Brevet FR2430004A1 — publié le 19800125

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de pression fonctionnant en numérique. Elle trouve une application dans la réalisation de capteurs de pression utilisables dans les gaz ou les liquides, mais aussi dans la conception de capteurs de force, de déplacement, d'accé lération, etc... L'invention trouve une application privilégiée dans la réalisation de capteurs de pression pouvant remplacer les manomètres utilisés actuellement sur les chantiers de forages sous-marins et également dans la réalisation d'appareils de mesure de la profondeur d'immersion ("profondimètres") d'un plongeur sous-marin. La plupart des appareils connus de mesure de pression comprennent une enceinte soumise à une pression de référence fixe, et un interface déformable en contact avec le fluide dont on veut mesurer la pression. L'exemple le plus simple et le plus caractéristique à cet égard est le manomètre à membrane, avec sa capsule à paroi déformable. Ces appareils présentent plusieurs inconvenients dont les deux principaux sont les suivants. Tout d'abord, l'existence d'une enceinte à pression partielle fixe entraîne, pour l'interface, des oentraintes de plus en plus grandes lorsque la pression à mesurer s'élève. La plage de fonctionnement de ces appareils est donc nécessairement limitée en valeur supérieure. Ensuite, par oonstruction même, ces appareils ne peuvent délivrer qu'un signal de caractère analogique : deviation d'une aiguille, amplitude d'un signal électrique, hauteur d'une colonne de liquide, etc...Or, on a recours aujourd'hui, de plus en plus fréquemment, à des signaux de nature numérique, soit que l'on veuille afficher le résultat de la mesure directement en numérique, soit que l'on doive effectuer un traitement préalable à l'aide de moyens de calcul qui, sauf exception rarissime, fonctionnent en numérique. Les appareils de l'art antérieur doivent donc être associés à des oenvertisseurs analogique-numérique, ce qui, évidemment, grève le coût des matériels. La présente invention a justement pour objet un dispositif de mesure de pression qui évite ces inconvé nients, car sa gamme d'utilisation n'est pas limitée en valeur supérieure et le signal qu'il délivre est directement disponible en numérique. Ce but est atteint, selon l'invention, par l'utilisation d'une chambre cd regne une pression de référence variable (et non plus fixe, comme dans l'art antérieur) cette pression suivant, par incréments ou décréments successifs, les variations de la pression à mesurer. Selon l'invention, on mesure alors le nombre d'incréments ou de décréments subis par la pression de référence, nombre qui donne la variation de pression par rapport à la valeur initiale. I1 est clair qu'un tel moyen remédie aux deux inconvénients mentionnés plus haut, puisque, d'une part, il évite qu'un déséquilibre important s'établisse entre la pression à mesurer et la pression de référence, ce qui supprime par conséquent les contraintes et, d'autre part, il délivre directement l'information recherchée sous forme d'un nombre. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure de pression, caractérisé en ce qu'il comprend - une première chambre soumise à la pression à mesurer ; - une seconde chambre réunie à la première par deux ouver tures munies de clapets anti-retour montés en sens oppo sés, le premier clapet s'ouvrant lorsque la pression qui règne dans la première chambre excède celle qui règne dans la seconde d'une quantité déterminée, le second clapet s'ouvrant lorsque la pression qui règne dans la seconde chambre excède celle qui règne dans la première de la meme quantité - un moyen électrique associé à chaque clapet et apte à engendrer une impulsion électrique à chaque ouverture du clapet - un compteur-décompteur relié auxdits moyens et apte à comptabiliser le nombre d'impulsions correspondant aux ouvertures du premier clapet diminué du nombre d'impul sions correspondant aux ouvertures du second clapet - un moyen d'affichage du nombre obtenu par ledit compteur dé compteur. Ce dispositif peut prendre plusieurs formes de réalisation différentes selon les dispositions relatives des