vide autour de la pice tester, le dbit sortant par la fuite sera dabord laminaire puis molculaire, en passant par une phase de recouvrement dite dcoulement intermdiaire . Pour simplier, le dbit dhlium dans un test sous vide est considr comme laddition du dbit laminaire et du dbit molculaire. Cela tant acceptable dans la trs grande majorit des applications industrielles courantes. Figure 2 : Test hlium sous vide QHe 3,74.10 6 1,21.10 5 1,80.10 5 ---------------------- 11.10 5 ( ) 2 10 5 ( ) 4 5 ( ) 2 10 5 ( ) ----------------------------------------- 03= QHe 5,7.10 6 Pa.m 3 .s 1 dhlium= Pice pressurise en hlium Fuite Bouteilled'hlium (puroumlange) Dtecteur d'hlium Chambre vide Pompes auxiliaires (si ncessaire)
  36. 36. 28 3.6.1 Premire tape : calcul du ux laminaire sous vide Pour calculer le dbit laminaire : la formule est identique la formule n 2, except pour la pression extrieure qui nest plus la pression atmos- phrique, mais le vide. Dans la pratique (voir formule ci-dessous), on peut ngliger la valeur de la pression correspondant au niveau de vide atteint dans la chambre de test ou le circuit concern car elle est trs petite compare latmos- phre. Mais rien ne vous empche de prendre comme valeur pour le calcul, la valeur exacte de cette pression rgnant dans la chambre de test au moment de la mesure. Par exemple : 0,1 mbar = 10 Pa au lieu de 0. Le ux quivalent en gaz traceur sous vide, dans des conditions de test dnies, se calcule comme suit, en fonction du ux de rfrence : Formule n 4 Avec : QR dbit du gaz (rfrigrant dans lexemple prcdent) sous les conditions de rfrence QTRL dbit laminaire de gaz traceur sous les conditions du test R viscosit du gaz de rfrence (rfrigrant dans lexemple) dans les conditions de rfrence (PRef,TRef) Test viscosit du mlange de test dans les conditions de test (PTest, TTest) Ptest pression absolue du mlange de test Pvide pression absolue rgnant dans la chambre ou le circuit au moment de la mesure Pref pression absolue du gaz de rfrence (rfrigrant dans lexemple) dans les conditions de rfrence PTR pression partielle du gaz traceur dans le mlange test Exemple pratique Une perte de 5 g/an de R134A 15 C une pression de 3 bars relatifs dans un vaporateur. Les conditions de test sont : sous vide avec 25 bars relatifs 15 C et un gaz traceur de 100 % dhlium. Q = Q P P P P TRL R R Test Test vide f atm ( ) ( 2 2 Re 2 2 )) P P TR Test
  37. 37. valuation des taux de fuite par le calcul 29 QR = 3,74.10-6 Pa.m3/s = dbit de R134A prcdemment calcul R = 1,21.10-5 Pa.s He = 1,93.10-5 Pa.s PTEST = 26 bars absolus = 26.105 Pa PHe = 26 bars = 26.105 Pa PREF = 4 bars absolus = 4.105 Pa Viscosit moyenne du mlange de test : Test = He En utilisant la formule n 1, on obtient : 3.6.2 2e tape : calcul du ux molculaire Pour calculer le dbit molculaire : il faut estimer le diamtre de la fuite quivalente avec une hypothse sur la longueur. En gnral, la longueur de la fuite est estime daprs lpaisseur du mtal, de la soudure, bref, du parcours suppos de la fuite. La formule pour estimer le diamtre vient de la formule gnrale de ux laminaire sous des conditions de rfrence : Formule n 2 De cette formule et avec les conditions de rfrence, on tire le calcul du diamtre quivalent de fuite : Formule n 5 QHeL 3,74.10 6 1,21.10 5 1,93.10 5 ---------------------- 26.10 5 ( ) 2 10( ) 2 4.10 5 ( ) 2 1 5 ( ) 2 ----------------------------------------- 1= QHeL 9,9.10 5 Pa.m 3 .s 1 dhlium= QR D 4 256 R L ------------------------------- PRef 2 Patm 2 ( )= D = L Q P P R R REF atm2 256 2 0,25 ( )
  38. 38. 30 Le dbit molculaire nous est donn par la formule de Knudsen : Formule n 6 Avec : QR dbit du gaz (rfrigrant dans lexemple prcdent) sous les conditions de rfrence R viscosit du gaz de rfrence (rfrigrant dans lexemple) dans les conditions de rfrence (PRef,TRef) L,D longueur et diamtre de la fuite QTRM dbit molculaire de gaz traceur sous les conditions de test M masse molculaire du gaz en kg R constante des gaz parfaits = 8,314 J.kg-1.mol-1 Ptest pression absolue du mlange de test Ptest pression absolue du mlange de test Pvide pression absolue rgnant dans la chambre ou le circuit au moment de la mesure Pref pression absolue du gaz de rfrence (rfrigrant dans lexemple) dans les conditions de rfrence PTR pression partielle du gaz traceur dans le mlange test QR = 3,74.10-6 Pa.m3/s R = 1,21.10-5 Pa.s He = 1,93.10-5 Pa.s PTR = 26 bars absolus = 26.105 Pa Pvide = 0,1 mbar = 10 Pa PHe = 26 bars absolus = 26.105 Pa PREF = 4 bars absolus = 4.105 Pa L = 1 mm = 1.10-3 m D = calculer Exemple pratique Une perte de 5 g/an de R134A 15 C une pression de 3 bars relatifs dans un vaporateur. Les conditions de test sont : test sous vide avec 25 bars relatifs 15 C et un gaz traceur hlium de 100 %. 1 6 --- 2 R T M ---------------------------------- D 3 L ------ PTR Pvide( )
