Brevet FR2566907A1 — publié le 19860103

CAPTEUR DE PRESSION La présente invention a pour objet un capteur de pression. De façon plus précise la présente invention concerne un capteur de pression permettant de détecter les modulations de la pression qui lui est appliquée. De préférence, cette pression est une pression différentielle. I1 existe un certain nombre de cas ot l'on souhaite mesurer la fréquence de modulation d'une pression ou plus précisément d'une pression différentielle. sans que la mesure de la valeur de la pression différentielle elle-même soit nécessaire. C'est notamment le cas des compteurs a tourbillon pour le gaz. Ce type de compteur basé sur l'effet Karman est bien connu. On pourra se reporte au brevet -français 2 506 933 pour en avoir une description détaillée. I1 suffit de rappeler qu'un tel compteur comprend un obstacle disposé en travers de la conduite dans laquelle s'écoule le fluide dont on veut mesurer le débit. Cet obstacle engendre des tourbillons qui se détachent alternativement de chacune des faces de l'obstacle disposées sensiblement parallèlement a l'écoulement du fluide. La fréquence de formation de ces tourbillons est proportionnelle a la vitesse du fluide. Pour mesurer cette fréquence on mesure les variations de la différence des pressions du fluide au voisinage des deux faces de l'obstacle. Pour cela, l'obstacle comprend deux conduits qui débouchent respectivement dans les faces de l'obstacle. On comprend que dans ce cas c'est la fréquence de modulation de la pression différentielle qui est la grandeur caractéristique et non la valeur a chaque instant, de la pression différentielle. Pour mesurer la fréquence de modulation de la pression différentielle on a dévia proposé d'utiliser un capteur comportant une membrane sur les faces de laquelle sont respectivement appliquées les deux pressions dont on veut mesurer la différence. Les déplacements de la membrane sont mesurés par un détecteur å selfs variables. Un tel détecteur qui implique une circulation . de courant électrique est peu satisfaisant dans le cas ou le compteur å tourbillon sert å mesurer le débit d'un gaz explosif, car il nécessite l'usage d'un boîtier anti-déflagrant. De plus, frequemment, il y a une distance non négligeable entre le lieu ou est implanté le compteur avec son capteur de pression différentielle et la zone de contrôle ou l'on veut disposer de l'affichage de la mesure de débit effectuée par le compteur. Dans le cas du capteur inductif cette information est transmise sous forme d'un signal électrique qui peut être perturbé par des interférences électromagnétiques. Pour remédier d ces inconvénients. un objet de l'invention est de fournir un capteur de pression pour mesurer la fréquence de modulation de la pression qui ne nécessite pas de circuit électrique ou électronique a proximité immédiate du compteur et qui, de plus, permette une transmission a distance du signal de mesure qui ne soit pas susceptible d'être perturbé par des interférences électromagnétiques. Pour atteindre ce but, le capteur de pression selon l'invention comprend une enceinte étanche déformable et un conduit pour appliquer dans ledite enceinte une pression variable dans le temps, et il se caractérise en ce que ledite enceinte comporte une portion dont la courbure est modifiée sous l'effet des variations de ladite pression et d'une pression externe a l'enceinte, et en ce qu'il comporte en outre une fibre optique fixée en partie sur la face externe de ladite enceinte pour qu'une partie de ladite fibre ait a chaque instant une courbure sensiblement identique a celle de ladite portion de l'enceinte, des moyens pour appliquer a une première extrémité de la fibre un signal lumineux d'intensif détermlnCe-, et. des moyen; pour mes;ti.r.er. les. variations d'atténuation dudit signal lumineux dans le temps. ladite atténuation étant représentative. a chaque instant, de la valeur de ladite pression par l'intermédiaire desdites variations de courbure. En d'autres ternes, les variations de la différence des pressions appliquées de part et d'autre de l'enceinte provoquent des variations de la courbure de l'enceinte et donc de la portion de fibre optique solidaire de l'enceinte. Les variations de la courbure de la fibre modifient le coefficient de transmission de la fibre. Comme on l'expliquera ultérieurement le coefficient de transmission diminue lorsque le rayon de courbure diminue, du fait de pertes. En mesurant les variations du signal recueilli å la deuxieme extrémité de la fibre optique on peut en déduire la fréquence de modulation de la différence des pressions appliquées de part et d'autre de l'enceinte étanche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement a la lecture de la description gui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés å titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue en perspective partiellement écorchée d'un premier mode de réalisation d'un capteur de pression selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du capteur de la figure 1; - la figure 3 est une vue simplifiée de la partie optique du capteur selon un premier mode perfectionné de réalisation du capteur; - la figure 4 est une vue simplifiée de la partie optique du capteur selon un deuxième mode perfectionné de réalisation du capteur; et - les figures 5a a Sc sont des vues simplifiées en coupe transversale de trois modes de réalisation de l'enceinte déformable du capteur. En se référant aux figures 1, 2 et Sa, on va décrire un premier mode de réalisation d'un capteur selon l'invention. Le capteur comprend une enceinte déformable étanche 10 formée par une paroi latérale 12 et par deux parois d'extrémité 14 et 16. La paroi latérale 12 est une surface cylindrique d'axe XX' dont la section droite a la forme représentée sur la figure 5a. La paroi latérale est constituée par deux demi-cylindre 18 et 20 raccordés d deux portions planes parallèles entre elles 22 et 24. La paroi latérale 12 est, par exemple, réalisée avec une feuille en cuivre de 50 ssm d'épaisseur qui est recouverte d'une couche de colle comme on l'expliquera ultérieurement. Le rayon R des demi-cylindres est égal å 5 mm et la distance entre les deux demi-cylindres vaut 20 mm. La. longueur de l'enceinte selon l'axe XX'. est de 50 mm. Une première conduite 30 débouche a l'intérieur de l'enceinte 10 par un embout 32 monté dans la paroi d'extrémité 14. La conduite 30 sert a introduire dansl'enceinte 10 un gaz a une première pression P1 dépendant du temps. A l'intérieur de l'enceinte 10 le capteur comprend une pièce de remplissage 34 qui a une forme semblable a celle de l'enceinte 10. La pièce 34 est fixée par ses deux extrémités sur les parois d'extrémité 14 et 16. La pièce 34 définit a l'intérieur de l'enceinte 10 un volume libre 36 d'épaisseur sensiblement constante h. L'embout 32 est prolongé par deux canalisations internes 38 et 39 ménagées dans la pièce de remplissage qui débouchent dans le volume libre 36. L'enceinte 10 est enfermée dans un boltier étanche rigide 40. L'espace 42, mieux visible sur la figure 2 compris entre l'enceinte 10 et le boîtier 40 a une épaisseur h' sensiblement égale å h les épaisseurs h et h' valent par exemple 0,5 mm. Une conduite 44 débouchant dans l'espace 42 permet d'y introduire un gaz b une deuxième pression P2. Ainsi, la paroi latérale 12 de l'enceinte 10 est soumise å la différence de pression P1-P2; pour la pression P1=P2 l'enceinte 10 a, en section droite. la forme représentée sur la figure Sa. Lorsque P1 et P2 sont différentes, la paroi latérale 12 de l'enceinte se forme sous l'effet de la pression différentielle ;1. raison de sa très faible épaisseur. En particulier, les portions de paroi 18 et 20 qui sont semi-cylindriques pour Plan2 voient leur rayon de courbure moyen varier, ces portions n'étant plus semi-cylindriques. Plus précisément. si P1 est supérieure a P2, le rayon de courbure moyen augmente, et dans le cas inverse il diminue. Typiquement, lorsque le capteur de pression est utilisé avec un compteur d tourbillon la pression différentielle varie de 0,1 mbar a 1 bar. Pour détecter les variations du rayon de courbure moyen des portions de paroi 18 et 20, qui sont représentatives des variations de la pression différentielle P1-P2, le capteur de pression comprend une fibre optique 5Q dont une partie 52 est bobinée sur la partie médiane de la paroi latérale 12 de l'enceinte 10. En effet, c'est dans cette région la plus éloignée des parois d'extrémitê 14 et 16 que la déformation est la plus importante pour une différence de pression donnée. Sur les figures 1 et 2 la partie bobinée 52 de la fibre optique comprend trois spires, approximativement jointives, le plan moyen de chaque spire étant sensiblement perpendiculaire a l'axe XX' de l'enceinte. La portion bobinée 52 de la fibre comprend : au moins une demi-spire qui est collée sur une des deux portions semi-cylindrique. La partie bobinée 52 est collée sur la paroi latérale 12 de l'enceinte a l'aide d'un adhésif tel que celui qui est commercialisé sous la marque zAraldite". De préférence, les spires de la bobine sont noyées dans une couche d'adhésif 53 d'épaisseur- par exemple égale - 300 -Ba -et de toute manière' 'supérieure au diamètre de la fibre, qui couvre toute la paroi latérale 12. Eventuellement, la couche d'adhésif est recouverte par une deuxième feuille métallique pour éviter le contact