Brevet FR2494439A1 — publié le 19820521

Capteur de pression. La présente invention a pour objet de nouveaux capteurs de pression. On connaît déjà des capteurs de pression différentielle ou de pression relative à la pression atsmophérique qui comportent une membrane circulaire déformable ondulée placée a l'intérieur d'un boîtier et encastrée par sa périphérie, de sorte que le boîtier est divisé en deux chambres séparées qui peuvent être portées à des pressions différentes. La différence de pression déforme la membrane et un capteur à jauges d'extensométrie capte les déplacements de la membrane. En général, ces capteurs comportent une lame flexible, sur les deux faces de laquelle sont collées les jauges d'extensométrie, dont une extrémité est encastrée et dont l'autre extrémite est solidaire du centre de la membrane. De tels capteurs sont décrits par exemple dans le brevet FR. 1.501.044 (SIEMENS), dans le brevet US - A - 3.894.435 (S. SHIMADA et Al) et dans le brevet US-A- 3.022.672 (J. DIMEFF et Al). Un objectif de la présente invention est de procurer des capteurs de pression adaptés plus particulierement aux mesures de débits et de pressions respiratoires qui sont des pressions relativement faibles, mais qui peuvent présenter des fronts de montée ou de descente très rapide. Il faut donc que les capteurs utilisés aient une faible inertie pour pouvoir suivre les fronts de variations rapides. Un autre objectif de la présente invention est de procurer des capteurs de pression qui présentent une réponse en fréquence très faible, de telle sorte qu'ils se comportent comme des filtres passebas et éliminent les signaux ayant une fréquence supérieure à un seuil de l'ordre de 20 Hz, qui sont des signaux parasites dans les mesures de pressions et de débits respiratoires. Les capteurs selon l'invention sont du type connu comportant une membrane circulaire déformable et ondulée, dont la périphérie est encastrée dans un boîtier, et des jauges d'extensométrie pour convertir analogiquement en un signal électrique les déformations de ladite membrane lorsque les deux faces de celle-ci sont soumises à une différence de pression. Le terme membrane déformable désigne,de façon générale tout diaphragme mince, en forme de soufflet ondulé ou de capsule manométrique. Les jauges d'extensométrie sont des filaments dont la ré- sistance électrique varie lorsqu'on les étire. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen de capteurs comportant des jauges d'extensométrie qui sont collées sur la membrane, sur le flanc d'une ondulation qui est, de préférence, la première ondulation à partir de la périphérie et les fils de trame des jauges sont dirigés radialement. Avantageusement un capteur selon l'invention comporte des jauges d'extensométrie qui sont collées sur les deux faces de la membrane et qui sont montées dans deux branches adjacentes d'un pont de résistances qui délivre une tension proportionnelle à la différence de pression entre les deux faces de la membrane. Avantageusement, un capteur selon l'invention comporte, sur chaque face de la membrane, plusieurs jauges d'extensométrie disposées symétriquement par rapport à l'axe de la membrane. Selon un mode de réalisation préférentiel, un capteur selon l'invention comporte, sur chaque face de la membrane, quatre jauges d'extensométrie disposées en croix et les jauges diamétralement opposées d'une même face sont placées dans deux branches opposées d'un pont de résistances. Dans ce cas, les jauges d'une face de la membrane sont situées, de préférence, selon les bissectrices des jauges de l'autre face. L'invention a pour résultat de nouveaux capteurs de pression qui sont très simples à construire et à entretenir du fait que la seule pièce en mouvement est la membrane déformable. Les essais qui ont eté faits sur des prototypes ont montré que ces capteurs emettaient une tension parfaitement proportionnelle à la difference de pression. De plus, ces capteurs sont parfaitement symétriques, c'est-à-dire que la valeur absolue du signal est la même pour deux différences de pression de signe contraire et égales. Il est possible de construire des capteurs selon l'invention ayant une gamme de mesure allant de O à 50 mm d'eau ou de 0 à 300 cm d'eau. Les ondes de pression ambiantes dues par exemple à des fermetures ou à des ouvertures de portes ou à des ondes acoustiques sont filtrées par les capteurs selon l'invention, ce qui permet d'éviter des erreurs lorsqu'on procède à des mesures de débits ou de pressions respiratoires avec un appareil portatif dans un environnement agité. Les capteurs selon l'invention,comportant quatre jauges d'extensométrie, placées en croix sur chaque face de la membrane, permettent de répartir les mesures de déformations sur la membrane et d'éviter ainsi des erreurs de mesure qui seraient dues à des déformations non symétriques par rapport à l'axe de la membrane. Les essais réalisés sur des prototypes comportant une membrane en bronze et un boîtier métallique ont montré qu'un capteur selon l'invention pouvait dériver pendant plusieurs heures avant d'atteindre un état d'équilibre. Il a été découvert que ce phénomène était dû à la chaleur dégagée par effet Joule dans les jauges d'extensométrie, qui s évacuait à travers la membrane vers le boîtier. Si l'on encastre la périphérie de la membrane entre des couches d'un isolant thermique, les calories ne peuvent plus se dégager, la membrane s'échauffe régulièrement et l'on atteint rapidement un état d'équilibre. Les variations de temperature de la membrane n influent pas sur les mesures du fait que le capteur comporte des jauges sur ses deux faces qui sont montées en différentiel dans des branches adjacentes du pont. Par contre, il faut que la température soit uniforme sur toute la surface de la membrane et ce résultat est atteint en intercalant des isolants thermiques entre la périphérie de la membrane et le boîtier. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un capteur de pression selon l'invention. La figure 1 représente une coupe axiale du capteur. La figure 2 représente une coupe selon II-II de la figure 1. La figure 3 représente le schéma electrique de montage des jauges dans un pontde résistances. La figure 4 est une coupe partielle à grande échelle de la périphérie de la membrane. La figure 1 représente un capteur de pression selon l'invention qui comporte un boîtier en deux parties la, lb, de forme cylindrique et d'axe x xl. Les deux parties du boîtier sont assemblées par des vis 2 ou par tout autre moyen équivalent. Une membrane déformable et ondulée 3 est encastrée, par sa périphérie, entre les deux moitiés du boîtier. Cette membrane définit avec le boîtier deux chambres 4 et 5, situées de part et d'autre de la membrane. Chaque chambre communique avec un tube, respectivement 4a et 5a, de prise de pression. La différence de pression entre les chambres 4 et 5 entraîne une déformation de la membrane. La membrane 3 est par exemple une membrane mince en bronze ou beryllium, du type utilisé dans les manomètres. Sur les deux faces de la membrane 3 sont collées des jauges d'extensométrie qui sont des jauges résistives à trame pelliculaire. Dans l'exemple preférentiel représenté, quatre jauges Ai, A2, A3, A4, disposées en croix, sont collées sur une des faces de la membrane et quatre autre jauges B1, B2, B3 et B4, disposées également en croix, sont collées sur l'autre face. De plus, comme on le voit sur la figure 1, les jauges B, représentées en pointillés, sont placées suivant les bissectrices des jauges A. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, les jauges A et B sont collées de préférence sur le flanc de la première ondulation, en partant de la périphérie. Toutefois, elles peuvent également etre collées sur le flanc des autres ondulations comme on l'a représente en pointillés en position C ou D sur la figure 4. Une jauge d'extensométrie comporte une grille de fils qui dessinent une grecque qui comporte des fils longs ou fils de trame, dont chaque extrémité est reliée alternativement à chacun des deux fils juxtaposés par des fils de chaîne. Ce sont les fils longs ou fils de trame qui s'étirent et qui changent de résistance. Comme on le voit sur la figure 2, les fils de trame des jauges sont dirigés radialement et ils mesurent donc les déformations radiales de la membrane. La figure 3 montre le montage des jauges dans un pont de résistances, qui est alimenté par une source de courant continu 6 et qui délivre une tension V, proportionnelle à la différence de pression entre les chambres 4 et 5. Les jauges d'une même face, par exemple les jauges Al, A2, A3 et A4, sont placées dans deux branches opposées en diagonale du pont de résistances et les jauges de i'autre face sont placées dans les deux autres branches du pont. Cette disposition présente l'avantage que les déformations de la membrane mesurées en quatre zones réparties sur la membrane, s'additionnent, ce qui permet d'obtenir une déformation moyenne et de remédier à des erreurs qui pourraient provenir d'une déformation de la membrane non symétrique par rapport à l'axe x xl. Bien entendu, on peut utiliser un nombre de jauges différent de celui qui est représenté à titre d'exemple. On colle de préférence, sur chaque face de la membrane, plusieurs jauges symétriques par rapport à l'axe x xl de la membrane par exemple deux jauges diamétralement opposées, ou trois jauges séparées par un écart angulaire de 120 , ou quatre jauges en croix, ou six jauges placées au sommet d'un hexagone. Les déformations mesurées par les jauges de chaque face sont de sens contraire, de sorte que les effets des variations de résistance s'ajoutent dans le pont de résistances. Le fait de décaler angulairement les jauges B d'une face par rapport aux jauges A de l'autre face, permet de mieux répartir les mesures de déformations sur toute la périphérie de la membrane. La figure 4 est une coupe à grande échelle de la periphérie de la membrane 3. On a représenté, en traits pleins, la membrane au repos et en pointillés, la membrane déformée. On voit clairement en A et en B la position préférentielle des jauges qui sont collées sur le flanc de la première ondulation de la membrane en partant de la périphérie. On voit sur la figure 4 que la périphérie de la membrane est encastrée entre deux couches 7 et 8 d'un matériau isolant thermique, par exemple d'une matière plastique, qui évite la transmission de chaleur par conduction de la membrane vers le bottier la, lb. Grâce à cet isolant thermique, au moment de la mise en service du capteur, celui-ci atteint plus rapidement un régime d'équilibre, sans dérive du signal. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression du type comportant une membrane circulaire déformable et ondulée (3), dont la périphérie est encastrée dans un boîtier (la, lb) et des jauges d'extensométrie pour convertir analogiquement en un signal électrique les déformations de ladite membrane lorsque les deux faces de celle-ci sont soumises à une différence de pression, caractérisé en ce que lesdites jauges d'extensométrie (Al, A3) sont collées sur ladite membrane, les fils de trame des jauges étant dirigés radialement. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites jauges d'extensometrie sont collées sur le flanc d'une ondulation. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jauges d'extensométrie sont collées sur le flanc de la première ondulation en partant de la périphérie. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des jauges d'extensométrie (Ai, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4) qui sont collées sur les deux faces de la membrane et qui sont montees dans deux branches adjacentes d'un pont de résistances, qui délivre une tension V proportionnelle à la différence de pression entre les deux faces de la membrane. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte,sur chaque face de la membrane,plusieurs jauges d'extensométrie disposées symétriquement par rapport à l'axe (x xl) de la membrane. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, sur chaque face de la membrane, quatre jauges d'extensométrie disposées en croix, et les jauges d'une même face sont placées dans deux branches opposées dudit pont de résistances. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les jauges d'une face sont situées selon les bissectrices des jauges de l'autre face. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la périphérie de la membrane est encastrée entre deux couches (7, 8) d'un matériau isolant thermique.