  39. 39. valuation des taux de fuite par le calcul 31 Calcul du diamtre quivalent avec la formule n 5 : Calcul du ux molculaire en utilisant la formule n 6 QTRM = 9,32.106 Pa.m3/s 3.6.3 3e tape : calcul du dbit total Calcul du dbit total dhlium dans les conditions de ralisation du test Le dbit total dhlium dans les conditions de test sera laddition du dbit laminaire QHeL et du dbit molculaire QHeM prcdemment calculs. Formule n 7 Cest le dbit dhlium qui sortira de la pice dans la chambre de test sous vide pour une fuite correspondant une perte annuelle de fron de 5 grammes dans les conditions de rfrence. Il sagit donc du seuil de refus qui doit tre rgl sur le dtecteur. Attention, dans un systme industriel, dautres paramtres peuvent inter- venir comme le pompage en parallle, par exemple. Si le dtecteur est D = L Q P P D = R R REF atm2 256 25 2 0,25 ( ) 66 1,21.10 10 3,74.10 4.10 10 5 3 6 5 2 5 2 ( ) ( ) (( ) 0,25 6 2,23.10 m 2,2 mD = = QHEM 1 6 --- 2 R T M -------------------------------- D 3 L ------ PTR Pvide( )= QTRM 1 6 --- 2 8,314 288 4 ----------------------------------------------- 2,23.10 6 ( ) 3 10 3 ----------------------------- 26.10 5 10( )= Q Q Q Q Hetotal HeL HeM Hetotal = + = + 9 9 10 9 35 , , 110 1 1 106 4 3 = , . /Pa m s
  40. 40. 32 connect la chambre de test en mme temps quun groupe de pompage externe au dtecteur, il ne dtectera quune petite partie de la fuite que nous venons de calculer. Le seuil de refus rgl sur lappareil de mesure devra en tenir compte. On intgre aussi dans le rglage de ce seuil les tolrances de mesures en diminuant la valeur rgle en fonction des imprcisions releves sur la chane de mesure. En effet, ce seuil marque la limite entre une pice bonne et une pice mauvaise. Il est moins prjudiciable de refuser une pice tort que denvoyer une pice mauvaise chez son client. 3.7 Cas des fuites liquides 3.7.1 quation gnrale de Poiseuille (liquides) Dans le cas des liquides, nous utiliserons une formule diffrente. Attention ne pas la confondre avec celle que nous utilisons pour les gaz car le rsultat serait faux bien quelles se ressemblent ! Formule n 8 Avec : Qm dbit massique de fuite en kg/s D diamtre quivalent de la fuite correspondant au seuil de refus en m Pav pression avale (externe) absolue en Pa Pam pression amont (interne) absolue en Pa L longueur de la fuite en m viscosit dynamique en Pa.s masse volumique en kg.m-3 La convention est de baptiser la pression la plus leve, pression amont et la plus basse, pression avale. Ainsi le dbit est toujours positif et la terminologie amont/aval tient compte du sens de lcoulement. On peut en effet traiter de problmatique de fuite entrant dans la pice (cas du stockage sous enveloppe par exemple) comme linverse (perte du contenu). On a donc Pam > Pav. Qm D 4 128L ----------------- Pam Pav( )=
  41. 41. valuation des taux de fuite par le calcul 33 3.7.2 Calcul du diamtre quivalent avec les tensions de surface Nous avons vu au paragraphe 2.2.2 que les tensions de surface du liquide lembouchure du dfaut crent une contre-pression qui soppose lcoulement. Pour les trs petits diamtres de fuite (infrieurs 10 m environ), il convient de ne pas ngliger ce phnomne. La formule gnrale qui tient compte de cette contre-pression est la suivante : Formule n 9 Avec : tension de surface (= 7,05 10-2 N.m pour leau 20 C, par exemple) D diamtre quivalent de fuite en mtres viscosit dynamique en Pa.s Pav pression la plus basse en Pa abs. Pam pression la plus leve en Pa abs. L longueur de la fuite en m masse volumique en kg.m-3 Par itration, on trouve un diamtre D (m). Se reporter lannexe A2 p. 147 pour dautres facteurs de tension de surface. 3.7.3 Dtermination du diamtre quivalent critique Nous avons vu que le dbit massique de fuite peut tre modlis ainsi : Si alors le dbit Qm est gal zro. Cela nous permet de calculer une valeur de diamtre quivalent en de de laquelle il ny aura pas de fuite de liquide, car aucun coulement. En effet, la contre- pression est gale la pression. Qm D 4 128L ----------------- Pam Pav 8 D ------ = Qm D 4 128L ----------------- Pam Pav 8 D ------ = 8 D = P Pam av
  42. 42. 34 La contre-pression sexerce de chaque ct de la fuite car celle-ci est suppose remplie de liquide. Formule n 10 Figure 3 : Tension surface 3.7.4 Dtermination du ux gazeux correspondant Pour calculer le ux dun gaz qui passerait par ce diamtre quivalent, pour une diffrence de pression interne externe donne on utilisera la formule de Poiseuille pour les gaz, cest--dire la formule n 2. Avec : P1 pression amont en test en Pa P2 pression avale en test en Pa test viscosit dynamique de lair en Pa.s L longueur de la fuite en m D diamtre quivalent de fuite en m Q dbit en Pa.m3/s Il suft dappliquer la formule avec la valeur de diamtre critique prc- demment calcule. D 8 Pam Pav( ) --------------------------= D L P1 P2 L>>D Q D 4 256L ----------------- Pam 2 Pav 2 ( )=