entre l'adhésif et le gaz. Ainsi, les déformations de la paroi 12 sont intégralement transmises aux spires de la fibre optique 50.En particulier. les modifications du rayon de courbure moyen des portions 18 et 20 de l'enceinte entraînent des modifications identiques du rayon de courbure des portions de la partie bobinée 52 de la fibre qui recouvrent les portions 18 et 20 de l'enceinte 10. Pour concentrer les déformations de la paroi latérale dans les zones présentant le plus faible rayon de courbure (demi-cylindres 18 et 20 dans le cas de la figure 1), il est intéressant de rigidifier les portions présentant le plus grand rayon de courbure (portions planes 22 et 24 dans le cas de la figure 1). Ce résultat peut être obtenu en ne déposant une couche d'adhésif 53 que sur les portions planes 22 et 24, ou en déposant sur les portions de surface 22 et 24 une couche d'adhésif plus épaisse que sur les portions semi-cylindriques 18 et 20. On peut encore donner aux portions planes 22 et 24 elies-memes une épaisseur supérieure å celle des portions semi-cylindriques 18 et 20. La partie bobinée 52 de la fibre se prolonge par deux portions 54 et 56 de la même fibre présentant un rayon de courbure aussi grand que possible et qui traversent le boîtier externe 40 par des traversées étanches 58 et 58'. De mime la conduite 30 traverse le boltier externe 40 par une traversée étanche 59. Dans une zone de contrôle ZC le capteur comprend une source lumineuse 60 qui applique b l'extrémité 54a de la fibre 50 un signal lumineux d'intensité prédéterminée. La source 60 peut être une lampe å incandescence, une diode photoémettrice ou un laser å gaz Hélium-Néon délivrant un faisceau monochromatique Dans la zone de contrôle ZC le capteur comprend également un convertisseur opto-électrique 62, qui délivre un signal électrique IR proportionnel a l'intensité du faisceau lumineux reçu par le convertisseur 62 a l'extrémité 56a de la fibre 50. Le convertisseur 62 peut être une photodiode associée a un amplificateur.Le signal IR peut autre comparé dans le circuit 64 au signal électrique IE commandant l'intensité lumineuse appliquée a l'entrée de la fibre optique 50. Le rapport a=IR/IE est proportionnel au coefficient de transmission de l'ensemble de la fibre optique 50. Il est bien connu que le coefficient de transmission dépend en particulier de la valeur du rayon de courbure de la fibre (voir par exemple l'article de D. Gloge dans la revue Applied Optics, Vol 11, Moly, Novembre 1972, pages 2506 a 2513. Ainsi la fréquence des variations de la pression différentielle P1-P2 est détectée en première approximation en mesurant la fréquence de variation du signal lumineux recueilli par le convertisseur 62 si l'intensité du signal lumineux appliqué a la fibre est Coflstante En effet, la fréquence de modulation de ce signal est représentative de la fréquence de variations du rayon de courbure R de l'enceinte qui est elle-même représentative de la fréquence de variation de la pression différentielle P1-P2. Après avoir décrit le principe de ce premier mode de réalisation du capteur, il est important de revenir sur certains points particuliers. La pièce de remplissage 34 a pour but d'éviter la création d'un important volume mort a l'intérieur de l'enceinte 10. Les "épaisseurs" h et h' des espaces 36 et 42 respectivement situés a l'intérieur de l'enceinte 10 et entre la paroi 12 de l'enceinte 10 et le boltier extérieur 40 sont sensiblement égales. Cette valeur correspond au maximum de l'amplitude de déformation des portions planes 22 et 24 de la paroi 12 correspondant au maximum. de pression différentielle normalement admissible. Ainsi le boltier 40 et la pièce de remplissage 34 constituent des butées pour la paroi latérale 12. De plus, il est nécessaire que la fréquence propre de l'enceinte 10 soit nettement supérieure au maximum de la fréquence de modulation de pression que l'on veut mesurer. Pour un capteur associé å un compteur å tourbillon la fréquence maximale est de l'ordre de un kHz. Les figures 5b et 5c montrent d'autres formes possible de l'enceinte 10. Dans le cas de la figure 5b la section droite de la paroi latérale 12'-est el-liptigue, La pièce de remplissage 34' et le boltier externe 40' ont des formes correspondantes. Dans le cas de la figure 5c, la paroi latérale 12 de l'enceinte est constituée par deux portions de cercle 80 et 82 correspondant a un angle au centre supérieur å 180*. Ces deux portions circulaires sont raccordées par des portions incurvées å des portions rectilignes 84 et 86 parallèles entre elles. La pièce de remplissage 34" et le boîtier 40" ont des formes correspondantes. Dans les trois cas, la paroi latérale de l'enceinte est une surface