deux chambres. Il existe, à cet t égard, une grande latitude et l'homme de l'art pourra trouver nombre de variantes qui entrent toutes dans le cadre de la présente invention. Par exemple, les deux chambres peuvent être séparées par une unique cloison percée de deux ouvertures munies chacune d'un clapet anti-retour. Dans un autre mode de réalisation, l'une des deux chambres peut être divisée en deux demi-chambres, l'autre chambre étant disposée alors entre ces deux demi-chambres. Pour ce qui concerne les clapets utilisés, ils peuvent être de tout type connu, dès l'instant que leur fonction est de provoquer la communication entre deux chambres lorsque l'écart entre les pressions qui y règnent atteint une valeur et un signe déterminés. Les clapets peuvent étre par exemple d'un type purement mécanique et comprendre une pièce mobile appliquée sur une pièce fixe par un ressort t mais ils peuvent être aussi de type magnétique et comprendre un aimant permanent et une pièce en matière magnétique. Ils peuvent être encore de type mixte, N magnétique et mécanique. Les moyens pour engendrer une impulsion électrique lors de l'ouverture d'un clapet peuvent prendre, eux aussi, une grande variété de formes. Il peut s'agir d'organes du genre relais, qui établissent un contact lors de cette ouverture ; plus généralement, on peut utiliser tout dispositif sensible au déplacement d'une pièce. La mise en forme des impulsions électriques anises lors de l'ouverture des clapets et le comptage des impulsions après mise en forme, ne pose pas de problème particulier à l'homme de métier, et bous les moyens aptes à cette fonction entrent dans le cadre de l'invention, notamment les compteurs-décompteurs binaires. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre le schéma synoptique du dispositif de l'invention - la figure 2 représente, de façon schématique, une première variante de réalisation des chambres utilisées - la figure 3 représente également de façon sché matique une seconde variante de réalisation desdites chambres - la figure 4 représente une troisième variante de réalisation desdites chambres ;; - la figure 5 montre un exemple de réalisation d'un clapet mécanique et d'un relais apte à détecter l'ouver- ture de ce clapet - la figure 6 illustre schématiquement et en coupe longitudinale un exemple de clapet magnétique - la figure 7 montre une coupe longitudinale d'un clapet combinant un moyen magnétique et un moyen mécanique ; - la figure 8 illustre un circuit apte à délivrer des impulsions de tension indiquant les instants d'ouverture des clapets - la figure 9 montre la forme des impulsions engen drées par le circuit de la figure précédente ; - la figure 10 illustre le principe du comptage de ces impulsions - la figure il est un schéma synoptique des moyens de comptage et d'affichage - la figure 12 représente (en coupe longitudinale) un exemple de dispositif conforme à la présente invention. Le dispositif représente sur la figure l comprend une première chambre 2, soumise à la pression e à mesurer, cette chambre étant séparée par une cloison 3 d'une seconde chambre 4, soumise à une pression Pr dite pression de référence. Cette seconde chambre est réunie à la première par deux ouvertures 6A et 6B percées dans la cloison 3 et munies de clapets anti-retour respectivement A et B montés en sens opposés. Le premier clapet A s'ouvre lorsque la pression e qui règne dans la chambre 2 excède d'une quantité déterminée AP la pression Pr qui règne dans la chambre 4. Le second clapet B s'ouvre dans la situation inverse, c'est-à-dire lorsque la pression Pr excède la pression e de la meme quantité AP. La valeur de AP est réglée par des moyens appropriés aptes à appliquer les clapets A et B sur la cloison 3, ces moyens étant, dans l'exemple illustré, des ressorts, respectivement 7A et 7B. Le dispositif représenté comprend en outre des moyens électriques 8A et 8B associés respectivement aux clapets A et B, ces moyens délivrant une impulsion électrique à chaque ouverture du clapet correspondant. Le dispositif comprend aussi un compteur-décompteur 10 qui est relié aux moyens 8A et 8B et qui est apte à comptabiliser le nombre d'impulsions correspondant aux ouvertures du premier clapet A diminué du nombre d'impulsions correspondant aux ouvertures du second clapet B. Le compteur-décompteur 10 est relié à un moyen d'affichage 12 du nombre obtenu. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Lorsque les pressions Pe et Pr sont égales, les deux clapets A et B sont fermés, sous l'action des ressorts 7A et 7B. Lorsque la pression à mesurer Pe varie et, par exemple augmente, un écart apparaît entre la pression P e et la pression de référence Pr. Dès que cet écart atteint la valeur AP, le clapet A s'ouvre, ce qui a pour effet de mettre en communication les deux chambres 2 et 4. Les moyens électriques 8A engendrent alors une impulsion électrique indiquant l'ouverture du clapet A. Pendant toute la durée de cette ouverture, le fluide contenu dans la chambre 2 pénètre dans la chambre 4, ce qui produit l'égalisation des pressions P e et Pr. Lorsque l'équilibre est atteint, le clapet A se referme et le signal électrique délivré par le circuit 8A disparaît. Si la pression à mesurer P e continue à croître, le même processus se renouvelle, de sorte que l'on obtient une suite d'ouvertures du clapet A et par conséquent un train d'impulsions électriques. Cette succession d'ouvertures du clapet permet à la pression de référence Pr de suivre l'évolution de la pression à mesurer Pe et cela par incréments successifs de valeur AP. L'élévation de pression à partir d'une valeur initiale est donc traduite par le dispositif représenté en un nombre d'impulsions, qu'il suffit alors de compter dans le compteur 10. Dans l'hypothèse inverse cd la pression à mesurer P vient à décroître, c'est le clapet B qui, par ses ouver e tures successives permet le rééquilibrage des pressions. Le circuit 8B délivre alors une impulsion à chaque ouverture du clapet B, c'est-à-dire chaque fois que la pression P excède la pression P de la quantité AP. r e Pour obtenir la variation algébrique de la pression à mesurer, il suffit de comptabiliser le nombre d'impulsions délivré par le circuit 8A diminué du nombre d'impulsions délivré par le circuit 8B. C'est le rôle du moyen de comptage 10 qui est donc un compteur-décompteur. Le nombre qu'il totalise à chaque instant représente la variation de la pression à mesurer par rapport à une pression de référence, qui est arbitraire et que l'on peut modifier à tout instant en remettant à zéro le contenu du moyen de comptage 10. Les principes généraux du dispositif de l'invention ayant été exposés, des modes particuliers de réalisation vont maintenant autre décrits à titre purement explicatif. Pour ce qui concerne tout d'abord la disposition relative des chambres 2 et 4, trois modes particuliers de réalisation sont illustrés sur les figures 2 à 4. Sur la figure 2, la chambre soumise à la pression Pe à mesurer est divisée en deux demi-chambres, respectivement 2' et 2" ; la chambre 4 où règne la pression de référence P est intercalée entre les deux demi-chambres 2' r et 2" et elle est séparée de celles-ci par deux cloisons 3' et 3" équipées chacune d'un clapet anti-retour A et B. Dans la variante illustrée sur la figure 3, le dispositif comprend deux clapets A et B disposés tous deux dans l'axe du dispositif, la chambre 2 communiquant avec la chambre 4 par le clapet A et un conduit 16, la chambre 4 communiquant, en retour, avec la chambre 2 par un second conduit 17. Eventuellement, peut être prévue une membrane déformable et étanche 15, qui permet d'isoler le dispositif de mesure de l'extérieur tout en permettant la transmission de la pression à mesurer. Cette disposition peut autre utile dans le cas où la mesure de pression doit s'effectuer dans un fluide corrosif ou dans un liquide conducteur de l'électricité. L'intérieur du dispositif est alors avantageusement rempli d'un liquide isolant à faible viscosité, une huile silicone par exemple. Dans la variante illustrée sur la figure 4, les deux clapets A et B sont dans le même plan transversal et les chambres 2 et 4 communiquent par un conduit coudé 18. Cette variante présente l'avantage de permettre la sortie des connexions 19 d'un même côté du dispositif, le c8té