  43. 43. valuation des taux de fuite par le calcul 35 3.8 Chute de pression sur une longue dure Cest le cas o lon veut dterminer le taux de fuite initial admissible dans un rservoir (cartouche, par exemple) pour garantir une perte de pression donne pendant un temps donn. La difcult est que, en cas de fuite, la pression dans le rservoir va baisser, et le ux de fuite va donc aussi diminuer progressivement. Dans ce cas, le dbit de fuite est variable avec le temps (dcroissant). La dmarche pour calculer un seuil de refus en fonction dune perte de pression (par exemple en pourcentage sur un nombre danne) est donc plus complexe. Considrons que la pression extrieure au rservoir est la pression atmosphrique et que la pression intrieure est suprieure la pression atmosphrique, ce qui est le cas le plus courant. Le dbit de fuite est de faible valeur. Lcoulement est donc visqueux. En rgime dcoulement visqueux, le ux de fuite est proportionnel . Objectif : dterminer le taux de fuite to qui permet de garantir une pression minimale P dnie au bout dun temps t. linstant t + dt, on a P Pam av 2 2 Pression = f(t) CHUTE DE PRESSION DUE UNE FUITE DANS UN RSERVOIR LE DBIT DE FUITE VARIE AVEC LA PRESSION ELLE-MME DCROISSANTE 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Bar Po Temps dobservation Pression P(t + dt) = P(t) Q(t) V dt
  44. 44. 36 et Avec : P(t) pression lintrieur du rservoir un instant t : la spcication P(t + dt) pression lintrieur du rservoir linstant Q(t) ux de fuite linstant t V volume interne du rservoir P(t0) = P0 pression lintrieur du rservoir linstant t0, condition initiale Q(t0) = Q0 ux de fuite linstant t0, condition initiale Patm pression atmosphrique On en dduit et ou encore , en croisant les produits. Au bout du temps t coul, la variation observe est la somme intgrale de la dcroissance de pression. Rappel Ou Q(t) P (t) P = Q(t ) P (t ) P = Q P Patm atm at 2 2 0 2 0 2 0 0 2 mm 2 P(t + dt) P(t) dt = Q V P (t) P P P atm atm 0 2 2 0 2 2 dP(t) dt = Q V P (t) P P P atm atm 0 2 2 0 2 2 dP(t) P (t) P = Q V(P P ) dt atm atm 2 2 0 0 2 2 dx x a = Ln x a x + a + cte 2 2 1 2a 1 2P 0 0 atm atm atm te P Ln P P P + P + c P = Q VV(P P ) t t atm t0 2 2 0 1 2P 0 0atm atm atm atm atm Ln P P P + P Ln P P P + P ( )= Q V(P P ) t t atm 0 0 2 2 0 Ln P P P + P P P P + P =atm atm atm atm ( )( ) ( )( ) 0 0 ( ) 2Q0 0 0 2 2 P t t V(P P ) atm atm
  45. 45. valuation des taux de fuite par le calcul 37 Donc Formule n 11 En fait, la pression variera dans le temps en fonction de cette loi : Formule n 12 Si on doit pouvoir garantir quaprs 15 annes de stockage, la pression dans cette cartouche de 50 cm3 ne sera pas infrieure 75 bars (7,5 MPa), quel doit tre le critre de rejet ? Patm = 105 Pa (1 bar) Po = 2.107 Pa (200 bars) P = 7,5.106 Pa (75 bars) to = 0 t = 15 ans = 15 365 24 3600 = 4,7304 108 sec V = 5.10-5 m3 (50 cm3) Q0 = 3,5.10-6 Pa.m3/s (3,5. 10-5 mbar.l/s) Le rservoir sera contrl la sortie de sa fabrication avec un rejet des pices ayant un taux de fuite suprieur ou gal 3,5.10-6 Pa.m3/s, an de garantir une pression rsiduelle intrieure dau moins 7,5 MPa au bout de 15 ans. Ceci est vrai dans la mesure o aucune autre fuite ne viendrait augmenter le ux et acclrer ainsi la baisse de pression. Exemple Une cartouche est remplie sa fabrication dun gaz une pression de 20 MPa (200 bars). Q = V(P P ) t t Ln P P P + Patm atm atm atm 0 0 2 2 0 0 2P ( ) ( )(( ) ( )( ) P P P + Patm atm0 P P P + P = P P P + P e P t t Vatm atm atm atm atm ( ) 0 0 0 02Q PP Patm0 2 2 ( )
  46. 46. 4 Les mthodes air dans air Chaque mthode utilisant comme mdia de test de lair, qui, au-del de la fuite se retrouvera dans lair, est classe comme mthode air dans air. 4.1 Variation de pression 4.1.1 Mesure de la variation de pression (ou de vide) Le fait de travailler en vide ou en pression change surtout le sens de la fuite. Dans le cas dun test sous vide, lair entrera dans la pice. Tout ce qui suit sur la variation de pression sapplique donc aussi bien pour le vide dans la pice que pour des pressions de test suprieures la pression atmosphrique. Le principe de base. Une pression P est applique la pice tester. Si la pice nest pas tanche, la pression va baisser (augmenter si test sous vide). Plus la fuite est grande, plus la pression va chuter rapidement. Cela fonctionne de manire identique si on tire la pice au vide. Si on se place dans des conditions o ni la temprature ni le volume ne varient, la relation entre le dbit de fuite et la variation peut se rsumer ainsi : T constante (Formule n 13) Avec : Q valeur de la fuite P variation de pression V volume t temps coul pour la mesure de t Q P V t ------------------=
