Brevet FR2004703A1 — publié le 19691128

i 2004703 Dans la construction de capteurs de pression-destinés à capter des phénomènes dynamiques ou statiques de grandeurs mécaniques on utilise aujourd'hui des dispositifs de mesure piézoélectriques, piézorésistants, à jauges de contrainte, etc. Dans 5 tous les cas il s'agit, de transmettre sous une forme convenable la grandeur mécanique a mesurer, que ce soit une pression, une force ou une accélération, à l'élément de mesure qui effectue la transformation proprement dite en un signal électrique de mesure. Dans ce but il faut avant tout que l'élément de mesure soit isolé 10 de son entourage de façon que seules les forces à mesurer puissent agir sur lui. Toutes les influences environnantes, telles que la température, l'humidité, les gaz corrosifs, etc., doivent être écartées de l'élément de mesure proprement dit. Cette condition est nécessaire parce que les éléments de mesure constituent des 15 pièces très sensibles et de très grande qualité qui. doivent être traitées avec le plus de soin possible. Dans tous les capteurs de pression connus, la grandeur mécanique à mesurer est transformée en une force qui doit être transmise aussi uniformément que possible, sous forme de force 20 répartie sur une s^'lrface, à l'élément de mesure. Ce dernier est avantageusement conçu sous forme d'un bloc cylindrique dont les deux faces planes sont soumises à la force à mesurer. Les connexions électriques peuvent traverser soit les faces planes, soit la paroi cylindrique. Que l'élément de mesure soit un élément 25 piézo-électrique, piézorésistif ou une jauge de contrainte, n'a aucune importance pour l'objet de l'invention. Il s'agit dans tous les cas que le bloc cylindrique puisse être monté dans le corps du capteur de pression de manière telle que lors du montage et' de l'utilisation les faces de ce bloc qui reçoivent l'effort à 30 mesurer ne soient soumises à aucune flexion, seuls des efforts orientés dans la direction axiale du bloc devant s'exercer sur l'élément. La transmission des efforts -sur l'élément doit donc être réalisée au moyen d'une plaque à faces rigoureusement planes et parallèles et qui, sous l'effet de l'effort*agissant de l'exté-35 rieur, doit se déplacer absolument parallèlement à la face plane correspondante du bloc cylindrique. En outre, l'élément de transmission et de répartition de la pression doit être rendu parfaitement étanche par rapport 69 08801 2 200470 à l'extérieur, ce qui jusqu'à présent était assuré par une membrane métallique. Dans les capteurs de mesure du comn1.^^0 ia face de l'élément de mesure sur laquelle s'exerce l'effort est usinée directement dans le corps du capteur de pression par roda-5 ge ou tournage de précision. Après que l'élément de mesure a été installé dans le corps du capteur on pose la plaque de transmission de pression qui, dans des formes d'exécution connues, est constituée le plus souvent par un disque cylindrique et est posée avec une précontrainte, par des moyens connus, afin qu'il ne se 10 produise pas d'interstice par suite de son élasticité. Les moyens connus utilisés pour assurer cette précontrainte sont des plaquer» des ressorts ou des tubes élastiques à paroi mince, qui agissent sur la plaque de transmission de pression. La précision que l'on peut atteindre de cette manière laisse cependant à désirer, car il. 15 est extrêmement difficile de réaliser dans l'alésage d'un capteur de pression des surfaces usinées de façon parfaitement plane»-Une autre difficulté est de faire, agir les moyens mentionnés ci-dessus de manière parfaitement parallèle sur toute la surface de l'élément de mesure. En outre, la grandeur mécanique agissant de ■20 l'extérieur et qui doit être transformée en un effort de pression uniformément réparti sur la surface effective de l'élément présente elle aussi de grandes difficultés. Enfin, il faut encore tenir compte de ce que, pendant que les efforts à mesurer agissent toute déformation de la face d'appui de l'élément de mesure ainsi 25 que de la plaque de transmission de pression doit être évitée pi . l'on veut que les résultats de la mesure