Brevet FR2484641A1 — publié le 19811218

L'invention concerne les dispositifs destinés à mesurer la pression hydrostatique d'un fluide et consistant à utiliser cette pression pour agir sur les caractéristiques d'un oscillateur électromécanique afin d'en déduire une valeur de la pression considérée. Dans les dispositifs connus de ce genre, la pression est appliquée à une capsule manométrique dont la force de déformation est utilisée, au moyen d'un levier, pour contraindre plus ou moins la lame vibrante d'un oscillateur électromécanique. Dans ces conditions la fréquence de l'oscillateur est une image de la pression régnant dans la capsule manomé trique. Ce type de dispositif présente des inconvénients, il est encombrant et mécaniquement complexe compte tenu de l'utilisa tion d'une capsule manométrique. Le dispositif, objet de l'invention, fait appel à un autre procédé de mesure qui permet de réaliser un manomètre simple, très peu encombrant et, de ce fait, peu sensible aux perturbations extérieures telles que accélérations et vibrations. On désigne par oscillateur électromécanique un ensemble comprenant un résonateur, par exemple un diapason monocristal et des moyens d'excitation, généralement électroniques tels qu'un amplificateur et des capacités, reliés à une source d'énergie électrique. Un tel ensemble, lorsqu'il est alimenté, vibre à sa propre frequence qui est constante, en première approximtion, quelle que soient les conditions d'environnement du résonateur. Par contre (figure 1) l'amplitude des oscillations du résonateur met un certain temps pour s'établir de façon asymptotique et si, à un instant-to, on coupe son excitation l'amplitude décroit plus ou moins vite suivant les caractéristiques du résonateur. Ces caractéristiques définissent ce que l'on appelle le coefficient de qualité Q du résonateur. La courbe "enveloppe" des amplitudes de valeur Ai à l'instant to suit la loi de décroissance suivante, lorsque le résonateur s'amortit librement sans contrainte Fo étant la fréquence propre du résonateur. t le temps, Zla constante de temps d'amortissement qui peut s'exprimer sous la forme Cette constante de temps est représentée (fig. 1) par la rencontre avec l'axe des temps et de la tangente, à l'instant to, à l'enveloppe des amplitudes décroissantes. Or, suivant la nature, les conditions physiques et notamment la pression du milieu fluidique dans lequel se trouve le résonateur, cette constante de temps 2 varie. En effet, si l'on considère la résistance de pénétration R d'une plaque mince dans un fluide, on peut encore écrire: p = masse volumique du fluide, C = coefficient de tramée dx =. vitesse de déplacement dt S étant la section de la plaque, perpendiculaire du déplacement. Le mouvement de la lame du résonateur, libérée sans vitesse initiale avec l'élongation A1, est régi par l'équation du frottement quadratique oh la fonction est définie par avec Gv t - La résolution de l'équation (1) par la méthode des approximations successives permet de dire que les variations de la masse volumique p, c'est-à-dire la pression du fluide pour une température donnée, ne modifient pas la fréquence, en première approximation, mais par contre influent sur l'amplitude des oscillations, c'est-à-dire sur la constante de temps Z et par 15 même le coefficient de qualité Q du résonateur. Si, a un instant to auquel correspond une amplitude Al, on compte toutes les alternances, d'amortissement libre, sur une durée k z pour lesquelles l'amplitude crête est supérieure à A2 Nous obtenons un nombre N dont l'expression Ce nombre est fonction de Z donc de Q tel que M = Ainsi, ce nombre N, défini par le nombre d'oscillations d'amortissement dont l'amplitude est comprise entre deux seuils A1 et A2, est une fonction de la pression hydrostatique P du milieu gazeux dans lequel baigne le résonateur et l'on peut admettre la relation N = f (P) Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé (figure 2) comprend donc un résonateur 1 par exemple à quartz du type diapason horloger qui présente l'avantage d'être de volume très réduit et d'un bas prix compte tenu de sa vulgarisation. Ce résonateur est bouclé avec des moyens d'excitation 2. Le signal électrique issu de l'oscillateur (ensembles 1 et 2) est appliqué par une ligne 3 aux entrées de deux comparateurs C1 et C2. Ce signal se présente sous la forme d'une tension alternative de période constante mais d'amplitude variable, suivant que l'oscillateur est alimenté ou non, telle que représentée sur la figure 1. Le comparateur C1 détecte le niveau d'amplitude Al. Lorsque ce niveau est atteint, il délivre un signal électrique I1 (figure 3) utilisé pour initialiser le temps to à partir duquel on compte les périodes d'amortissement du résonateur, ce dernier étant logé dans l'enceinte ou règne la pression à mesurer. Le comparateur C2 détecte le niveau d'amplitude A2, c'est-à-dire qu'il délivre une série d'impulsions I2 correspondant à toutes les amplitudes supérieures à ce niveau. Ce comparateur pilote un mono stable 5 du rype Uredéclenchable" dont la constante de temps Tm est juste supérieure à la durée T d'une période de l'oscillateur. Dans ces conditions sa sortie q délivre un signal Iq dont le front montant est utilisé d'une part pour l'arrêt du comptage et, d'autre part, pour réexciter le résonateur 1. Pour cela, la sortie q est reliée à la mise à zéro dont la d'une bascule B2 du type RS,/sortie b2 autorise le comptage au moyen d'un compteur 4. Après mise en forme, au travers d'un amplificateur de mise en forme 6,la