Brevet FR2099625A1 — publié le 19720317

La présente invention concerne un transducteur de pression et a trait plus particulièrement à un transducteur de pression rempli de fluide tel que celui décrit dans le brevet des Etat&r-Unis d'Amérique n° 3.349.623 délivré 5 le 31 Octobre 1967. Comme décrit dans le brevet précité, les transducteurs de pression remplis de fluide sont conçus de manière à être utilisés dans des systèmes où il est indésirable qu'un milieu dont la pression doit être mesurée pénètre dans l'instrument. Dans ce cas, l'instrument est lui-même rempli d'un fluide qui est en communication par l'intermédiaire d'un diaphragme ou d'un autre dispositif avec le milieu dont la pression doit être mesurée, le fluide remplissant l'instrument assurant la transmission directe de la pression du milieu au 15 dispositif de détection. Le fluide de remplissage doit nécessairement avoir un point d'ébullition supérieur à la température du milieu auquel l'instrument est exposé du fait que l'introduction d'une vapeur sous pression dans la jauge produirait dans le dispositif de détection des lectures erronées qui ne représente-20 raient plus la pression à mesurer. De façon similaire, le point de congélation du fluide doit être inférieur à la température minimale de service. Un des objectifs essentiels du brevet mentionné plus haut est de fournir un transducteur de pres-25 sion rempli de fluide et assurant une déviation sur toute échelle du dispositif de détection pour un déplacement volumetrique minimal. Le déplacement volumétrique minimal du fluide remplissant l'instrument réduit au minimum l'effet sur le milieu fluide dont la pression a été détectée. Le déplacement volumétrique 30 minimal provoque une déviation minimale de l'organe de couplage et, lorsque l'organe de couplage est un diaphragme, une déviation minimale maintient la déviation dà. diaphragme dans une plage linéaire. La déviation du diaphragme ne doit pas dépasser 3$ du diamètre de diaphragme pour maintenir la linéarité. 35 Cet appareil de type connu est ce pendant affecté par certains inconvénients. Par exemple il ne fonctionne pas efficacement à de basses pressions. Egalement, l'appareil est d'une fabrication relativement coûteuse. En conséquence, l'invention a pour 40 but de fournir un transducteur de pression rempli de fluide fonc 71 07485 2 2099625 tionnant dans une large gamme de pressions» L'invention a également pour but de fournir un transducteur de pression qui soit capable de fonctionner à des pressions relativement basses. Suivant un aspect de 5 l'invention, on utilise un pont dé jauges de mesure des contraintes comportant quatre branches actives de manière à fournir par conséquent le même signal de sortie pour de basses pressions que de nombreux dispositifs cornus dans lesquels seulement deux branches du pont sont actives. 10 L'invention a également pour but de fournir un transducteur de pression qui puisse être agencé de manière à présenter une capacité de surcharge supérieure à celle des appareils connus. Dans certaines applications, il peut être souhaitable d•avoir une forte capacité de surcharge au 15 lieu d'avoir une certaine capacité de mesure de basses pressions. Comme indiqué plus haut, dans l'appareil suivant l'invention, les quatre branches actives du pont fournissent le même signal de sortie pour des niveaux de contraintes assez bas. En conséquence le dispositif de détection peut être rendu plus 20 robuste de manière à obtenir le même signal de sortie pour le même niveau de contrainte. Le dispositif de détection ainsi obtenu élargit la limite supérieure de la gamme d'utilisation de l'appareil, ce qui permet d'obtenir une capacité de surcharge supérieure. 25 L'invention a également pour but de fournir un transducteur de pression rempli de fluide qui puisse être fabriqué de façon peu coûteuse. L'invention a enfin pour but de fournir un transducteur comprenant un dispositif de détection 30 de pression qui puisse être aisément séparé du reste de l'instrument, ce qui permet d'élargir la capacité de l'appareil, car il est alors possible de l'utiliser dans différentes gammes de pressions. Pour résoudre ce problème, le 35 transducteur suivant l'invention comprend un châssis allongé et un tube capillaire traversant le châssis et se terminant par une extrémité dans une zone adjacente à une.extrémité du châssis. Un organe de couplage obture la dite extrémité du châssis et délimite avec ce dernier une chambre qui communique avec le 40 tube capillaire.