cylindrique dont la section par des plans perpendiculaires a la direction de ses génératrices est une courbe fermée présentant deux portions. symétriques par rapport å une droite qui présentent un rayon de courbure réduit, et deux portions également symétriques par rapport a une droite perpendiculaire a la première droite. qui présentent un rayon de courbure plus important. Comme le montre la figure b la liaison entre le capteur proprement dit (enceinte 10) et l'ensemble de mesure (source lumineuse 60, convertisseur opto-électrique 62) est réalisée par les portions de fibre 54 et 56. Cette transmission peut être effectuée sur une distance relativement importante et sans risque de perturbations électromagnétiques. Cependant, elles que soient les précautions prises, les portions de fibre optique 54 et 56 peuvent être soumises a des déformations localisées dont la fréquence peut interférer avec la fréquence de variation du rayon de courbure de l'enceinte 10. Pour remédier a cet inconvEnient une première solution représentée sur la figure 4. consiste a réaliser le circuit optique de la manière suivante Un premier élement de fibre optique 100 relie la source lumineuse 60 a un connecteur-séparateur de lumière 102. Le séparateur 102 divise le faisceau émis par la source 60 en deux faisceaux lumineux. L'un des faisceaux est envoyé dans un deuxième élément de fibre optique 104 qui comprend une partie bobinée sur l'enceinte 10. L'autre faisceau est envoyé dans un troisieme élément de fibre optique 110 non bobinée sur l'enceinte 10. Des connecteurs 106 et 108 relient les fibres 104 et 110 a des fibres de liaison 112 et 114. Les fibres 112 et 114 sont mécaniquement reliées entre elles pour que toute déformation subie par un des fibres soit subie de façon sensiblement identique par l'autre élément de fibre. Les faisceaux lumineux b la sortie des éléments de fibre 112 et 114 sont convertis en signaux électriques par les convertisseurs opto-électroniques 116 et 118. Les signaux électriques délivrés par les convertisseurs 116 et 118 sont amplifiés par les amplificateurs 120 et 122 ayant des gains différents respectivement égaux a G1 et G2 avec G2=Gl 1). La différence de gain des deux amplificateurs a pour but de compenser les deux éléments de fibre optique 104 et 110 qui ont des coefficients de transmission différents, de façon que la partie continue des signaux délivrés par les convertisseurs 120 et 122 soit égale. Cela peut être obtenu en asservissant les deux gains G1 et G2 avec une constante de temps très supérieure à la plage de fréquence de modulation des pressions d mesurer.Les --signaux délivrés--par les amplificateurs 120;eut 122 sont appliqués aux entrées d'un soustracteur 124 qui délivre le signal de mesure 5. On comprend qu'en effectuant la différence des signaux délivrés par les convertisseurs 116 et 118, on élimine les modulations parasites du signal de mesure résultant de déformations localisées qui auraient pu être appliquées å l'élément de fibre optique 100 ou aux portions 108 et 114 des deuxième et troisième éléments de fibre, ces deux portions étant mécaniquement reliées. Sur la figure 4 on a représenté une variante de réalisation du circuit optique de la figure 3. Ce circuit comprend un premier élément de fibre optique 130 comportant deux coeurs 132 et 134 dans une même gaine 136. La source lumineuse 60 envoie par l'intermédiaire du séparateur optique 138 deux faisceaux lumineux sensiblement identiques respectivement dans les coeurs 132 et 134. Les coeurs 132 et 134 sont reliés par un connecteur 140 respectivement a un deuxième élément de fibre optique 142 a un seul coeur qui est bobiné sur l'enceinte 10, et a un troisième élément de fibre optique 144 qui présente une configuration fixe et qui n'est pas bobiné sur l'enceinte 10. Enfin, le circuit optique comprend un quatrième élément de fibre optique 146 comportant deux coeurs 148 et 150 noyés dans une même gaine 152. Les coeurs 150 et 148 sont respectivement relies au deuxième élément de fibre optique 142 et au troisième élément de fibre optique 144 par un connecteur 154. A l'extrémité des coeurs 148 et 150 du quatrième élément de fibre optique on retrouve un circuit de traitement lectronique 'identique a 9elut de la figure 3 et qui comprend les convertisseurs opto-électroniques 116 et 118, les amplificateurs 120 et 122 et le soustracteur 124. Dans ce cas encore toute déformation appliquée aux éléments de fibre optique 130 et 146 est sans effet sur le signal 5. En effet, toute déformation subie par un de ces éléments de fibre optique est appliquée sensiblement de la même marnière aux deux coeurs constituant la fibre. En effectuant la différence pondérée des deux