Étalonnage, essais et mise en service

Objectifs du chapitre

Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances et compétences requises pour l'examen Sceau rouge concernant l'étalonnage, les essais et la mise en service des instruments et systèmes de contrôle. Vous y trouverez les définitions essentielles, les procédures normalisées, les calculs d'incertitude, les exigences réglementaires canadiennes et les pièges classiques à éviter.

Définitions fondamentales

Étalonnage : Opération qui établit, dans des conditions spécifiées, la relation entre les valeurs indiquées par un instrument de mesure et les valeurs correspondantes d'une grandeur connue (étalon). L'étalonnage ne modifie pas l'instrument ; il documente son comportement.

Ajustage (ou réglage) : Action d'amener un instrument à un état de fonctionnement correspondant à une précision spécifiée. L'ajustage modifie physiquement l'instrument (vis de zéro, potentiomètres, etc.).

Vérification : Confirmation par des preuves tangibles que les exigences spécifiées ont été respectées. La vérification n'inclut pas nécessairement l'étalonnage.

Tracabilité : Propriété d'un résultat de mesure selon laquelle ce résultat peut être relié à un étalon national ou international par une chaîne ininterrompue de comparaisons, chacune ayant une incertitude déclarée.

Incertitude de mesure : Paramètre non négatif qui caractérise la dispersion des valeurs attribuées à un mesurande. Elle s'exprime en unités de mesure ou en pourcentage de la lecture.

Erreur : Différence entre la valeur indiquée par l'instrument et la valeur vraie (ou conventionnellement vraie) du mesurande. L'erreur totale = erreur systématique + erreur aléatoire.

Dérive : Variation lente et continue d'une caractéristique métrologique d'un instrument dans le temps, à conditions ambiantes constantes.

Normes et références canadiennes

Norme	Application
Code canadien de l'électricité, Chapitre V	Exigences de sécurité électrique pour les installations (règle 8-200 pour les conducteurs de mise à la terre)
CSA B149.1	Code sur le gaz naturel et le propane — exigences pour les systèmes de brûleurs et leurs contrôles
CSA Z432	Protection des machines — applicable aux essais de sécurité
ISO 9001	Systèmes de management de la qualité — exigences pour les procédures d'étalonnage documentées
ISO 10012	Systèmes de management de la mesure — exigences pour les processus de mesure
NIST SP 800-82	Sécurité des systèmes de contrôle industriels (référence pour la cybersécurité lors de la mise en service)

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1-21) s'applique à toutes les installations électriques au Canada. Pour les travaux d'instrumentation, la règle 8-200 exige que tout équipement soit mis à la terre conformément aux spécifications du fabricant et aux exigences du code. La règle 18-100 traite des emplacements dangereux et impose des exigences strictes pour les instruments installés dans ces zones.

Procédures d'étalonnage

Préparation de l'étalonnage

Avant toute opération d'étalonnage, vous devez :

18.Identifier l'instrument : numéro de série, tag (repère), emplacement, boucle de contrôle associée.

19.Obtenir la procédure d'étalonnage : document du fabricant ou procédure interne approuvée.

20.Vérifier les conditions ambiantes : température, humidité, vibrations — elles doivent être dans les limites spécifiées.

21.Sélectionner l'étalon : l'étalon doit avoir une incertitude au moins 4 fois meilleure que la précision de l'instrument à étalonner (rapport TUR ≥ 4:1).

22.Vérifier la validité de l'étalon : certificat d'étalonnage en cours de validité, pas de dommage physique.

23.Préparer l'équipement : alimentation, multimètre, communicateur HART, pompe à pression, bain de température, etc.

Points de contrôle

Un étalonnage complet comprend généralement 5 points de mesure (0 %, 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) dans les deux directions (montée et descente). Le nombre de points peut varier selon la norme interne ou le type d'instrument.

Calcul de l'erreur

Pour chaque point de mesure :

Erreur (%) = [(Valeur lue − Valeur étalon) / (Portée)] × 100

Exemple : Un transmetteur de pression 0–100 kPa indique 50,5 kPa lorsque l'étalon indique 50,0 kPa.

Erreur = [(50,5 − 50,0) / 100] × 100 = 0,5 %

Si la précision spécifiée est de ±0,25 % de la portée, l'instrument est hors tolérance et doit être ajusté.

