Brevet FR2463923A1 — publié le 19810227

La présente invention a pour objet un nouveau capteur de pression. Le secteur technique de l'inventiQn est celui de la CQnStrUCtiOn des appareils électronique de mesure de pression, Dans la suite de l'exposé, on se reférera plus particulièrement aux appareils électroniques de mesure des débits et pressions respiratoires et aux capteurs de pression utilises dans ces appareils En effet, les capteurs de pression selon l'invention sont particulièrement adaptes cette application particulière mais il est bien précisé que la protection ntest pas limitée cette application et englobe toutes les applications analogues dans lesquelles on cherche mesurer des pressions relativement faibles qui peuvent varier très rapidement tout en éliminant au maximum les bruits parasites. Les capteurs de pression électroniques connus ce jour, comportent une membrane déformable circulaire fixée par sa périphérie. On fait agir sur les deux faces de cette membrane soit deux pressions différentes, stil s'agit d'un capteur de pression différentielle, soit pression mesurer et la pression atmospherique, s'il s'agit d'un capteur de pression relative) et on convertit les deplacements axiaux du centre de la membrane, qui sont proportionnels la différence de pression qui s'exerce sur les deux faces de la membrane, en çn signal électrique analogique. On connaît par exemple des capteurs de pression qui comportent une membrane métallique equipee en son centre d'un capteur de flèche qui transmet les déplacements du centre de la membrane un potentometre place dans un pont de résistances. La tension aux bornes du pont représente analogiquement la différence de pression entre les deux faces de la membrane. On connaît également des capteurs de pression electro-magnetiques qui comportent une membrane dont le centre est fixe au noyau en fer doux d'une bobine d'inductance. Les déplacements du centre de la membrane font varier l'inductance du circuit électrique et donnent naissance un signal électrique qui varie analogiquement comme la différence de pression entre les deux faces de la membrane. Cn connaît egalement des capteurs de pression capacitifs dont la membrane porte une des armatures d'un condensateur dont la capacité varie lorsque le centre de la membrane se déplace. L'objectif de la présente invention est de procurer des capteurs de pression qui présentent une faible inertie de telle sorte qu'ils peuvent capter des variations de pression très rapides qui se traduisent par des fronts de montée ou de descente presque verticaux et qui présentent en même temps une réponse en fréquence très faible, de telle sorte qu'ils se comportent comme des filtres passe-bas qui éliminent tous les signaux parasites ayant une fréquence supérieure à un seuil qui est par exemple de Tordre de 10 à 20 Hz, Cette deuxième propriété permet de mesurer des pressions différentielles tràs faibles par exemple des différences de pressions de tordre de 10 à 20 mm d'eau (I à 2 m bars) que l'on rencontre fréquemment dans les mesures de pressions et débits respiratoires ou physiologique en élime nant de nombreuses erreurs de mesure dfles à des bruits de fond tels que des ondes de pression acoustiques que lton rencontre lorsqu'on effectue des mesures de débits ou de pressions respiratoires, par exemple dans un hôpital ou tout autre lieu où des personnes circulent en engendrant des bruits et des déplacements d'air. Un capteur de pression selon l'invention comporte de façon connue une membrane circulaire déformable qui est encastree par sa périphérie et des moyens électroniques pour convertir analogiquement en un signal électrique les déplacements axiaux du centre de ladite membrane lorsque les deux faces de celle-ci sont soumises à des différences de pression. L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un capteur de ce type qui comporte une lame mince et flexible qui est située dans un plan parallèle au plan de la membrane,qui a une première extrémité fixe et une deuxième extrémité reliée au centre de la membrane,et qui porte sur l'une au moins de ses faces une jauge d'xtensométrie qui suit les déformations en flexion de ladite lame et qui est insérée dans-un circuit électronique de mesure. Selon un mode de réalisation préférentiel, la lame flexible porte sur chacune de ses faces deux jauges d'extensométrie et las quatre jauges sont montées dans les quatre branches d'un pont de réstances aux bornes duquel