Brevet FR2456946A1 — publié le 19801212

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour mesurer la pression. Comme il ressort de la description suivante, certains modes de réalisation du procédé et de l'appareil de l'invention sont particulièrement utiles pour mesurer les pressions à des températures très élevées. On peut utiliser d'autres modes de réalisation pour mesurer des pressions à d'autres températures par exemple aux températures ordinaires. On connait de nombreuses techniques de mesure des pressions. Les transducteurs de pression couramment utilisés aux températures élevées utilisent un diaphragme qui se déforme lorsqu'il est soumis à la pression à mesurer. On mesure la déformation, par exemple avec une liaison raccordée à un transducteur, par exemple une jauge de déformation, ou on fait en sorte que le diaphragme fasse partie d'un transducteur capacitif ou actionne un tel transducteur, pour produire un signal électrique de sortie. Ces dispositifs reposent sur la relation entre la déformation et la pression que l'on maintient ions tante dans la gamme des températures d'emploi. Aux températures élevées, il se pose également des problèmes concernant la liaison et le transducteur ce qui nécessite d'utiliser des matériaux de construction coûteux. Selon un de ses aspects, l'invention concerne un procédé pour mesurer une pression qui consiste à déterminer le potentiel électrique créé entre une première et une seconde matières conductrices de l'électricité séparées par un organe solide non poreux à conductibilité ionique1 la première matière étant un fluide soumis à la pression à mesurer, cette première matière étant soit l'élément chimique sous une forme fluide dont les ions traversent l'organe soit un alliage métallique sous une forme fluide contenant l1élément chimique dont les ions peuvent traverser l'organe soit un fluide contenant des ions de cet élément, et la seconde matière étant soit l'élé- ment chimique sous une forme fluide dont les ions peuvent traverser l'organe soit un fluideecontenant ces ions soit un al liage métallique sous une forme solide ou fluide contenant 1' élément chimique dont les ions peuvent traverser l'organe, cette seconde matière lorsqu'elle est sous forme d'un fluide, étant soumise à une pression de référence. La première et la seconde matières peuvent par exemple être toutes deux des liquides. Dans ce cas on soumet le premier fluide à la pression à mesurer, par exemple en plaçant ce fluide dans une chambre constituée en partie par un diaphragme souple auquel on applique la pression. Le second fluide peut être dans une chambre semblable soumise à une pression de référence mais de façon appropriée le second fluide emplit partiellement une chambre si bien qu'il est soumis à sa tension de vapeur. I1 est facile de trouver dans les tables de propriétés physiques, la valeur de la tension de vapeur pour une température opératoire particulière ou de la mesurer et on peut donc facilement déterminer la pression de réfaren= ce pour une température quelconque. I1 n'est pas nécessaire d'utiliser des liquides. Comme expliqué ci-apres, un des fluides ou les deux peuvent entre à l'état de vapeur. Cependant il est très pratique que la seconde matière soit un alliage métallique solide contenant llele- ment chimique dont les ions peuvent traverser l'organe qui peut être une membrane. On préfère utiliser un alliage dans lequel les atomes de l'élément en question sont très mobiles. Par exemple si l'organe peut laisser passer les ions sodium, on peut utiliser un bronze au sodium et au tungstène. Si on utilise des fluides, il est particulièrement approprié qu'ils soient des liquides plutôt que des vapeurs lorsque les pressions à mesurer sont comprises dans des gammes étendues car les liquides sont bien moins compressibles que les vapeurs. De façon appropriée, on utilise des fluides semblables des deux côtés de l'organe. I1 est approprié d'utiliser comme organe un électrolyte solide à travers lequel les ions d'un métal peuvent passer. Par exemple l'électrolyte peut être constitué d'une ss-alumine en particulier d'une ss-alumine dopée ; on peut faire en sorte que cette matière laisse passer les ions d'un métal monovalent choisi tels que par exemple les ions sodium, potassium, lithium ou argent. Dans ce cas, la première et la seconde ma tières peuvent être constituées des métaux sous une forme liquide. Si les liquides sont constitués de sodium métallique, on peut utiliser l'appareil à des températures comprises entre le point de fusion du sodium et environ 8000C. On peut opérer à des températures plus élevées lorsqu'on utilise un sel de sodium fondu par exemple du chlorure de sodium fondu. D'autres conducteurs ioniques que l'on peut utiliser consistent en divers verres ou polymères conducteurs du so- dium, qui permettent la conduction des ions sodium, le chlorure de lithium, le nitrure de lithium ou l'iodure de