Brevet FR2475178A1 — publié le 19810807

La présente invention se rapporte d'une façon géné- rale aux transducteurs de pression de fluide et elle concer- ne en particulier les diaphragmes'souples utilisés dans ces transducteurs pour transformer les variations de pression en mouvements mécaniques. L'invention concerne également les procédés mis en oeuvre pour la fabrication de disposi- tifs comportant de tels diaphragmes. On utilise depuis de nombreuses années des trans- ducteurs de pression pour la mesure des variations d'une pression d'origine mécanique ou due à un fluide. Un grand nombre de ces transducteurs comprennent un diaphragme mince élastique qui est soumis à l'action de la pression à mesu- rer, de telle manière que la déformation du diaphragme qui se manifeste lorsque la pression varie soit une fonction de la pression réelle. Normalement, le diaphragme est couplé mécaniquement à un transducteur électro-mécanique tel qu' une barre formant jauge de contraintes. Dans certaines applications pour lesquelles on a besoin d'un ressort à faible constante élastique ou bien oct des diaphragmes très minces sont usinés dans la masse de la capsule sensible à la pression du transducteur, il peut être utile de disposer d'un diaphragme plat. Toutefois, ces diaphragmes n'ont que des possibilités d'application limitées parce que leur raideur ne reste constante que pour des déformations relativement petites, de l'ordre d'une fraction de leur épaisseur. Pour obtenir une meilleure plage de fonctionnement ou une meilleure raideur et conserver cependant une linéa- rité adéauate,on a utilisé antérieurement des diaphragmes ondulés ou de forme torique tels que ceux représentés à titre d'exemples sur les Fig. 1 à 3 des dessins qui feront l'objet d'une description dans la suite. Dans certains transducteurs, le diaphragme préformé est muni d'une colle- rette radiale qui sert à souder le diaphragme entre la capsule du transducteur et le disque ou autre organe de transmission de force. Malheureusement, la partie active des diaphragmes munis d'une telle collerette de montage frotte dans une certaine mesure sur les surfaces de montage de la-collerette. Il en résulte un déplacement du point de contact qui se produit pendant le fléchissement du diaphragme et qui engendre des défauts de linéarité et d'hystérésis. Etant donné que la partie active du diaphragme est plus gran- de sur une face que sur l'autre, le diaphragme n'esL pas symétrique en ce qui concerne sa réponse aux pressions appli- quées sur ces faces respectives. Cette asymétrie limite la précision du diaphragme lorsque ce dernier est utilisé dans des transducteurs différentiels. Pour réduire ces effets indésirables, les transducteurs de la technique antérieure utilisent des diaphragmes préformés ayant des dimensions très précises qui s'ajustent de façon suffisamment exacte sur leur structure porteuse, pour permettre de supprimer la collerette de fixation et les soudures à recouvrement ou bord àabord placées exactement au bord du diaphragme, pour relier ce diaphragme à la structure qui l'éntoure. Pour obtenir de tels diaphragmes préformés ayant des dimensions aussi précises, on emboutit des flans métal- liques annulaires minces dans des matrices rectifiées avec une très grande précision et très coûteuses, qui donnent aux diaphragmes la configuration ondulée ou torique désirée. Suivant la profondeur des ondulations, les caractéristiques de retour élastique du métal et d'autres paramètres analo- gues, il peut être très difficile de maîtriser les dimen- sions du diaphragme fini, ce qui se traduit par un taux élevé de rebuts et par un accroissement consécutif du coût de la fabrication de diaphragmes acceptables, Lorsqu'on utilise des diaphragmes sans collerette, il est indispensable d'obtenir des dimensions précises pour être certain que la soudure sur la capsule sera hermétique. Le moindre défaut d'ajustement entre les dimensions de la capsule et celles du diaphragme peut laisser subsister une fente ou provoquer un plissement du diaphragme mince le long de ses bords, chacun de ces défauts pouvant rendre difficile sinon impossible la réalisation d'une soudure étanche. Etant donné qu'il peut arriver que la fuite de la soudure ne soit pas découverte avant que l'ensemble du trans- ducteur soit terminé, on risque alors de perdre une somme considérable de temps et d'argent. Le principal but de l'invention est de réaliser un dispositif à diaphragme de transducteur de pression dans lequel on obtienne une meilleure linéarité etde plus faibles défauts dus à l'hystérésis. Un autre but de l'invention est de réaliser un tel dispositif à diaphragme dans lequel on n'ait pas à contrôler