Brevet FR2514128A1 — publié le 19830408

Pont pneumatique de mesure La présente invention concerne le domaine de la mesure par voie pneumatique et elle a pour objet un pont pneumatique de mesure d'un paramètre représentatif de l'état d'un élément de pont influant sur les caractéristiques d'un gaz dans cet élément. L'invention vise notamment à fournir un tel pont permettant de mesurer des paramètres très divers, notam- ment la différence de température entre le gaz occupant une enceinte de travail et le même gaz occupant une enceinte de référence, la différence de pression du gaz contenu dans une enceinte de travail et une enceinte de référence, et les forces tendant à déformer une enceinte de travail contenant le gaz et donc à modifier la pression du gaz dans cette enceinte. Dans ce but, l'invention propose un pont pneumatique de mesure qui comprend deux branches constituées chacune par une enceinte et par un organe imposant au gaz qui le traverse une perte de charge, qui varie avantageusement suivant une fonction sensiblement linéaire du débit; une alimentation pneumatique alimentant les deux branches en parallèle, à partir des organes de perte de charge;et imposant aux branches un débit périodique alternatif; et un débitmètre de mesure du débit passant par une conduite reliant les enceintes. Le débit qui traverse le débitmètre doit être suffisamment faible pour ne pas perturber notablement les conditions qui règnent dans les enceintes. Dans ce but, on peut notamment utiliser un microdébitmètre du type décrit dans la demande de brevet FR nO 2 308 090 de l'organisme demandeur, à laquelle on pourra se reporter. Un tel microdébitmètre a le double avantage de pouvoir détecter et mesurer de très faibles débits et de fournir une réponse quasi linéaire. Un pont pneumatique du genre défini ci-dessus permet non seulement d'effectuer des mesures portant sur un de ses éléments constitutifs (mesures qui peuvent être absolues ou différentielles), mais aussi de fournir un signal de sortie représentatif d'une fonction de plusieurs paramètres. Une-analyse du fonctionnement du pont montre en effet que le signal de sortie s du microdébitmètre peut être représenté par une fonction du genre s ~ Ap(adR/R + ss Dans cette formule, A désigne l'amplitude des variations. de débit, p la pression d'alimentation pneumatique, R et bR les composantes continue et variable de la perte de charge,C et dC un paramètre représentatif de l'état des enceintes et ses variations, a et ss des coefficients de proportionnalité. On voit que le pont constitue ainsi un véritable organe de calcul permettant d'effectuer une opération d'addition des effets de deux paramètres concernant l'un les enceintes, l'autre les organes de perte de charge. Il peut également effectuer une opération de multiplication prenant en compte les effets de deux paramètres intéressant l'un les branches, l'autre l'alimentation. Dans une application particulière de l'invention, le pont est destiné à mesurer la différence entre la température de l'une des enceintes, qui constitue enceinte de référence à température constante, et l'autre enceinte conçue de façon à être en équilibre de température avec le gaz qu'elle contient. Dans ce cas, l'enceinte de référence et les organes de perte de charge sont avantageusement maintenus à la même température, éventuellement par un circuit thermostatique commun. Dans une autre application de l'invention, on maintient les deux enceintes dans le même état et on mesure les différences de température entre un des organes de perte de charge, à température constante, et l'autre organe de perte de charge qui joue le role de capteur de température.Dans ce cas, les variations de la viscosité du gaz en fonction de la température dans l'organe de perte de charge permettront d'obtenir un signal de sortie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention et d'une variante, 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 faisant apparaitre les composants essentiels d'un pont suivant l'invention - la figure 2 est un schéma montrant la constitution d'un pont pneumatique de mesure suivant un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 3 montre une fraction d'un pont pneumatique suivant un second mode de réalisation, appartenant à une installation