Brevet FR2579684A1 — publié le 19861003

La présente invention concerne de façon générale des disposi- tifs pour la délivrance d'un signal électrique représentatif d'une pression, appelés couramment "transducteurs pression- électricité", et plus particulièrement un transmetteur de pres- sion utilisant le phénomène de l'effet de Hall pour délivrer un signal électrique représentant la différence entre deux pres- sions. Quoique des variantes de l'invention puissent etre adaptées à une grande variété d'applicationsde transduction de la pres- sion, la réalisation préférée est particulièrement utile avec des systèmes délivrant des volumes d'air variables comme on en trouve dans les application HVAC c'est-à-dire de chauffa- ge, ventilation et conditionnement d'air (HVAC = Heating, Ven- tilating and Air Conditioning). Jusqu'ici, des systèmes HAVC ont employé des dispositif de traitement d'air à volume cons- tant comprenant des conduits qui délivrent de l'air à un es- pace ou à une salle dont la température doit être régulée. Dans un système à volume constant, la régulation de la tem- pérature se fait en traitant la température de l'air qui tra- verse un conduit tout en maintenant la quantité d'air déli- vrée à l'espace à une valeur pratiquement contante. Plus ré- cemment, on a trouvé que les systèmes à volume d'air varia- ble (VAV = Variable Air Volume) sont préférés dans ce sens qu'ils peuvent êtres rendus énergétiquement plus efficaces. Dans des systèmes de ce dernier type, la régulation de la tem- pérature d'un espace se fait par le maintien de la températu- re de l'air à une valeur relativement constante et en faisant augmenter ou décroître le volume d'air qui traverse le conduit. 3 Par conséquent, l'un des paramètres dont il est nécessaire de disposer pour le système de régulation HVAC est la pression d'air dans le conduit. Il en est ainsi en raison du fait que, si la pression interne du conduit est connue, un calcul peut être effectué, d'une manière connue, permettant de déterminer le volume et, par conséquent, la quantité de calories de l'air traversant le conduit. Dans un système VAV typique, la pression différentielle entre l'air ambiant et celui qui se trouve dans le conduit est très basse, normalement de l'ordre de 25,4 à 76,2 mm (1 à 3 pouces) de hauteur d'eau, sur la plage utile de volumes d'air que le svstème VAV peut délivrer. Tandis que des appareils sont actuellement disponibles pour déterminer cette pression différentielle, ils tendent à être de la qualité des instruments de mesure, sont caractérisés par une précision inutilement élevée, typiquement de fractions de un pour cent, et sont par conséquent d'un coût indésira- blement élevé si l'on considère les besoins de l'application. Une approche de la conception d'un appareil de détection de pression à effet Hall est décrite dans le brevet US No 4 484 173. Il y est exposé un dispositif à trois chambres qui com- porte un diaphragme mobile pour séparer la première et la deu- xième chambres. Le diaphragme est mobile en réponse à la pres- sion différentielle qui lui est appliquée, le mouvement étant transmis de la deuxième chambre à une troisième chambre et à un mécanisme logé dans cette dernière. Le transfert du mouve- ment du diaphragme se fait par un élément rigide de réaction réalisé comme une broche allongée de commande disposée de fa- çon à coulisser dans un tube qui s'étend entre la deuxième et la troisième chambres.Le mouvement de la broche de commande provoque un changement de position dans l'ensemble d'aimant et, par voie de conséquence, dans la sortie électrique du transducteur à effet Hall. Aucun circuit électrique n'est dé- crit et il n'apparaît pas que le dispositif ait été prévu pour fonctionner conmme dispositif analogique ou numérique de sortie. Un inconvénient d'une construction de ce type, c'est que l'emploi de la broche coulissante et du mécanisme à compo- santsmultiples introduit un degré indésirablement élevé de friction par glissement qui aura problablement pour résultat une altération de la qualité du signal de pression que l'on peut en obtenir. En outre, le dispositif du brevet mentionné ci-dessus recourt à une paire d'aimants cylindriques montés sur un axe longitudinal de même longueur et en relation d'op- position de face l'un par rapport à l'autre. Les aimants, mo- biles, sont déplacés le long de cet axe pour influer sur le détecteur à effet Hall, technique qui donne une sortie moins li- néaire que celle de l'invention. En outre, ce dispositif est d'une construction inutilement complexe. Un transmetteur de pression qui convient à la détection de très basses pressions différentielles, qui peut être fait se- lon une construction économique, qui procure un signal de sor- tie