Hystérésis

L'hystérésis est la différence maximale entre les lectures en montée et en descente pour un même point d'entrée. Elle se calcule :

Hystérésis = |Lecture en montée − Lecture en descente|

L'hystérésis est une caractéristique mécanique (frottement, jeu) et ne peut pas être corrigée par un simple ajustage du zéro ou de la portée.

Non-linéarité

La non-linéarité est l'écart maximal entre la courbe réelle de l'instrument et la ligne droite idéale (ou la courbe de référence). Elle s'exprime en pourcentage de la portée.

Étalonnage des instruments spécifiques

Transmetteurs de pression

40.Étalonnage du zéro : appliquer la pression atmosphérique (ou la pression de référence), régler le zéro.

41.Étalonnage de la portée : appliquer la pression de pleine échelle, régler le gain (span).

42.Vérification de la linéarité : appliquer les points intermédiaires (25 %, 50 %, 75 %).

43.Vérification de l'hystérésis : effectuer la descente et noter les différences.

Pour un transmetteur à cellule capacitive (type Rosemount 3051), le réglage se fait par communication HART ou par boutons locaux. La procédure de réglage "zéro et portée" doit être effectuée dans l'ordre : d'abord le zéro, puis la portée, puis re-vérifier le zéro (car le réglage de portée affecte souvent le zéro).

Transmetteurs de température

Thermocouples : L'étalonnage se fait en comparant la sortie du thermocouple à un thermomètre étalon dans un bain de température. Les points typiques sont 0 °C (bain de glace), 100 °C (eau bouillante) et des points intermédiaires selon la plage d'utilisation.

RTD (Pt100) : La relation résistance-température est définie par la norme IEC 60751. Pour une Pt100, à 0 °C, R = 100 Ω ; à 100 °C, R = 138,51 Ω. La formule de Callendar-Van Dusen est utilisée pour les calculs précis :

R(t) = R₀ [1 + A·t + B·t² + C·(t−100)·t³] pour t entre −200 °C et 0 °C

R(t) = R₀ [1 + A·t + B·t²] pour t entre 0 °C et 850 °C

Avec : A = 3,9083 × 10⁻³ °C⁻¹, B = −5,775 × 10⁻⁷ °C⁻², C = −4,183 × 10⁻¹² °C⁻⁴

Vannes de régulation

L'étalonnage d'une vanne de régulation consiste à vérifier :

53.Le point de départ : la vanne doit commencer à s'ouvrir au signal de 3–5 % (pour un signal 4–20 mA).

54.Le point de fin : la vanne doit être complètement ouverte à 95–100 % du signal.

55.La linéarité : la course de la vanne doit être proportionnelle au signal d'entrée.

56.L'hystérésis : la différence entre la course en ouverture et en fermeture pour un même signal.

57.La fuite : vérifier le taux de fuite en position fermée selon la classe de fuite (Classe I à VI selon ANSI/FCI 70-2).

Transmetteurs de débit

Pour un débitmètre électromagnétique : vérifier le zéro (débit nul, tube plein), puis simuler un débit connu ou utiliser une boucle d'étalonnage. La constante K (impulsions par litre) doit être vérifiée.

Pour un débitmètre à effet Vortex : vérifier la fréquence de sortie pour un débit connu. La relation est : f = K × Q où f est la fréquence en Hz, K le facteur K en impulsions par litre, et Q le débit en L/s.

Calculs d'incertitude

Incertitude composée

L'incertitude composée (u_c) se calcule par la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes individuelles :

u_c = √(u₁² + u₂² + u₃² + ...)

Exemple : Un étalonnage de transmetteur de pression utilise un étalon avec une incertitude de ±0,05 % de la lecture, un multimètre avec ±0,02 % de la lecture, et une source de pression avec ±0,03 % de la portée.

u_c = √(0,05² + 0,02² + 0,03²) = √(0,0025 + 0,0004 + 0,0009) = √0,0038 = 0,0616 %

Incertitude élargie

L'incertitude élargie (U) s'obtient en multipliant l'incertitude composée par un facteur de couverture k (généralement k = 2 pour un niveau de confiance de 95 %) :

U = k × u_c

Rapport TUR (Test Uncertainty Ratio)

TUR = Précision de l'étalon / Précision de l'instrument

Le TUR minimum recommandé est de 4:1. Si le TUR est inférieur à 4:1, l'étalonnage est considéré comme marginal et l'incertitude doit être calculée explicitement.