de mesure de température. Dans sa constitution de principe montrée en figure 1, le pont pneumatique de mesure comprend deux branches dont chacune comporte1 en série, un organe de perte de charge 37 ou38 et une enceinte 14 ou 12. En général, les deux enceintes seront pratiquement identiques, notamment du point de vue forme et volume, ainsi que les organes de perte de charge prévus pour que l'écoulement du gaz y soit laminaire. Les deux branches sont alimentées, en parallèle et de façon identique, par des moyens d'alimentation 33 qui font passer, dans les parties terminales des branches, un débit périodique alternatif, de forme approximativement sinusodale. Les moyens d'alimentation 33 ont été représentés munis d'une entrée 32 permettant d'ajuster la pression p qui règne dans le pont. Entre les enceintes 12 et 14, ou entre les conduites 40 et 41 qui les relient aux organes de perte de charge 38 et 37, est placée une conduite de communication sur laquelle est interposé un microdébitmètre 43 qui fournit un signal de sortie s. Ce microdébitmètre est d'un type parcouru en fonctionnement par un débit suffisamment faible pour ne pas modifier -sensiblement la pression qui règne dans les enceintes 12 et 14. Lorsque, par exemple, le pont est destiné à suivre les variations de température imposées par l'enceinte 12 au gaz qu'elle contient, l'ensemble de l'enceinte 14 et des organes de perte de charge 37 et 38 peut être maintenus à température constante à l'aide d'un même thermostat 39. On peut toutefois aussi bien utiliser deux thermostats différents, l'un pour maintenir l'enceinte 14 à température constante, l'autre pour maintenir les organes de perte de charge 37 et 38 à la même température. Le pont pneumatique montré en figure 2, où les organes correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, constitue un mode particulier de réalisation destiné à effectuer une mesure différentielle entre les enceintes 12 et 14, occupées par un même gaz que l'on supposera etre de l'air. Le pont de mesure comprend une -alimentation en gaz des enceintes 12 et 14, sous un débit périodique alternatif-. Dans le mode de réalisation montré en figure 2, ce débit est créé par dilatation thermique pulsée. Les -moyens de pulsation thermique comportent un réservoir33 qui communique avec le pont et dans lequel est placée une résistance chauffante 34 associée à une alimentation électrique 35 fournissant des creneaux de courant. Un ventilateur -36 à fonctionnement permanent, placé dans le réservoir 33 à proximité de la sortie de celui-ci, maintient un écoulement d'air permanent sur la résistance 34 de façon à provoquer des variations de pression périodiques alternatives, qui sont en pratique approximativement sinusoEdales. Le pont pneumatique proprement dit comporte deux éléments de perte de charge 37 et 38 alimentés en parallèle par le réservoir 33 et respectivement placés en série avec les enceintes 12 et 14. Ces éléments de perte de charge doivent être de dimensions telles que l'écoulement y soit capillaire et donc que la perte de charge soit une fonction sensiblement linéaire de la vitesse moyenne de l'écoulement. Dans ce but, on peut constituer les éléments de pérte de charge par des blocs percés de plusieurs conduits en parallèle, de diamètre tel que l'écoulement y soit laminaire pour le gaz considéré et les vitesses de circulation lors du fonctionnement. Dans le cas illustré en figure 2, où les moyens de pulsation utilisent une source thermique, la fréquence des oscillations pourra difficilement être d'un ordre de grandeur supérieur à l'Hertz, du fait de l'inertie de la résistance 34. Dans ce cas, on pourra constituer les éléments de perte de charge par des barreaux ayant une longueur de l'ordre du centimètre et percés de quelques trous de 0,2 mm de diamètre. Pour que les pertes de charge subies par le gaz à la traversée des éléments 37 et 38 soient bien déterminées et constantes, la température de ces éléments et du gaz qui les traverse doit etre également constante. Dans ce but, les éléments 37 et 38 sont placés dans une enceinte 39 occupée par un liquide dont la température est maintenue constante, par exemple par un circuit thermostatique comprenant une pompe 18 et un thermostat 19. Une telle disposition permet d'obtenir une