soient précis. L'invention permet de supprimer dans une large mesure les difficultés exposées ci-dessus.. Elle concerne donc un capteur de pression pour la mesure de grandeurs mécaniques, dans lequel 30 les efforts à induire dans l'élément de mesure sont transmis à celui-ci à l'aide d'un élément de transmission de pression en contact avec l'élément de mesure, et elle réside en ce que l'élément de transmission de-pression présente une partie dont la surface extérieure est sphérique et est entourée par une pièce formant 35 siège qui permet un mouvement pendulaire de l'élément de transmission de pression afin d'assurer une adaptation de la position mutuelle des faces de contact de cet élément et de l'élément de mesure. BAD ORîGlNAL 69 08801 2004703 Il y a intérêt à ce que la pièce formant siège soit constituée par un diaphragme annulaire fixé par son pourtour extérieur au corps du capteur et qui, par son pourtour intérieur, est en contact étanche avec la partie de l'élément de transmis-5 sion de pression en forme de sphere. Dans une forme d'exécution particulièrement avantageuse de l'invention, la pièce formant siège peut exercer sur l'élément de transmission ce pression une force qui assure la mise en précontrainte de l'élément de mesure. Comme il est relativement facile de réaliser des surfaces hémisphé-10 riques avec une précision suffisante pour l'application envisagée ici, il est donc recommandé eue l'élément de transmission ce pression ait une forme hémisphérique. D'autres formes d'exécution avantageuses de l'invention seront présentées au cours de la description des exemples illustrés. 15 Un capteur de pression conçu selon l'invention permet d'assurer dans toutes les circonstances une précontrainte de l'élément de mesure qui s'exerce avec un parallélisme rigoureux des surfaces planes. En outre, une transmission des forces dans des directions parfaitement parallèles à l'axe de l'élément de 2o mesure est assurée. Par le choix de matériaux appropriés les éléments d'appui et de transmission des forces peuvent être adaptés aux exigences physiques des éléments de mesure installés entre eux. Cette adaptation s'étend en particulier à des coefficients de dila-25 tation thermique appropriés, à une conductibilité électrique ou à un pouvoir d'isolation électrique convenable, ou encore à une rigidité adéquate. L'esprit de l'invention et ses possibilités d'application sont présentés plus en détail ci-après avec référence au des-30 sin, sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de pression comportant tm élément de transmission de pression, un élément d'appui et, entre ces deux éléments, un élément de mesure, 35 - la figure 2 est une vue analogue à la fig.l au tra vers de la partie du capteur sensible à la pression - la figure 3 montre un diaphragme annulaire formant siège de l'élément de transmission de pression à surface iiémisphé- 69 08801 4 2004703 rique, avant installation sur le corps du capteur, - la figure 4 montre la partie sensible à la pression d'un capteur, avec deux rapports de répartition différents entre la force et la pression, 5 - la figure 5 représente une variante d'un corps de capteur dans lequel la précontrainte mécanique est assurée au moyen d'un tube élastique à paroi mince, - la figure 6 représente l'assemblage d'un corps de capteur et d'un ensemble de montage comprenant l'élément de 10 mesure, - la figure 7 représente une autre possibilité d'application d'éléments de transmission de pression avec des sièges sous forme de diaphragmes annulaires, et - la figure 8 illustre un appareil de mesure d'accélé-15 ration comportant un élément de transmission de pression en forme d'hémisphère. Le capteur de pression représenté à la fig. 1 comprend un corps 1 comportant une collerette de montage 2 et un raccord fileté 3 formant douille. La partie formant douille 4 de ce rac-20 cord peut, suivant l'élément de mesure 5 contenu dans le corps 1, être unipolaire ou multipolaire. L'élément de mesure 5, constitué par un bloc cylindrique dont les deux faces 6 ont été usinées pour qu'elles soient rigoureusement planes, est installé entre