Brevet FR2553885A1 — publié le 19850426

U 85 La présente invention concerne les dispositifs de mesure de pression exploitant les propriétés vibratoires d'un capteur à cavité résonante dont la fréquence d'accord est modifiée par une déformation mécanique sous l'effet de la pression à mesurer. Ce genre de capteur dont le principe fondamental est bien connu, se révèle d'un grand intérêt pour la mesure instantanée des pressions statiques et dynamiques notamment pour les applications relevant de l'équipement des véhicules aériens. 10 En effet compte tenu, d'une part de la sévérité des contraintes, tant dimensionnelles qu'environnementales auxquels sont soumis les véhicules aériens modernes, et d'autre part de la redondance organique, qui est généralement imposée à leur équipement, il est devenu indispensable de disposer de moyens de mesure qui soient non seulement petits, légers et robustes mais encore capables de fournir des informations pratiquement instantanées aux systèmes de navigation et de pilotage de l'aéronef tout en demeurant précis et fiables dans une plage étendue de variation des facteurs 20 d'influence. Or, les dispositifs traditionnels dont sont équipés les véhicules aériens pour la mesure des pressions statique et totale sont essentiellement constitués d'une sonde tubulaire disposée dans la veine d'air à distance de la paroi exté25 rieure du véhicule Cette sonde (tubes de Pitot) est généralement pourvue d'orifices frontaux et latéraux de captage aérodynamique des pressions qui doivent être acheminées, pour exploitation, vers des capteurs disposés à l'intérieur de la structure de l'aéronef grâce à des conduits pneumatiques de 30 longueur et de section convenables. Cet agencement présente des inconvénients notoires qui sont les suivants: Tout d'abord, la longueur importante des conduits de liaison pneumatique entre la sonde externe et les capteurs internes 35 associés à l'appareillage d'exploitation des mesures de 2 2553 $ 85 pression affecte le dispositif d'un délai de réponse d'autant plus long et gênant qu'une plus grande rapidité d'acquisition et de traitement des informations relatives à la pression est nécessaire pour le pilotage des aéronefs et engins volants à des vitesses pouvant dépasser Mach 2. Ensuite l'existence même de ces conduits pneumatiques entache la fiabilité des mesures, du fait des variations de température environnante liées notamment au dégivrage électrothermique de la sonde ainsi qu'à l'échauffement aérodynamique 10 des parois superficielles de l'aéronef. De plus la nécessité, dans un but de maintenance, de segmenter des conduits de section relativement importante ( 6 à 12 mm de diamètre) tout au long de leur parcours depuis la sonde extérieure jusqu'à l'intérieur de la structure de l'aéronef 15 o sont situés(généralement en multiples exemplaires pour accroître la sûreté de fonctionnement) les capteurs et appareils de mesure associés, entraine la nécessité de prévoir un certain nombre d'éléments de raccordement qui grève le volume, le poids et le coût de l'installation, outre qu'ils accrois20 sent les risques habituels de fuite et d'obturation notamment par givrage. C'est pourquoi dans le but d'éliminer ces inconvénients l'invention prévoit d'incorporer le ou les capteurs de pression à l'intérieur de la sonde tubulaire externe à l'aé25 ronef et d'acheminer les informations recueillies par voie électrique vers l'unité d'exploitation interne de l'aéronef. L'invention a donc ainsi pour objet essentiel de proposer un dispositif de mesure de pression de fluide comprenant un circuit électronique d'exploitation des propriétés vibratoires 30 d'un capteur à cavité résonante dont la fréquence de résonance est modifiée par les variations de capacité électrique dues à la déformation mécanique d'une paroi sous l'effet de la pression à mesurer, ce dispositif étant caractérisé, d'une part, en ce qu'il utilise un câble coaxial