Essais de mise en service

Plan de mise en service

La mise en service d'un système d'instrumentation suit une séquence logique :

76.Inspection visuelle : vérification de l'installation physique, des connexions, des supports, des étiquettes.

77.Vérification des boucles : continuité des câbles, polarité, isolation, mise à la terre.

78.Alimentation : vérification des tensions d'alimentation (24 VDC, 120 VAC, etc.) avant de mettre sous tension les instruments.

79.Essai individuel : étalonnage et test de chaque instrument.

80.Essai de boucle : vérification de la réponse de l'ensemble de la boucle (capteur → transmetteur → contrôleur → vanne).

81.Essai fonctionnel : simulation de conditions de procédé pour vérifier les alarmes, les verrouillages (interlocks) et les séquences.

82.Essai de sécurité : vérification des fonctions de sécurité instrumentées (SIF) selon la norme IEC 61511.

Essai de boucle

L'essai de boucle consiste à vérifier que le signal parcourt correctement toute la boucle de contrôle. La procédure typique :

85.Injecter un signal connu à l'entrée du transmetteur (par exemple, 50 % de la portée).

86.Vérifier la lecture au contrôleur (DCS ou PLC) : elle doit correspondre à 50 %.

87.Vérifier la sortie vers l'élément final : la vanne doit être positionnée à 50 % de sa course.

88.Documenter les résultats : valeurs injectées, valeurs lues, écarts, statut (accepté/refusé).

Essai de verrouillage (interlock)

Les verrouillages de sécurité doivent être testés individuellement et en combinaison. La procédure :

91.Obtenir le permis de travail et suivre la procédure de consignation (lockout/tagout).

92.Simuler la condition de déclenchement (pression haute, température basse, etc.).

93.Vérifier que l'action de sécurité se produit : fermeture de vanne, arrêt du moteur, activation de l'alarme.

94.Vérifier le temps de réponse : il doit être inférieur au temps requis par l'analyse de sécurité.

95.Restaurer le système et documenter le test.

Essai de communication

Pour les instruments intelligents (HART, Foundation Fieldbus, Profibus) :

98.Vérifier la communication : le communicateur ou le système doit reconnaître l'instrument.

99.Vérifier les paramètres : tag, unités, plage, type de signal.

100.Vérifier les diagnostics : aucun alarme active, aucun défaut interne.

101.Sauvegarder la configuration avant tout changement.

Documentation

Certificat d'étalonnage

Un certificat d'étalonnage doit contenir :

Identification de l'instrument (fabricant, modèle, numéro de série, tag)

Identification de l'étalon utilisé (numéro de série, certificat de référence)

Conditions ambiantes (température, humidité)

Date de l'étalonnage et date de validité

Résultats de mesure (tableau des points, erreurs calculées)

Incertitude de mesure

Nom et signature de l'étalonneur

Référence à la procédure utilisée

Fiche de boucle (Loop Sheet)

La fiche de boucle documente tous les éléments d'une boucle de contrôle : instruments, câbles, borniers, alimentation, paramètres de configuration. Elle est essentielle pour la mise en service et le dépannage.

Registre d'étalonnage

Le registre d'étalonnage est un système de suivi qui indique pour chaque instrument : la date du dernier étalonnage, la date du prochain étalonnage, le statut (conforme/non conforme), et l'historique des interventions.

Consignation et sécurité

Avant tout travail d'étalonnage ou d'essai sur un instrument en service, vous devez :

119.Obtenir un permis de travail (permis de travail à chaud, permis de travail à froid, permis d'entrée en espace clos selon le cas).

120.Consigner l'équipement : isoler l'instrument du procédé (vannes d'isolement), couper l'alimentation électrique, verrouiller et étiqueter.

121.Vérifier l'absence de pression, de température, de produit avant de démonter.

122.Utiliser les équipements de protection individuelle appropriés.

La procédure de consignation est régie par le Code canadien du travail (Partie XIX) pour les installations fédérales, et par les lois provinciales pour les autres installations. Le principe fondamental : chaque personne qui travaille sur l'équipement doit poser son propre cadenas.