électrique analogique généralement linéaire, représentatif de telles pressions, et qui évite la friction par glissement qui peut altérer la qualité du signal constituerait un progrès notable dans cette technique. De façon générale, le transmetteur de pression différentielle de l'invention comprend un bottier, une première chambre à l'intérieur du boîtier pour recevoir une pression d'entrée à détecter et une seconde chambre pour recevoir un émetteur des- tiné à engendrer un signal électrique représentatif de la pression d'entrée. Les chambres sont séparées par un diaphrag- me d'une grande élasticité, formé de façon continue. Un élément de réaction, réalisé sous forme d'un ressort élastique, est disposé dans la deuxième chambre pour détecter une position du diaphragme résultant de l'amplitude de la pression différen- tielle qui lui est appliquée. L'élément de réaction supporte une structure aimantée qui agit conjointement avec un transduteur à effet Hall renfermé dans l'émetteur pour détecter la position relative de la structure aimantée et, par conséquent, du dia- phragmne et engendrer en réponse un signal électrique. Le si- gnal peut être utilisé pour positionner des amortisseurs comrn- mandés par actionneurs à l'intérieur du conduit du système VAV. Un objet de la présente invention consiste à-procurer un trans- metteur de pression différentielle de faible coût. Un autre objet de la présente invention est de fournir un transmetteur de faible coût capable de délivrer des signaux électriques qui soient analogues à de très petites différen- ces de pression et représentatifs de celles-ci. Un autre objet encore de la présente invention est de four- nir un transmetteur de pression différentielle utile sur des systèmes de régulation à volume d'air variable. Encore un autre objet de la présente invention-est de fournir un transmetteur de pression différentielle comportant deux chambres isolées l'une de l'autre par un diaphragme formé de façon continue, en évitant ainsi les fuites d'air entre les chambres. La façon selon laquelle ces objets, et d'autres en- core, de la présente invention sont mis en application devien- dra-plus apparente grâce à leur description détaillée exposée conjointement aux dessins, sur lesquels: La figure 1 est une vue de dessus du transmetteur de la pré- sente invention, dont le couvercle a été retiré pour mieux montrer la disposition interne; la figure 2 est une élévation coupe latérale du transmetteur par 2-2 de la figure 1 et avec son couvercle en place; la figure 3 est une vue de dessus de l'ensemble base de sup- port et carte de circuit du transmetteur, tels qu'on les voit aussi dans la figure 1; la figure 4 est une vue en élévation latérale de l'ensemble de la figure 3, par 4-4 de celle-ci; la figure 5 est une vue de dessous de l'ensemble des figures 3 et 4 par 5-5 de la figure 4; la figure 6 est une vue en élévation latérale d'un transduc- teur à effet Hall typique, utile dans le transmetteur de l'in- vention; la figure 7 est une vue de côté en élévation du transducteur de la figure 6 par 7-7 de celle-ci; la figure 8 est une vue isométrique de l'élément à réaction qui comprend un composant de l'invention; la figure 9 est une vue isométrique d'une structure aimantée qui comprend un composant de l'élément de la figure 8; la figure 10 est un schéma de principe d'un circuit électri- que utile dans l'invention, et la figure 11 est une courbe caractéristique typique de ren- dement de l'invention. En se reportant tout d'abord aux figures 1 et 2, on voit que le transmetteur de pression différentielle 10 de la présente in- vention est représenté comprenantun bottier 11 convenablement moulé en plastique rigide et divisé en une première chambre 13 et une seconde chambre 15 par un diaphragme 17, d'une grande élasticité et formé de façon continue, mobile en réponse à la pression différentielle qui agit sur lui. La première cham- bre 13 a un élément 19 de paroi rigide extérieure qui compor- te un premier orifice 21 fileté en communication, par écoule- ment fluide, avec la première chambre 13 et utile à connecter à un conduit pneumatique extérieur. La seconde chambre 15 est délimitée par le diaphragme 17, la paroi latérale 23 du bottier, une nervure moulée 25 contigre et la base de support 27 d'un émetteur 29 qui ferme de manière étanche une ouverture 31 dans la nervure 25 et qui est décrit en détail plus loin. La secon- de chambre 15 est ainsi hermétique, à l'exception d'un second orifice 33 conçu pour être en communication, par écoulement fluide, avec celle-ci. Lorsqu'il est utilisé pour détecter une pression qui est positive par rapport au milieu ambiant, comme pour les systèmes VAV, le premier orifice 21 est couplé à l'in- térieur du