opposé étant destiné à la prise de pression. Pour ce qui concerne les clapets, plusieurs modes de réalisation sont possibles dont trois sont illustrés à titre explicatif sur les figures 5 à 7. Sur la figure 5 tout d'abord, le clapet A représenté comprend une pièce mobile en forme de calotte sphérique sollicitée par un ressort 20A prenant appui dans un logement ménagé dans une pièce fixe 21. Les moyens électriques permettant de détecter l'ouverture du clapet peuvent être constitués par un relais 22 espar un organe électrique 23, par exemple une source de ten-sion. La fermeture du relais permet d'engendrer un signal électrique sur une connexion 24. La figure 6 illustre un autre exemple de réalisation d'un clapet dans lequel les moyens exerçant une force de rappel sont de nature magnétique. Le dispositif représenté comprend une pièce fixe 25 à l'intérieur de laquelle est incorporé un aimant permanent 26 et une pièce mobile 27 dont la face avant présente une forme de calotte sphérique, cette pièce pouvant coulisser dans un fourreau 28. Une partie au moins de la pièce 27 est réalisée dans un matériau magnétique. La force magnétique exercée par l'aimant 26 sur la pièce 27 assure la fermeture du clapet en cas d'équilibre des pressions de part et d'autre du clapet. L'ouverture est obtenue lorsque la force exercée sur la calotte sphérique est suffisante pour vaincre les forces magnétiques. Celles-ci peuvent être réglées en choisissant convenablement l'aimant utilisé et l'entrefer séparant les pièces 26 et 27. La figure 7 représente un troisieme mode de réalisation d'un clapet, qui combine un moyen mécanique et un moyen magnétique. Le dispositif représenté comprend une pièce mobile 30 en matériau magnétique, cette pièce prenant appui sur une pièce fixe 31 par une arête 32. La pièce mobile 30 est munie d'une lame-ressort 33 qui vient en butée sur une vis pointeau 34 traversant une pièce 35. L'enfoncement de la vis est réglable de l'extérieur. La pièce fixe 31 comprend un aimant permanent 36. La pièce mobile 30 coulisse dans un logement 36. L'obturation ou l'ouverture s'effectue au niveau de l'arête 32 selon qu'elle est en appui ou non sur la pièce 31. Le fluide circule d'un cté du clapet à l'autre par des saignées non représentées. Le fonctionnement de ce dispositif est basé sur l'antagonisme des deux moyens qui sollicitent la pièce mobile 30 en sens contraire, à savoir d'une part la lame ressort 33, qui tend à écarter la pièce 30 de la pièce fixe 31 et par conséquent à ouvrir le clapet et, d'autre part, l'aimant 35 qui attire la pièce mobile 30 et tend à l'appliquer sur la pièce fixe 31. Par le réglage de l'enfoncement de la vis pointeau 34, il est possible d'agir sur la force exercée par la lame ressort 33 sur la pièce 30 et, par conséquent, de régler avec précision l'écart de pression déclenchant l'ouverture du clapet. Dans les modes de réalisation représentés aux figures 6 et 7, on peut utiliser, comme moyen permettant d'engendrer une impulsion électrique à chaque ouverture du clapet, un relais tel que celui qui est représenté sur la figure 5. Mais d'autres moyens sont possibles, comme celui qui est représenté sur la figure 8. Le dispositif représenté sur cette figure comprend des moyens déjà illustrés sur la figure 1 et il comprend en outre une source de tension 40 reliée à deux résistances 41 et 42. Les ressorts 7A et 7B, les clapets A et B et la cloison 3 sont électriquement oonducteurs. La cloison est reliée à la masse et les deux résistances sont reliées aux ressorts 7A et 7B. Les signaux électriques en question sont constitués par les tensions prélevées aux points 41A et 42B. La forme des signaux de tension apparaissant en ces points est représentée sur la figure 9. La tension est d'abord nulle lorsque le clapet est fermé. Elle passe à une valeur Vg égale à la tension délivrée par la source 40 lorsque le clapet s'ouvre et demeure à cette valeur pendant toute l'opération d'équilibrage des pressions entre les deux chambres. Elle retombe ensuite à 0 lorsque, l'équilibre étant atteint, le clapet se referme sous l'action de son moyen de rappel. Cette tension prend donc deux valeurs que l'on