Brevet FR2504265A1 — publié le 19821022

Dispositif de mesure de la pression d'un gaz La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de la pression d'un gaz, ce dernier terme devant être interprété de façon large et comme désignant non seulement un gaz proprement dit, mais également une vapeur. I1 existe de très nombreux dispositifs de mesure de la pression d'un fluide, utilisant des phénomènes très divers. On peut notamment citer les manomètres à colonne de liquide, les manomètres à compression (tels que la jauge de Mac Leod), les manomètres mécaniques à déformation d'un organe (appareils BOURDON par exemple), ainsi que les appareils qui dérivent des précédents par mise en oeuvre d'une détection électrique de déformation. Tous ces dispositifs connus présentent divers inconvénients et diverses limitations d'emploi, en particulier l'une au moins des suivantes : ils ne fournissent pas de réponse sous forme d'un signal électrique, ils requièrent une référence de pression, leur utilisation est peu commode lorsqu'ils doivent être précis, ils manquent de stabilité, ou encore ils exigent une électronique complexe. La présente invention vise à fournir un dispositif de mesure de pression répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est de constitution simple et réalisable à prix modéré, fournit une réponse sous forme de signal électrique et est capable de fonctionner dans une large plage de pressions avec une sensibilité qui est élevée dans l'en- semble de la plage. Dans ce but, l'invention propose un dispositif de mesure caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux résonateurs mécaniques présentant des parois respectives susceptibles de vibrer à la même fréquence de résonance, disposés face à face et à faible distance de façon que leur couplage prépondérant soit assuré par le gaz qui les sépare, des moyens pour entretenir la résonance d'un des résonateurs, et des moyens reliés à autre résonateur et fournissant un signal électrique fonction de l'amplitude des oscillations de ce dernier. La sensibilité du dispositif sera notamment fonc tion de la distance entre les parois en regard, qui sera toutefois toujours faible, typiquement entre 10 p et 1 cm. Le terme "résonateur" est utilisé ici pour désigner un organe présentant une surtension (rapport entre la fréquence de résonance et la largeur en fréquence de la courbe de réponse à mi-hauteur) élevée, typiquement supérieure à 10. En fait, cette surtension dépassera fréquemment 10 000. Les résonateurs peuvent être de types très divers. Ils peuvent être à vibrations transversales ou longitudinales. En général, ils mettront en oeuvre un phénomène de magnétostriction ou un phénomène de piézoélectricité. En effet, ces résonateurs sont ceux qui offrent simplement le meilleur rendement de transfert d'énergie parmi les résonateurs électromécaniques actuellement connus. On voit que le dispositif suivant l'invention se différencie également de façon fondamentale des dispositifs antérieurs visant à déterminer un paramètre d'un gaz, tel que sa viscosité, et mettant en oeuvre des phénomènes de résonance. Parmi ces derniers, on peut citer les appareils de mesure de viscosité utilisant la mesure du décrément de l'oscillation d'une fibre vibrante excitée à la résonance. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe montrant les systèmes excitateur et détecteur d'un premier dispositif, ainsi que, en coupe, le capteur de ce dispositif - la Figure 2 est un schéma à grande échelle montrant un détail du capteur de la figure 1 - la Figure 3 montre l'allure de la courbe représentative de l'amortissement du capteur en fonction de la distance qui sépare les résonateurs, à pression de gaz et fréquence d'excitation fixes - la Figure 4 montre un réseau de courbes correspondant à des pressions de gaz différentes et représentant chacune la variation de l'affaiblissement A en fonction de la fréquence f des résonateurs - la Figure 5 est un schéma à grande échelle montrant une variante de la figure 1 - la Figure 6 montre schématiquement un dispositif constituant un autre mode de réalisation de l'invention ; - les Figures 7 et 8 sont respectivement un schéma en perspective