conduit dont la pression doit être détectée, et le second orifice 33 est relié à une zone de pression ambiante. A l'inverse, si l'on désire employer le transmetteur 10 comme appareil différentiel de vide, le second orifice 33 est relié à une source de vide et le premier orifice 21 à une zone de pression ambiante. Certains détails de construction compre- nant ceux qui se rapportent au diaphragme 17 et à la plaque suiveuse rigide 35 placée sur ce dernier sont présentés dans le brevet US N 4 467 998 intitulé "Commutateur pneumatique à gain élevé". Le brevet mentionné ci-dessus est incorporé aux présentes à titre de référence. Si l'on se reporte ensuite auxfigures 1, 2, 3 et 4, on voit qu'un générateur de signaux 37 est logé à l'intérieur du bol- tier 11 et comprend un émetteur 29 pour produire un signal électrique de sortie, et un élément de réaction 39 opérant la liaison entre le diaphragme 17 et l'émetteur 29. L'émetteur 29 comprend une base de support 27, une carte de circuit im- primé 41 montée sur la base de support 27 pour recevoir cer- tains circuits électroniques et une poutrelle 43 en saillie vers le bas pour supporter un transducteur 45 à effet de Hall connecté à la carte 41 de circuit imprimé. Comme on le voit mieux sur la figure 1, la base 27 peut être soutenue à l'in- térieur du bottier 11il en la fixant au périmètre de l'ouvertu- re 31 de la rainure à l'aide d'un adhésif prévu à cet effet. La carte de circuit 41 peut être fixée à la base de support 27 en utilisant des colonnettes de plastique 47 déformées à la chaleur ou des attaches encliquetables. La fixation par attache ou chaleur plutot que par soudure à ultrasons est pré- férée, cette dernière risquant d'endommager les circuits électroniques M En se référant ensuite aux figures 1, 5, 6, et 72 on voit que le transducteur 45 à effet Hall est monté à l'intérieur de la poutrelle de support 43 pour être, quoique espacé de la structure aimantée 49 de l'élément de réaction 39, dans une situation de détection de champ magnétique par rapport à cette structure 49 de l'élément 39, qui fait l'objet d'une descrip- tion détaillée ci-après. Dans l'appareil 10 de la réalisation typique, un transducteur 45 satisfaisant est disponible chez Microswitchréférence de pièce 93SS12-20 Comme on le voitlemieux sur les figures 5, 6 et 7, le transducteur 45 possède une pre- mière face plane 51 qui doit être adjacente à la structure aimantée 49 et une seconde face 53 sur laquelle est placé l'élément détecteur 55. Ainsi que le montrent les figures 1 et 6, les conducteurs 57 du transducteur 45 peuvent etre con- nectés à la carte de circuit 41 en utilisant des trous de c'- blage à cet effet. Le câblage de la carte de circuit peut être 1 amené à la paroi latérale 23 du bottier 11 en utilisant à cet effet les conducteurs 59 et les pinces 60. En se référant aux figures 2, 4 et 8 on voit qu'un élémentde réaction élastique 39, réalisé sous forme d'un ressort à lame enporte à faux, est disposé entre le diaphragme 17 et l'émetteur 29 et possède un bras 61, deux coudes 63 pliés en angle droit et un patin 65 qui doit être en contact avec la plaque de diaphragme 35 et en détecter le mouvement. L'élément de réaction 39 peut être fixé à la base 27en utilisant les colonnettes 67 en saillie vers le bas, qui correspondent à une paire de trous de montage 69 ménagés dans la première ex- trémité 68 du bras 61. Si une base de support 27 et des colon- nettes 67 en plastique sont employées, la fixation peut en etre faite par soudure à ultrasons de façon à former une tê- te en goutte de suif 70 ou par attache encliquetable. Une pe- tite plaque d'appui 71 peut être avantageusement disposée en- tre la première extrémité 68 et les têtes 70. En se reportant ensuite aux figures 1, 8 et 9,on voit que le bras 61 de l'élémentde réaction 39 porte une structure ai- mantée 49 comprenant une monture non ferreuse 73 généralement en forme de T. La fixation de la monture 73 au bras 61 se fait de préférence par une vis d'assemblage 75 excentrée, dont le fir réglage en rotation entraîne le déplacement latéral en va-et- vient de la monture 73 à travers l'élément de réaction 39 sur un axe de mouvement perpendiculaire à l'axe longitudinal de cet élément. L'introduction de cette caractéristique de régla- ge permet une légère modification de l'écartement entre la structure aimantée 49 et le transducteur 45, en assurant ainsi un réglage du gain. On peut accéder à la vis 75 par un trou 77 dans la base 27, le trou 77 devant etre étanché après ré- glage pour éviter une fuite. La monture 73 possède, fixés sur elle par un adhésif, une paire d'aimants permanents 79, 81 relativement minces, présentant chacun une face plane, généralement carrée. Dans la réalisa- tion