unique de liaison 35 électrique du capteur au circuit d'exploitation et, d'autre part, en ce que ledit capteur à cavité résonante, par 3 2553885 l'intermédiaire dudit câble coaxial, est placé dans la branche d'un pont d'impédance permettant de mettre en évidence la valeur du taux d'ondes stationnaires (TOS) caractéristique de l'écart entre la fréquence d'accord de la cavité et la fréquence d'un oscillateur. Les caractéristiques constructives et fonctionnelles de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel: 10 La figure 1 représente, selon une coupe axiale, la structure d'un élément capteur de pression capacitif à cavité résonante et d'un tronçon de son câble coaxial de liaison. La figure 2 représente, selon une coupe axiale, une sonde 15 tubulaire de prise de pression aérodynamique (Pitot) incorporant l'élément capteur de la figure 1. La figure 3 représente schématiquement l'organisation fonctionnelle de l'ensemble du dispositif de mesure de pression selon l'invention. La figure 4 représente graphiquement les informations de sortie en tension fournies par le TOS-mètre, en fonction des fréquences d'accord (F 0) et d'excitation (F 1) de la cavité résonante appartenant au dispositif de la figure 3. La figure 5 représente schématiquement l'organisation fonctionnelle du dispositif de la figure 3 intégré dans un système multiplex d'exploitation d'une pluralité de capteurs à cavité résonante. A Partie capteur (figure 1) Conformément à l'exemple proposé dans le cadre de l'invention, 30 le capteur 10 est essentiellement une cavité résonante hyperfréquence formée d'une ligne coaxiale inductive en courtcircuit dont l'extrémité libre est terminé par un élément capacitif Ce dernier est constitué par un petit condensateur plan dont l'une des deux armatures est formée d'un plateau 11 35 solidaire de l'âme conductrice de la ligne coaxiale et dont 4 2553 U 85 l'autre armature est formée d'une paroi frontale déformable sous l'effet de la pression extérieure Cette paroi déformable qui ferme hermétiquement la cavité du capteur est normalement constituée d'une membrane flexible 12 en métal élastique. Afin, comme on l'explique plus loin, de pouvoir réaliser avec le circuit électronique associé, le couplage nécessaire à l'excitation du capteur 10 ainsi qu'à la mesure de sa fréquence d'accord en fonction de la pression exercée sur la membrane 10 12, ou à établir une connexion électrique 13 qui bien que normalement située, par le calcul, à proximité du pied de l'âme de la ligne coaxiale pourra être positionnée de manière précise et optimale sur cette ligne grâce à un réglage convenable pratiqué en cours de fabrication. Naturellement lorsque le dispositif sera destiné à des mesures de pression absolue, il est prévu que la cavité hermétique du capteur soit vide d'air. Le principe de fonctionnement du capteur selon l'invention se fonde sur les considérations théoriques et expérimentales 20 suivantes: La fréquence y de résonance (ou d'accord) de la cavité s'obtient en effectuant la somme des admittances de la ligne coaxiale en court-circuit et de la ligne fermée sur la capacité variable au point de connexion 13 de la prise électrique d'excitation et de mesure, soit: C S 2 Tr C 4 Sû 2 AL C C c 27 TÉt U A + z >A X S Z É > 2 if Ci S 2 7 r 2 C 'i Tc S 2-7 rez avec, e 1: longueur de l'âme de la ligne coaxiale vers le court- circuit; ei: longueur de l'âme de la ligne coaxiale vers la capacité variable; 2553885 >: longueur d'onde à la fréquence considérée; C: vitesse de la lumière; 4: impédance caractéristique de la ligne coaxiale o,: diamètre de la paroi intérieure de la ligne coaxiale; d: diamètre de l'âme (noyau) de la ligne coaxiale; S: constante de perméabilité du diélectrique ( = 138 dans l'air ou le vide) et avec C capacité formée par la membrane et le plateau terminal interne de la ligne coaxiale = o E: constante de propagation dans le diélectrique ( = 3108 m/s), S: surface du plateau terminal, e distance entre le plateau et la membrane. En fait, à cause de la courbure de la membrane, la variation de capacité est égale environ au 1/3 de la variation calculée avec cette dernière formule approchée Pour une membrane de raideur K donnée, dont la déformation est une fonction sensiblement linéaire de la pression P à mesurer, on obtient ainsi la relation suivante entre la fréquence d'accord de la cavité résonante et la pression s'exerçant sur la membrane du capteur: KP 277 C 27 _ A Ss L v '" Un développement limité de la fonction (arc tg) indique une relation quadratique entre la fréquence d'accord et de déplacement de la membrane qui autorise une linéarité satisfaisante dans une plage étendue de variation de la pression à mesurer. 6 2553885 Technologiquement parlant, le capteur proprement dit est avantageusement constitué d'une cavité ménagée dans un corps cylindrique en "INVAR" pour limiter les effets de la dilatation thermique, les parois intérieures de cette cavité étant argentées afin d'améliorer la conductibilité électrique superficielle. Les dimensions hors tout du corps cylindrique sont d'environ 12 mm de diamètre et 15 mm de hauteur, ce qui permet une incorporation aisée dans un tube de Pitot (fig 2) La membrane flexible qui ferme la cavité est réalisée dans une feuille de matériau à haute limite élastique comme par exemple le "DURINVAL" ou le "NISPAN C". Afin d'obtenir une grande robustesse et une parfaite étanchéité de la cavité, la membrane est soudée à l'argent ou 15 par bombardement électronique sur le corps du capteur et la liaison électrique, avec le boitier électronique du circuit d'exploitation décrit ci-après, est réalisée par un câble coaxial, semi-rigide, de 2 mm de diamètre et de longueur illimitée, dont l'impédance caractéristique est de 20 50 ohms. Dans les conditions expérimentales exposées ci-dessus la fréquence de résonance du capteur réalisé selon l'invention varie de 1,6 à 2,3 G Hz pour une plage de pression absolue variant typiquement de O à 1500 mb. B Partie circuit d'exploitation (fig 3,4,5) Le circuit électronique d'exploitation est destiné à fournir un signal électrique de sortie qui soit représentatif de la pression exercée sur le capteur associé à partir d'une mesure de la fréquence propre (ou fréquence de résonance) 30 de la cavité de ce capteur. Les méthodes classiques de mesure de la fréquence propre d'une cavité très haute fréquence ou hyper fréquence consistent: soit à utiliser la cavité comme circuit d'accord d'un 35 oscillateur qui fournira une fréquence dépendant de la 7 2553885 fréquence propre de la cavité et donc de la pression à mesurer, soit à mesurer la puissance absorbée ou transmise par la cavité en fonction d'une fréquence d'excitation fournie par un oscillateur. Or, compte tenu de la sévérité des contraintes d'utilisation du dispositif selon l'invention, imposant d'une part une liaison unique entre le capteur et son circuit d'exploitation et d'autre part la nécessité de séparer par une très grande 10 distance le capteur et son circuit d'exîloitation, toutes ces méthodes classiques s'avèrent insuffisantes en performances du fait des limitations technologiques (stabilité du comportement et tenue en température) des composants électroniques existant actuellement. Le dispositif objet de l'invention, résulte ainsi de la conception et de la mise au point d'une conception nouvelle consistant à mesurer le taux d'onde stationnaire dans la ligne unique reliant le capteur au circuit d'exploitation. Moyennant la seule contrainte d'une adaptation d'impédance 20 parfaite entre la liaison coaxiale et le capteur d'une part et entre la ligne coaxiale et le pont d'impédance permettant de mettre en évidence le taux d'ondes stationnaires d'autre part, cette méthode rend la mesure totalement indépendante des caractéristiques propres de la ligne, du capteur, du 25 pont d'impédance et particulièrement de leurs éventuelles instabilités (dérives dans le temps ou en température) et permet également un multiplexage simple et stable d'une pluralité de capteurs utilisant séquentiellement un circuit d'exploitation unique. Par l'intermédiaire de la liaison coaxiale, le capteur est donc placé dans une branche d'un pont d'impédance, ce dernier permettant de mettre en évidence les variations du Taux d'Ondes Stationnaires (TOS) dans la ligne coaxiale. 