d'un capteur et un schéma électrique d'un dispositif incorporant ce capteur et constituant un autre mode encore de réalisation de l'invention ;; - les Figures 9 et 10 montrent schématiquement deux dispositifs constituant deux autres variantes encore - la Figure Il est un schéma faisant apparaître le mode de vibration des résonateurs du dispositif de la figure 10 ; - les Figures 12 et 13 sont des schémas montrant respectivement une autre variante encore et le mode de vibration qu'elle implique. Dans tous les modes de réalisation qui seront maintenant décrits, le dispositif suivant l'invention peut être regardé comme comportant un capteur à résonateurs couplés 10, un système excitateur 11 et un système détecteur 12 muni de moyens de visualisation directe ou indirecte. Le système excitateur 11 est prévu pour exciter ou entretenir la vibration d'un des résonateurs 14 ; lesystème détecteur 12 est associé à l'autre résonateur 15 dont il fournit une mesure de l'amplitude de vibration, fonction du couplage par le gaz qui occupe au moins une fraction de l'espace séparant deux parois ou faces en regard des résonateurs et donc fonction de la pression de ce gaz. Chaque résonateur est en un ou plusieurs matériaux choisis en tenant compte des impératifs particuliers à respecter pour une application donnée, par exemple - stabilité de la fréquence de résonance en fonction de la température et du temps, - surtension élevée, - résistance chimique ou physique au gaz à mesurer. En règle générale, on choisira le mode de vibration et la géométrie des résonateurs pour rendre maximal le transfert d'énergie entre gaz et résonateurs. Les résonateurs 14 et 15 sont prévus pour que l'énergie communiquée au gaz par le résonateur 14 excite efficacement une résonance du résonateur 15. Dans la pratique, on donnera aux résonateurs 14 et 15 la même fréquence de résonance, cette condition pouvant généralement n'être respectée qu'à quelques pour cent près. Dans ce cas, on verra par la suite que la sensibilité peut rester sensiblement constante sur une plage relativement large de fréquence si l'on a soin de réaliser une adaptation d'impédances. La résonance du résonateur 14 sera avantageusement excitée ou entretenue par un des effets électromécaniques qui assurent simplement le meilleur rendement, c'est-àdire les effets piézoélectrique, électrostrictif et piézomagnétique. Dans ce cas, une fraction au moins du résonateur comportera un matériau présentant cet effet. A titre d'exemple, lorsque le résonateur est à excitation piézoélectrique, on aura avantage à le constituer, en totalité ou en partie, d'un solide présentant l'effet piézoélectrique, tel que quartz, tantalate de lithium, niobate de lithium ou céramique piézoélectrique. Ce solide sera muni d'électrodes permettant d'exciter une des résonances par un courant électrique à fréquence appropriée. La détection de l'amplitude de vibration du résonateur utilisera fréquemment les mêmes effets. On peut alors constituer le résonateur 15 de la même façon que le résonateur 14 dans un capteur donné. Mais on peut également détecter la vibration du résonateur 15 par d'autres effets, par exemple par variation de capacité ou d'induction ou même optiquement, par interférométrie par exemple. Les systèmes 11 et 12 peuvent avoir une constitution très simple. Le système 11 est par exemple constitué par un oscillateur 16 à la fréquence voulue, attaquant le résonateur 14 par l'intermédiaire d'une impédance d'adaptation 17. Le système 12 peut comporter un amplificateur 18 de gain élevé, shunté par une impédance d'adaptation 19 et attaquant un afficheur 20 qui peut être précédé d'un cir cuit fournissant le rapport des signaux excitateur et détecté si le niveau de sortie de ce dernier n'est pas stabilisé. Le mode de réalisation illustré en figure 1 utilise un capteur 10 dont les résonateurs sont à vibration transversale (flexion de disque). Ce capteur 10 comporte une enceinte 13 occupée par le gaz dont la pression est à mesurer, enceinte munie de conduits équipés éventuellement de vannes permettant de confiner ou de faire circuler le gaz. Les résonateurs 14 et 15 montrés en figure 1 sont identiques et utilisent