les dimensions du diaphragme avec une grande précision pour garantir que ce diaphragme s'adaptera correctement aux au- tres élements de l'ensemble pendant le soudage. Un autre but de l'invention est de créer un procédé de fabrication d'un tel dispositif qui soit simple et peu coûteux. Dans une forme de réalisation de l'invention, il est prévu une plaque-support de diaphragme qui comporte une lèvre périphérique faisant saillie vers le haut et munie d'une surface d'étanchéité annulaire qui s'étend radialement. Un disque de transmission de la force est centré sur la lè- vre périphérique et ce disque comporte une surface d'étan- chéité périphérique qui s'étend radialement. Entre le disque et la plaquesupport est interposé un diaphragme annulaire muni d'une collerette extérieure soudée sur ladite surface d'étanchéité périphérique par une soudure étanche, une collerette intérieure soudée sur la surface d'étanchéité périphérique par une soudure étanche, et à une partie cen- trale concave qui s'étend au-dessous des deux surfaces d'étanchéité entre les deux collerettes et fait corps avec ces collerettes. La partie concave est réalisée par un procédé nouveau dans lequel on fait agir une pression de fluide sur un flan annulaire plat comprenant lesdites col- lerettes, après avoir soudé le flan au disque et à la pla- que-support, de sorte que le flan se déforme librement,sans appui en pénétrant dans un volume libre compris entre la plaque-support et le disque. Les bords du disque et de la plaque-support sont de préférence arrondis aux endroits o le diaphragme se recourbe vers l'intérieur pour former sa partie concave, de manière à éviter le cisaillement du diaphragme, le rayon-de courbure de l'arrondi étant de préférence de 1 à 3 fois l'épaisseur du diaphragme. Les soudures étanches formées sur les collerettes sont espacées de ces bords arrondis mais, pour réduire l'asymétrie et les autres effets de bord, le diaphragme peut être également soudé aux bords arrondis après la formation de la partie concave, Dans le procédé suivant l'invention, on part d'un flan annulaire plat dont le diamètre extérieur est plus grand que le diamètre intérieur de la surface d'étanchéité- annu- laire, et un diamètre intérieur plus petit que le diamètre extérieur de la surface d'étanchéité périphérique. Le flan est soudé hermétiquement à la plaque-support et au disque puis, de préférence, contrôlé pour la détection des fuites. Ensuite, on fait réagir une pression de fluide sur le flan de manière que ce dernier se déforme librement vers le bas, en pénétrant dans l'espace libre compris entre la plaque- support et le disque. Il n'est pas nécessaire de prévoir une matrice d'appui. Pour réduire à un minimum les effets de bord, on peut réaliser une autre soudure le long des bords de la plaque-support et du disque, On utilise un outil de centrage et une entretoise pour maintenir l'espacement axial et la concentricité appropriés entre la plaque-support et le disque, D'autres caractéristiques de l'invention apparal- tront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 est une vue de face et en coupe d'un dispositif à diaphragme de la technique antérieure compor- tant un diaphragme ondulé; la Fig.2 est une vue en coupe verticale d'un autre dispositif à diaphragme de la technique antérieure compor- tant un diaphragme torique; la Fig.3 est une vue en coupe verticale d'un type de joint soudé de la technique antérieure assemblant un diaphragme à sa plaque-support ou à son disque de transmis- sion de force; la Fig.4 est une vue en perspective éclatée de divers éléments et accessoires utilisés pour la fabrica- tion des dispositifs à diaphragme suivant l'invention; la Fig.5 est une vue en coupe verticale sur laquel- le l'invention est représentée à un stade intermédiaire de la fabrication à gauche de l'axe et à son stade final de fabrication à droite de l'axe, la source de pression de fluide servant à mettre le diaphragme en forme étant repré- sentée schématiquement en trait interrompu; la Fig.6 est une vue en coupe verticale d'un joint soudé tel que celui qui est utilisé suivant l'invention pour assembler le diaphragme à sa plaque-support et à son dis- que de transmission de force. L'invention sera décrite ci-après en regard des dessins annexés sur lesquels les éléments analogues sont désignés par les mêmes références sur toutes les figures. Les Fig. 1 à 3 montrent deux types représentatifs de dispositifs à diaphragme de la technique antérieure. On peut voir que le dispositif 10 représenté sur la Fig.l et le dispositif 12 représenté sur la Fig.2 comprennent une plaque-support de diaphragme 14 et un disque central 16 de transmission de force qui