- L'autre extrémité du tube capillaire communique 71 07485 3 2099625 avec un dispositif de détection qui présente une très faible déviation dans toute sa plage d'utilisation, le dispositif de détection comprend un chapeau déformable muni d'un évidement délimitant avec une partie du châssis un compartiment de détec-5 tion de faible épaisseur qui communique avec l'autre extrémité du tube capillaire. Un liquide remplit le dit compartiment de détection, la chambre, et le tube capillaire, de manière à transmettre directement la pression exercée contre l'organe de couplage au dispositif de détection en vue d'effectuer une 10 mesure de pression. Suivant un mode de réalisation de l'invention, un enroulement de détection de température est placé dans une zone adjacente à l'organe de couplage et fait partie d'un système séparé de compensation de température qui 15 a pour fonction d'équilibrer l'influence sur le dispositif de détection d'une dilation du liquide dans l'instrument. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins 20 dans lesquels : - la figure 1 est une section droite d'un mode de réalisation d'un transducteur de pression rempli de fluide construit suivant l'invention. - la figure 2 est une vue en plan 25 du dispositif de détection de la figure 1 montrant la répartition des jauges des mesures des contraintes. - la figure 3 est un schéma du circuit des jauges de mesures des contraintes utilisé dans le tiansducteur de la figure 1. 30 Le mode de réalisation de l'inven tion représenté sur la figure 1 comprend un châssis principal 10, un dispositif de détection 12 monté à l'extrémité supérieure du châssis, un tube capillaire 14 traversant le châssis et un coupleur à diaphragme 16 fixé sur l'extrémité inférieure 35 du châssis et l'obturant. Le châssis 10 comprend une partie cylindrique supérieure 22, une partie intermédiaire 34, une partie hexagonale 60 et une partie en forme de tige 66. Lorsque le transducteur est monté, ces différentes parties sont fixées 40 de façon appropriée les unes avec les autres, par exemple par 71 07485 4 2099625 soudage, de façon à obtenir un appareil hermétiquement scellé. La partie supérieure 22 comprend une zone supérieure cylindrique de petit diamètre 23 qui est filetée en 24 de manière à recevoir un chapeau 50 pourvu d'un file-5 tage 54* La surface supérieure 55 de la partie cylindrique 23 est usinée comme la surface 51 de 1'évidement 52 ménagé dans le chapeau 50 afin de délimiter un compartiment de détection 25 de faible épaisseur qui peut être rempli d'un liquide 40 tel que du mercure. La partie supérieure 22 comporte également une 10 chambre cylindrique 27 partiellement remplie d'une résine époxy-de 32 qui est destinée à maintenir le tube capillaire 14 et le tube de remplissage 15 en position. Le tube de remplissage 15 est incurvé à sa partie inférieure et il est engagé par l'orifice 28 dans le côté de la partie 22. Les parties supérieures 15 du tube capillaire 14 et du tube de remplissage 15 sont engagées dans des passages 29 et 31 ménagés respectivement dans la partie 22 et se terminant sur la surface supérieure de la partie cylindrique 23. L'autre extrémité du tube capillaire 14 se termine dans une zone adjacente au coupleur 16 tandis que 20 l'extrémité opposée du tube de remplissage 15 se termine juste à l'extérieur du passage 28 et peut être munie d'un tampon d'obturation 30. Le liquide qui remplit le transducteur de pression peut être refoulé sous pression dans le tube de remplissage 15 et le tampon 30 qui est de préférence vissé dans le tube 15 25 retient le liquide dans l'appareil. Un évidement de soudage 56 de forme annulaire est prévu à l'extrémité inférieure de la partie 22 et un évidement similaire 57 est prévu à l'extrémité supérieure de la partie 34. Une soudure annulaire peut être formée entre ces 30 évidement s annulaires de manière à permettre l'assemblage des parties 22 et 34 du châssis. De façon similaire, d'autres évi-dements annulaires sont représentés sur la figure 1 en vue de permettre la fixation des autres parties de l'appareil. La partie intermédiaire 34 comprend 35 un passage 42 destiné à recevoir le tube capillaire 14 et elle comporte également un rebord annulaire 36 pourvu d'une rainure circonférentielle 38. La rainure 38 est formée de manière qu'un élément de carter (non représenté) puisse être fixé sur le châssis afin de recouvrir le dispositif de détection 12 et de 40 protéger la partie supérieure du transducteur de pression. 