l'élément d'appui hémisphérique 7 et l'élément 8, également hémis-25 phérique, de transmission de pression. Dans le but de permettre le passage des raccordements électriques de l'élément de mesure 5, l'élément d'appui hémisphérique 7 peut présenter un alésage 9. Il y a avantage à ce que la calotte hémisphérique 10 ménagée dans le corps 1 du capteur de pression soit tout d'abord ébauchée mécani-30 quement, puis achevée par rodage ou matriçage à froid. L'élément d'appui hémisphérique 7 s'ajuste exactement dans cette calotte 10 et permet l'ajustement libre de la face plane 11 de cet élément. La plaque hémisphérique de transmission de pression 8 comporte également une face 12 rigoureusement plane obtenue par usinage. 35 Elle est pressée sous précontrainte mécanique contre l'élément de mesure 5 par l'élément d'étanchéité 13 conçu sous forme de siège pour l'élément 8. L'élément d'étanchéité 13, qui forme un diaphragme annulaire, est rendu solidaire du corps 1 du capteur de pression 69 08801 5 2004703 au moyen d'un cordon de soudure 14. La fig.2 représente un capteur de pression et plus particulièrement le mode de fonctionnement de l'élément d'étanchéité 23. Sous l'effet d'une pression p s'exerçant sur l'élément 23 5 constituant le siège de l'élément hémisphérique de transmission de pression 28, ainsi que sur ce dernier, l'élément de mesure 25 est comprimé de la quantité Sg. Cette compression provoque un allongement transversal gui doit s'effectuer sans aucune entrave. La surface hémisphérique 21 de l'élément de transmission 10 de pression 28 est polie très finement et rigoureusement sphéri-que. L'arête d'étanchéité 20 qui appuie contre cette surface a une forme exactement circulaire qui lui a été donnée par rodage ou par refoulement. Grâce à sa structure élastique, cette arête restera en permanence au contact de la surface hémisphérique 21. 15 La pression de contact assurée par la précontrainte est encore renforcée par l'effort de pression extérieur p, de sorte qu'une étanchéité parfaite est assurée. Cela est vrai lorsque, par l'opération de mesure, il se produit un déplacement de la surface hémisphérique 21. L'arête d'étanchéité 20 glisse alors jusque dans 20 la position 22. En choisissant convenablement les caractéristiques d'élasticité de l'élément de mesure 25, on s'efforcera de maintenir aussi petite que possible la flèche S-^ due à la charge. Dans le cas d'éléments de mesure piézo-éleetriques cette flèche peut être maintenue dans une plage de quelques ç»m. 25 A la fig.3 on a représenté le diaphragme annulaire d'étanchéité 33 dans son état avant assemblage. La lèvre élastique d'étanchéité 34 est réalisée légèrement incurvée, à la presse ou par usinage. L'arête d'étanchéité 35 est ajustée avec précision, par des moyens connus, à la surface hémisphérique 36. 30 La fig.4 représente à nouveau le côté mesure d'un cap teur de pression dans lequel le rapport de répartition entre la pression extérieure p et les efforts de pression internes peut être modifié par le choix convenable d'un diamètre D^ ou D2 de l'arête d'étanchéité. Si l'on donne à l'arête d'étanchéité de 35 l'élément en forme de diaphragme annulaire 43 un diamètre D1, la majeure partie des efforts de pression p est transmise- à la partie cylindrique creuse 44 du corps de capteur 41, le reste étant transmis à l'élément de transmission de pression hémisphérique 48. 69 08801 6 2004703 La forme hémisphérique de cet élément assure une pression superficielle uniforme P sur toute la surface 46 de l'élément de pression 45. En augmentant à D2 le diamètre de l'arête d'étanchéité de l'élément d'étanchéité -désigné dans ce cas par le repère 42-5 la majeure partie des efforts extérieurs de pression p est exercée sur l'élément de transmission de pression 48. On a ainsi la possibilité d'adapter de manière simple la plage de pression p à mesurer aux possibilités de l'élément de mesure 45. Dans cet exemple on a fait l'hypothèse que la surface d'appui plane 47 est 10 directement solidaire du corps 41 du capteur. Cette forme d'exécution peut être avantageuse lorsqu'il est assuré qu'aucune possibilité de flexion