Brevet FR2509856A1 — publié le 19830121

La présente invention concerne les capteurs de pression et plus particulièrement les capteurs de pression différentielle comprenant un corps d'épreuve fixé, d'une part sur un bâti et d'autre part sur le bras d'un fléau lui transmettant une force résultant de la différence de pression existant entre deux enceintes distinctes, dont l'une au moins est déformable, et soumises aux pressions dont on veut mesurer la différence. Dans les dispositifs de ce genre les capteurs sont cons- titués d'une structure métallique, le bâti, supportant un fléau articulé qui transmet des contraintes de forces produites par un ou plusieurs éléments déformables tels que soufflet, membranes ou capsules. Pour les capteurs différentiels connus il peut exister un ou plusieurs éléments déformables Dans l'un des éléments déformable ou sur l'une de ces faces est appliquée une pression P Tpar exemple, dans l'autre élément ou sur l'autre face de l'élément déformable une autre pression, PS par exemple. Après étalonnage du système la mesure de pression différentielle est telle que A P = PT Ps' L'ensemble est enfermé dans une enceinte rigide et étanche, dans laquelle il peut y avoir une pression fixe de référence (vide) soit l'une des pressions mentionnées ci-dessus (PT ou PS) En aéronautique PT est une pression totale et PS une pression statique, ces pressions étant fournies par un tube de Pitot. De tels capteurs piézoélectriques fournissent une tension analogique représentative de 4 P Cette tension de sortie pour un grand nombre de modèles de capteurs piézoélectriques est de faibles valeurs ce qui n'autorise pas un grande sensibilité de mesure pour certaines gammes de pression De plus, compte tenu de la tendance actuelle o le traitement de l'information donne la préférence aux calculs numériques, on utilise un corps d'épreuve piezo du type lame vibrante qui délivre directement un signal analogique de forme sinusoïdale dit du "type numérique" Le corps d'épreuve est constitué par une lame taillée dans un monocristal de quartz Pour avoir un coefficient de qualité élevé et conserver des propriétés dynamiques constantes, cette 2 2509856 lame doit fonctionner sous vide, ce qui évite également les effets de la pollution et de la corrosion. L'utilisation d'un tel corps d'épreuve n'est pas compa- tible avec les technologies développées couramment pour les capteurs décrits ci-dessus Le but de l'invention est de réaliser un capteur de pression différentielle utilisant un corps d'épreuve piezo du type lame vibrante avec une seule enceinte déformable pour la mesure de pression Pour cela, le dispositif objet de l'invention se caractérise par le fait que le corps d'épreuve et le fléau sont enfermés sous vide, dans une première enceinte rigide, le fléau étant soumis à l'action d'une force A P résultant de la différence de pression entre la PT qui agit à l'intérieure d'une enceinte souple et Ps qui est la pression à l'intérieur d'une chambre fixe et qui agit sur la face extérieure de l'enceinte de PT La séparation entre la chambre fixe P 5 et la chambre de vide dans laquelle se trouve la lame vibrante est obtenue par l'intermédiaire d'un élément souple assurant l'étanchéité tout en permettant la transmission par le fléau des forces résultant de la mesure de A P sur la lame. Cet élément souple est préférentiellement constitué par un soufflet dont l'effort, résultant de la différence de pression entre vide et PS, est appliqué suivant l'axe longitudinal du soufflet qui est concourant avec l'axe de pivotement de l'arti- culation, pour s'affranchir des erreurs de mode commun. Les dessins annexés illustrent à titre d'exemple un mode de réalisation conforme à la présente invention. La figure 1 est une vue d'ensemble avec coupe partielle. La figure 2 représente le schéma fonctionnel du capteur de pression différentielle représenté figure 1. Les figures 3 et 4 représentent une vue d'ensemble et le schéma fonctionnel d'une variante de réalisation agencée pour compenser les réactions mécaniques du soufflet d'étanchéité. Tel que représenté figure 1, le capteur de pression différentielle comprend essentiellement un bâti rigide 1 sur lequel est fixé le fléau 3 réalisé par usinage dans un bloc d'Ube 2 ou d'acier