  47. 47. 40 Figure 1 : Contrle dtanchit dun moteur par variation de la pression Pour tre plus complet, considrons la loi des gaz parfaits : (Formule n 14) On voit que dautres facteurs peuvent venir perturber la mesure. Quand on mesure la variation de pression sur une dure xe, cest-- dire le terme , on rcupre dans la mesure la totalit des inuences sur ce terme : (Formule n 15) La valeur de est donc la rsultante de plusieurs phnomnes : n = variation du nombre de molcules, autrement dit la perte massi- que subie par le systme mesur, cest--dire limpact dune ou plu- sieurs fuites V = variation du volume contrl T = variation de la temprature : chaque degr dcart engendre une variation de 1/273 de la pression cest--dire 0,4 % Exemple Comment calculer la fuite correspondant une chute de pression de 300 Pa (3 millibar) en 60 secondes pour un volume de 0,01 m3 (10 litres) ? = 0,05 Pa m3/s (0,5 millibar.litre/seconde) ATEQQ 300 0,01 60 ----------------------------= P V = n R T P t ------- P n R T V -------------------------------= P t -------
  48. 48. Les mthodes air dans air 41 Dans le contrle dtanchit, on aura donc toujours cur de crer des systmes dans lesquels les variations de volume et de temprature sont rendues ngligeables pendant le temps de mesure. Pour passer dune expression de variation de pression un terme de dbit plus reprsentatif des fuites, il faut intgrer le fait que la variation de pression se mesure pendant un temps ni. Do lon extrait cette relation si pratique utiliser sur le terrain : valable uniquement quand on considre que la temp- rature et le volume test nont pas vari pendant la mesure. Cela repose sur un savoir-faire sans lequel ce type de contrle perd beaucoup de sa prcision. t = temps coul entre le dbut et la n de la mesure. Quel est limpact dune variation de volume ? Si le volume varie pendant la mesure (recul dun outillage, compression dun joint, etc.), le rsultat en sera affect. Une valeur de chute ou de remonte de pression apparatra alors lafchage, mais ne sera pas lie une fuite. On peut estimer limpact dune variation de volume donne sur la mesure de la manire suivante : Considrons que la temprature ne varie pas et quil ny a pas de fuite. On peut alors noncer que PV = constante ; la pression variant de manire inversement proportionnelle au volume. Indice 1 = donnes au dbut du temps de test Indice 2 = donnes la n du temps de test On peut dire : P1V1=P2V2 On cherche P2, la pression nale Exemple Volume test = 130 cm3 Pression de test = 100 mbar Variation de volume = 10 mm3 P t ------- n R T V t -------------------------------= Dbit P V t ------------------= P = P V V 2 1 1 2 P2 P1V1 V2 ------------- 10 000 13 000 130 010 ------------------------------------------- 9 999,2 Pa= = =
  49. 49. 42 Dans le cas dune augmentation de volume de 1 mm3 pendant la mesure la pression chuterait de 0,8 Pa. Dans le cas dune diminution du volume de 1 mm3 pendant la mesure la pression augmenterait de 0,8 Pa. Quel est limpact dune variation de temprature ? Limpact des variations de temprature est difcile estimer car la temprature nest pas forcment homogne au sein du volume test. Un seul point chaud ou froid suft pour quil y ait un change thermique et donc une variation. Le calcul dans ces conditions ne nous apportera donc pas grand-chose. On sassure dans la pratique de tester des ensembles stabiliss en temprature. 4.1.2 Cycle de test Pour mesurer une variation de pression conscutive une fuite, il y a toujours au moins quatre phases : remplissage : phase de mise en pression de la pice tester ; stabilisation : la pression ayant augment dans la pice, lair sest chauff. Un change de chaleur sensuit avec la pice. La tempra- ture redescend et donc la pression aussi. Il faut attendre que cet change soit termin pour ne pas confondre la baisse de pression quil provoque avec une fuite ; la phase de test est le moment pendant lequel on mesure effective- ment la variation de la pression. Les systmes les plus simpes mesu- rent la pression au dbut du temps de test puis la n et font ensuite la diffrence : P = (PFinale PInitiale). Ce P est compar la limite xe (seuil de fuite admissible ou seuil de refus). Le rsultat du test (pice bonne/ pice mauvaise) est donn la n de cette phase ; vidage : la pice est ramene aux conditions de dpart pour tre dconnecte. Cela consiste dans la majorit des cas dpressuriser la pice pour la ramener la pression atmosphrique. la n de cette phase, le test est termin. Dans les applications basse pression (< 1 bar), la pice peut tre dconnecte sans dpressurisation prala- ble. P2 P1V1 V2 ------------ 10 000 130 000 129 990 ------------------------------------------ 10 000,8 Pa= = =