8 2553885 La figure 3 présente le schéma de l'organisation générale du dispositif dont le fonctionnement est le suivant: L'ensemble 1 constitué par le capteur 10 et sa liaison coaxiale 14 au TOS-mètre 2 est excité par un oscillateur 3 5 dont la fréquence est commandée par une tension appliquée sur son entrée 31. Ce générateur 3 est asservi en permanence autour de la fréquence propre du capteur par un circuit d'asservissement comprenant de façon classique: un oscillateur de balayage 4, un démodulateur synchrone 5, un intégrateur 6, et le générateur de fréquence commandé en tension 3. Du fait de la faible excursion en fréquence autour de la fréquence propre effectuée par le circuit d'asservissement ,celui-ci bien qu'assurant le suivi en permanence de pressions fluctuantes ou variables dans le temps subies par le capteur 1 ne se cale pas automatiquement sur la fréquence de résonance du capteur 1 à la mise sous tension du dispositif. Un circuit d'initialisation 110 constitué du générateur de 20 rampe 9 et du comparateur 7 commandant l'interrupteur 8 est donc utilisé pour obtenir ce calage automatique. A la mise sous tension du dispositif, le régime permanent de mesure sera alors atteint selon deux modes de fonctionnement successifs, dont le déroulement séquentiel est auto25 matique: Mode de Recherche (ou d'Initialisation), o dans un premier temps, le circuit 110 recherche la fréquence approximative de résonance du capteur en balayant le domaine de fréquence correspondant à la totalité de la plage de mesure Lorsqu'une diminution importante du TOS est détectée, le balayage est arrêté et le système passe automatiquement en mode poursuite. Mode poursuite, o la fréquence de l'oscillateur est modulée par un signal rectangulaire autour de la valeur déterminée par le mode d'initialisation Cette modulation constituant un balayage qui permet d'asservir l'oscillateur 9 2553885 à une fréquence moyenne égale à celle de résonance du capteur, la mesure de cette fréquence donnant l'information de précision recherchée. Cette mesure est effectuée de façon classique par un fré5 quencemètre mesurant directement (ou après division de fréquence) la fréquence moyenne de sortie de l'oscillateur 3. Le signal modulateur étant périodique, il peut être transmis à longue distance sans dégradation due aux résistances parasites ou aux inductions de signaux parasites provenant 10 îe circuits électriques ou électromagnétiques voisins. Une autre méthode de mesure prévue consiste à mesurer la tension continue moyenne de commande de l'oscillateur qui étant elle-même proportionnelle à la fréquence de résonance du capteur, l'est donc aussi à la pression à mesurer. Une description détaillée de la structure organique ainsi que du fonctionnement du circuit d'exploitation est donnée ci-après en référence au schéma de la fig 3. Pour une pression donnée Po à mesurer le capteur a une fréquence Fo(par exemple de 1 à 3 G Hz) L'ensemble 1 (comprenant le capteur à cavité résonante et sa liaison par cable coaxial) est placé dans la branche 2224 du pont d'impédance 2, faisant fonction de TOS-mètre. Ce dernier est alimenté par son entrée 21 par une fréquence F 1 peu différente de Fo issue de l'oscillateur 3 du circuit 25 d'asservissement 100 La tension continue L présente à la borne de sortie 24 (après filtrage par les éléments L 1, L 2 et C, servant à éliminer les résidus hyper-fréquence de fréquence de balayage) est fonction du taux d'ondes stationnaires -(TOS) existant dans l'ensemble 1, donc de l'écart 30 entre la fréquence d'excitation F 1 et la fréquence propre Fo du capteur selon une loi représentée graphiquement sur la figure 4. Cette tension LL passe par un minimum lorsque F 1 = Fo. La tension LL, dite tension d'erreur, est exploitée par le circuit d'asservissement 100 de façon à obtenir en permanence 2553885 qu'elle soit minimum, c'est-à-dire que la fréquence F 1 fournie par l'oscillateur 3 soit en permanence égale à Fo quelles que soient les évolutions de la pression à mesurer (donc de la fréquence Fo). Pour assurer cet asservissement, le circuit 100 utilise le concept de "palpage" du mode de résonance de la cavité du capteur par une modulation en fréquence +A f (typiquement à 500 K Hz) de faible excursion autour de la valeur Fl. Pour cela, la tension de commande appliquée sur l'entrée 31 10 de l'oscillateur 3 est la somme de la tension continue présente au point 64 représentant F 1 et de la tension de balayage présente en 42 fournie par l'oscillateur de balayage 4 représentant + d f, (typiquement cette valeur de l'excursion en fréquence t f vaut de 10 à 100 K Hz). Les résistances 43 et 63 effectuent la sommation de ces tensions appliquées à l'entrée de commande 31 de l'oscillateur variable 3. Comme représenté graphiquement sur la figure 4, la tension continue issue du TOS-mètre 2, et présente sur la borne 24 20 oscille donc à la fréquence de l'oscillateur de balayage 4 entre les valeurs U 2 et - La valeur de 2 3 qui s'annule pour F 1 = Fo, est positive ou négative suivant le signe de Fl-Fo. Le démodulateur synchrone 5 effectue la mesure de U 2-CL 3, 25 dont la valeur est disponible sur sa borne de sortie 53. Cette tension U 2-t 3 est appliquée à l'entrée de l'intégrateur 6 constituté de l'amplificateur à grand gain 60, de la résistance 61 et du condensateur 62. La tension de sortie en 64 de cet intégrateur 6 évolue 30 jusqu'à ce que LL 2-t 3 = O c'est-à-dire jusqu'à ce que F 1 = Fo, réalisant ainsi l'asservissement permanent du système et assurant le suivi des pressions évoluant dans le temps. L'information de sortie est disponible soit sous la forme d'une tension continue (sortie 101), représentant la tension 11 2553885 64 égale à la tension moyenne 31 de commande de l'oscillateur 3, soit sous la forme d'une fréquence sur la sortie 102 représentant la fréquence de sortie en 32 de l'oscillateur, fréquence égale en permanence à la fréquence propre de la cavité de l'ensemble résonant 1 (capteur 10 et câble coaxial 11). Cependant, à la mise sous tension du dispositif, la fréquence F 1 de l'oscillateur 3 peut être très éloignée de la fréquence propre Fo de la cavité Dans ce cas, la tension 10 LL 2-LL 3 peut être trop faible pour être effectivement mesurable et assurer l'évolution de la tension 64 vers sa valeur finale (c'est-à-dire amener la convergence de la fréquence F 1, vers la fréquence Fo). Pour résoudre ce problème, le circuit d'exploitation 100 15 est complété par le circuit d'initialisation (ou de poursuite) 110, assurant dans tous les cas l'évolution de l'état du système vers sa valeur finale Dans ce but, le circuit de poursuite 110 comprend un comparateur 7 comparant une tension de seuil 71 à la valeur actuelle LL, issue du 20 TOS-mètre 2 et appliquée en 72. Tant que 1 est grande et supérieure au seuil 71, le comparateur 7 assure la fermeture de l'interrupteur 8 appliquant ainsi une rampe de tension fournie par le générateur de rampe 9 à l'entrée de l'amplificateur 60 Cette rampe est naturellement d'amplitude suffisante pour explorer tout le domaine de fréquences du capteur. Lorsque la fréquence F 1 fournie par l'oscillateur 3 commandé par la tension du générateur de rampe 9 est proche de Fo, la tension LL, délivrée par le TOS-mètre diminue de façon importante et lorsque cette tension est inférieure au seuil fixé, le comparateur 7 commande l'ouverture de l'interrupteur 8 A partir de cet instant, la tension 64 étant proche de sa valeur finale, le circuit d'asservissement 100 devient opérant et assure l'asservissement final de F 1 à la valeur 35 Fo de résonance du capteur 10. 