Des perçages et des fentes ne laissent subsis- ter qu'une mince lame de métal 3 b qui sert d'articulation au fléau proprement dit et fonctionne comme le couteau d'une balance. Des couvercles la, lb délimitent deux enceintes rigides dans le boitier 1 L'enceinte 4 renferme le bloc fléau 3 et le corps d'épreuve 6, ce dernierest constitué par une lame vibrante, taillée par exemple dans un monocristal de quartz. L'Ube 2 a été choisi parce que sa dérive thermique est telle qu'elle compense en partie celle de la lame. L'enceinte 5 renferme l'élément déformable constitué par un soufflet 7, de section utile S, fixé sur le bâti et dont l'extrémité libre 7 a agit sur une tige 8 fixée sur le bi 3 c du fléau. Cette tige transmet la force, résultant des différence de pression PT et P 5 régnant respectivement dans les enceinte 7 et 5 Cette force est appliquée par l'intermédiaire du bras 3 a du fléau sur le corps d'épreuve 6 Pour maintenir constant le coefficient de qualité et s'affranchir des phéno- mènes visco-élastiques sur le corps d'épreuve il est fait un vide très poussé dans l'enceinte 4. L'étanchéité entre les chambres 5 et 4 est réalisée au moyen d'un soufflet 9 de section utile,4 Pour s'affranchir des erreurs de mode commun qui pourraient être engendrées par le petit soufflet, il faut que son axe longitudinal et son point d'encrage sur le fléau soit confondu avec l'axe x de l'articulation 3 b. De plus, pour que la force transmise par le soufflet 7 sur la tige 8 et qui est l'image de la mesure de pressions P ne soit pas erronée, il faut que sa section S soit très grand vis-à-vis de la section du soufflet 9 d'étanchéité et que la raideur du soufflet 9 soit faible par rapport à la raideur de l'articulation 3 b pour ne pas introduire de contraintes para- sites sur le corps d'épreuve 6. La fréquence de battement du quartz du corps d'épreuve est fonction du taux de contrainte auquel il est soumis par l'intermédiaire du fléau et du soufflet de mesure 7 C'est cette fréquence qui constitue l'information de sortie dite numérique du capteur Cette fréquence est entretenue et détec par le principe physique de la piézoélectricité par des élec- trodes métallisées réalisées sur le corps d'épreuve soit par évaporation sous vide avec caches sélectifs, soit par évaporation sous vide-avec caches sélectifs, soit par pluvé- risation cathodique d'une découpe par exemple au laser. L'équation d'équilibre des forces, tel que représenté figure 2, peut s'écrire: -PT S a -?Ps S a -t ? T P 1 F zl? - ou À est le facteur de sensibilité du capteur. S Si e n'est pas nul, le couple parasite devient: ESÀd e dt I Zrreur JurF est Cette erreur sera d'autant plus faible que: voisin de zéro a très grand devant s très petit vis-à-vis de S. Exemple d'application numérique: Avec Ps (max) = 1100 mb PT (max) = 1500 mb S = 0,03 cm 2 S = 1 cm 2 29 Caex) = 0,0005 cm a = 1 cm l'erreur maxi sera de 1,65 10-2 mb soit 1,1 105 de l'étendue de mesure (E M) pour EM = 1500 mb -P _ ? S'ci 'a ú T $ S cg = F- b S." 2 _P, P, ( 4 A e) S 4 2509856 Si l'alignement des axes soufflet 9 et axe articulation du fléau n'est pas bon, la contrainte due au soufflet 9 n'est alors pas entièrement absorbée par l'articulation 3 b du fléau et un couple parasite peut apparaître De plus, ce couple n'est pas constant car il dépend des caractéristiques mécaniques et des variations de surface effective du soufflet 9 suivant la valeur de la pression existant dans la chambre 5. Pour remédier à ce défaut et améliorer encore la sensi- bilité de ce type de capteur, on monte en opposition un second soufflet 9 ' dont les caractéristiques sont le plus possible identiques à celles du soufflet 9 Pour ce faire, figure 3, le fléau 3, dont le bras 3 a est toujours fixé sur l'une des extrémités du corps d'épreuve 6, a son bras 3 c coudé à angle droit C'est sur une face de cette partie coudée 3 d que s'appuie le soufflet 9, tandis que le soufflet compensateur 9 ' s'appuie sur l'autre face. Un trou 31 est prévu dans le coude 3 d pour permettre à la pression régnant dans la chambre 5 de s'établir uniformément dans les deux soufflets. Ainsi les deux soufflets étant disposés de part et d'autre du bras 3 d, entre deux points fixes 11 et 12 du bâti 1, leurs anomalies et leurs contraintes se compensent. La