  50. 50. Les mthodes air dans air 43 Figure 2 : Cycle de test en variation de pression Ce qui caractrise le test en variation de pression : le rsultat de la mesure est proportionnel au temps de test ; on mesure leffet dune fuite sur la pression, mais pas la fuite elle- mme ; la mesure est directement affecte par les variations de temprature ; la mesure est directement affecte par les variations de volume (y penser lors de la conception des outillages de connexion) ; la sensibilit est proportionnelle au volume test ; plus le volume test est petit, plus la sensibilit est grande ; cette technique nest donc pas trs sensible pour les grands volumes ; pour connatre la valeur de la fuite, il est ncessaire de convertir le rsultat de la mesure ; cette technique est globale, cest--dire que le rsultat intgre la somme de toutes les fuites de la pice. 4.1.3 Mesure relative La mesure relative consiste simplement comparer la pression totale dans la pice au dpart et la n du test. Pression Temps Pice bonne Pice avec petite fuite Pice avec grosse fuite Pressiondetest Remplissage Stabilisation Mesure (test) Vidage
  51. 51. 44 Figure 3 : Mesure relative de variation de pression La prcision dans cet exemple est limite cet ordre de grandeur dune dizaine de milliers de pascals, ce qui suft pour de nombreuses applica- tions. La mesure relative de variation de pression est adapte pour la dtection des fuites relativement grosses . Comme cest une mthode simple et plutt bon march, on lutilisera souvent sur les chantiers pour rcep- tionner des rseaux deau ou de gaz, pour effectuer des contrles inter- mdiaires an de ne pas donner de valeur ajoute un produit trs fuyard, ou encore chaque fois que le niveau dtanchit requis nexige pas plus. Exemple t0, on lit sur le manomtre P0 = 2 bars aprs un temps coul, on lit t1, P = 1,7 bar = 0,3 bar = 300 mbar = 30 000 Pa Quelle est la rsolution de la lecture de la pression ? Considrons que cest lcart entre deux graduations : 0,1 bar = 100 mbar = 10 000 Pa Pression 0 t0 Pression 0
  52. 52. Les mthodes air dans air 45 4.1.4 Mesure diffrentielle Pour obtenir une prcision plus grande, il faut concentrer la mesure sur la variation de pression. Le contrle de la pression dans la pice ne servant qu valider le fait que la mesure a t effectue dans les condi- tions requises. En effet une valeur de variation de pression nulle, ou infrieure au seuil de rejet (pice bonne), ne peut tre prise en consid- ration quaprs avoir vri que la pression de test tait effectivement prsente au moment de la mesure. Les mesures de la pression de test dans la pice et celle de sa variation vont tre effectues au travers de deux capteurs distincts. Nous allons donc comparer la pice teste une pice de rfrence comme on le fait avec une balance plateaux (dite de Roberval). Figure 4 : La balance plateaux est un moyen de mesure diffrentiel Figure 5 : Schma pneumatique simpli dun dtecteur de fuite diffrentiel Rappel du cycle : 1. Remplissage avec de lair sec 2. Stabilisation 3. Test 4. Remise Patm (vidage) Bv Bv EV EV Capteur diffrentiel de pression PICE DE RFRENCE PICE TESTE
  53. 53. 46 Figure 6 : volution de la pression au cours dun test Pourquoi prconise-t-on dutiliser de lair sec ? Cest surtout pour viter les phnomnes de condensation et de vapori- sation qui pourraient endommager le capteur diffrentiel trs sensible et diminuer la abilit de lappareil dans le temps. La mthode diffrentielle est plus prcise et plus rapide que la mthode absolue, mais elle cote un peu plus cher mettre en uvre. 4.1.4.1 Rglage des paramtres dun cycle de test Les paramtres doivent se rgler dans lordre RSTV, remplissage, stabi- lisation, test, vidage. Si vous modiez le temps de remplissage, il vous faudra rgler nouveau le temps de stabilisation. 4.1.4.1.1 Temps de remplissage ou de pressurisation Ce temps doit tre sufsamment long pour que la pression dans la pice atteigne la pression de test et se maintienne sur le manomtre. Un remplissage trop court se caractrise par une chute de pression cons- quente ds le dbut de la stabilisation. Un temps de remplissage trop long conduit une perte de temps, mais ne nuit pas au test. Pression Temps Pice bonne Pressiondetest Remplissage Stabilisation Mesure (Test) Vidage
  54. 54. Les mthodes air dans air 47 Figure 7 : Interface de paramtrage dun dtecteur de fuite air / air Figure 8 : Comportement de la pression en fonction du temps de remplissage 4.1.4.1.2 Temps de stabilisation Le temps de stabilisation est propre chaque type de pice. Il se mesure comme cela : paramtrez un cycle de test avec des temps de remplissage, test et vidage sufsants pour que le cycle se droule normalement ; ATEQ Pression Temps Temps de remplissage court Temps de remplissage trop long Temps de remplissage trop court Pressiondetest Remplissage
