Brevet FR2436979A1 — publié le 19800418

La présente invention a pour objet un capteur de pression à jauges de contrainte disposées sur une poutre déformable. Elle trouve une application dans la mesure des pressions ou des débits On utilise depuis longtemps, dans l'industrie, des capteurs de pression aptes à délivrer xn signal électrique proportionnel à la pression du fluide dans lequel ils sont plongés, où à la différence de pression entre deux fluides. De tels capteurs sont. réalisés a partir de transdocteurs dont les plus connus sont les jauges de contrainte. Il s'agit de résistances dont la valeur dépend de la déforma- tion qu'ils sont amenés a subir sous l'effet d'une pression. Une extension augmente batte résistance, une compression la diminue. Dans de tels capteurs de pression, la déformation est en général appliquée indirectement aux jauges de contrainte par l'intermédiaire d'un- support métallique, nommé ci-après poutre Cette déformation résulte, soit d'un effort transmis a la poutre par une membrane ou par un soufflet soumis a la pression à mesurer, soit de l'action directe de la pression sur la poutre (cas de la membrane) Les jauges de contrainte; en général au nombre de quatre, sont collées sur la poutre métallique. Elles transforment la déformation de celle-ci en variation de résistance electrique En constituant un pont de Wheatstone avec ces quatre éléments résistifs, il est aisé de transformer les variations de résistance en signal électrique. Ces appareils de mesure na l'art antérieur présentent un inconvénient grave lié au fait que les jauges de contrainte qui sont collées sur la pouture, ont tendance a fluer sous contrainte, ce qui entraîne une d6rive du signal délivré par le capteur. Ce fluage est-en outre @@céléré par certains phénomè- nes, tels que la température od les radiations nucléaires. On a tenté de remédier à cat inconvénient an déposant les jauges de contrainte-- par pulverisation sous vide directement sur la poutre, Des alliages comme le nickel-chrome se prêtent bien S cette technologie et permettent d'obtenir des couches dont la résistivité dépend des déformations du - substrat sur lequel elles sont déposées. Cette matière de procéder se heurte cependant à plusieurs difficultés. La principale tient à la nécessite de déposer au préalable sur la poutre une couche de matériau dié lectrique, isolant les jauges de contrainte de la poutre metallique. Les meilleures techniques actuelles ne permettent pas d'obtenir des couches isolantes présentant une bonne adhérence, transmettant, en outre, les contraintes et ayant une tenue au claquage supérieure à 500V. Or, dans l'industrie, il est souvent nécessaire d'obtenir des tensions claquage supérieure å 2000V. En outre, de petits défauts superficiels du netal de la poutre sont inévitables car ils sont inhérents a sa metal- lurgie. I1 s'agit de soufflures, d'inclusions, de precipita- tions, de criques, etc... Ces défauts se répercutent sur les caractéristiques du signal délivré par le capteur et peuvent entrainer des non-linéarités, de l'hystérésis, et une sensibilité la pression statique. L'invention a justement pour objet un capter de pression qui remédie å ces inconvénients. A cette fin, lecapteur de l'invention utilise une poutre en verre trempé, au lieu et place de la poutre métallique des capteurs de l'art antérieur. Les avantages procurés par l'invention sont nombreux et ils tiennent aux propriétés exceptionnelles du verre. Tout d'abord, ce matériau ne présente pas de défauts d'homogénéité, le capteur de l'invention ne présente donc pas d'hystérésis ni de sensibilité å la pression statique. De plus, le verre est parfaitement isolant électriquement, et on sait le polir avec la finesse requise pour un dépôt sous vide. La oouche de dié- léctrique entre les jauges et la poutre devient donc inutile. Si les verres usuels ne présentent pas, en général, une résistance à la rupture suffisante pour pouvoir etre utilisés dans les capteurs de pression avec une sensibilité satisfaisante, il est aise de remédier a cette insuffisance en effectuant un traitement de ces verres appelé trempe, celle-ci pouvant hêtre soit thermique, soit chimique. Cette opération de trempe est bien connue dans la technologie de fabrication du verre. On peut rappeler, pour mémoire, que la trempe chimique d'un verre, par exemple, con siste à plonger dans un bain de sel fondu la pièce de verre a tremper, et a l'y maintenir pendant une durée suffisante pour que l'échange d'ions qui se produit entre le, verre et le sel donne naissance, sur le premier, a une couche superficielle qui est en compression Si le sel a été convenablement choisi. On obtient ainsi un verre dont la limite de rupture atteint 40 50 kg/mm2, ce qui est d'ailleurs aussi la limite élastique du matériau. On observera à cet égard, que la limite de rupture de l'acier utilisé dans les poutres de l'art anté rieur était sans doute plus élevée Cde l'ordre de 200 kg/mm 2) , mais que sa limite élastique était en fait beaucoup plus basse (de l'ordre de 20 kg/mm2) . Or, c'est cette darnière qui limi- tait en fait les performances des capteurs, car audelà de cette limite apparaît un allongement définitif de la poutre donc de la jauge, qui est préjudiciable au bon fonctionnement du capteur.Cet inconvénient n'existe pas avec les poutres en verre trempé de l'invention puisque dans ce cas, limite de rupture et limite d'élasticité corncident