peut convenir de désigner "0" et "1" selon les conventions habituelles en calcul numérique. Le schéma de la figure 10 illustre la correspondance entre les trains d'impulsions dues aux mouvements des clapets A et B et l'évolution de la pression à mesurer. La première ligne représente les impulsions correspondant au clapet A, la seconde les impulsions correspondant au clapet B et le diagramme du bas l'évolution de la pression P e à mesurer. On suppose qu'à un instant initial t0 la pression à mesurer a la valeur P0 et que cette pression augmente jusqu'à la valeur P1 qui est atteinte à l'instant t1. Au cours de cette augmentation, N impulsions sont émises par le clapet A et l'on obtient, à cet instant tl, une pression P1 égale à Po + N AP.On suppose, dans l'exemple illustré, que la pression décroît ensuite de la valeur P1 à la valeur P2 qui est atteinte à l'instant t2. tki nouveau train de N' impulsions est donc émis depuis le clapet B, de telle sorte qu'à l'instant t2, la pression P2 prend la valeur P2 = P1 - N' AP. La figure 11 illustre un exemple de réalisation des moyens de comptage et d'affichage. Sur cette figure, les deux circuits 8A et 8B associés respectivement aux clapets A et B alimentent deux circuits monostables 50 et 51, le premier étant reuni à l'entrée positive d'une cellule de comptage-décomptage 52 et le second à 1' entrée négative de la meme cellule. La cellule 52 est reliée à d'autres cellules 52', 52", etc... Chacune de ces cellules a un contenu compris entre 0 et 9. Ces cellules peuvent être munies d'une entre de remise à zero 53, 53', 53", etc... toutes ces entrées étant reliées à une connexion 54. Les cellules de comptage 52, 52', 52", etc... sont reliées respectivement à des décodeurs 55, 55', 55", etc... par des groupes de quatre connexions 56, 56', 56", etc... chacune de ces connexions véhiculant un signal binaire ; l'ensemble de quatre signaux binaires représente un chiffre quelconque compris entre 0 et 9. Les décodeurs 55, 55', 55", etc... commandent des cellules d'affichage 58, 58', 58", etc..., par exemple du genre à sept segments. Dans ce cas, chaque décodeur 55, 55', 55", etc... possède sept connexions de sortie respectivement 57, 57', 57", etc... reliées aux sept segments de la cellule d'affichage correspondante. A titre purement explicatif, on peut utiliser pour les circuits monostables 50 et 51, des circuits de type 74C221 commercialisés par la Société NATIONAL SEMICONDUCTOR, pour les cellules de comptage-décomptage 52, 52', 52", etc... des circuits 74C192 de la mème Société, et pour les décodeurs 55, 55', 55", etc... des circuits CD4511 de la meme Société. On peut utiliser également un circuit MC 14490 commercialisé par la Société MOTOROLA pour remplacer les monostables 50 et 51, ce circuit présentant l'avantage d'éliminer les impulsions parasites pouvant provenir des rebonds du clapet. La figure 12 représente, en coupe longitudinale, un exemple de réalisation du dispositif de l'invention, à l'exception des moyens de comptage et d'affichage qui peuvent être du type de ceux qui viennent d'être illustrés par la figure 11. Sur la figure 12, les moyens présentés comprennent deux ensembles tels que décrits à propos de la figure 7, chacun étant constitué respectivement par une pièce mobile 30A (30B) en matériau magnétique, qui prend appui sur une pièce fixe 31A (31B) par une arête 32A (32B) . La pièce mobile 30A (30B) est munie d'une lame-ressort 33A (33B) qui vient en butée sur une vis pointeau 34A (34B) qui traverse une pièce 35. L'enfoncement cè cette vis est réglable de l'extérieur. La pièce 3U6o1pBr)end un aimant permanent 36S (36B). Le clapet 30A (30B) coulisse dans un logement 60A (60B). Les pièces 30A, 31A, 33A, 34A (30B, 31B, 33B, 34B) sont conductrices de l'électricité, mais les pièces 35A (35B) et 36A (36B) sont en matériau isolant électrique. On peut alors constituer un circuit électrique conforme à celui de la figure 8, les vis pointeau servant de passages conducteurs. Le matériau des pièces 31A et 31B est en outre, Eimagnétique. Le dispositif représenté se complète par une enveloppe extérieure 60 qui se raccorde à un embout de fixation 61 percé