  55. 55. 48 rglez le temps de stabilisation exagrment long. Par exemple, si vous lestimez 30 secondes, mettez 1 minute ; lancez un cycle automatique sur une pice tanche, le rsultat doit tre proche ou gal zro ; rduisez votre temps de stabilisation et lancez un cycle. Tant que le rsultat nest pas affect, continuez rduire ce temps et lancer des cycles ; quand le rsultat de la mesure commence slever et sloigner de zro, cest que vous avez atteint la limite dinstabilit ; augmentez alors votre temps de stabilisation pour revenir au param- tre prcdent. Vriez la stabilit de la mesure. Vous venez de mesu- rer le temps de stabilisation le plus court possible pour votre application. 4.1.4.1.3 Temps de test (mesure) Cest le temps pendant lequel la mesure de variation de pression va tre effectue. Le cas le plus courant est celui du calcul dun diffrentiel : P = (PFinale PInitiale). Le rsultat de la mesure est donc la diffrence entre la valeur du signal transmis par le capteur diffrentiel au dbut de la mesure, et la valeur de ce mme signal la n du temps de test. Il sagit du terme P. Dans le cas dune mesure en chute de pression instantane , qui se prsente sous la forme du P/t comme unit de mesure, il faut prendre en compte le rsultat en Pa/s qui a t calcul pour la fuite de rfrence. On utilise souvent sur le terrain la formule suivante : Formule n 16 Attention Un temps de remplissage long intgre une partie de temps de stabilisation, do limportance de lordre de rglage. P Pa/s( ) Fuite cm 3 /min( ) 6 10 4 Volumetest cm 3 ( ) ---------------------------------------------------------------=
  56. 56. Les mthodes air dans air 49 Elle permet de convertir directement une fuite en variation de pression ( T constante). La pression va varier de 27,8 Pa/s pour une fuite gale au seuil de rejet. Avec un temps de test de 4 secondes, nous allons devoir rgler le seuil de rejet sur lappareil 4 27,8 = 111 Pa 4.1.4.1.4 Temps de vidage Cest le temps ncessaire et sufsant pour permettre la dconnexion de la pice sans risque. Dans les applications basse pression (< 1 bar), la pice peut tre dcon- necte sans dpressurisation pralable. 4.1.4.2 Mesure diffrentielle avec rfrence Ces dtecteurs technologie diffrentielle sont quips de deux ports de connexion : Test et Rfrence. Comme nous venons de le voir, ces appareils sont symtriques par rapport au capteur diffrentiel qui est positionn centralement entre les deux circuits. On peut donc indiffremment effectuer le test en connectant la pice ct test ou ct rfrence. On peut faire lanalogie avec une balance plateaux. La mesure peut seffectuer sur nimporte lequel des deux plateaux. Le rsultat sera affect dun signe + ou selon le ct o a t dtecte la chute de pression. Il nexiste pas de norme pour ce signe. Les fabricants franais considrent quune fuite est positive du ct test, le rsultat safche alors sans signe (il est donc positif). Une fuite du ct rfrence sera affecte du signe moins (). Les fabricants allemands, par exemple, pratiquent linverse. Il convient donc de demander, lors de lacquisition dun appareil, quel est le principe dafchage du rsultat utilis. Sur certains quipements, on peut paramtrer le format dafchage et choisir le signe quon veut. Exemple Volume test 300 cm3 Fuite maximale admissible : 5 cm3/min Temps de test : 4 secondes P Pa/s( ) Fuite (cm 3 /min) 6 10 4 Volumetest cm 3 ( ) --------------------------------------------------------------------- 5 6 10 4 300 ----------------------------------- 27,8 Pa/s= = =
  57. 57. 50 En revanche, la prsence dun port de rfrence prsente aussi dautres avantages : lutilisation dune pice de rfrence peut tre utile pour rduire le temps de stabilisation. Voyons la diffrence de stabilisation selon que lon connecte un volume sur le port de rfrence ou non. Ces essais sont raliss sur des pices tanches. Figure 9 : Stabilisation sans volume de rfrence Sur cette gure, on voit que la pression du ct test suit une pente impor- tante alors que ct rfrence, la pression est stabilise. En dmarrant la mesure trop tt, on verrait une diffrence qui pourrait tre assimile ( tort) une fuite. Il faut donc attendre plus longtemps avant de pouvoir faire une mesure able. Aprs avoir ajout au montage une pice ct rfrence, on voit que la pression du ct test suit toujours une pente importante, mais identique celle du ct rfrence (voir gure 10). Comme on mesure la diffrence de pression entre les deux ports de connexion de lappareil, le rsultat est nul. La mesure peut tre effectue plus tt sans commettre derreur. Le temps de cycle global est ainsi raccourci. Rappel Le capteur diffrentiel mesure la diffrence de pression entre le ct test et le ct rfrence. On constate que plus les deux circuits test et rfrence sont similaires, plus le temps de stabilisation pourra tre court (comportements identiques) et nous permettra de faire la mesure plus rapidement. P P Ct TEST Ct RFRENCE capteur de pression diffrentielle Stabilisation Mesure t t SANS VOLUME DE RFRENCE
  58. 58. Les mthodes air dans air 51 Figure 10 : Stabilisation avec volume de rfrence Le temps de remplissage peut augmenter lgrement cause du volume test qui est suprieur, mais cela est ngligeable compar au gain ralis sur le temps de cycle global. Figure 11 : Vrication de ltanchit des circuits avant remplissage P P Ct TEST Ct RFRENCE capteur de pression diffrentielle Stabilisation Mesure t t AVEC VOLUME DE RFRENCE ATEQ