sont assemblés l'un à l'autre par un diaphragme. La Fig. 1 montre un diaphragme annulai- re préformé 18 de forme ondulée qui est réuni à la plaque- support 14 et au disque 16 par des soudures bord à bord 20, 22 qui s'étendent circonférentiellement le long des cir- conférehces intérieure et extérieure du diaphragme. La Fig,2 représente un diaphragme préformé 24 de forme tori- que qui est de même réuni à la plaque-support 14 et au disque 16 par des soudures bord à bord 26,28. Dans les deux cas, il est indispensable, pour obtenir la garantie optimale d'obtention de soudures acceptables, de procé- der à un contrôle précis des dimensions. La Fig.3 montre à titre d'exemple une vue fragmentaire d'un dispositif à diaphragme de la technique antérieure dans lequel une sur- face d'étanchéité 30 qui s'étend radialement supporte un diaphragme préformé 32 comportant une collerette 34 diri- gée radialement et appuyée sur la surface 30. Une soudure 35 sert à fixer le diaphragme 32 à joint étanche sur la plaque?-support 14 ou sur le disque 16 de ce diaphragme. Bien que les spécifications de contrôle dimensionnel ne soient pas aussi sévères que pour le dispositif des Fig.l et 2, on observe des défauts dus à l'effet de bord, ainsi qu'on l'a exposé plus haut. Normalement, les dispositifs des Fig. 1 à 3 su- bissent une pression qui est exercée sur la surface su- périeure de leur diaphragme par des moyens appropriés non représentés. Le disque 16 se déplace alors vers le bas, comme représenté, vers une butéelimite qui fait saillie vers le haut, Une tringlerie non représentée, associée fonctionnellement au disque 16, est solidaire du diaphrag- me pour actionner un capteur tel qu'une barre de flexion formant une jauge de contrainte, également non représentée, de la façon habituelle. Ainsi qu'on l'a mentionné, les diaphragmes préfor- més utilisés dans les dispositifs de la technique antérieure qui sont représentés sur les Fig. 1 et 2 doivent être réa- lisés avec des tolérances très serrées pour faciliter-la formation de soudures bord à bord hermétiques 20,22 et 26,28, D'un autre côté, le diaphragme préformé utilisé dans le dispositif de la technique antérieure du type qui est représenté sur la Fig.3 est sujet à présenter des défauts d'asymétrie, de non linéarité et d'hystérésis d'une valeur indésirable. L'application de l'invention aux dispositifs à. diaphragme réduit le coût de fabrication de ces disposi- -4'5178 tifs en éliminant certaines exigences de tolérances serrées et elle permet également d'obtenir de meilleures perfor- mances. En se reportant maintenant aux Fig. 4 à 6, on peut voir que le dispositif suivant l'invention comprend une lèvre périphérique 38 qui fait saillie vers le haut sur la plaque-support 14, la lèvre présentant une surface d'étanchéité annulaire 40 qui s'étend radialement. Le disque 16 de transmission de force présente une surface d'étanchéité périphérique 42 qui s'étend radialement. Entre ces deux surfaces d'étanchéité, est interposé un diaphragme 44 de forme torique qui comprend une première collerette 46 qui s'étend vers l'extérieur et qui est posée et soudée sur la surface d'étanchéité 40 par une soudure étanche, une deuxième collerette 48 qui s'étend radialement vers l'in- térieur et qui est posée et soudée sur la surface d'étan- chéité 42 par une soudure étanche, et une partie centrale concave 50, de forme torique qui s'étend au-dessous des surfaces d'étanchéité 40 et 42 et est d'une seule pièce avec les collerettes 46 et 48. Le diaphragme est formé par une technique nouvelle suivant l'invention. Dans cette technique, on forme un mince flan annulaire 52 en une matière élastique telle que l'acier inoxydable 17-7 PH. Le flan est réalisé avec des tolérances très larges de manière que son diamètre extérieur 52a soit supérieur au diamètre intérieur de la surface d'étanchéité 40 dans une mesure suffisante pour permettre de former une soudure circonférentielle étanche; et son diamètre intérieur 52d est inférieur au diamètre extérieur de la surface d'étanchéité 42 dans une mesure suffisante pour permettre également de réaliser une telle soudure. Au cours de l'assemblage, le flan 52 est hermétiquement soudé au disque 16 le long d'une ligne circonférentielle 54. Le disque 16 présente un perçage borgne 56 de faible profondeur dans sa face inférieure, comme représenté. 