Pièges à éviter

125.Confondre étalonnage et ajustage : l'étalonnage est une comparaison documentée ; l'ajustage est une modification. Un instrument peut être étalonné sans être ajusté.

126.Négliger l'ordre de réglage : toujours régler le zéro avant la portée, puis re-vérifier le zéro. Un réglage de portée affecte souvent le zéro.

127.Utiliser un étalon avec un TUR insuffisant : le rapport doit être d'au moins 4:1. Un étalon à ±0,5 % ne peut pas étalonner un instrument à ±0,25 %.

128.Oublier l'hystérésis : une erreur d'hystérésis ne se corrige pas par un ajustage. Si l'hystérésis dépasse la tolérance, l'instrument doit être réparé ou remplacé.

129.Ne pas tenir compte de la température ambiante : la plupart des instruments ont une dérive thermique spécifiée (par exemple ±0,02 %/°C). Un étalonnage effectué à 40 °C ne sera pas valide à 20 °C.

130.Ignorer les conditions de montage : un transmetteur de pression monté avec un joint torique endommagé ou un robinet partiellement ouvert donnera des lectures erronées.

131.Ne pas documenter : un étalonnage non documenté est un étalonnage non effectué. Toute intervention doit être tracée.

132.Confondre pourcentage de la lecture et pourcentage de la portée : une erreur de 1 % de la lecture n'est pas la même chose qu'une erreur de 1 % de la portée. Pour un instrument 0–100 kPa, 1 % de la lecture à 20 kPa = 0,2 kPa ; 1 % de la portée = 1 kPa.

133.Oublier les conditions de référence : les spécifications de précision sont données pour des conditions de référence (température 20 °C, alimentation nominale, etc.). Hors de ces conditions, la précision se dégrade.

134.Ne pas vérifier les alarmes et verrouillages : lors de la mise en service, les alarmes et verrouillages doivent être testés en simulation, pas seulement vérifiés visuellement.

Résumé

L'étalonnage est une comparaison documentée entre un instrument et un étalon traçable ; l'ajustage est une modification de l'instrument.

Le rapport TUR doit être ≥ 4:1 pour un étalonnage valide.

L'erreur se calcule en pourcentage de la portée : Erreur (%) = [(Lecture − Étalon) / Portée] × 100.

L'incertitude composée se calcule par la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes individuelles.

L'hystérésis et la non-linéarité sont des caractéristiques distinctes qui ne se corrigent pas par un simple ajustage.

La mise en service suit une séquence : inspection visuelle, vérification des boucles, alimentation, essai individuel, essai de boucle, essai fonctionnel, essai de sécurité.

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V et la CSA B149.1 sont les principales références normatives pour les travaux d'instrumentation au Canada.

La documentation est obligatoire : certificats d'étalonnage, fiches de boucle, registres.

La consignation (lockout/tagout) est obligatoire avant toute intervention sur un instrument en service.

Les verrouillages de sécurité (interlocks) doivent être testés individuellement et en combinaison, avec vérification du temps de réponse.

Questions d'auto-évaluation

147.Un transmetteur de pression 0–200 kPa indique 102,5 kPa lorsque l'étalon indique 100,0 kPa. Calculez l'erreur en pourcentage de la portée.

148.Un étalon a une incertitude de ±0,1 % et l'instrument à étalonner a une précision de ±0,5 %. Le TUR est-il acceptable ?

149.Quelle est la différence entre l'hystérésis et la non-linéarité ?

150.Pourquoi faut-il régler le zéro avant la portée lors de l'ajustage d'un transmetteur ?

151.Quelles sont les trois étapes principales de la procédure de consignation ?

152.Un thermocouple de type K indique 250 °C. La tension mesurée est de 10,151 mV. Sachant que la table de référence donne 10,153 mV pour 250 °C, quelle est l'erreur en °C ?

153.Quelle norme canadienne régit les installations de gaz naturel et de propane ?

154.Un débitmètre Vortex a un facteur K de 10 impulsions par litre. À un débit de 5 L/s, quelle fréquence de sortie attendez-vous ?

155.Lors d'un essai de boucle, vous injectez 12 mA (50 % de la portée) au transmetteur. Le contrôleur affiche 51 %. Quelle est l'erreur en pourcentage de la portée ?

156.Pourquoi le TUR minimum recommandé est-il de 4:1 ?

Étalonnage, essais et mise en service