Interpréter correctement la puissance de sortie et les spécifications

Fig. 1. Répétabilité

Fig. 2. Fonction de transfert

Fig. 3. Non-linéarité

Fig. 4. Hystérésis

Fig. 5 : Comparaison des indications de précision dans les spécifications de trois fabricants d'un capteur de mesure d'humidité de haute précision.

Glossaire

La qualité d’un appareil de mesure est souvent réduite à une question simple :  Quelle est la précision de la mesure ? Aussi simple que puisse paraître cette question, elle ne peut pas toujours être répondue aussi facilement. Pour choisir l’appareil de mesure le plus adapté, il est en effet nécessaire de connaître les facteurs qui contribuent à l’incertitude d’une mesure. Ce n’est qu’ainsi qu’on peut comprendre ce que les spécifications indiquent – et ce qu’elles n’indiquent pas.

La performance de la mesure est déterminée par sa dynamique (plage de mesure, temps de réponse), sa précision (reproductibilité, exactitude et sensibilité) et sa stabilité (résistance à l’usure, utilisation dans des conditions extrêmes). La précision est souvent considérée comme la caractéristique la plus importante, mais elle fait également partie des caractéristiques les plus difficiles à spécifier.

Sensibilité et précision

La modification de la valeur de la grandeur mesurée d’un appareil de mesure en fonction de la modification de la valeur de référence est appelée sensibilité. En théorie, cette relation est parfaitement linéaire. En pratique, toutes les mesures présentent certaines imperfections ou incertitudes.

Souvent, la concordance entre la valeur mesurée et la valeur de référence est simplement appelée « précision », mais c’est une expression quelque peu vague. La précision spécifiée inclut généralement la reproductibilité, c’est-à-dire la capacité de l’appareil à fournir le même résultat lors de mesures répétées dans des conditions constantes (Fig. 1). Cependant, elle peut aussi inclure l’hystérésis, la dépendance à la température, la non-linéarité et la stabilité à long terme. La reproductibilité seule est souvent une source d’incertitude moindre. Si la spécification de précision ne mentionne pas d’autres incertitudes, elle peut donner une impression erronée de la performance réelle de la mesure.

La relation entre les valeurs mesurées et une valeur de référence connue est souvent appelée fonction de transfert (Fig. 2). Lors de l’étalonnage d’une mesure, cette relation est ajustée à l’aide d’une valeur de référence de calibration connue. Idéalement, la fonction de transfert est parfaitement linéaire sur toute la plage de mesure. Cependant, dans la pratique, la sensibilité peut varier en fonction de la grandeur mesurée. Ce type d’imperfection est souvent appelé non-linéarité (Fig. 3). Cet effet s’accentue aux extrémités (maxima et minima) de la plage de mesure. Il est donc conseillé de vérifier si la spécification de précision prend en compte la non-linéarité et si la précision est indiquée pour toute la plage de mesure. En l’absence de cette information, des doutes peuvent exister quant à la précision dans les zones extrêmes.

L’hystérésis est la modification de la sensibilité de la mesure dépendant de la direction du changement de la grandeur mesurée (Fig. 4). Cela peut être une cause importante d’incertitude lors de l’utilisation de capteurs d’humidité fabriqués à partir de matériaux fortement liés aux molécules d’eau. Si la précision indiquée ne mentionne pas la prise en compte de l’hystérésis, cette source d’incertitude reste non clarifiée. Si la séquence d’étalonnage ne se fait que dans une seule direction, l’effet d’hystérésis lors de l’étalonnage est également masqué. Si la spécification ne mentionne pas l’hystérésis, il est impossible de déterminer la mesure de l’hystérésis lors de la mesure. Les capteurs en polymère à film mince de Vaisala présentent une hystérésis négligeable, toujours incluse dans la précision spécifiée.

Les conditions ambiantes telles que la température et la pression affectent également la précision de la mesure. Si la dépendance à la température n’est pas spécifiée et si la température de fonctionnement varie considérablement, cela peut, dans certains cas, nuire à la reproductibilité. La spécification peut couvrir toute la plage de température de fonctionnement ou seulement une plage spécifique, limitée ou « typique ». De telles spécifications ignorent d’autres plages de température.

Stabilité et sélectivité

La sensibilité d’un appareil de mesure peut évoluer avec le temps en raison du vieillissement. Parfois, cet effet est renforcé par l’action de produits chimiques. Si la stabilité à long terme n’est pas indiquée ou si le fabricant ne peut pas fournir de recommandations concernant l’intervalle de calibration moyen, la spécification ne concerne que la précision au moment de l’étalonnage. Une évolution lente de la sensibilité (également appelée dérive) est dangereuse, car elle peut être à peine perceptible et provoquer des problèmes latents dans les systèmes de régulation. La sélectivité est définie comme l’insensibilité de l’appareil de mesure aux variations d’autres facteurs que la grandeur mesurée réelle. Par exemple, lors de mesures d’humidité dans une atmosphère contenant certains produits chimiques, ces substances chimiques peuvent influencer le résultat. Cet effet peut être réversible ou irréversible. La réaction à certains produits chimiques est parfois extrêmement lente, et cette sensibilité croisée à la substance chimique peut être facilement confondue avec une dérive. Un appareil doté d’une bonne sélectivité ne réagit pas aux changements qui n’ont rien à voir avec la valeur mesurée réelle.