typique, l'aimant supérieur 79, tel que représenté sur la figure 9, est disposé sur la monture 73 de telle façon que sa face polaire nord soit à l'extérieur, tandis que l'ai- mant inférieur 81 est disposé de telle façon que sa face po- laire sud soit à l'extérieur. Dans l'exécution préférée, l'élémentde réaction 39 est réalisé comme une poutre en porte à faux et la zone utilisée pour déplacer la structure aiman- tée 49 est choisie de façon à être intermédiaire entre la pre- mière extrémité 68 et le patin 65. Il apparaîtra que l'on peut inverser la position du transducteur à effet Hall 45 et de la structure aimantée 49 en montant celui-là sur l'élément deré- action 39 et celle-ci, immobile, près de la carte de circuit 41. Cependant, les transducteurs connus sont mécaniquement fragiles et seront donc de préférence montés dans un empla- cement fixe. En outre, la nécessité de coupler des fils au transducteur 45 risque de porter préjudice à la précision du transmetteur 10. En se reportant aux figures 1 et 2, on voit qu'il peut s'avé- rer souhaitable de trouver un moyen pour le réglage du zéro ou du décalage du générateur de signaux 37. En conséquence, la ba- se 27 comporte aussi une protubérance 83 en saillie vers le bas, qui peut recevoir une vis 85. La vis 85 peut appuyer sur l'élément de réaction 39 sans y être fixée et peut être tour- née vers le bas, vers l'élément 39, pour procurer un décala- ge mécanique, et donc électrique, en exigeant une plus gran- de pression différentielle pour imprimer son mouvement au dia- phragme. En se référant ensuite aux figures 2 et lC, on y voit le transducteur 45 et le circuit électronique 87 qui peut être reçu et réalisé sur la carte de circuit imprimé 41. Le circuit 87 comprend un potentiomètre 89 servant à sélectionner, si on le désire, une tension de décalage nulle. C'est-àdire que certains dispositifs de commande avec lesquels le transmetteur peut être utilisé peuvent exiger une tension de sortie con- tinue de 1V, par exemple, sans aucune tension différentielle de part et d'autre du diaphragme 17. Pareillement, ces dispositifs de commande peuvent exiger une tension de sortie continue de 2V pour la pression différentielle maximale à détecter, par eemple 76,2mm(3 pouces) de hauteur d'eau. Le potentiomètre 89 permet ce réglage tandis que l'amplificateur opérationnel 91 (LM358) est utilisé dans ce circuit 87 comme amplificateur à charge de tension, permettant l'adaptation de l'impédance d'autres dispositifs extérieurs à l'appareil 10. Quand le transmetteur 10 de la présente invention est utilisé avec un système VAV et un conduit d'air pour la détection d'une pression qui est positive là-dedans par rapport à la pression -ambiante, l'appareil 10 est monté adjacent au conduit du sys- tème et à une conduite pneumatique installée entre le premier orifice 21 et la région spatiale intérieure au conduit. Une puissance continue est alors appliquée au transmetteur 10 et le diaphragme 17 se déplace vers une position qui correspond à la pression différentielle agissant sur lui. Le bec 93 de la plaque 35 du diaphragme, supportant le patin 65 de l'élément deréaction 39, provoque un mouvement vers le haut, comme on le voit sur la figure 2, de sorte que la structure aimantée 49 est, avec ses aimants 79 et 81, amenée à une certaine posi- tion par rapport au transducteur 45. Le signal électrique qui en résulte à la sortie du transducteur sera une tension repré- sentative de la pression différentielle de part et d'autre du diaphragme 17 et, par conséquent, de la pression à l'intérieur du conduit. Une courbe 93 représentant les caractéristiques de rendement d'un appareil 10 typique est décrite sur la figu- re 11 comme étant généralement linéaire tant dans le sens de croissance que de décroissance de la pression et l'hystéré- sis est acceptablement basse. Il apparalt d'après cette cour- be que, lorsque la pression croît, une tension de sortie de circuit de 1, 5 V environ du courant continu représente une pression positive, à l'intérieur du conduit, de 1,78 mm (0,07 pouce) environ de hauteur d'eau par rapport à la pression ambiante. Pareillement, quand la pression décroît, cette m- me tension représente une pression d'environ 1,52 mm (0,06 pouce) de hauteur d'eau à l'intérieur du conduit. La réali- sation typique peut convenablement être utilisée avec un équi- pement numérique direct à microprocesseur pour la commande du système VAV, et un tel équipement peut être directement confi- guré pour distinguer entre un signal de croissance ou de dé- croissance à la sortie du transmetteur 10. Dans la réalisa- tion typique représentée par la courbe de rendement 93 de la figure 11p le ressort à lame de l'élément de réaction 39 était constitué d'acier inoxydable formule 410, avait une épaisseur d'environ 0,25 mm (0,010 pouce) et une largeur d'en- viron 0,17 mm (0,685 pouce). Il apparaîtra, après apprécia- tion des enseignements de l'exposé, que d'autres caractéris- tiques de rendement pourraient en être tirées en modifiant la configuration des composants du transmetteur. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et nonlimitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. 388/86 Z579684 REVENDICATIONS 1. Transmetteur de pression différentielle caractérisé en ce qu'il comprend: - un bottier (11); - une première chambre (13) à l'intérieur du dit bottier pour recevoir une pression d'entrée, cette première chambre étant délimitée par un élément de paroi rigide (19) et un diaphrag- me (17) formé de façon continue et d'une grande élasticité; - une seconde chambre (15) à l'intérieur du dit bottier pour recevoir un émetteur (29) destiné à engendrer un signal électrique représentatif de la dite pression d'entrée, le diaphragme maintenant la première chambre et la seconde cham- bre isolées entre elles quant à la circulation d'un fluide; - un élément (39)de réaction élastique renfermé dans la seconde chambre pour détecter une position du diaphragme résultant de l'amplitude de la pression d'entrée, cet élément à réac- tion supportant une structure aimantée (49); - le dit transmetteur comprenant un transducteur à effet Hall pour la détection de la position relative de la dite struc- ture par rapport au transmetteur et y répondant par la géné- ration du susdit signal électrique. 2. Transmetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élémentde réaction (39) comprend un ressort à lame soutenu à sa première extrémité et agissant conjointement avec le dit diaphragme pour détecter la position de ce dernier. 3. Transmetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure aimantée comporte un certain nombre d'aimants (79, 81) généralement plans disposés en étroite juxtaposition l'un par rapport à l'autre dans une attitude généralement co- planaire. 4. Transmetteur de pression différentielle caractérisé en ce qu'il comprend: - un bottier (11) possédant une première chambre (13) et une seconde chambre (15) maintenues isolées entre elles, quant à la circulation d'un fluide, par un diaphragme élastique (17); - un générateur de signaux disposé dans le dit boîtier et con- tenant un émetteur (29) de signal et un élément (39) de réac- tion essentiellement exempt de frottement, mobile en coinci- dence avec le dit diaphragme; - cet élément à réaction formant un ressort à lame disposé gé- néralement parallèlement au diaphragme et possédant un cer- tain nombre d'aimants (79, 81) généralement plans montés sur lui pour produire un champ magnétique; - l'émetteur précité comprenant un transducteur (45) à effet Hall présentant une surface généralement plane et monté par rapport aux dits aimants en en étant espacé et de manière à détecter le champ magnétique, le générateur de signaux pro- duisant un signal de sortie électrique représentatif de la pression existant dans la première chambre. 5. Transmetteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le plan défini par les faces des aimants et la surface généralement plane du transducteur sont tous deux généralement normaux au plan généralement défini par le diaphragme. 6. Transmetteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le signal électrique de sortie est un signal analogique d'une amplitude généralement proportionnelle à la pression existant dans la première chambre. 7. Transmetteur de pression différentielle caractérisé en ce qu'il comprend: - un bottier (11) comportant une première chambre (13) et une seconde chambre (15) maintenues isolées entre elles, quant à la circulation d'un fluide, par un diaphragme élastique (17) formé de façon continue; - une base de support (27) montée de façon rigide dans le dit boltier et cgntenant un émetteur de signal (29)qui comprend un transducteur (45) à effet de Hall pour la détection de la position d'une structure aimantée; - un ressort élastique à lame disposé dans la seconde chambre et dont la première extrémité est fixée à son support, l'autre extrémité, libre, étant mobile en réponse au mouvement du dia- phragme, et une structure aimantée (49) montée de façon inter- médiaire à cette première et à cette seconde extrémités et mobile de façon à coïncider généralement avec le mouvement de l'extrémité libre; l'émetteur précité et la structure aimantée ci-dessus étant maintenus espacés entre eux de telle façon que le transduc- teur capte le champ magnétique de la structure, le dit émet- teur générant par ce moyen un signal de sortie électrique re- présentatif de la pression qui existe dans la première cham- bre.