tension alternative issue de l'oscilla H teur (1,2) est appliquée sur l'entrée horloge du compteur 4. Le signal issu du comparateur C1 est appliqué sur l'entrée "mise à 1" de la bascule B2 qui n'autorise alors la prise en compte , par le compteur 4, que des alternances de l'oscillateur depuis l'instant to (niveau Al) jusqu'au moment oh leur décroissance , décelée par le comparateur C2, passe au-dessous du niveau A2. Le signal du comparateur C1 est également utilise pour la remise à zéro du compteur 4 a.insi que pour la mise à zéro d'une bascule B1 dont la sortie bl commande l'arrêt de l'excitation 2. Nous noterons que la "mise a 1" de la bascule B1, qui a pour effet de déclencher le circuit d'excitation 2, peut être effectué soit par une horloge extérieure (ou un contact manuel), soit par l'impulsion de la sortie q du monostable 5. Dans le premier cas (fig. 4) il faut que la période P.de l'horloge soit supérieure au temps TE d'établissement des oscillations plus le temps d'amortissement TA des oscillations comprises entre les niveaux Al et A2. Dans le second cas (fig. 5) dès que le niveau A2 est atteint le résonateur est à nouveau excité à l'apparition du signal Iq et le temps T'E nécessaire pour passer du niveau A2 au niveau A1 est utilisé pour afficher sur le compteur la valeur de N mesurée durant le cycle précédent. Le diagramme (figure 3) représentatif des divers signaux du dispositif, ou nous supposerons être dans le deuxième cas cité ci-dessus, fera mieux comprendre le fonctionnement du dispositif. Nous désignerons par instant initial to = l'instant à partir duquel les amplitudes du résonateur atteignent 1'am- plitude Al. A cet instant, le comparateur C1 détecte-eet état et il apparaîtrait à sa sortie une série d'impulsions si la pre mière d'entre elles il n'était utilisée pour couper lVexcita- tion 2 du dispositif et de le mettre ainsi en configuration d'amortissement libre. Pendant ce temps le signal de sortie du comparateur C2 correspond au nombre des amplitudes de niveau supérieur à A2, ce qui se traduit par les signaux Iq et Iq à la sortie du monostable. On désigne par Iq le signal inverse de Iq. La combinaison de l'impulsion il et du signal Iqw appliqués sur la bascule B2, détermine le signal b2 utilisé pour piloter le compteur 4. La durée de ce signal est égale au temps pendant lequel les amplitudes, d'amortissement libre du résonateur, sont comprises entre les niveaux A1 et A2, ce qui permet de définir le nombre N et par là la pression hydrostatique P régnant dans la chambre ou est placé le résonateur 1. Nous avons vu que N = w Q (où Q représente le 77 coefficient de qualité du résonateur). Le procédé décrit ci dessus permet donc de définir ce coefficient pour un résonateur donné, dans des conditions de pression hydrostatique et de températures bien définies. En effet, pour certaines valeurs particulières de n , par exemple : k = do nous pouvons 77 obtenir une-valeur de N directement proportionnelle à Qo Ce sera pour notre exemple : : ç = A,. qo-A Le procédé et le dispositif obJet de l'invention permettent de réaliser un capteur de pression à sortie numé- rique, ne possédant aucune piece mobile en dehors des oscillations du résonateur, de tres faibles dimensions et pouvant être fabriqué en grande série avec un bon rapport qualité-prix. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de la pression hydrostatique d'un fluide au moyen d'un oscillateur électromécanique caractérisé en ce que, le résonateur 1 est placé, sans contrainte, dans une chambre soumise à la pression P à mesurer, qu'il est excité jusqu'à un certain niveau d'amplitude Al, puis qu'on le laisse ensuite s'amortir librement jusqu a un autre niveau plus faible d'amplitude A2, et que l'on compte le nombre N d'alternances, de 17 oscillateur, dont les amplitudes sont comprises entre les niveaux Al. et A2 pour en déduire la. valeur de la pression hydrostatique régnant dans la chambre en admettant la relation N = f(P) 2 - Dispositif pour mesurer la pression hydrostatique d'un fluide selon le procédé de la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour exciter le résonateur, des moyens pour couper ladite excitation, et des moyens pour compter les alternances, en phase d'amortissement libre, dont l'amplitude est comprise entre deux niveaux Al et A2. 3 - Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens pour compter les alternances consistent en un premier comparateur Ci, sensible au niveau Al, en un second comparateur C2, sensible au niveau A2, en un monostable redéclenchable 5, dont la constante de temps Tm est légèrement supérieure à la période propre T de l'oscillateur, et en une bascule B2 dont la mise à zéro est commandée par la sortie 4 du monostable et la mise à un par la sortie du comparateur C1, cette bascule servant à piloter un compteur numérique 4 dont l'entrée horloge reçoit, après mise en forme, la tension alternative de l'oscillateur. 4 - Dispositif, selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les moyens d'excitation 2 sont pilotés par une bascule B1 dont la mise à zéro est effectuée par le signal issu du comparateur C1, tandis que la mise à 1 est assurée par le signal Iq issu du monostable, afin de lui assurer un fonctionnement automatique. 5 - Dispositif, selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les moyens d'excitation 2 sont pilotés par une bascule B1 dont la mise à zéro est effectuée par le signal issu du comparateur C1 tandis que la mise à I est assuree par une horloge extérieure ou un contact manuel.