n'est transmise à la surface 47 par effet d'encastrement. Mais si cette possibilité existe, comme représenté à la fig.l, il y a intérêt à isoler la surface d'appui 47 au 25 moyen d'un élément d'appui hémisphérique. Dans la forme d'exécution selon la fig.5 un élément d'appui connu 51 comporte une surface d'appui plane 52 et est monté dans la partie tubulaire 53 du capteur. L'élément de mesure 55 est mis sous précontrainte mécanique par l'intermédiaire de '20 l'élément de transmission de pression 58 en forme de calotte sphé-rique et du tube élastique 54. La portée sphérique de la partie surépaissie 56 constitue un siège pour l'élément de transmission de pression 58 et garantit un parallélisme rigoureux entre les surfaces 52 et 57 de l'élément de pression 55. Pour assurer l'é-25 tanchéité une membrane 59 peut être posée sur toute la surface de mesure du capteur et être soudée au corps tubulaire 53. Cependant, rien ne s'oppose à ce qu'on utilise un élément d'étanchéité 50 sous forme d'un diaphragme annulaire assurant l'étan-chéité par une arête au contact de la surface en forme de calotte 30 sphérique. La fig.6 illustre le montage de l'unité de mesure 60, entièrement assemblée, dans l'extrémité ouverte 61 du corps du capteur. Dans l'exemple représenté, les connexions élêctriques de l'élément de mesure 65 sont prolongées jusqu'à la surface ex-35 térieure et noyées dans des rainures méridiennes 62 ménagées dans l'élément hémisphérique d'appui 66. Si ce dernier est en un matériau non conducteur, les fils de connexion 63 peuvent être transmis à la surface de raccordement 64 au moyen d'argent conducteur 69 08801 7 2004703 ou autres métaux conducteurs déposés par vaporisation. A partir de cette surface 64 les connexions sont conduites avec la couille 59 dans le connecteur de câble 58. Toutes ces parties sont préassemblées, les éléments de transmission de pression étant rendus 5 solidaires de l'élément de mesure de préférence par brasage, ou par tout autre moyen. L'unité ainsi constituée est alors introduite dans l'extrémité ouverte du corps 61 du capteur, après quoi l'élément d'étanchéité 67 formant siège pour l'élément de transmission de pression est soudé sous précontrainte à l'extrémité 10 tubulaire du corps 61. Un autre exemple d'exécution est représenté à la fig.7 et concerne un élément sphérique de mesure de pression. On peut, au moyen de ce capteur, mesurer directement aussi bien des forces que des pressions. Le capteur est composé de deux éléments symé-15 triques hémisphériques 71 et 72 de transmission de pression, de l'élément de mesure de pression 73, du corps annulaire 74 et des deux parties 75 et 76 en forme de diaphragme annulaire, disposées symétriquement pour servir de sièges aux éléments de transmission de pression et qui, par leurs lèvres d'étanchéité, placent l'uni-20 té de mesure sous précontrainte mécanique. La sortie 77 du signal traverse latéralement le corps 74 du capteur. Elle pourrait toutefois être orientée en direction axiale et traverser.1*ou l'autre des deux éléments hémisphériques 71 et 72. Le capteur constitué de cette manière peut sans difficulté être utilisé égale-25 ment pour mesurer une pression différentielle; dans ce cas il y a lieu d'amener les deux médiums de pression sur les surfaces des diaphragmes annulaires. Grâce à la suspension élastique du système symétrique le corps du capteur est en même temps équilibré en présence d'accélérations. En effet, si line accélération s'exerce 30 dans la direction de l'axe A, l'ung des hémisphères appuie sur l'élément de mesure 73, tandis que l'autre hémisphère le soulage, à condition bien entendu que les deux parties 75 et 76 aient des caractéristiques d'élasticité équivalentes. Ce capteur selon l'invention offre donc des possibilités intéressantes, réalisables avec 35 des moyens simples. A la fig. 8 l'esprit de l'invention est appliqué à un appareil ce mesure d'accélérations. Dans de tels appareils l'une des principales difficultés réside dans le fait qu'il faut 69 08801 8 2004703 les visser très rigidement sur l'objet à mesurer. Il en résulte dans le corps du capteur des contraintes qui se répercutent défavorablement sur l'élément de mesure. Dans le capteur selon l'invention, l'élément de" mesure". 