l'effet piézoélectrique. Le résonateur 14 par exemple est constitué d'un disque 21 de céramique piézoélectrique relié mécaniquement et électriquement à un disque 22 d'alliage métallique, tel que l'alliage "Durinval C" des Aciéries d'Imphy, de diamètre plus important. Grâce à un choix approprié de la céramique et à un traitement thermique de l-talliage, on peut réduire la dérive thermique en fréquence des résonateurs à une valeur très faible, de quelques 10 6/oC. La solidarisation peut s'effectuer par collage ou soudure. Le disque 22 est mis au potentiel de la masse. Les électrodes d'excitation des résonateurs sont constituées de couches métalliques minces déposées sur la face du disque 21, Une de ces électrodes est en contact avec le disque métallique. L'autre électrode 23 est reliée par un conducteur fin et souple au système d'excitation 11. Le résonateur est relié à un support 24 par des moyens évitant tout couplage avec l'autre résonateur 15 par transmission d'énergie vibratoire dans ce solide. Sur la figure 1, ces moyens sont constitués par des tiges 29 fixées au disque 22 en des points répartis le long d'un cercle nodal de celui-ci. L'extrémité des tiges 29 opposée au résonateur 14 est fixée au support 24, éventuellement par l'intermédiaire de tampons amortisseurs 26, par exemple en polytétrafluoréthylène. Ce mode de fixation maintient constante la distance qui sépare les résonateurs, si on constitue les tiges en matériau à faible coefficient de dilatation. Le résonateur 15 peut avoir la même constitution que le résonateur 14. On voit que tous deux vibrent en mode de flexion de disque. La fréquence d'excitation est choisie pour correspondre à celui de ces modes qui est le plus bas en fréquence. Les connexions électriques nécessaires sont constituées, d'une part, par le support 24 porté à la masse et, d'au-tre part, par les fils reliés aux systèmes 11 et 12, qui sortent du boîtier 13 par des traversées coaxiales étanches. Le couplage capacitif entre les résonateurs est évité en mettant face à face les faces électriquement reliées à la masse. La distance qui sépare les résonateurs peut difficilement être rendue inférieure à 10 p. En fait, on utilisera une distance qui dépend de la plage de pressions à mesurer. Lorsque cette pression est du même ordre que la pression atmosphérique, on pourra utiliser une valeur allant de 0,1 mm à quelques mm. La fréquence pourra atteindre quelques MHz mais, dans la pratique, il sera généralement avantageux d'utiliser une fréquence comprise entre 2 kHz et 50 kHz qui conduit à des dimensions pratiques pour le capteur, son volume étant alors de 1 à quelques cm3. L'influence de la distance d entre les résonateurs sur l'atténuation, donnée par le logarithme du rapport entre la tension d'excitation Ve et la tension de sortie Vs, apparaît sur la figure 3. La figure 4, correspondant à un exemple particulier, montre de son côté que l'atténuation reste sensiblement constante dans une plage de fréquences relativement large, ce qui écarte la nécessité d'une stabilisation précise de la fréquence d'excitation. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, le résonateur 14 est excité par un système 11 comportant un générateur de tension alternative à niveau bas et constant, à travers une résistance 17 qui permet d'obtenir une courbe de réponse relativement plate. Le niveau est choisi pour que les contraintes données au disque 21 soient très inférieures à la valeur de rupture. La tension alternative d'attaque est alors typiquement comprise entre 1 et 10 Volts. Le résonateur 15 est de son côté relié au système 12 dont la résistance d'entrée 19 a, dans cet exemple de réalisation, une valeur de l'ordre de 100 kolmi. L'amplificateur opérationnel 18, dont le gain est typiquement compris entre 1000 et 100 000, fait passer la puissance de sortie d'une valeur qui est typiquement de l'ordre de 10 5 Watts à la valeur néces- saire pour attaquer un appareil 20 d'affichage de pression. A titre d'exemple de réalisation, on peut indiquer qu'un appareil prévu pour mesurer les pressions dans une plage contenant la pression atmosphérique avait deux disques de céramique piézoélectrique de 16 mm de diamètre