on prélève une tension qui mesure analogiquement la flèche de la lame flexible et de la membrane qui est proportionnelle à la différence de pression entre les deux faces de la membrane. De préférence, la membrane est une feuille mince d'élastomère, par exemple d'un élastomère de silicone qui est un polymere ou un copolymère de diméthyl-siloxane de formule qui a été vulcanisé. Le centre de la membrane est pris entre deux disques minces rigides dont le rayon est inférieur au rayon de la membrane. Selon un mode de réalisation préférentiel, la membrane sépare deux chambres de mesure symétriques par rapport au plan de la membrane et comportant chacune une prise de pression de telle sorte que l'appareil est réversible. De préférence, la lame flexible a une longueur sensiblement égale au rayon de la membrane et l'extrémité fixe de la lame est encastrée dans le support d'encastrement de la périphérie de la membrane. La deuxième extrémité de la lame flexible comporte de préférence un évidement central qui définit une fourche dans laquelle est engagée une tige axiale qui porte deux butées tronconiques placées de part et d'autre de ladite fourche. De préférence, la lame flexible comporte une plage amincie ayant une épaisseur de l'ordre de 0,2 mm et lesdites jauges d'extensométrie sont collées sur les deux faces de cette plage amincie. L'invention a pour résultat de nouveaux capteurs de pression. Les capteurs selon l'invention présentent l'avantage de permettre de mesurer avec une très grande précision des différences de pression très faibles de l'ordre de 10 mm d'eau (I m bar). Ils peuvent évidemment être utilisés pour mesurer des pression plus élevées allant jusqu'à 1 bar. Les capteurs selon l'invention sont particulièrement bien adaptés aux mesures de pressions et de débits dans le domaine physiologique pour l'étude des phénomènes respiratoires ou circulatoires. Un avantage des capteurs selon l'invention est que la membrane souple en élastomère de silicone et la lame flexible ont une très faible inertie et suivent donc fidèlement et avec un retard très faible, des variations de pression très rapides. Le temps de montée d'un capteur selon l'invention à 90% de sa plage de mesure maxima est inférieur à 25 ms. Un autre avantage des capteurs selon l'invention est qu' ils se comportent comme des filtres passe bas. Les mesures effectuées ont montré qu'un capteur de pression selon l'invention élimine les signaux ayant une fréquence supérieure à 12 Hz. Les caractéristiques dynamiques des capteurs selon l'invention permettent de suivre fidèlement des variations de pressions rapides comme on en rencontre dans les mesures physiologiques de pression et de débit tout en éliminant de nombreux bruits parasites. Les capteurs selon l'invention peuvent comporter deux chambres de mesure sensiblement symétriques par rapport à la membrane et les mesures effectuées ont montré que la courbe qui représente les variations de la tension délivrée par le capteur en fonction des variations de la différence de pression est lineaire avec des écarts inférieurs à 1% et est la mème quel que soit le sens de branchement des prises de pression. Un capteur selon l'invention est donc parfaitement réversible ce qui évite des erreurs de mesure. La sensibilité d'un capteur selon l'invention exprimée en volts délivrés par volt de la tension d'excitation est de l'ordre de 3,6 mV pour un capteur ayant une échelle totale de 2 m bars. Les capteurs selon l'invention sont donc parfaitement compatibles avec les équipements électroniques utilisés avec les capteurs actuellement connus qui ont des sensibilités comprises entre 1 mV et 30 mV par volt d'excitation. Un autre avantage important des capteurs selon l'invention réside dans le fait que grâce au montage des jauges d'extensométrie situées de part et d'autre de la lame flexible en opposition dans un pont de résistances, les effets des variations de température et de tous les facteurs externes qui risquent de modifier la résistance des jauges sont compensés, ce qui concourt à la précision de l'appareil. Un capteur selon l'invention est peu encombrant ce qui en facilite l'utilisation comme appareil de mesure portatif pour des applications médicales, par exemple des mesures de pression et débits respiratoires ou des mesures de pression artérielle. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent sans aucun caractère limitatif un exemple de réalisation d'un capteur de pressions selon l'invention. La figure 1 est une demi-coupe transversale d'un capteur selon l'invention. La figure 2 est une demi-coupe selon II II de la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective de l'extrémité de la lame flexible. La figure 4 est un schéma électrique de connection des jauges d'extensométrie. Les figures 1 et 2 représentent un capteur de pression qui comporte un boîtier cylindrique d'axe xx1 formé de trois parties, un corps central 1, un fond 2 et un couvercle 3, qui sont assemblées entre elles par des tiges filetées 4. Une membrane déformable souple 5, de forme circulaire, est encastrée sur toute sa périphérie entre le corps 1 et le fond 2. La membrane 5 est par exemple une membrane ayant 1 mm d'épaisseur, en un élastomère de silicone souple, par exemple le silicone vendu par Dow Corming Corporation sous la marque "sila;tène". On rappelle que les élastomères de silicone sont des chaînes de polymères ou de copolymères de diméthyl siloxane de formule qui ont été vulcanisées Cette membrane comporte à sa périphérie une collerette 6, faisant corps avec la membrane. Le centre de la membrane est serré entre deux disques minces rigides 7 et 8 dont le diamètre est nettement inférieur à celui de la membrane. Le disque 7 est solidaire d'une douille axiale 9 qui est filetée intérieurement et extérieurement. Une tige filetee axiale 10 est vissée dans le filetage intérieur de la douille 9.Le disque 7 est percé d'un alesage central à travers lequel passe la douille 9 et un écrou 11 est vissé sur le filetage extérieur de la douille 9 pour maintenir les deux disques 7 et 8 appuyés contre la partie centrale de la membrane 5, de telle sorte que cette partie centrale se déplace axialement comme un piston. Les pièces 1, 2 et 3 et les disques rigides 7 et 8 sont de préférence en un alliage léger d'aluminium et de magnésium. Le fond 2 et le couvercle 3 présentent chacun un évidement conique 12 et 13 d'axe xxî, de sorte que lorsqu'ils sont assemblés, ces évidements coniques, qui sont placés en regard l'un de l'autre, délimitent deux chambres 14 et 15 qui sont indentiques et symétriques par rapport au plan de la membrane 5. Chacune des deux chambres 14 et 15 communique avec un conduit axial fileté, respectivement 16 et 17, dans chacun desquels est vissé un embout, respectivement 18 et 19 visibles sur la figure 2. Les embouts 18 et 19 servent à connecter sur le capteur des tubes flexibles de prise de pression. On connecte un tube sur les deux embouts si le capteur est utili- sé pour mesurer une pression différentielle ou un tube sur un seul embout si le capteur est utilisé pour mesurer une pression relative. Lorsque les deux faces de la membrane 5 sont soumises à des pressions différentes, le centre de la membrane se déplace et le déplacement axial est proportionnel à la différence de pression pour des différences de pression relativement faibles. Un capteur de pression selon l'invention comporte un capteur de déplacements du centre de la membrane qui est composé d'une lame 20, mince et flexible élastiquement, dont le plan est parallèle au plan de la membrane 5 lorsque celle-ci est au repos. La lame flexible 20 est disposée parallèlement à un rayon de la membrane. Une extrémité 21 de cette lame est encastrée entre la pièce 1 et une bride 22. La lame 20 est par exemple en bronze de bérilium. La figure 3 représente une vue en perspective de l'autre extrémité 23 de la lame20. Celle-ci comporte un évidement central 24 qui délimite deux bras 25 a et 25 b formant une fourche. La tige axiale 10 qui est perpendiculaire au plan de la lame 20 est engagée dans l'évidement 24 comme on le voit sur les figures 1 et 2. La tige 10 porte à son extrémité deux butées tronconiques 26 et 27 qui encadrent une partie cylindrique 28 dont la longueur axiale est sensiblement égale à l'épaisseur de la lame 20,qui est par exemple de 2,5 mm. Ainsi, dès que la tige 10 se déplace dans un sens ou dans l'autre, elle entraîne l'extrémité de la lame 20 qui suit les mouvements du centre de la membrane. La lame flexible 20 comporte une plage très amincie 29, ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,2 mm, de telle sorte que les déplacements de l'extrémité 23 entraînent une flexion de cette plage amincie. Sur chacune des deux faces de la plage 29 sont collées des jauges & xten- sométriques identiques, à trame pelliculaire, dont la résistance varie avec l'allongement. Deux jauges J1 et J4 sont collées