surpression moyenne de l'ordre du tiers de la pression atmosphérique, avec une modulation de pression dont l'amplitude est de quelques dizaines de mbars. Les éléments de perte de charge 37 et 38 sont avantageusement aussi identiques que possible. De même, il sera généralement préférable de donner aux enceintes 12 et 14 le même volume. Dans ces conditions, les tubulures 40 et 41 qui relient les éléments de perte de charge aux enceintes sont à la meme pression lorsqu'aucun déséquilibre n'intervient entre les branches du pont. Un microdébitmètre 43 est placé sur une conduite 42 qui relie les points des deux branches situés, dans chaque branche, entre l'élément de perte de charge 40 ou 41 et l'enceinte 12 ou 14. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, ce microdébitmètre est du type décrit dans le brevet FR 2 308 090. Ce microdébitmètre permet de mesurer le débit qui parcourt la conduite 42, débit qui peut etre suffisamment faible pour ne pas modifier de façon appréciable -la pression différentielle entre les deux enceintes. Le microdébitmètre comporte un capteur 44 dans lequel est ménagée une chambre 45 interposée sur la conduite 42. Dans cette chambre est placé un élément thermorésistant 46 de faible épaisseur, qui sera généralement un fil, placé dans un pont de mesure électrique 47. Le pont 47 est alimenté par un circuit 48 en impulsions électriques de chauffage. A l'écoulement continu dans la conduite 42 et la chambre 45, est superposé un écoulement alternatif, à une fréquence qui est supérieure d'au moins deux ordres de grandeur à la fréquence des pulsations de pression fournies par le réservoir 33 aux éléments 37 et 38. Ces oscillations de pression peuvent être réalisées par une membrane 49, dont la constitution peut être celle d'une membrane deïhaut-parleur, excitée par une bobine à fréquence constante. On peut aisément donner à la bobine une fréquence de vibration de l'ordre de 2000 Hz, qui est satisfaisante du point de vue du rapport avec la fréquence des pulsations thermiques d'alimentation du pont pneumatique et du fonctionnement de la partie électrique du microdébitmètre 43. Le microdébitmètre 43, dont on pourra trouver une description complète dans le brevet FR 2 308 090, comporte, en plus du pont de'*'eatstcne 47 formant séparateur et de l'alimentation 48, une chine d'excitation de la membrane et de détection synchrone. La channe d'excitation et de détection comporte un bloc oscillateur 50, formant base de temps, qui fournit un signal sinusoïdal d'excitation de la membrane sur une première sortie et un signal carré de synchronisation, ayant la même fréquence et la meme phase que le premier, sur une seconde sortie. Le signal de déséquilibre du pont 47, porté à un niveau suffisant pour le mémoriser par un amplificateur non représenté, attaque deux blocs mémoires 52 et 53. Un bloc de déphasage 51 fournit, en réponse à chaque créneau du signal carré provenant de l'oscillateur 50, deux impulsions successives qui commandent l'une la mémoire 52, l'autre la mémoire 53.Ces impulsions sont émises avec un déphasage d1une-demi période, pour provoquer l'une la mémorisation du signal correspondant à une vitesse maximale de balayage de l'élément thermorésistant, l'autre à une vitesse minimale. Les deux signaux mémorisés en 52 et 53 sont appliqués sur les entrées d'un amplificateur différentiel 54 muni d'une porte analogique de sortie (non représentée) qui est ouverte lorsque les deux signaux sont disponibles sur les entrées de l'amplificateur. Le pont de }Meatstone 47 sera généralement alimenté en permanence. II est de constitution classique, l'élément thermorésistant 46 occupant une branche dlun pont. L'alimentation 48 attaque l'une des diagonales du pont tandis que l'autre diagonale fournit les signaux de sortie. Un tel dispositif permet aisément de mesurer des débits d'air à pression atmosphérique de l'ordre de 0,1 mm3/s. Le pont pneumatique qui vient d'être décrit trouve de nombreuses applications. En particulier, il est utilisable pour mesurer la différence entre les températures d'un même gaz occupant les deux enceintes 12 et 14. Dans ce cas, les enceintes auront avantageusement le même volume. L'analyse théorique du fonctionnement fait apparaitre que, dans ce cas, la différence de pression entre