  59. 59. 52 4.1.4.3 Mesure diffrentielle sans rfrence Peut-on travailler sans rfrence ? On peut tout fait utiliser les appareils diffrentiels en mettant un bouchon tanche sur le port de rfrence. Dans ce cas, on gardera en mmoire : le temps de cycle nest pas forcment le plus court (stabilisation) ; le volume connect ct rfrence doit tre sufsamment important pour ne pas tre affect par une fuite, mme inme, ou une variation de temprature ou de volume : minimum une longueur de tuyau, quivalente celle connecte sur le port de test, par exemple. Ne pas perdre de vue quun faible volume est trs sensible aux variations de temprature ou une fuite mme trs petite ; an de limiter le temps ncessaire pour le changement de modle (srie), il est courant dutiliser une seule rfrence unique pour tous les modles. Le temps de cycle ne sera pas le plus court, mais on rduit ainsi le temps de changement de srie, et on rduit le risque de fuite sur la rfrence par manipulation pendant la connexion et la dconnexion de celle-ci ; malgr ces explications, le gain nest pas systmatique et il est tou- jours ncessaire de faire des essais avec et sans rfrence pour savoir quelle est la conguration optimale. Se reporter la page 46 sur le rglage des paramtres. 4.1.4.4 Mesure diffrentielle avec 0 central On parle de 0 central quand on teste deux pices en mme temps, une de chaque ct du capteur diffrentiel. Ce principe peut tre adopt dans les cas suivants : quand la probabilit davoir deux pices mauvaises en mme temps est extrmement faible ; en test intermdiaire : une pice fuyarde qui passerait serait dtecte plus loin dans le processus de fabrication ; en isolant en n de cycle une des deux pices pour vrier que les deux nont pas le mme taux de fuite. En effet, la mesure indique la diffrence de taux de fuite entre les deux circuits. Si le test en zro central est OK et que la mesure en isolant une pice est OK, cela signie que les deux pices sont bonnes. Seul le temps de mesure est relanc, cest donc trs peu pnalisant pour le temps de cycle et cela permet de doubler la cadence.
  60. 60. Les mthodes air dans air 53 Comment congurer un appareil en zro central avec un systme de vrication de lune des deux pices en n de cycle ? La premire tape consiste pressuriser et tester les deux pices des cts test et rfrence en mme temps. Figure 12 : Principe du test en zro central Si le rsultat est bon, cest--dire si la variation de pression mesure par le capteur diffrentiel est infrieure au seuil de rejet, il faut sassurer que les deux pices naient pas un niveau de fuite quivalent. En effet dans ce cas, le capteur diffrentiel ne verrait que la diffrence, cest--dire zro ! Figure 13 : Principe du test en zro central avec double test En remesurant une des deux pices, on sassure que nous ne sommes pas en prsence de deux pices fuyardes simultanment. Si la pice reteste est tanche, on peut en dduire que lautre pice lest aussi. Seul le temps de mesure est relanc aprs fermeture de llectrovanne ct rfrence, lallongement du temps de cycle ne remet donc pas en cause le gain engendr par le fait de tester deux pices la fois. 4.1.4.5 Mesure indirecte Dans certains cas, il est difcile de mesurer la variation de pression sur le circuit de pressurisation lui-mme. On peut alors mesurer leffet dune fuite ventuelle sur lenvironnement de la pice (chambre, etc.). EV Patm EV stabilisationEV test Capteur diff. Pice teste Pice teste EV Patm EV stabilisation Rfrence Capteur diff. Pice reteste Pice en attente de confirmation de rsultat EV test
  61. 61. 54 Exemples : trs haute pression : on peut atteindre ainsi des pressions de test de lordre de 200 bars avec des appareils standards ; forme particulire de la pice, grandes dimensions mais petite surface teste ; il est possible daugmenter la sensibilit en rduisant le volume concern par le changement de pression. En rcupration, la mesure peut tre diffrentielle ou absolue. En cas de fuite sur lobjet test, la pression augmente sous la cloche ou dans la chambre de rcupration. Cette variation de pression est mesure par le capteur, relatif ou diffrentiel selon la sensibilit requise. Dans cette conguration, le circuit de pressurisation et le circuit de mesure sont disjoints. Figure 14 : Principe du mesure indirecte ou en rcupration 4.1.4.6 Composants scells Pour tester des pices qui ont un volume interne non ngligeable et quon ne peut pas connecter, on a une mthode : Attention Si la pression de test peut tre dangereuse pour le capteur, il faut prvoir une soupape de dcharge sur la cloche qui souvrira en cas de monte excessive de la pression. Pice pressurise en air Fuite Compresseurd'air Dtecteur de fuite par variation de pression Chambre de rcupration P Soupape de protection du capteur