pratiquement. On observera en outre que le module d'Young du verre est inférieur å celui de l'acier (5000kg/mm contre 20.000kg/mm). Or, les jauges de contrainte utilisées dans ce type de capteurs de pression sont en fait sensibles à la déformation qui leur est imposée par la poutre et non directement a la pression. Lorsque la la poutre est en verre trempé, conformément a l'invention, la sensibilité du capteur est donc améliorée. En ce qui concerne la forme qui peut être adoptée pour la poutre selon l'invention, elle peut être quelconque et notamment être semblable å celles que l'on donne généralement aux poutres métalliques. Certaines sont constituées par un barreau parallélépipédique percé d'une ouverture également parallélépipédique, les quatre jauges de contrainte étant déposées par pulvérisation ou par collage d'un même caté du barreau Ce barreau est encastré à l'ane de ses extrémités et relié par 11 autre a une membrane soumise b la pression b mesurer. Le barreau subit alors une déformation en S. Deus des jauges travaillent en compression et les deux autres en exten sion. Cette même disposition peut étre adoptée pour la poutre de l'invention. Naturellement, quelle que soit la forte ae la poutre, les jauges de contrainte peuvent être aisposées sur celle-ci de toute manière connue, et notamment par pulvérisation sous vide (ce qui est la variante préférée) ou par collage. Les dessins annexés illustrent à titre explicatif et nullement limitatif, un mode particulier de réalisation d'un capteur selon l'invention. Sur ces dessins - la figure 1 représente un capteur selon l'invention ; - la figure 2 représente une coupe schématique d'un appareil de mesure de pression différentielle, utilisant le capteur de la figure 1. Le capteur représenté sur la figure 1 comprend deux lames en verre trempé 2 et 4, serrées entre des pièces métalliques d'extrémités 6. Des jauges de contrainte 8, au nombre de quatre, sont disposées sur la face supérieure de la lame 2. Ces jauges sont de préférencedeposées par pulvérisation cathodique ; il peut s'agir de dépôts de nickel-chrome. L'une des extrémités de la-- poutre est fixe, l'autre étant soumise a la pression a mesurer (flèche P). Le verre utilisé pour réaliser les lames 2 et 4 peut être un verre sodocalcique. I1 subit tout d'abord une opération de polissage optique puis une opération de trempe chimique. Celle-ci est obtenue à l'aide d'un bain de sel fondu à base, par exemple, de nitrate de potassium. L'opération de trempe dure environ 20 heures. La lame de verre trempée est ensuite rinçée à l'eau. Pour plus de détails sur l'opération de trempe chimique d'un verre, on pourra se reporter aux notices publiées par les Sociétés commercialisant des verres trempés. On pourra consulter également l'article de C. AS TRUC intitulé "La trempe chimique aujourd'hui" publié dans la revue "L'opticien lunetier" en Avril 1976, n 4. La figure 2 illustre un appareil de mesure de pression differentielle utilisant un capteur conforme à l'invention. L'appareil représenté possède deux entrées 12 et 13, qui sont à raccorder aux canalisations de fluide dont on veut mesurer la pression. Deux membranes séparatrices 14 et 15 isolent l'intérieur du capteur, rempli d'huile silicone, du fluide extérieur. Le rôle de ces membranes séparatrices est de transmettre la pression tout en protégeant l'intérieur du capteur des fluides souvent très corrosifs utilisés dans l'industrie. La différence de pression agit sur le soufflet de mesure 16, gtii déforme deux lames en verre 17 et 18 con formes a l'invention. La lame 18 porte deux paires de jauges de contrainte 19 et 20. Sous l'action du soufflet, les lames se déforment en S.Si la pression amenée par le raccord 12 est supérieure a celle qui est amenez par le raccord 13, les jauges 19 sont soumises S une extension et les jauges 20 a une oompression et vice versa. Les jauges 19 et 20 sont montées en pont de Wheatstone, de manière à obtenir un signal électrique proportionnel à la différence de pression a mesurer. Deux clapets 21 et 22, mus par des soufflets, protègent d'une maniè re classique l'appareil contre les surcharges. L'invention n'est pas limitée a la forme des poutres décrites ci-dessus. Les poutres peuvent être, par exemple, rondes dl type membrane. Dans ce cas, on met en général les jauges de contraintes travaillant en- extension au centre de la membrane, oelles-qui travaillent-en compression étant disposées a l'exté- rieur REITENDIcAT IONS 1. Capteur de pression, du genre de ceux qui comprennent des jauges de contrainte disposées sur une poutre défor- mable sous l'eff et de ladite pression, caractérisé en ce que cette poutre est en verre trempé. 2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre constituant la poutre a subi une trempe thermique. 3. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre constituant la poutre a subi une trempe chimique. 4. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications i a 3, caractérisé en ce que les jauges de contrainte sont constituées par des couches déposées par pulvérisation sous vide. 5. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que la poutre est formée de deux lames de verre trempé réunies à leurs extrémités, la poutre subissant une déformation en S sous l'effet de la pression à mesurer. 6. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que la poutre est une membrane directement déformée par la pression.