d'une ouverture 62. Cette ouverture peut autre obturée par une membrane 63 qui isole le volume intérieur du dispositif de l'extérieur, ce qui est nécessaire dans le cas de la mesure de pression dans un fluide corrosif ou conducteur de l'électricité, comme indiqué plus haut. Les chambres 2 et 4, disposées de part et d'autre des clapets 30A et 30B, sont alors remplies d'un liquide à faible viscosité, par exemple une huile silicone. Après cette description de quelques exemples de réalisation du dispositif de l'invention, on voit clairement les avantages que ce dispositif procure : - le fonctionnement est intrinsèquement numérique et ne néces site donc plus de convertisseur ; - les contraintes auxquelles sont soumises les différentes pièces du dispositif sont au plus égales à l'écart AP, lequel est toujours très faible, et cela quelle que soit la valeur de la pression à mesurer ; - s'il existe une limite inférieure à la plage de pression mesurable (limite égale à dP), en revanche, il n'existe pas de limite supérieure. REVENDICAT IONS 1. Dispositif de mesure de pression fonctionnant en numérique, caractérisé en ce qu'il comprend - une première chambre soumise à la pression à mesurer, - une seconde chambre réunie à la première par deux ouver tures munies de clapets anti-retour montés en sens opposés, le premier clapet s'ouvrant lorsque la pression qui règne dans la première chambre excède celle qui règne dans la seconde d'une quantité déterminée, le second clapet s'ou vrant lorsque la pression qui règne dans la seconde chambre excède celle qui règne dans la première de la mbme quantité, - un moyen électrique associé à chaque clapet et apte à engendrer une impulsion électrique à chaque ouverture du clapet, - un compteur-décompteur relie auxdits moyens et apte à comptabiliser le nombre d'impulsions correspondant aux ouvertures du premier clapet diminué du nombre d'impulsions correspondant aux ouvertures du second clapet, - un moyen d'affichage du nombre obtenu par ledit oempteur- dé compteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux chambres sont séparées par une paroi percée de deux ouvertures munies desdits clapets. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première chambre est divisée en deux demi-chambres, la seconde chambre étant disposée entre les deux demichambres et séparée de celles-ci par deux parois percées chacune d'une ouverture munie d'un desdits clapets. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première chambre est fermée par une membrane souple soumise à la pression à mesurer, ladite première chambre et ladite seconde chambre étant remplies d'un liquide isolant électrique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque clapet est constitué par un moyen permettant d'appliquer avec une certaine force une pièce mobile apte à obturer une ouverture pratiquée dans une pièce fixe. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen est de nature mécanique et comprend notamment un ressort. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen est de nature magnétique et comprend notamment un aimant permanent disposé en regard d'une pièce en matériau magnétique. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen comprend une lame-ressort fixée sur la pièce mobile et un aimant permanent, ladite pièce étant en matériau magnetique. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit électrique associé à chaque clapet comprend une résistance dont une première borne est reliée à l'un des pales d'une source de tension et une seconde borne reliée à la pièce mobile du clapet, la partie fixe du clapet étant reliée à l'autre pole de la source de tension, le clapet jouant ainsi le rôle de rupteur, l'impulsion électrique engendrée par ce circuit consistant en l'impulsion de tension apparaissant sur la seconde borne de la résistance pendant l'ouverture du clapet. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit comprend en outre un circuit mono stable dont l'entrée est reliée à la seconde borne de ladite résistance et la sortie audit oompteur-décompteur. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de remise à zéro du compteurdécompteur.