  62. 62. Les mthodes air dans air 55 la pice est place sous une cloche ; on applique dans la cloche une pression que lon mesure ; si celle-ci baisse, cela signie que lair entre dans la pice ; dans le cas dun test sous vide, la pression augmente en cas de fuite. An de dtecter les trs grosses fuites, comme labsence de la vitre dune montre par exemple, on transfre un volume de gaz sous pression (PxV) sous la cloche. La pression darrive dpend du volume mort sous la cloche selon cette relation : Pnale Vnale = PtVt (volume transfrer) + PcVc (volume mort de la cloche pression atmosphrique) Cette relation est vraie aprs quilibrage thermique pour ne pas avoir dinuence de la temprature. Figure 15 : Principe de mesure des composants scells Une trs grosse fuite, ou labsence de composant, peut ainsi tre dtecte avant de commencer la mesure de variation de pression. Exemple dapplication Test de montre tanche. Si une montre arrive sans verre, le transfert du volume sous pression aboutira une pression trop basse. La pice sera rejete pour grosse fuite. Si elle est correctement assemble et complte, les nes fuites pourront tre dtectes par un capteur diffrentiel mesurant la chute de pression ventuelle. Pice non pressurise Fuite Dtecteur de fuite par variation de pression Chambre de test ou cloche P Volume transfrer Pression d'quilibre
  63. 63. 56 4.1.4.7 Calibrage talonnage Le dtecteur de fuite par variation de pression est aussi un instrument de mesure et il faut vrier priodiquement que les valeurs mesures sont justes, spcialement celles qui se trouvent au voisinage du seuil de refus car cest l que limprcision engendre un risque derreur. Une fuite calibre est le meilleur moyen deffectuer cette vrication. Choisissez un dbit le plus proche possible de votre seuil de refus, et effectuez une mesure sur une pice talon que vous savez tanche. La valeur indique par lappareil doit toujours tre la mme. Si celle-ci se met scarter de la valeur normale, lappareil peut tre envoy en rvision avant davoir tromp votre vigilance. La frquence de vrication de calibrage dpend essentiellement de la cadence de production. Ds quon saperoit dune drive consquente de la prcision, on peut tre amen rappeler des produits tests depuis la dernire vrication. Le nombre de produits rappeler et leur position dans la chane logistique sont les paramtres prendre en compte. Par exemple, une vrication de calibrage chaque dbut dquipe assure huit heures de contrle ables. Si les pices produites nont pas quitt lusine au bout de huit heures, un nouveau contrle en cas de dfaillance reste possible. La plupart des appareils permettent une utilisation simple grce un connecteur auto-obturant en faade. Il suft alors de connecter la fuite calibre sur ce port reli au circuit de mesure et de lancer un cycle sur une pice talon pour vrier le rsultat de mesure et la corriger si nces- saire. Cette squence peut tre automatise dans certains cas. Figure 16 : Appareil en cours de calibrage avec une fuite calibre ajustable (calibrateur de fuite) ATEQ
  64. 64. Les mthodes air dans air 57 4.2 Dbitmtrie Lide de dpart est de mesurer directement le dbit de fuite. Il existe de nombreuses manires de mesurer un dbit. En dtection de fuite, on ne retiendra que celles qui sappliquent aux gaz et qui ont une prcision sufsante pour mettre en vidence les fuites recherches. Pour ne citer que les techniques les plus courantes : turbine, Vortex, ultrasons (transit et non Doppler), force de Coriolis, et enn thermique. Les dbitmtres utiliss en dtection de fuite sont du type thermique . Cest donc celui dont nous parlerons dans cet ouvrage. 4.2.1 Le dbitmtre thermique Le principe de la dbitmtrie massique utilis en dtection de fuite est le suivant : la pice teste est pressurise une pression de test Ptest. En labsence de fuite, lorsque la pression stablit, la mesure du dbit se rduit jusqu devenir nulle. Si un dbit persiste, cest quil est gnr par un ou plusieurs dfauts denveloppe. Il existe deux types dappareils : n 1 : le montage pneumatique est identique celui dun dtecteur de fuite par variation de pression diffrentielle ; n 2 : la partie rfrence est un rservoir qui nest pas dpressuris entre chaque cycle. Dans la pratique, on saffranchit de la stabilit du rgulateur de pression en mettant, en relation avec la pice teste, un rservoir tampon pressuris la mme pression. Le capteur plac entre la pice et le rservoir est ce dbitmtre massique. Son appellation anglaise mass ow est galement trs rpandue. 4.2.2 Principe du capteur Il est constitu dun pont de Wheatstone compos de 4 lments sensibles la temprature. Lorsque la temprature dun lment change, sa rsistance change galement et dsquilibre le pont. On peut en extraire une tension repr- sentative de ce dsquilibre.