247r178 Il est prévu un bouchon de centrage 58 qui porte un bossage faisant saillie vers le haut et ayant des dimensions appropriées pour s'ajuster dans le perçage 56. Le bouchon 58 présente par ailleurs le long de ses côtés des méplats axiaux 62 qui sont arrangés pour épouser les branches pla- tes 64 d'une entretoise 66. Chacune des branches 64 part d'une base 68, s'élève vers le haut et se termine bar une languette 70 qui s'étend radialement vers l'extérieur et dont l'épaisseur correspond à l'espacement qu'on désire obtenir entre le disque 16 et la butée limite 17 à l'état de repos, L'entretoise 66 est de préférence réalisée en tôle pliée. A la suite du soudage du flan 52 sur le disque 16, on glisse l'entretoise dans le perçage 36 et on introduit le bouchon de centrage 58 dans l'entretoise 66. Ensuite, on ajuste le disque 16 sur le bouchon 58, le bossage 60 s'encastrant dans le perqage 56. Ensuite, on soude le flan sur la surface d'étanchéité 40 par une soudure étanche le long d'une ligne circonférentielle 72, A ce stade, on sou- met de préférence l'ensemble soudé à un essai pour la-dé- Q tection de fuites éventuelles et on peut procéder à une retouche des soudures si nécessaire. Après avoir exécuté avec succès l'épreuve de fuites et la-retouche des soudures, on élimine la matière en excès du flan 52, Ensuite, on place l'ensemble soudé dans un montage de mise sous pression 74, comme on l'a représenté schémati- quement sur la Fig.-5* La pression du fluide, appliquée à la surface supérieure du flan 52 oblige ce flan à se déformer librement, vers le bas, en s'enfonçant dans l'espace libre 76 défini entre le disque 16 et la plaque-support 14, comme on peut le voir sur le côté droit de la Fig.5. Les languettes de l'entretoise maintiennent l'espacement nécessaire en- tre le disque 16 et la plaque-support 14 pendant la mise sous pression. Il n'y a à prévoir ni matrice d'appui ni matrice d'emboutissage, le flan prenant en effet automatiquement une configuration torique, Suivant la profondeur d'ondula- ?475178 tion désirée et les propriétés d'allongement du métal du flan, il peut être nécessaire de procéder à un recuit inter- médiaire et une nouvelle mise sous pression. Etant donné que le flan 52 est soumis à une contrainte excédant la limite d'élasticité du métal,le retour élastique du flan est pra- tiquement éliminé. L'absence de retour élastique signifie que en présence d'un fléchissement nul le bord intérieur et le bord extérieur peuvent être maintenus au même niveau, et que le diaphragme n'est pas sollicité. Il en résulte que les différences de dilatation thermique des éléments ne doivent pas provoquer de décalage du zéro du disque 16. La Fig.6 montre que les bords des surfaces d'étan- chéité 40,42 sont de préférence arrondis pour éviter de provoquer un cisaillement du diaphragme qui est très mince, le rayon d'arrondi étant d'environ 1,0 à 3,0 fois l'épais- seur t du diaphragme. On a constaté que le rayon préféré à adopter pour les produits réels est de 1,5 t. Afin de ré- duire au minimum l'asymétrie et les autres effets de bord, on exécute chacune des soudures circonférentielles 78,80 à proximité du point oa le diaphragme s'écarte en s'incur- vant de la tranche du disque 16 ou du flanc de la plaque- support 14, Finalement, on coupe les branches 64 pour les libérer de la base 68, de sorte qu'on peut ensuite extraire le bouchon de centrage 58 et les branches à travers le per- çage 36. Dans une forme d'exécution réelle de l'invention, dans laquelle la déformation spécifiée au centre sous une pression de 2,540 m d'eau était de 0,965 mm on avait utili- sé un flan d'acier inoxydable 17-7 PH de 0,940 mm d'épais- seur, Le disque 16 et la plaque-support 14 avaient été usi- nés dans de l'acier inoxydable 17-7 PH et 17-4 PH respec- tivement, à des diamètres de 25,4 mm et 38,1 mm respective- ment, On a appliqué une pression de 140 kg/cm2 sur la sur- face supérieure du flan pendant 0,5 minute, après quoi, on a recuit l'ensemble pendant 1,0 heure à environ 10350C. On a de nouveau appliqué une pression de 140-kg/cm pendant 0,5 minute jusqu'à ce qu'on ait obtenu une profondeur de déformation de 2,032 mm. Le dispositif résultant avait une linéarité de moins de 0,1% de l'ensemble de plage de mesu- re et une erreur d'hystérésis de moins de 0,1% de cette plage, L'erreur de zéro thermique du dispositif s'est ré- vélée être inférieure à 0,2 % de l'ensemble de la plage. Les dispositifs à diaphragme de transmission de pression suivant l'invention peuvent être utilisés dans une grande diversité de transducteurs de pression de li- quide ou de gaz et ils sont également appropriés pour être utilisés dans les transducteurs de forces mécaniques. Le procédé de fabrication suivant l'invention s'y applique de façon analogue. REVENDICATIONS 1. Dispositif à diaphragme pour la transmission de pression de fluide, du type utilisé dans les transduc- teurs de pression, caractérisé en ce qu'il comprend: une plaque-support (14) comportant une lèvre périphérique (38) qui fait