et de 0,5 mm d'épaisseur, solidarisés de disques d'alliage de 25,4 mm de diamètre et de 0,5 mm environ d'épaisseur. La fréquence de résonance du mode utilisé était de 7,9 kHz et la plage d'atténuation constante était de l'ordre de 300 Hz (Fig. 4). Pour une excitation de 1 Volt aux bornes du résonateur 14, on a obtenu, aux bornes du résonateur 15, une tension de l'ordre de quelques 100 mVolts à la pression atmosphérique, quelques 10 mVolts vers 50 torrs et quelques mVolts pour quelques torrs. La variation de la tension de sortie en fonction de la pression était pratiquement linéaire sur une plage importante de pression. On réalise ainsi un manomètre utilisant un capteur possédant la réponse électrique d'un filtre à deux résonateurs électriques couplés qui permet de couvrir une gamme de pressions importantes sans commutation de capteur, sur 6 décades environ. La reproductibilité et la précision peuvent être élevées et la réponse est facilement rendue peu sensible aux variations de la température ambiante. Le capteur peut être prévu pour fonctionner à des températures soit très basses, soit très élevées. Si on utilise des résonateurs mettant en jeu la piézoélectricité ou la magnétostriction, le capteur est simple, peu coûteux et réalisable sous un faible volume. Sa sensibilité en excitation ou en détection est élevée. Le temps de réponse est très faible. Aucune pression de référence n'est nécessaire. Les caractéristiques sont aisément modifiables par adaptation de la géométrie et/ou des modes de vibration du capteur. L'invention est susceptible de très nombreuses variantes de réalisation. Par exemple, le capteur de la figure 2 peut être modifié pour permettre d'ajuster la distance d entre les résonateurs. Dans le cas illustré en figure 5, la position du résonateur 15a est réglable à l'aide de tiges filetées 27 en appui sur le disque d'alliage et réglable dans le support 24a. Des tiges entretoises 27a de longueur correspondant à la distance à maintenir doivent alors être placées entre les résonateurs 14 et 15. Dans le mode de réalisation représenté en figure 6 (où les organes correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence), le capteur comprend deux résonateurs 14 et 15 qui vibrent en mode de flexion de barreau. Ces deux barreaux, situés à faible distance l'un de l'autre, sont couplés par le gaz à mesurer qui est contenu dans une enceinte non représentée. Chaque barreau, dont la dimension est par exemple de 30 x 0,6 x S mm environ, peut être porté par deux tiges 30 soudées sur un support 31 et reliées au barreau correspondant dans des zones nodales de celui-ci. Le support 31 peut être constitué par une carte de circuits imprimés portant une plage de liaison à la masse 32 et des pistes, telles que 33, de raccordement aux systèmes 11 et 12.Chaque résonateur peut être de type bimorphe à céramique piézoélectrique comportant deux plaques de céramique piézoélectrique 22 et 21 solidarisées par l'une de leurs faces. Les deux faces extérieures opposées, métallisées, constituent des électrodes. Les polarisations des lames sont opposées de façon que, lors de l'excitation par un champ alternatif du à l'application d'une tension sur les électrodes extérieures, on obtienne une vibration en flexion, schématisée en tirets sur la figure 6. Dans le mode de réalisation montré en figures 7 et 8, le capteur comprend deux résonateurs à quartz dont la constitution est classique, fréquemment utilisés pour des fréouences allant de quelques kHz à 50 kHz environ. Le mode de vibration de ces capteurs est la flexion longueurlargeur. Le couplage est assuré par la tranche. Chaque résonateur porte deux demi-électrodes supérieures et deux demi-électrodes inférieures reliées à des tiges support comme indiqué schématiquement sur la figure 8. L'avantage de ce type de capteurs est de donner une surtension élevée, de quelques 1Q4, et d'avoir une bonne insensibilité aux effets de la température. La même géométrie peut être utilisée en adoptant, comme matériau piézoélectrique, du tantalate de lithium au lieu de quartz. Les résonateurs peuvent être prévus pour vibrer en des modes autres que de flexion. A titre d'exemple, la figure 9 montre