sur une des faces et deux autres jauges J2 et J3 sur la face opposée. Ces quatre jauges sont montées dans les quatre branches d'un pont de résistances comme le montre la figure 4, c'est-à-dire les deux jauges telles que J1 et J4,qui sont situées sur une mêmeface de la lame, sont montées en diagonale dans le pont, de telle sorte que leurs effets s'additionnent, tandis que les variations de résistance de deux jauges montées sur deux faces opposées se retranchent. On obtient ainsi un montage différentiel connu qui permet d'éliminer les variations de résistance dues aux conditions d'environnement par exemple aux variations de température.Deux des bornes du pont, par exemple les bornes A sont soumises à une différence de tension d'alimenta- tion continue, par exemple à une tension de + 2,3V et lorsque la membrane se déforme ou recueille entre les deux autres bornes B une tension de déséquilibre du pont qui varie analogiquement comme le déplacement au centre de la membrane et donc comme la différence de pression qui est appliquée aux deux faces de la membrane. La lame flexible 20 est logée dans un canal 30 qui est creusé diamétralement dans le couvercle 3, pour permettre la flexion de la lame 20. Ce canal a une largeur légèrement supérieure à celle de la lame 20. La présence de ce canal fait que les deux chambres 14 et 15 ne sont pas totalement symétriques, mais cette dissymétrie a une influence pratique négligeable sur les déformations de la membrane qui restent sensiblement symétriques quel que soit le sens de la différence de pression qui s'exerce sur la membrane déformable. Le repère 31 représente le passage des conducteurs électriques qui alimentent le pont de jauges et qui transportent la tension de sortie du pont vers les circuits électroniques d'amplification et d'utilisation des signaux (enregistreurs, afficheurs numériques, régulations, etc...) Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs du capteur qui vient d'être décrit à titre d'exemple, pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions, REVENDICATIONS 1 - Capteur de pression comportant une membrane circulaire déformable qui est encastrée par sa périphérie et des moyens électroniques pour convertir analogiquement en un signal électrique les déplacements axiaux du centre de ladite membrane lorsque les- deux faces de celIe-ci sont soumises à une différence de pression, caractérisé en ce qutil comporte une lame mince et flexible qui est située dans un plan parallèle au plan de ladite membrane, qui a une première extrémité fixe et une deuxiè me extrémité reliée au centre de ladite membrane, et qui porte sur l'une au moins de ses faces une jauge d'extensométrie qui suit les déformations en flexion de ladite lame flexible et qui est insérée dans un circuit électronique de mesure. 2 - Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite lame flexible porte sur chacune de ses faces deux jauges d'extensométrie et les quatre jauges sont montées dans les quatre branches d'un pont de résistances aux bornes duquel on prélève une tension qui mesure analogiquement la flèche de ladite lame flexible et de la membrane qui est proportionnelle à la différence de pression entre les deux faces de la membrane. 3 - Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ladite membrane est une feuille mince en élastomère de silicone dont le centre est pris entre deux disques minces rigides, dont le rayon est inférieur au rayon de ladite membrane. 4 - Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite membrane sépare deux chambres de mesure symétriques par rapport au plan de ladite membrane et comportant cha cune une prise de pression de telle sorte que l'appareil est réversible. 5 - Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ladite lame flexible a une longueur sensiblement égale au rayon de ladite membrane et l'extrémité fixe de ladite lame est encastrée dans le support d'encastrement de la périphérie de la membrane. 6 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la deuxième extrémité de ladite lame comporte un évidement central qui définit une fourche dans laquelle est engagée une tige axiale, qui porte deux butées tronconiques placées de part et d'autre de ladite fourche. 7 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ladite lame flexible comporte une plage amincie ayant une épaisseur de l'ordre de 0,2 mm et lesdites jauges d'extensométrie sont collées sur les deux faces de cette plage amincie.