saillie vers le haut et présente une surface d'é- tanchéité (40) de forme annulaire, s'étendant radialement; un disque (16) de transmission de force placé au centre de la lèvre périphérique (38), ce disque (16) présentant une surface d'étanchéité périphérique (42) qui s'étend radiale- ment; et un diaphragme (44) qui est fixé à la surface d'é- tanchéité annulaire (40) et à la surface d'étanchéité péri- phérique (42) et s'étend entre ces surfaces, ce diaphragme comprenant une première collerette (46) placée sur la sur- face d'étanchéité annulaire (40) et soudée sur cette surfa- ce par une soudure étanche et une deuxième collerette (48) placée sur la surface d'étanchéité périphérique (42) et sou- dée sur cette surface par une soudure étanche, et une partie concave (50) qui s'étend au-dessous des surfaces d'étanchéi- té (40,42), entre lesdites collerettes (46 et 48), et est d'une seule pièce avec ces collerettes, ladite partie con- cave ayant été formée par l'action d'une pression de flui- de exercée sur le diaphragme après le soudage étanche de la première et de la deuxième collerettes (46 et 48) sur la plaque-support (24), et sur le disque (16). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que le diaphragme (44) a une épaisseur (t) et le bord radialement intérieur de la surface d'étanchéité annulaire (40) ainsi que le bord radialement extérieur de la surface d'étanchéité périphérique (42) sont arrondis avec un rayon de courbure compris dans l'intervalle allant de 1,0 à 3,0 fois t. 3. Dispositif à diaphragme suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le diaphragme (44) a été initiale- ment soudé aux surfaces d'étanchéité (40 et 42) par des soudures étanches dans des régions (54 et 72) qui sont, l'une espacée radialement vers l'extérieur par rapport à la partie arrondie du bord intérieur de la surface d'étanchéité annulaire (40) et l'autre espacée radiale- ment vers l'extérieur par rapport à la partie arrondie du bord extérieur de la surface d'étanchéité périphéri- que (42), le diaphragme ayant été soudé ensuite aux par- ties arrondies desdits bords, après la formation de la partie concave (50). 4. Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la partie concave (50) a été formée par déformation sans appui en s'enfonçant dans un espace ou- vert *(76) compris entre la plaque-support (14) et le dis- que(16) de transmission de force. 5. Procédé d'assemblage d'un dispositif à diaph- ragme de transmission de pression de fluide du type uti- lisé dans les transducteurs de pression, ce procédé étant caractérisé en ce que: on forme une plaque-support de diaphragme (14) ayant une lèvre périphérique (38) qui fait saillie vers le haut et présente une surface d'étanchéité (40) de forme annulaire qui s'étend radialement; on forme un disque (16) de transmission de force qui présente une surface d'étanchéité périphérique (42) s'étendant radiale- ment; on forme un flan plat (52) mince, de forme annulai- re, fait d'une matière élastique et qui présente une ou- verture centrale (52d) et un bord périphérique (52a); on soude le disque (16) de transmission de force dans l'ou- verture centrale (52d) par une soudure étanche, la sou- dure étant formée entre le flan (52) et la surface d'étan- chéité périphérique (42); on soude le flan (52) sur la plaque-support (14) par une soudure étanche, la soudure étant formée entre le flan (52) et la surface d'étanchéi- té annulaire (42); et après le soudage, on fait agir une pression de fluide sur le flan (52) pour former dans ce flan une partie concave (50) en saillie vers le bas entre les surfaces d'étanchéité (40,42). 6. Procédé suivant la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à arrondir le bord radialement intérieur de la surface d'étanchéité annulaire (40) et le bord radialement exté- rieur de la surface d'étanchéité périphérique (42) avec un rayon d'arrondi compris dans l'intervalle allant de 1,0 à 3,0 fois l'épaisseur (t) du flan(52). 7. Procédé suivant la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à souder le flan (52) aux parties arrondies des surfaces d'étanchéité (40,42) après la formation de la partie con- cave (50). 8. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'opération consistant à mettre le flan (52) en forme provoque une déformation libre du flan au cours de laquelle ce flan s'enfonce dans l'espace ouvert (76) com- pris entre la plaque-support (14) et le disque (16) de transmission de force. 9. Procédé suivant la revendication 5, caractéri- sé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à maintenir le disque (16) à une distance prédéterminée de la plaque support (14) pendant qu'on fait agir la pression de fluide.