lithium que l'on peut utiliser pour la conduction des ions lithium et l'iodure d'argent que l'on peut utiliser pour la conduction des ions argent. Pour la conduction des ions potassium, on peut utiliser une ss-alumine ou un verre conducteur du potassium. Bien que les métaux liquides, les mélanges de métaux liquides ou les sels fondus constituent des matières très appropriées à l'emploi à des températures élevées, on peut utiliser d'autres fluides par exemple des solutions aqueuses concen trées, des amalgames ou des mélanges des métaux choisis selon la gamme des températures d'emploi nécessaires. La première matière est de préférence sous une forme liquide car il est plus facile d'appliquer la pression requise au fluide. La seconde matière peut être solide comme précédemment décrit mais il est souvent très approprié qu'elle soit sous une forme liquide. On pourrait dans certains cas utiliser une vapeur comme seconde matière, à condition par exemple d' appliquer une électrode, par exemple du métal vaporisé, à la surface de l'électrolyte pour maintenir un trajet à conduction électronique entre la surface de l'électrolyte et le raccordement au circuit de mesure. Si la première matière est sous forme d'une vapeur, il serait nécessaire de disposer une électrode de mesure du potentiel à la surface de l'électrolyte au contact de la première matière. De préférence on mesure la différence de potentiel avec un dispositif de mesure à grande impédance pour réduire au minimum les besoins de passage du courant et par conséquent d' ions à travers l'électrolyte pour créer la différence de potentiel. La seconde matière peut être exposée à une pression de référence qui est la tension de vapeur de cette matière due au remplissage partiel par cette matière d'un récipient rigide, la matière étant en contact avec une surface de l'électrolyte. Sinon on peut appliquer la pression de référence au second fluide par l'intermédiaire d'un diaphragme souple. Pour mesurer les pressions élevées, il est préférable que le premier fluide soit un liquide. On peut appliquer la pression à ce fluide par l'intermédiaire d'un diaphragme souple. Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne un appareil pour mesurer une pression qui est constitué d'une première et d'une seconde chambres séparées par un organe so- lide non poreux à conductibilité ionique, d'une première et d'une seconde matières respectivement dans la première et la seconde chambre, chaque matière ayant une conductibilité électronique ou ionique, la première matière étant un fluide constitué de l'élément chimique dont les ions traversent l'or- gane ou un fluide contenant des ions de cet élément, et la seconde matière, étant soit sous une forme fluide l'élément chimique dont les ions peuvent traverser l'organe, soit un fluide contenant ces ions soit, sous une forme fluide ou solide, un alliage métallique contenant l'élément chimique dont les ions peuvent traverser l'organe, d'un dispositif pour appliquer une pression à mesurer à la première matière et d'un dispositif de mesure du potentiel électrique pour déterminer la différence de potentiel électrique à travers l'organe entre la première et la seconde matières. I1 peut exister -un dispositif pour appliquer une pression de référence au second fluide. Comme précédemment indiqué les matières sont de façon appropriée des liquides. On peut cependant préférer que la seconde matière soit un alliage chimique en raison de sa résistance structurale. Si la première matière est un liquide emplissant la pre mière chambre, le dispositif pour appliquer la pression au premier fluide peut être constitué d'un diaphragme souple fermant la première chambre. L'organe précité peut être un électrolyte solide à travers lequel les ions d'un métal peuvent passer. De façon appropriée, 1'électrolyte est une ss-alumine prévue pour avoir une conductivité ionique vis-à-vis des ions d'un métal monovalent. Trois modes de réalisation de l'invention vont être décrits en regard des dessins annexés dans lesquels les figures 1, 2 et 3 représentent chacune une coupe schématique d'un transducteur de pression constituant un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre schématiquement un transducteur de pression constitué d'une plaque 10 de B-alumine sodique formant une cloison séparant une première chambre 11 et une seconde chambre 12. La première chambre 11 est délimitée en partie par une paroi métallique rigide 13 mais est fermée par un diaphragme souple 14. La première chambre est complètement remplie de sodium métallique 15. La seconde chambre est également une chambre fermée et dans ce mode de réalisation, elle est constituée d'une paroi métalliquerigide 16. Les parois métalliques 13 et 16 sont isolées électriquement entre elles par un élément isolant rigide 17 constituant un support de la plaque 10. La chambre 12 est partiellement remplie de sodium liquide 18 mais comporte