raideur de ces soufflets est faible par rapport à la raideur de l'articulation 3 b du fléau pour ne pas introduire de contraintes parasites au niveau du corps d'épreuve. Le rapport entre la surface effective des soufflets 9, 9 ' et la surface effective du soufflet de mesure 7 est grand afin que leur influence sur la transmission de la force F soit négli- geable. D'autre part, pour réduire au maximum les erreurs de mode commun, l'axe longitudinal des soufflets 9, 9 ' et leur point d'encrage sur le fléau sont alignés avec l'axe X de l'articula- tion du fléau Des masses d'équilibrage statique 38 situées sur les axes X et Y permettent de ramener le centre de gravité de l'équipage mobile sur l'axe Z de l'articulation du fléau qui est aussi l'axe de pivotement Suivant l'axe X, l'équilibrage se fait cbté soufflet de mesure. 6 2509856 En considérant le fléau isolé, l'équation d'équilibre des forces peut s'écrire, d'après la figure 4: PTS' -s +,-- s A'2 ' r 9 _-S S '5 (,4 ? d S-;'' _ F h 4 4 I'.rer C o, 4 P _: f S 5 ': '$P,/ '_,'' 5 Pour que "soit petit il faut: 1 4 = -' 2 ' 2 4 O'g'très petit devant S 3 A =,'par le choix des soufflets 4 E = l F et Freprésentant les erreurs d'alignement des axes de chacun des soufflets par rapport à l'axe X de l'articulation du fléau, e = úpeut s'obtenir par un usinage très précis des pièces ou par un dispositif de réglage des points C et D permettant de les faire coïncider. A titre d'exemple, pour une pression P 2 de 1500 mb (maxi) et Pl = 1100 mb (maxi) avec: 2 =,o cr S v, oo 3 úr, ooo o e"-S q = _ c, l'erreur sur 4 Pest de: gallao e 03 y S' /O 4035 d- "-= lido 30 o,003 I 514 6 "= 1100 >, O,06003 x '0 o,o 33,,CJ, O ?t 3 pc On peut améliorer les performances du capteur avec un réglage permettant de faire coïncider C et D pour obtenir: ú=ú' Dans ce cas soit une erreur très faible de l'ordre de Ig 46, S /O m à Le dispositif selon l'invention permet de réaliser des capteurs de pression et plus particulièrement des capteui de pression différentielle d'une très grande précision et sensibilité, délivrant une information sous forme numérique ce qui est très favorable à leur utilisation dans le domaine l'Aéronautique. 8 2509856 REVENDICATIONS 1 Capteur de pression différentielle comprenant un corps d'épreuve, fixé d'une part sur un bâti fixe et d'autre part sur l'un des bras d'un fléau lui transmettant une force résultant de la différence de pression existant entre deux en- ceintes distinctes dont l'une au moins est déformable, caractérisé en ce que le corps d'épreuve et le fléau sont dispo- sés dans une première enceinte rigide, sous vide, le fléau étant soumis à l'action d'une force, résultant de la déformation d'une enceinte souple soumise à la pression PT disposée dans une seconde enceinte rigide soumise à la pression P, par l'intermédiaire d'un élément-d'étanchéité souple. 2 Capteur de pression, selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément vibrant est constitué par une lame taillée ( 6) dans un monocristal de quartz. 3 Capteur de pression, selon revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément souple est un soufflet étanche ( 9) dont la section (s) est très faible vis-à-vis de la section (S) de l'enceinte souple ( 7) soumise à la pression (P T)- 4 Capteur de pression, selon revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'axe de la tige 8 passe par l'axe d'articulation du fléau afin que l'effort résultant du soufflet 9 n'engendre pas de couple parasite sur le corps d'épreuve. Capteur de pression, selon revendications 1 à 3,, caractérisé par le fait que le fléau ( 3) est taillé dans un bloc d'U Be 2 dont la dérive thermique compense celle de la lame de quartz ( 6). 6 Capteur de pression, selon revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour compenser les variations de contraintes mécaniques propres au soufflet d'étanchéité ( 9), un second soufflet, mécaniquement identique et soumis à la même pression que le soufflet d'étanchéité, est monté en opposition avec celui-ci. 7 Capteur de pression différentielle, selon revendication 5, caractérisé en ce que le fléau présente un bras ( 3 d) coudé à 90 , du côté de son articulation ( 3 b) et sur lequel les deux soufflets ( 9,9 ') viennent prendre appui de part et d'autre.