Calibration et incertitude

Si la mesure s’écarte de la valeur de référence, la sensibilité de l’appareil peut être corrigée. Ce processus s’appelle l’ajustement. L’ajustement effectué sur un seul point est appelé correction d’offset : l’ajustement à deux points est une correction linéaire de l’offset et du gain ou de la sensibilité. Si l’ajustement doit être effectué à plusieurs points, cela peut indiquer une non-linéarité de la mesure, qui doit être compensée par des corrections multi-points non linéaires. Si les points d’ajustement correspondent aux points de calibration, la qualité de la mesure entre ces points n’est pas vérifiée.

Une fois l’appareil ajusté, il est calibré pour vérifier sa précision. La calibration, qui est parfois confondue avec l’ajustement, consiste à comparer la valeur mesurée à une valeur de référence connue, appelée étalon de référence. L’étalon de référence est le premier maillon de la chaîne de traçabilité, qui relie une série d’étalonnages et de références jusqu’au standard primaire. Un certain nombre d’appareils calibrés à partir d’une même valeur de mesure peuvent être précis entre eux (haute précision), mais si l’incertitude de calibration n’est pas indiquée, il est impossible de vérifier la précision absolue par rapport au standard primaire. La traçabilité de la calibration signifie que la chaîne de mesures, de références et d’incertitudes associées jusqu’au standard primaire est connue et documentée de manière professionnelle. Ainsi, il est possible de calculer l’incertitude de la valeur de référence de calibration et de déterminer la précision de l’appareil.

Que signifie « précision suffisante » ?

Lors du choix d’un appareil de mesure, la précision requise doit être prise en compte. Par exemple, pour un système d’aération standard qui régule, par exemple, l’humidité relative pour assurer un confort dans une pièce, une tolérance de ±5 % HR est probablement suffisante. Mais pour une application comme la commande d’un tour de refroidissement, une régulation plus précise avec des limites plus strictes est nécessaire pour améliorer l’efficacité opérationnelle.

Si la valeur mesurée sert de signal de commande, la reproductibilité et la stabilité à long terme (précision) sont importantes, tandis que la précision absolue par rapport à une valeur de référence traçable joue un rôle moindre. Cela est particulièrement vrai pour un processus dynamique, où les variations de température et d’humidité sont importantes, et où la stabilité de la mesure, plutôt que la précision absolue, est déterminante.

En revanche, si la mesure est utilisée, par exemple, pour vérifier si les conditions de test en laboratoire sont comparables à celles d’autres laboratoires, alors la précision absolue et la traçabilité de la calibration sont de la plus grande importance. Un exemple de cette exigence de précision est la norme TAPPI/ANSI T402 « Atmosphères de conditionnement et de test standard pour le papier, le carton, la pâte à papier, et les produits connexes », qui fixe les valeurs pour les conditions de test dans un laboratoire de test de papier à 23 ±1 °C et 50 ±2 % HR. Si la précision spécifiée est de ±1,5 % HR, mais que l’incertitude de calibration est de ±1,6 % HR, alors l’incertitude totale par rapport au standard primaire dépasserait la limite spécifiée. Les analyses – fortement dépendantes de l’humidité ambiante dans le laboratoire de test – ne seraient alors pas comparables. Une confirmation que les analyses ont été effectuées dans des conditions standard ne serait pas possible dans ce cas.

Une spécification de précision sans indication de l’incertitude de la valeur de référence de calibration laisse la précision absolue de l’appareil indéfinie.

Il est dans l’ADN de Vaisala de fournir des spécifications professionnelles et complètes, basées sur des normes internationales, des méthodes de test scientifiques et des données empiriques. Ainsi, nos clients peuvent s’appuyer sur des informations complètes et fiables pour choisir le bon produit.

Liste de vérification pour le choix d’un appareil de mesure

- La précision spécifiée inclut-elle toutes les incertitudes potentielles : reproductibilité, non-linéarité, hystérésis et stabilité à long terme ?
- La précision spécifiée couvre-t-elle toute la plage de mesure ou est-elle limitée à une plage spécifique ? La dépendance à la température est-elle indiquée dans la spécification et la plage de température définie dans la spécification de précision ?
- Le fabricant peut-il fournir un certificat d’étalonnage approprié ? Le certificat contient-il des informations sur la méthode d’étalonnage, les valeurs de référence utilisées et l’incertitude calculée de manière professionnelle ? Contient-il plus d’un ou deux points d’étalonnage et couvre-t-il toute la plage de mesure ?
- Une recommandation pour l’intervalle de calibration est-elle fournie, et la stabilité à long terme est-elle incluse dans la spécification de précision ? Quelle sensibilité est requise dans l’environnement opérationnel prévu ? Le fabricant peut-il fournir des informations ou des références concernant l’adéquation de l’appareil pour l’environnement et l’application envisagés ?