85 est enserré entre la masse sis-5 mique 86 et l'élément d'appui hémisphérique 87 qui transmet la pression. Le corps 88 du capteur comporte des pans 89 destinés à recevoir une clé à écrou. Le tarauaage 90 sert à fixer solidement l'appareil sur l'objet de la mesure. La masse 86 est repoussée en direction de l'élément d'appui au moyen du couvercle vissé 10 84 et de l'élément 83 faisant ressort. Le fait que la surface de l'élément ce mesure soit séparée du corps 88 du capteur assure des conditions d'appui parfaites, même lorsque ce corps est soumis à des contraintes mécaniques en torsion. Grâce à cette disposition l'appareil de mesure est en grande partie indépendant 15 des conditions de montage. La sortie des signaux est effectuée par des moyens connus, latéralement, au moyen du raccord à douille 82 et par un alésage.dans l'élément 87. Rien cependant ne s'oppose à ce que ce raccord soit fixé sur la plaque d'étanchéité 84. Outre les avantages déjà exposés, inhérents à la forme 20 géométrique des éléments de transmission de pression en liaison avec les éléments d'étanchéité éventuels correspondants, sous forme de parties formant sièges constitués par des diaphragmes annulaires, d'autres avantages considérables découlent du choix judicieux des matériaux dont les éléments de transmission sont com-25 posés. Pour de nombreux cas d'application il est souhaitable que les éléments de mesure puissent être installés en étant complètement électriquement isolés du corps du capteur de pression. Les matières céramiques à base d'oxyde d'aluminium sont alors excellentes, car elles donnent à la fois une grande résistance méca-30 nique à la compression, une grande rigidité et des surfaces sphériques parfaites ; le saphir et le rubis peuvent aussi être 1 envisagés. Dans les cas d'application impliquant des exigences • particulièrement sévères en matière d'isolation thermique des éléments de mesure, les éléments de transmission de pression peu-35 vent être fabriqués en verre de quartz ou autres types de verre. Ils présentent alors en même temps de bonnes caractéristiques d'isolation électrique. Lorsque ces éléments* doivent en outre répondre à certaines exigences en ce qui concerne les coefficients 69 08801 9 2004703 de dilatation thermique, comme cela est souhaitable par exemple dans le cas d'utilisation d'éléments piézo-électriques, il est possible de fabriquer les éléments de transmission directement en matériau piézo-électrique. Si nécessaire, les surfaces de ces 5 éléments piézo-électriques sont métallisées, de sorte que sous l'effet d'efforts aucune charge électrique n'est évacuée. Dans ■ les cas où l'on attache une grande importance à la résistance au choc, par exemple lors de mesures d'accélération, les éléments de transmission de pression peuvent être réalisés en acier trempé ou 10 en métal dur. Dans des cas spéciaux ces éléments peuvent également être fabriqués en matière synthétique ou encore à partir de certaines roches. L'invention ouvre donc de nouvelles possibilités dans la construction de capteurs de pression. Elle est indépendante 15 de la nature de l'élément transducteur utilisé et peut être mise en oeuvre pour la mesure de pressions, de forces et d'accélérations. Les propriétés des éléments de transmission de pression garantissent une adaptation autocompenséeda la position des surfaces de contact des éléments de mesure et„ en combinaison avec 20 les parties en forme de diaphragmes annulaires constituant des sièges pour les éléments de"mesure, une étanchéité parfaite même dans des conditions d'utilisation très dures. Le fait que les surfaces d'appui usinées planes avec une très grande précision soient séparées du corps du capteur permet l'usinage de ces sur-25 faces sur des machines d'usinage utilisées en optique, de sorte que la planéité obtenue est parfaite. En donnant aux éléments d'étanchéité une disposition convenable, l'élément de mesure peut être adapté de manière simple aux diverses exigences, simplement en faisant