signaux optiques les atténuations identiques subies par les deux coeurs s'éliminent. Dans les modes de réalisation des figures 3 et 4 on voit que le circuit optique comprend d'une part un chemin optique de mesure semblable å celui de la figure 1 et qui est constitué soit par les éléments de fibre optique 100, 104 et 114, soit par les éléments de fibre optique 132, 142, et 150, et un chemin optique de compensation constitué soit par les éléments de fibre optique 100, 110 et 112 soit par les éléments de fibre optique 134, 144 et 148. I1 faut ajouter que les fibres optiques peuvent être du type multimode. Pour obtenir le meilleur effet d'atténuation en fonction des variations du rayon de courbure, il est préférable d'injecter le rayon lumineux sous une incidence telle que ce soient les modes de transmission de la fibre de niveaux les plus élevés qui soient transmis. Dans le cas de la figure 3 cela peut être réalisé par un choix judicieux des caractéristiques du connecteur-séparateur 102. Dans le cas de la figure 4 cette incidence est obtenue par le connecteur 140. De plus, il apparaît que l'effet d'atténuation en fonct-ion du rayon de courbure de. la fibre optique est encore améliorée si la gaine de la fibre au niveau de la courbure est réalisée en un matériau absorbant. Enfin le capteur a une structure tout a fait symétrique ce qui le rend insensible aux effets des chocs mécaniques. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression comprenant une enceinte étanche dXformable et une conduite pour appliquer dans ladite enceinte une pression variable dans le temps. caractérisé en ce que ladite enceinte (10) comporte une portion (18,20) dont la courbure est modifable sous l'effet de ladite pression et d'une pression externe à ladite enceinte, une fibre optique (50) fixée sur ladite enceinte (10) pour qu'une partie de ladite fibre (52) ait a chaque instant une courbure sensiblement identique å celle de ladite portion de l'enceinte, des moyens (60) pour appliquer a une extrémité de ladite fibre un signal lumineux d'intensité déterminée et des moyens (62,64) pour mesurer les variations d'atténuation dudit signal lumineux dans le temps, ladite atténuation étant représentative, dans le temps, des variations de ladite pression dans le temps par l'intermédiaire desdites variations de courbure 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enceinte (10) est placée dans un boîtier étanche (40) non déformable pour recevoir ladite pression externe par quoi ladite atténuation est représentative dans le temps de la différence entre ladite pression et ladite pression externe. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite enceinte (10) comprend une paroi latérale (12) cyliadrique dont une partie de la section droite présente ladite courbure (18,20), et deux parois d'extrémité (14,16), perpendiculaires aux génératrices de ladite paroi latérale et en ce que ladite fibre (50) comporte au moins une demi-spire (52) entourant ladite enceinte (10) et est fixée sur elle, ladite demi-spire étant disposée dans un plan moyen perpendiculaire aux génératrices de ladite paroi latérale (12). 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre (50) comprend une portion bobinée (52) formant au moins une demi-spire fixée sur ladite paroi latérale -(12) une première portion (54) de liaison reliant ladite source lumineuse (60) à ladite portion bobinée (52) et une deuxième portion (56) de liaison reliant ladite portion bobinée (52) auxdits moyens de mesure de l'atténuation (62,64). 5. Capteur- selon la revendication 4. caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième fibre comportant une première portion de liaison (134) solidaire de ladite portion de liaison (132) de la première fibre. une deuxième portion de liaison (148) solidaire de ladite deuxième portion de liaison (150) de la première fibre. et une troisième portion (144) pour relier lesdites première (134) et deuxième (148) portions de liaison, en ce que ledits moyens de mesure de l'atténuation comprennent des moyens (116 å 124) pour déterminer une différence pondérée de l'intensité lumineuse recueillie 9 l'extrémité des deuxièmes portions (148-150) desdites première et deuxième fibres. et en ce que les moyens (60) pour appliquer ledit signal lumineux comprennent des moyens (138) pour appliquer des fractions dudit signal lumineux respectivement å l'extrémité des premières portions desdites première et deuxième fibres. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une pièce de remplissage (34. 34', 34") fixée à l'intérieur de ladite enceinte (10) et laissant entre elle-meme et la paroi de ladite enceinte un espace libre (42) pour appliquer ladite pression.