71 07485 s 2099625 L'extrémité inférieure de la partie intermédiaire 34 comporte un rebord 46, dirigé vers le bas et qui rejoint la partie hexagonale placée en-dessous de la partie 34. Les parties 34 et 60 sont soudées de façon appropriée dans les évidements 56 et 5 57 prévus à proximité de leurs extrémités adjacentes. La partie hexagonale 60 est prévue pour faciliter l'utilisation d'une clé pour fixer le transducteur en place. Il est à noter qu'un filetage 70 est prévu à proximité de la partie inférieure de la tige 66 de manière 10 à être vissé dans une douille prévue dans la machine sur laquelle le transducteur est utilisé. Le tube capillaire 14 passe dans le passage 62 ménagé dans la partie hexagonale 60 et est en outre disposé dans un passage 70 ménagé dans la tige 66. Le coupleur à diaphragme 16 est 15 placé à l'extrémité inférieure de la tige 22, il est relativement flexible et il présente un faible taux d'élasticité. Il est soumis à des contraintes minimales lorsqu'il est complètement supporté par le fluide 40 qui remplit les chambres 72 situées en arrière. A la différence de diaphrames qui sont reliés 20 et exercent une poussée contre les tiges, contre des tubes de contrainte ou contre d'autres dispositifs similaires placés dans des instruments ne comportant pas de remplissage, ces diaphragmes fonctionnant sous des contraintes élevées et étant fréquemment sujets à des ruptures, le diaphragme suivant l'in-25 vention fonctionne à de très faibles niveaux de contrainte du fait qu'il est soutenu sur sa partie arrière par la même pression que celle exercée contre la face extérieure ou exposée de sorte qu'il est sujet seulement à des flexions ou déviations minimales. Le fluide 40 remplissant la chambre 72 remplit 30 également le tube capillaire 14 et le compartiment 25 qui fait partie du dispositif de détection 12. Lorsque le transducteur est utilisé dans une gamme de températures présentant un maximum d'environ 400° C, le mercure constitue un fluide idéal pour remplir le 35 dispositif. Le mercure a en effet une faible compressibilité et un point d'ébullition supérieur à 370°C de sorte que, dans sa plage de fonctionnement, aucune pression de vapeur n'est produite pour engendrer une dilatation secondaire de la chambre 25 et par conséquent une déformation de la paroi 53 du 40 chapeau 50. 71 07485 s 2099625 Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, le tube capillaire 14 présente un diamètre intérieur d'environ 0,25 mm et le compartiment mince 25 délimité par le chapeau 50 et la partie cylindrique supérieure 5 23 est d'environ 0,12 mm. la chambre 72 a une profondeur d'environ 0,25 mm, mesurée à partir de la surface intérieure du diaphragme 16, et l'épaisseur de la paroi 53 est comprise entre 0,4 et 0,75 mm. le dispositif de détection suivant 10 l'invention comprend le chapeau 50 qui est muni d'un évidement 52 délimité par une paroi 53. Le compartiment 25 peut être formé avec une très grande précision dans le mode de réalisation de la figure 1 en utilisant des techniques d'usinage classiques. En usinant avec précision 1'évidement 52 à la pro- 15 fondeur correcte et en usiant également la surface supérieure de la partie cylindrique 23 de l'élément 22, on obtient un compartiment 25 très mince et il est formé d'une paroi déformable 53 avec des tolérances très serrées (sur la figure 1 la paroi 53 a été représentée avec des dimensions exagérées, de même que 20 le compartiment 25). Le degré de précision faisant intervenir des techniques d'usinage relativement simples n'avait pas pû être commodément obtenu dans des dispositifs de type connu. Sur la figure 1, il est à noter qu'il est également prévu des moyens de compensation de l'in-25 fluence de la température. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse lorsque le transducteur est agencé pour fonctionner dans une large plage de températures et lorsque le coupleur à diaphragme n'est pas utilisable pour éliminer complètement les effets d'une dilatation du liquide dans le dispo-30 sitif. Ces moyens comprennent un fil 74 comportant des tronçons 90 et 92 qui sont disposés verticalement le long du tube capillaire 14 à partir de l'extrémité inférieure de la tige 66 jusqu'à un passage vertical 27 ménagé dans la partie supérieure 22. Un petit trou 33 est prévu dans la partie supérieure 22 afin de 35 permettre au fil 74 de passer à l'extérieur du dispositif et d'être relié à l'ensemble des jauges de mesure de contraintes 80 qui va être décrit de façon plus détaillée dans la suite en référence à la figure 2. A l'extrémité correspondant au diaphragme, le fil 74 est enroulé en 76 afin de former une boucle.-40 L' enroulement permet d'obtenir en ce point, une longueur im 71 07485 T 2099625 portante de fil. L'enroulement 76 est adjacent à la chambre 72 où le volume de mercure gui remplit le dispositif est grand et est soumis aux températures les plus élevées. En conséquence, l'échauffement de l'extrémité de la tige 66 correspondant au 5 diaphragme crée l'augmentation maximale de résistance dans les fils 74 et 76. Lorsque le fil 74 comprenant la boucle 76 est reliée au circuit à pont de la figure 3 en série avec un bras du pont dont la résistance diminue lorsque la prose ion rueuente, une augmentation de résistance de la boucle 76 et une réduction 10 de la résistance du pont sous l'effet d'un échauffement engendré par une dilatation du liquide ont tendance à s'équilibrer ou à se compenser mutuellement. Dans un autre mode de réalisation d'un dispositif de compensation de l'influence de la température 15 suivant l'invention, la boucle 76 est remplacée par une courte longueur d'un fil de grande résistance qui est caractérisé, pour une variation donnée de la température, par une plus forte variation de résistance que le reste du fil 76. Cette courte longueur de fil plus résistant peut être brasée directement entre 20 les tronçons de fil 90 et 92 et elle assure le même type de compensation de l'influence de la température que la boucle 76. Sur la figure 2, on a représenté une jauge de mesure de contraintes 80 qui est fixée sur la surface supérieure d'un chapeau 50 de manière à détecter la dévia-25 tion d'une paroi défonnable 53» Cet ensemble comprend des enroulements 82 et 86 dont la résistance diminue lorsque la pression augmente et des enroulements 84 et 88 dont la résistance augmente lorsque la pression croît. Des pattes de brasage 83, 85, 87, 89, 91 et 92 sont prévues sur la surface supérieure du chapeau 30 50 de manière que les enroulements 82, 84, 86 et 88 puissent être reliés à l'extérieur, comme indiqué sur la figure 3. Par exemple, le fil de compensation d'influence de température 74 est branché entre les pattes 83 et 91. Une tension d'excitation est appliquée aux pattes 85 et 89 tandis qu'une tension de sor-35 tie est détectée entre les pattes 91 et 92. La figure 3 représente clairement les connexions des enroulements résistifs de la jauge de mesure de contraintes 80 de la figure 2. Les résistances 82 A, 84 A, 86 A et 88 A représentent schématiquement les enroulements 82, 40 84, 86 et 88. Les résistances 90 A et 92 A représentent schéma- 71 07485 8 2099625 tiquement la résistance des tronçons 90 et 92 du fils 74. La résistance 76 A constitue la résistance de compensation de l'influence de la température et elle correspond à la boucle de fil 76 de la figure 1. 5 Un signal d'entrée est appliqué aux bornes 95, 97 et une tension sensible à la pression est mesurée entre les bornes 96, 98. Comme indiqué précédemment, la branche de compensation de température comportant les résistances 90 A, 92 A et 76 A est branchée en série avec la résistance 82 A dont 10 la valeur ohmique diminue lorsque la pression croit. Cette disposition a tendance à maintenir le pont à jauges de mesure de contraintes en équilibre et indépendant de variations de la température. La branche de compensation d'influence de température pourrait également être reliée en série avec la résistance 86 A 15 ou bien, en variante, des branches séparées de compensation d'influence de température pourraient être reliées en série respectivement avec les résistances 82 A et 86 A. Suivant