une région 19au-dessus de la surface du sodium qui est vide.La pression dans cette chambre, qui constitue la pression de référence, est donc la tension de vapeut du sodium à la température d'utilisation et elle est dont bien définie. Dans ce mode de réalisation particulier, le niveau du sodium liquide dans la chambre 12 est tel qu'il recouvre la surface de la plaque 10 en contact avec cette chambre. Les raccordements électriques 22 et 23 unis aux parois métal liques 13 et 16 conductrices de l'électricité des deux chambres sont réunis à un dispositif 24 de mesure de la tension à grande impédance. Comme le sodium est conducteur de l'électri- cité, le dispositif de mesure de la tension détermine la dif férence de potentiel entre les deux surfaces de l'électrolyte. Lorsqu'on applique une pression au diaphragme souple 14, la pression statique du sodium 15 de la première chambre s'accroît. Des variations de volume peuvent se produire par suite de l'expansion (lorsque la température s'élève) de la chambre et du liquide. Cependant si le diaphragme est suffisamment souple, ces changements de volume ne modifient pas la pression statique dans la chambre. La seconde chambre et la membrane d'électrolyte en ss- alumine sont rigides et par conséquent le sodium contenu dans la seconde chambre demeure non comprimé et soumis uniquement à la tension de vapeur du sodium. La pression de référence est donc connue ; on peut trouver la pression de référence pour toute température donnée dans des tables de propriétés physiques ou la déterminer au préalable. La différence de pression des deux côtés de la membrane de 8-alumine crée une différence de potentiel électrique entre le sodium sur les deux faces de cette membrane. Ce potentiel est mesuré par le dispositif 24 de mesure de la tension raccordé au transducteur. I1 est facile de calculer l'importance de la différence de potentiel à partir des principes de la thermodynamique.Pour une différence de pression de 69 bars à la température de 2000C, la différence de potentiel est de l'ordre de 2 millivolts. On peut utiliser le dispositif décrit ci-dessus dans une gamme étendue des températures où le sodium demeure liquide et on peut donc facilement l'utiliser à des températures comprises entre environ 1000C et 8000C. Si on doit l'utiliser à des températures plus élevées, on peut remplacer le sodium liquide par un sel fondu contenant des ions sodium par exemple du chlorure de sodium fondu. On voit donc que ce dispositif peut être adapté à l'emploi à des températures élevées. I1 est particulièrement approprié à la mesure des pressions élevées. Sous réserve que le dispositif de mesure de la tension ait une grande impédance, un courant négligeable traverse le dispositif et par conséquent le passage du sodium à travers la plaque d'électrolyte est négligeable. Le dispositif peut donc être sensible aux pressions statiques et dynamiques appliquées au diaphragme souple 14. On peut l'utiliser en continu pendant des durées prolongées. Si pour une raison quelconque il se produit un passage de courant à travers le circuit extérieur, entraînant un passage du sodium de la première chambre dans la seconde, on peut pour ramener le sodium dans la première chambre appliquer un potentiel approprié entre les conducteurs précités 22 et 23. Le transducteur de pression décrit en regard de la figure 1 détermine la pression absolue appliquée au diaphragme souple. Dans de nombreux cas, on désire mesurer une pression différentielle et la figure 2 illustre un transducteur conçu à cet effet. Dans la figure 2 on utilise les mêmes numéros de référence que dans la figure 1 pour désigner des éléments cor respondants et seules les caractéristiques distinctives de la figure 2 sont expliquées. Comme le montre cette figure, la seconde chambre comporte une fermeture souple 26 à laquelle on applique la pression de référence. De façon typique cette pression de référence peut être la pression atmosphérique ambiante. La seconde chambre peut donc être totalement remplie de sodium 29.On voit que le transducteur de la figure 2 fonctionne exactement comme celui de la figure 1 mais que l'on mesure la différence entre les pressions appliquées aux deux diaphragmes souples 14 et 26. La figure 3 illustre un transducteur pour la mesure des pressions constitué comme précédemment d'une plaque 10 en S- alumine dans un élément isolant rigide 17 avec une première chambre 11 remplie de sodium sur une face de l'électrolyte, cette première chambre étant entourée partiellement d'une paroi métallique rigide 13 et fermée par un diaphragme souple 14 auquel on applique la pression à mesurer. Dans cemode de réalisation, au lieu d'avoir une chambre de référence, on maintient un élément solide 30 en alliage de sodium de préférence un alliage tel que le bronze au sodium et au tungstène, dans lequel les atomes de sodium sont très mobiles, contre la face de l'électrolyte au moyen d'un couvercle de maintien 31. On raccorde un dispositif de mesure du potentiel 24 au transducteur pour mesurer la différence de potentiel entre l'élé- ment solide 30 et le sodium 15 de la chambre 11. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 3, 1' élément 30 en alliage solide a, selon sa composition, une activité de sodium déterminée, qui est équivalente du point de vue thermodynamique à une pression de référence fixe. L'emploi d'un élément 30 solide a l'avantage de rendre inutile le renforcement important des parois d'une chambre de référence rigide d'un transducteur devant être totalement plongé dans un milieu à pression élevée. Le tableau suivant indique plusieurs exemples de combinaisons de matières utiles dans les transducteurs de mesure des pressions tels que ceux précédemment décrits. Exemple N Première matière Seconde matière Electrolyte 1 Sodium (liquide ou vapeur) Sodium (liquide ou vapeur ss-alumine ou verre conducteur du sodium 2 Sodium (liquide ou vapeur) Bronze de sodium et de " tungstène (solide) 3 Alliage sodium-potassium (liquide) Alliage sodium-potassium " (liquide) 4 Amalgame sodium-mercure (liquide) Amalgame sodium-mercure " (liquide) 5 Amalgame sodium-mercure (liquide) Bronze de sodium et de " tungstène (solide) 6 Lithium (liquide) Lithium (liquide) Nitrure de lithium ou chlorure de lithium ou iodure de lithium ou ss-alumine 7 Amalgame lithium-mercure (liquide) Alliage lithium-bore (solide) " 8 Amalgame lithium-mercure (liquide) Alliage lithium-silicium " (solide) 9 Amalgame lithium-mercure (liquide) Alliage lithium-aluminium " (solide) 10 Potassium (liquide ou vapeur) Potassium (liquide ou vapeur ss-alumine ou verre conducteur du potassium 11 Amalgame potassium-mercure (liquide) Amalgame potassium-mercure " (liquide) 12 FeCl2/FeCl3/AlCl3 fondu avec NaCl en solution Sodium (liquide) ss-alumine 13 FeCl2/FeCl3/AlCl3 fondu avec NaCl Bronze au sodium et au en soluition tungstène (solide) ss-alumine 14 FeCl2/FeCl3/NaCl en solution aqueuse Bronze au sodium et au ss-alumine ou polymère conducteur du sodium tungstène (solide) tel que celui vendu sous la marque déposée NAFION 15 NaClO4/triéthylamine en solution Bronze au sodium et au ss-alumine ou polymère conducteru du sodium dans l'acétionitrile tungstène (solide) tel que celui vendu sous la marque déposée NAFION 16 KPF6/triéthylamine en solution Bronze au sodium et au ss-alumine ou polymère conducteru du sodium méthanolique aqueuse tungstène (solide) tel que celui vendu sous la marque déposée NAFION Dans les exemples 12 et 13, on utilise des solutions de chlorure de sodium dans un mélange de chlorures fondus. Dans l'exemple 14, on utilise une solution aqueuse d'un mélange de chlorures contenant du chlorure de sodium. I1 est possible d'utiliser des solutions dans un solvant organique ou dans un mélange de solvants à condition que la solution contienne au moins une espèce ionique qui peut traverser la membrane, comme illustré par les exemples 15 et 16. Les exemples ci-dessus illustrent les nombreuses combinaisons possibles de matières que l'on peut utiliser dans les transducteurs de pression de l'invention. On peut donc construire ces transducteurs pour les utiliser dans une gamme étendue de conditions opératoires. Les exemples 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 14 15 et 16 sont des modes de réalisation convenant à l'emploi aux températures ordinaires. On peut utiliser les autres exemples à des températures opératoires élevées. Dans chaque cas la gamme des températures opératoires dépend des propriétés physiques des diverses matières et des conditions nécessaires pour qu'elles demeurent à l'état approprie par exemple en phase solide, liquide ou vapeur ou en solution. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer une pression caractérisé en ce que l'on détermine le potentiel électrique créé entre une première et une seconde matières conductrices de l'électricité séparées par un organe solide non poreux à conductivité ionique, la première matière étant un fluide soumis à la pression à mesurer, et étant choisie parmi le groupe constitué par (a) l'élément chimique, sous une forme fluide, dont les ions traversent l'organe (b) un alliage métallique sous une forme fluide contenant l'élément chimique dont les ions traversent l'organe; et (c) un fluide contenant les ions de cet élément ; et la seconde matière est choisie parmi le groupe constitué par (d) l'élément chimique sous une forme fluide dont les ions peuvent traverser l'organe (e) un fluide contenant ces ions ; et (f) un alliage métallique sous une forme solide ou fluide contenant l'élément chimique dont les ions peuvent traverser l'organe ; la seconde matière, lorsqu'elle est un fluide, étant soumise à une pression de référence. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise des fluides semblables des deux côtés de l'organe. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la première et la seconde matières consistent toutes deux en un métal sous une forme liquide. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première matière est un sel fondu contenant au moins une espèce ionique pouvant traverser l'organe. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première matière est une solution dans l'eau ou un solvant organique ou un mélange d'eau et d'un solvant organique contenant au moins une espèce ionique qui peut traverser l'organe. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde matière est un alliage métallique solide. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce qu'on utilise comme organe un électrolyte solide à travers lequel les ions d'un métal peuvent passer. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'électrolyte est constitué d'une S-alumine. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'électrolyte est conducteur des ions d'un métal monovalent. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'électrolyte est conducteur des ions sodium, potassium, lithium ou argent. 11. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe est conducteur des ions sodium et la seconde matière est un bronze au sodium et au tungstène. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde matière est un liquide dans une chambre rigide. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde matière est un liquide remplissant une chambre fermée dont une partie de la paroi est faite d'un diaphragme souple, la pression de référence étant appliquée au diaphragme. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première matière est un liquide emplissant une chambre fermée dont une partie de la paroi est faite d'un diaphragme souple, la pression à mesurer étant appliquée au diaphragme. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on mesure la différence de potentiel avec un dispositif de mesure à grande impédance. 16. Appareil pour mesurer une pression caractérisé en ce qu'il est constitué d'une première et d'une seconde chambres séparées par un organe solide non poreux à conductivité ionique, d'une première et d'une seconde matières respectivement dans la première et la seconde chambres, chaque matière ayant une conductibilité électronique ou ionique, la première matière étant choisie parmi le groupe cons titué par (a) un fluide contenant l'élément chimique dont les ions traversent l'organe ; (b) un alliage métallique contenant l'élément chimique dont les ions peuvent traverser l'organe ; et (c) un fluide contenant les ions de cet élément et la seconde matière est choisie parmi le groupe constitué par (d) l'élément chimique dont les ions peuvent traverser l'organe (e) un fluide contenant ces ions ; et (f) sous une forme solide ou fluide, un alliage métalli que contenant l'élément chimique dont les ions peu vent traverser l'organe ; d'un dispositif pour appliquer une pression à mesurer à la première matière ; et d'un dispositif de mesure du potentiel électrique pour déterminer la différence de potentiel électrique à travers l'organe entre la première et la seconde matières. 17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que la seconde matière est un liquide et qu'il existe un dispositif pour appliquer une pression de référence au second fluide. 18. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que la seconde matière est un liquide emplissant partiellement une chambre rigide. 19. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'organe est conducteur des ions sodium et la seconde ma tière est un bronze au sodium et au tungstène. 20. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, caractérisé en ce que le premier fluide est un liquide. 21. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, caractérisé en ce que le premier fluide est un liquide emplissant la première chambre et en ce que le dispositif pour appliquer la pression au premier fluide est constitué d'un diaphragme souple fermant la première chambre. 22. Appareil selon l'une quelconque revendications 16 à 21, caractérisé en ce que l'organe est fait d'un électrolyte solide à travers lequel les ions d'un métal peuvent passer. 23. Appareil selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'électrolyte est une ss-alumine. 24. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 23, caractérisé en ce que la première et la seconde matières consistent chacune en un métal monovalent à l'état liquide. 25. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 23, caractérisé en ce que la première et/ou la seconde matières consistent en un sel fondu d'un métal dont les ions peuvent traverser l'organe. 26. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 23, caractérisé en ce que la première matière est une solution dans l'eau ou dans un solvant organique ou dans un mélange d'eau et d'un solvant organique contenant au moins une espèce ionique pouvant traverser l'organe-.