varier, dans de larges limites si nécessaire, le degré 30 de transmission de pression. La séparation entre les éléments d'appui et le transducteur permet d'installer les éléments de pression dans des conditions favorables en ce qui concerne les influences physiques extérieures, grâce à un choix judicieux des matériaux. En particulier, en choisissant convenablement les maté-35 riaux des éléments d'appui et de transmission de pression, on peut contribuer à ce que les faces planes des éléments de mesure restent parallèles sous la sollicitation mécanique, avec une faible flexion, et-à ce que les gradients thermiques soient réduits dans line large mesure. 69 08801 10 2004703 REVENDICATIONS 1.- Capteur de pression pour la mesure de grandeurs mécaniques, dans lequel les efforts à induire dans l'élément de mesure sont transmis à celui-ci à l'aide d'un élément de trans- 5 mission de pression en contact avec l'élément de mesure, remarquable en ce que l'élément de transmission de pression présente une partie dont la surface extérieure est sphérique et est entourée par une pièce formant siège qui permet un mouvement pendulaire de l'élément de transmission de pression afin d'assurer une 10 adaptation de la position mutuelle des.faces de contact de cet élément et de l'élément de mesure. 2.- Capteur selon la revendication 1, remarquable en ce que la pièce formant siège est constituée par un, diaphragme annulaire fixé par son pourtour extérieur au corps du capteur et 15 qui, par son pourtour intérieur, est en contact étanche avec la partie de l'élément de transmission de pression en forme de sphère. 3.- Capteur selon la revendication 1, remarquable en ce que la pièce formant siège exerce sur l'élément de transmis— 20 sion de pression une force qui assure la mise en précontrainte de l'élément de mesure. 4.- Capteur selon la revendication 1, remarquable en ce que l'élément de transmission de pression est conçu sous forme hémisphérique. 25 5.- Capteur selon la revendication 1, dans lequel l'élé ment de mesure se trouve entre un élément de transmission de pression et un élément d'appui, ce capteur étant remarquable en ce que l'élément d'appui est en forme de calotte sphérique. 6.- Capteur selon la revendication 2, remarquable en ce 30 que l'élément de mesure se trouve entre deux éléments hémisphériques de transmission de pression précontraints l'un vers l'autre au moyen d'un diaphragme annulaire affecté à chacun d'eux. 7.- Capteur selon la revendication 3, remarquable en ce que l'élément de transmission de pression est repoussé sous 35 précontrainte contre l'élément de mesure par un tube élastique, l'élément de transmission de pression étant maintenu dans me portée sphérique ménagée à l'extrémité en surépaisseur du tube élastique. 69 08801 ii 2004703 8.- Capteur selon la revendication 2, remarquable en ce qu'une partie cylindrique creuse du corps de capteur dans laquelle sont logés l'élément de mesure et l'élément de transmission ce pression est conçue ce façon telle que suivant la lon- 5 gueur axiale choisie pour cette partie, des diaphragmes annulaires de différents diamètres intérieurs peuvent être fixés au corps de capteur. 9.- Capteur selon la revendication 1 destiné à mesurer des vibrations ou des accélérations, remarquable en ce que l'élé- 10 ment de mesure est repoussé par une masse sismique et un moyen ce précontrainte contre un élément de transmission de pression encastré dans le corps du capteur en tant qu'élément d'appui de l'élément de mesure. 10.- Capteur selon la revendication 1, remarquable en ce 15 qu'un élément d'appui hémisphérique, un élément de mesure et un élément de transmission de pression forment ensemble et avec les contacts et conducteurs électriques affectés à l'élément de mesure une unité de montage qui peut être installée en bloc dans un corps de capteur, les conducteurs électriques étant disposés dans 20 des rainures méridiennes de l'élément d'appui. 11.- Capteur selon la revendication 1, remarquable en ce que l'élément de mesure est cylindrique et présente deux faces planes parallèles sur lesquelles agissent les forces à mesurer. 11 pages