l'invention, le chapeau 50 est soudé de préférence sur la partie supérieure 22. Un joint de 20 soudure est formé entre les évidements annulaires 56 et 57 du chapeau 50 et de la partie 22. Lorsqu'on désire modifier la plage de pressions, le chapeau 50 peut être aisément démonté par usinage ou découpage et un chapeau présentant une épaisseur de paroi 53 différente peut être monté à la place du premier cha-25 peau et fixé par soudage. Une autre caractéristique de l'invention concerne les plages de hautes-pressions. Un filetage 26 est prévu sur la surface extérieure de la partie supérieure 22 de manière qu'un dispositif de blocage (non représenté) 30 puisse être vissé sur celui-ci. Ce dispositif de blocage a une forme de U et s'applique étroitement contre la partie extérieure de la surface supérieure du chapeau 50. Ce dispositif de blocage contribue en outre à maintenir le chapeau 50 en position lorsque celui-ci est soumis à des pressions élevées. 35 Suivant un autre mode de réalisa tion de l'invention, un coupleur flexible peut former une portion de la partie intermédiaire 34, de préférence son extrémité inférieure. Un tel coupleur a été représenté en 46 sur la figure 1 du brevet américain mentionné plus haut. Il est évident 40 qu'un tel coupleur devrait être placé sur la partie 60 mais non 71 07485 9 2099625 entre la partie 60 et le filetage 70 de la tige 22. Bien entendu, lfinvention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'au-5 très formes de réalisation sans sortir pour cela du cadre de l'invention. 71 07485 10 2099625 BEVENDICATIONS 10 - Transducteur de pression, caractérisé en ce qu'il comprend un châssis allongé, un tube capillaire traversant le châssis et se terminant à une extrémité par 5 une zone adjacente à une extrémité du châssis, un coupleur obturant la dite extrémité du châssis et délimitant avec ce dernier une chambre communiquant avec le tube capillaire, un détecteur comprenant un chapeau déformable pourvu d'un évidement délimitant avec l'autre extrémité du châssis un compartiment mince 10 de détection qui est en communication avec l'autre extrémité du tube capillaire, et un liquide remplissant le tube capillaire, la chambre et le compartiment de manière à transmettre la pression exercée sur le coupleur au détecteur. 2° - Transducteur de pression suivant 15 la revendication 1, caractérisé en ce que 1'évidement est délimité par une mince paroi flexible constituant un côté du compartiment et en ce que le châssis comprend une partie s1étendant vers le haut et comportant une surface délimitant l'autre côté du compartiment. 20 3° - Transducteur de pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des enroulements d'une jauge de mesure de contraintes qui sbnt fixés sur la paroi flexible de manière à mesurer la pression exercée sur la paroi par le liquide. 25 4° - Transducteur de pression suivant la revendication 3, caractérisé en ce que quatre enroulements actifs d'une jauge de mesure de contraintes sont branchés dans un circuit à pont. 5° - Transducteur de pression suivant 30 la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de compensation de températures placé dans une zone adjacente au coupleur et agencé pour être relié au détecteur. 6° - Transducteur de pression suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur comprend 35 une jauge de mesure de contraintes qui comporte quatre enroulements actifs branchés dans un circuit à pont, l'élément de compensation de température étant relié à au moins un des dits enroulements. 7° - Transducteur de pression suivant 4-0 la revendications 6, caractérisé en ce que l'élément de compen 71 07485 n 2099625 sation de température comprend un enroulement placé autour du tube capillaire dans une zone adjacente au coupleur. 8° - Transducteur de pression suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de 5 compensation de température comprend un enroulement relié en série avec un enroulement de la jauge de mesure de contraintes et dont la valeur ohmique diminue lorsque la pression augmente. 9° - Transducteur de pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le coupleur com-10 prend un diaphragme flexible et souple. 10° - Transducteur de pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide remplissant le tube est du mercure.