12 2553885 Parmi les avantages déjà mentionnés de l'invention vis-à-vis de l'art antérieur, la faculté d'utiliser un circuit d'exploitation unique avec une pluralité de capteurs est d'un intérêt majeur en aéronautique C'est pourquoi l'agencement particulier des moyens nécessaires à la mise en oeuvre de cette faculté de fonctionnement est exposée ci-après en référence à la fig 5. Outre le circuit d'exploitation 120 déjà décrit, constitué par le pont d'impédance (TOS-mètre) 2, le circuit d'asser10 vissement 100 et le circuit d'initialisation 110, l'équipement comprend: un commutateur 150 à impédance adaptée ( 50 ohms par exemple) permettant de commuter successivement à l'entrée 22 du TOS-mètre 2 une pluralité de capteurs désignés par Cl à Cn, 15 un commutateur 160 de construction classique permettant de commuter soit la sortie fréquence 102 par l'intermédiaire du fréquencemètre 130, soit la sortie tension 101 aux N lignes de sortie désignées par 51 à Sn, et un séquenceur 140, c'est-à-dire un générateur soit 20 autonome à cadence fixe, soit commandé par une entrée externe 141 en provenance du système de navigation qui utilise les informations des capteurs. La fonction de ce séquenceur est d'assurer la commutation *synchrone des commutateurs 150 et 160 permettant à un instant 25 donné (périodiquement ou à la demande) de délivrer respectivement l'information du capteur C 1 sur la sortie 51 l'information du capteur Cn sur la sortie Sn Dans le cas o, pour l'application réalisée, le séquenceur est autonome, des circuits 161 et 162, etc de maintien de 30 tension sont prévus pour disposer en permanence des informations de sortie des capteurs C 1 à Cn respectivement sur les sorties 51 à Sn A titre d'exemple, la fréquence d'un cycle complet de commutation est de 100 à 1000 Hz, assurant le rafraîchissement des 35 informations disponibles sur les sorties 51 à Sn toutes les 1 à 10 millisecondes. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de pression comprenant un circuit électronique d'exploitation des propriétés vibratoires d'un capteur à cavité résonante dont la fréquence de résonance est modifiée par les variations de capacité dues à la défor5 mation d'une paroi sous l'effet de la pression à mesurer, caractérisé par l'utilisation d'un cable coaxial unique de liaison du capteur au circuit d'exploitation. 2 Dispositif de mesure de pression, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le capteur à cavité résonante 10 est place, par l'intermédiaire du cable coaxial, dans la branche d'un pont d'impédance permettant de mettre en évidence la valeur du taux d'ondes stationnaires(TOS) caractéristique de l'écart entre la fréquence d'accord de la cavité et la fréquence d'un oscillateur. 3 Dispositif de mesure de pression, selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le circuit d'exploitation comprend un asservissement assurant en permanence l'égalité de fréquence moyenne de l'oscillateur et de la fréquence d'accord-du capteur à cavité résonante. 4 Dispositif de mesure de pression, selon revendication 3, caractérisé par le fait que le circuit d'asservissement possède deux modes de fonctionnement successifs: un mode de recherche (ou d'initialisation) et un mode de poursuite dont la sélection est automatique. 5 Dispositif de mesure de pression, selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins un capteur à cavité résonante est incorporé dans une sonde de mesure de pressions de fluide statique et/ou totale. 6 Dispositif de mesure de pression, selon l'une des reven30 dications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un commutateur permettant d'effectuer le multiplexage d'une pluralité de capteurs avec un circuit d'exploitation unique.