un capteur 10 comportant deux résonateurs 14 et 15 constitués chacun par un disque de matériau piézoélectrique (par exemple céramique piézoélectrique ou bien de niobate de lithium 35 fixé entre deux blocs d'alliage métallique). Chaque résonateur 14 ou 15 est fixé à un support non représenté par au moins deux tiges 40 solidarisées du disque 35. Le couplage s'effectue alors en bout, le résonateur pouvant avoir une section droite quelconque, par exemple cylindrique comme indiqué sur la figure 9. Le dispositif de la figure 9 peut également être constitué de réso-nateurs se limitant à un barreau de matériau piézoélectrique dont les deux faces opposées sont métallisées.L'une des faces est mise à la masse, tandis que l'autre est reliée au système 11 ou 12. Dans le mode de réalisation montré en figure 10, les résonateurs sont d'un type vibrant en mode de cisaillement plan. Les résonateurs 14 et 15 sont par exemple constitués de plaques de matériau piézoélectrique, tel que le quartz, revêtues sur deux faces opposées de couches métalliques 41 constituant électrode. Les déformations de chaque plaque sont alors du type représenté, sous forme très accentuée, sur la figure 11. Dans le mode de réalisation montré en figure 12, où les organes correspondant à ceux des figures 1 et 2 portent le même numéro de référence affecté de l'indice b, les résonateurs sont des disques composites métal céramique, vibrant en mode de flexion de disques encastrés à leur péri phérie. Les vibrations sont induites par les plaques de céramique piézoélectrique 21b soudées sur les disques métalliques 22b. Les déformations du mode de vibration le plus bas en fréquence sont indiquées schématiquement sur la figure 13. Cette variante est susceptible d'une réalisation particulièrement compacte et est peu sensible aux vibrations ambiantes. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu qu'elle s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. Revendications 1. Dispositif de mesure de la pression d'un ga, caractérisé en ce qu il comprend au moins deux résonateurs mécaniques (14,15) présentant des parois respectives susceptibles de vibrer à la même fréquence de résonance, disposés face à face et à faible distance de façon à présenter un couplage prépondérant par le gaz, des moyens (11) pour exciter la résonance d'un des résonateurs et des moyens (12) reliés à l'autre résonateur et fournissant un signal électrique fonction de l'amplitude des oscillations de ce dernier. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs (14,15) sont d'un type à vibration transversale (en flexion ou cisaillement d'épaisseur). 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs (14,15) sont d'un type à vibration longitudinale, imposant des oscillations de compression et d'expansion au gaz. 4. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que chacun des résonateurs présente une surtension d'au moins 10. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que celui au moins des résonateurs qui est associé aux moyens d'excitation (11) est à effet magnétostrictif, piézoélectrique ou piézomagnétique. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la distance entre les parois est comprise entre 10 pm et 1 c; 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que la fréquence de résonance est comprise entre 1 kHz et quelques Miiz. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que celui au moins des résonateurs qui est associé aux moyens d'excitation (11) comprend une piece d'alliage métallique reliée à la masse, dont est solidarisée électriquement et mécaniquement l'une des électrodes terminales dont est muni un disque ou une plaque de matériau piézoélectrique, dont l'autre électrode est reliée auxdits moyens. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ladite pièce est portée par des moyens, tels que des tires, fixés à la pièce en des points répartis le long de la ligne nodale. 10. Dispositif suivant l'une quelconqlle des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les résonateurs sont portés par un même support, par l'intermédiaire de moyens évitant tout couplage mécanique appréciable entre les résonateurs à travers le support (24).