les enceintes est une fonction sensiblement linéaire de la différence de température, aussi longtemps que celle-ci reste faible devant la température absolue. L'anaLyse théorique, confirmée par l'expérience, montre que l'on arrive, avec des enceintes ayant un volume de l'ordre de 40 cm3 à une sensibilité de l'ordre de 100 mV/OC. Le pont pneumatique suivant l'invention peut également être utilisé pour mesurer la différence de pression entre les deux enceintes occupées par un même gaz. Si l'une des enceintes a des dimensions stables tandis que l'autre est soumise à l'action d'une force qui lui impose des variations de volume proportionnelles à l'intensité de la force, on peut réaliser ainsi une installation de mesure de force de haute précision. Dans ce cas, il sera nécessaire de maintenir les deux enceintes à la même température. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. La figure 3 montre par exemple un pont pneumatique de mesure dans lequel les éléments de perte de charge 37 et 38 sont soumis à des variations de pression sensiblement sinusoldales par un système à compression mécanique comportant un cylindre 56 dans lequel une chambre 57 est délimitée par une paroi mobile ou déformable 58. Dans le mode de réalisation représenté, cette paroi est constituée par un piston qu'un mécanisme, non représenté, déplace d'un mouvementfalternatif sinusoïdal. Le cylindre 56 et les éléments de perte de charge 37 et 38 sont plongés dans une enceinte 59 occupée par un fluide maintenu à température constante par un circuit thermostatique 60. Le pont permet de mesurer la différence de température entre l'enceinte de référence 12, maintenue à température constante par une enceinte calorifugée 61 occupée par un liquide qui.circule dans un circuit thermostatique 62 et l'enceinte de mesure 14. De nombreuses autres variantes de réalisation de l'invention sont évidemment possibles et il doit être entendu que la portée du-présent brevet s'étend à toutes celles de ces variantes qui restent dans le cadre des équivalences. Revendications 1. Pont pneumatique de mesure d'un paramètre influant sur les caractéristiques d'un gaz dans un élément de pont, caractérisé en ce qu'il comprend deux branches constituées chacune par une enceinte (12 ou 14) et par un organe (38 ou 37) imposant au gaz qui le traverse une perte de charge, qui varie avantageusement suivant une fonction sensiblement linéaire du débit , une alimentation pneumatique (33) alimentant les deux branches en parallèle, à partir des organes de perte de charge, et imposant aux branches un débit périodique alternatif ; et un débitmètre (43) de mesure du débit passant par une conduite reliant les enceintes. 2. Pont pneumatique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de perte de charge et les enceintes sont sensiblement identiques dans les deux branches. 3. Pont pneumatique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les organes de perte de charge (38, 37) sont constitués par des barreaux percés de plusieurs trous de faible diamètre. 4. Pont pneumatique suivant la revendication 1, 2 ou 3, destiné à mesurer la différence entre la température de l'une des enceintes, qui constitue enceinte de référence à température constante, et l'autre enceinte conçue de façon à être en équilibre de température avec le gaz qu'elle contient, caractérisé en ce que l'enceinte de référence et les organes de perte de charge sont maintenus à température constante. 5. Pont pneumatique suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les deux enceintes sont maintenues dans le même état et on mesure 13 différence de température entre un des organes de perte de charge, à température constante, et l'autre organe de perte de charge qui joue le rôle de capteur de température. 6. Pont pneumatique suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le pont est monté de façon à fournir un signal de sortie représentatif d'une fonction de plusieurs paramètres dont au moins deux appartiennent au groupe constitué par l'amplitude des variations du débit périodique, la pression d'alimentation pneumatique, les composantes continue et variable de la perte de charge imposée par lesdits organes (38 ou 37), une valeur représentative de l'état des enceintes et les variations de cette valeur.