Brevet FR2591335A1 — publié le 19870612

-1 La présente invention se rapporte à des transducteurs pour hautes pressions, servant à mesurer des pressions de plusieurs dizaines de mégapascals ou plus. Les transducteurs destinés à mesurer de très hautes pressions, de l'ordre de plusieurs dizaines de mégapascals, ou plus, sont bien connus, mais ils sont généralement assez massifs et coûteux. Pour mesurer des pressions inférieures, de l'ordre de 6 à 7 MPa, ou moins, il est fait référence à des ensembles et circuits pour transducteurs de pression capacitifs qui sont présentés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 4 388 668, 4 398 426, et 4 227 419. Dans les transducteurs qui sont présentés dans ces brevets, il est employé un mince diaphragme fait d'un matériau isolant à faible hystérésis, comme du verre, ou bien une céramique telle que l'alumine; et, lorsqu'une pression est appliquée au diaphragme, celui-ci fléchit en direction d'un élément de base adjacent, normalement du même matériau, et des couches conductrices disposées sur les faces en regard modifient leur écartement, ce qui fait varier la capacité existant entre les deux couches conductrices. Un circuit normal appartenant au transducteur convertit les variations de capacité en un signal électrique qui varie linéairement avec les variations de pression. Ces transducteurs de pressions sont relativement peu coûteux et ont été largement utilisés dans la commande automobile et d'autres applications. Des transducteurs destines à des gammes de pression allant jusqu'à une valeur approximative de 6 à 7 MPa ont été fabriqués, qui utilisent spécialement les dispositions présentées dans les brevets ci-dessus cités. Toutefois, à des pressions dépassant sensiblement la valeur de 6 à 7 MPa, ce qui correspond à plus de 60 ou 70 atmosphères ou bars, les configurations normales des transducteurs pour basses pressions ne sont pas entièrement adaptées à la pratique, car les joints de pression et d'autres constituants ne peuvent pas supporter les très hautes pressions. C'est donc un but principal de l'invention de proposer un transducteur pour hautes pressions peu coûteux. Selon l'invention, il est proposé un transducteur capacitif de base possédant un diaphragme isolant à faible hystérésis mécanique, monté de manière à être étroitement écarté vis-à-vis d'un élément de base isolant, et des couches conductrices se trouvant sur les deux surfaces opposées. La source du fluide sous pression élevée à mesurer est couplée à une monture métallique de haute résistance, contenant une chambre qui possède un diaphragme, fait d'un métal en feuille, souple et mince, de même dimension sensiblement que le diaphragme isolant et en contact avec lui, et soudé ou lié d'une autre manière à la monture. Par conséquent, lorsque la pression élevée varie, la pression régnant à l'intérieur de la monture est transmise par l'intermédiaire du diaphragme métallique souple au diaphragme isolant pour la mise en oeuvre du transducteur capacitif. L'élément de base isolant et le diaphragme isolant sont de préférence des matériaux à résistance élevée à la compression et ils sont fermement fixes dans la monture à résistance éLevée pour empêcher un éventuel éclatement dû à la pression. On peut réaliser ceci en utilisant, par exemple, une lourde bague de retenue fixée dans la monture et soutenant mécaniquement le transducteur en main- tenant fermement le diaphragme isolant contre le diaphragme en feuille métallique. Pour indiquer l'ordre de grandeur des dimensions mises en jeu, on a effectué une mesure de pression linéaire jusqu'à 66,24 MPa à l'aide d'un transducteur capacitif d'un diamètre extérieur de 30,48 mm, avec un diaphragme en alumine isolant d'une épaisseur d'environ 5,08 mm et une tôle d'acier inoxydable souple d'une épaisseur d'environ 0,1016 mm et d'un diamètre d'environ 27,94 mm, en contact avec la surface extérieure du diaphragme. Plus généralement, l'épaisseur du diaphragme isolant est de l'ordre d'au moins 2,54 mm et celle du diaphragme métallique est de 0,0762 mm à 0,3048 mm environ. Plus spécialement, on envisage pour le diaphragme isolant une déflexion qui est de préférence comprise entre 0,0254 mm et plusieurs fois cette valeur. Par conséquent, suivant la gamme de pressions voulue, le diamètre du transducteur ainsi que les matériaux dont sont faits le diaphragme isolant et l'élément de métal en feuille, les épaisseurs du diaphragme et de l'élément de métal en feuille, peuvent varier. En général, pour des pressions inférieures, on rédui- rait l'épaisseur du diaphragme. Il apparaît également que l'on pourrait utiliser un élément en tôle d'acier inoxydable qui serait quelque peu plus épais que la valeur 0,1016 mm ci-dessus mentionnée, peut-être une épaisseur de 0,254 mm. On peut encastrer le disque en acier inoxydable dans une monture en acier inoxydable et le souder sur place pour empêcher l'application directe d'une pression de fluide élevée au transduc- teur ou aux joints qui lui sont associés. La monture peut avoir une configuration permettant d'appliquer une pression élevée sur une large zone de l'élément de métal en feuille, et ceci peut être fait avec une chambre qui peut s'ouvrir pour embrasser la plus grande partie de la surface de l'élement de métal en feuille, depuis le raccord d'entrée du fluide à pression élevée. Un avantage important du trans- ducteur tel que ci-dessus décrit est qu'il est compatible avec les procédés de fabrication et l'électronique qui sont présentés dans Les brevets ci-dessus cités, se rapportant à des transducteurs pour pressions inférieures. En outre, on assure la fiabilité en enfermant la zone de pression éLevée de l'unité derrière le diaphragme de métal souple, ce qui évite la rupture de joints ou d'autres parties du transducteur. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue en section droite d'un transduc- teur pour hautes pressions illustrant les principes de l'invention; la figure 2 est une vue éclatée du transducteur de la figure 1; et la figure 3 est une vue en section droite agrandie d'une partie de la figure 1. On se reporte aux dessins. Plus particulièrement, la figure 1 montre un transducteur pour hautes pressions possédant un boYtier extérieur 12 et une monture pour hautes pressions 14 soudée au boîtier 12 suivant une soudure 16 de configuration circulaire. A l'extrémité droite de la monture 14, comme représenté sur la figure 1, se trouve un raccord pour hautes pressions classique 18. La monture 14 présente une configuration hexagonale 20 permettant de faciliter le blocage vis-à-vis de la rotation pendant le vissage en place à l'intérieur du boîtier 12 de la bague 22 de retenue des hautes pressions. A L'intérieur du bottier 12, se trouve un trans- ducteur de pression comportant une plaque de base 24 et un diaph- ragme 26 relativement épais, mais pouvant fléchir. Ces deux parties 24 et 26 peuvent par exempLe être faites d'aLumine, ou bien d'un autre - matériau isolant possédant une faible hystérésis mécanique, comme le verre ou la céramique. Le diaphragme 26 est fixé de manière hermé- tique à la plaque de base 24 par une bague périphérique de fritte de verre 28, laquelle fait à la fois fonction d'entretoise et de joint hermétique vis-à-vis des deux éléments. Le raccord hautes pressions 18 se connecte à un canal 30, lequeL ouvre lui-même dans une chambre 32. Une mince plaque d'acier inoxy- dable 34 s'encastre dans la monture 14 suivant sa périphérie en face du diaphragme 26 et la plaque 34 est soudée dans cette péri- phérie sur la monture 14.Le diaphragme en tôle métallique souple 34 est en contact direct avec le diaphragme de céramique Z6. On peut églament noter que le diaphragme métallique 34 ferme complètement et de manière hermétique la région de hautes pressions comportant le canal 30 et la chambre 32, si bien qu'aucun fluide sous pression élevée ne peut pénétrer à l'intérieur de l'ensemble de la figure 1, au-delà du diaphragme d'acier inoxydable 34. Le diaphragme 26 est de préférence séparé de la plaque de base 34 par une distance de l'ordre de 0,0254 mm à 0,0762 mm, mais des séparations supérieures ou inférieures, allant par exemple de 0,0127 mm à 0,508 mm, sont admissibles. Sur les surfaces en regard du diaphragme 26 et de la plaque 24, se trouvent des électrodes, comme décrit dans les brevets cités ci-dessus. Lorsqu'un fluide sous pression élevée est appliqué via le raccord 18 au canal 30, il pénètre dans la chambre 32 et applique une pression élevée sur le diaphragme d'acier inoxydable 34. Le diaphragme d'acier inoxydable 34 étant en contact direct avec le diaphragme 26, celui-ci fléchit vers l'intérieur en modifiant la capacité entre les deux électrodes métalliques. Sur le côté gauche, comme indiqué sur la figure 1, de la plaque de base 24, est montée une petite plaquette de circuit imprimé 38 sur laquelle est monté le circuit électrique servant à convertir les variations de capacité résultant de variations d'écartement des électrodes en un signal électrique de sortie, par exemple une tension variable ou une fréquence variable, qui peut être utiLisé pour indiquer la pression d'entrée appliquée sur Le transducteur. Entre la bague de retenue filetée 22 et la plaque de base 24 du transducteur, se trouve un élément d'écartement 40, qui peut lui aussi être fait en acier inoxydable. Comme on peut mieux le voir sur la figure 2, l'élément d'écartement 40 en acier inoxydable peut présenter une configuration quelque peu irrégulière pour assurer un contact maximal avec la plaque de base 24, sans pour autant gêner la plaquette de circuit imprimé 38. Une autre petite plaquette de circuit imprimé 42 est montée à l'intérieur du bottier et fait fonction d'alimentation électrique de la plaquette de circuit imprimé 38. Pour maintenir la plaquette de circuit imprimé 42 en position à l'intérieur de la bague de retenue filetée 22, il est prévu une bague de retenue supplémentaire 44 plus petite. L'élément de bottier postérieur 46 est monté de manière étanche contre l'extrémité gauche de l'élément de bottier extérieur 12 par le joint torique 48. L'élément de boîtier postérieur 46 est maintenu en position relativement au boîtier extérieur 12 par sertissage des bords postérieurs du boîtier 12 au-dessus du boîtier postérieur 46, comme indiqué par exemple au niveau du numéro de référence 50. A l'intérieur du boîtier postérieur 46, se trouve une plaque métallique 52, et l'ensemble de raccordement électrique 54 est fixé à la plaque 52 par les quatre vis 56. Apres le montage complet, on fait passer les fils 58 dans des trous ménagés dans les têtes des vis 56 afin d'empêcher tout desserrage des vis. Le joint 60 assure l'étanchéité entre l'ensemble de raccordement 54 et le boîtier postérieur 46. Un condensateur de filtrage 62 est monté,comme représenté sur la figure 1, au voisinage de la plaque métallique 52. Pour permettre à l'intérieur du transducteur pour hautes pressions de la figure 1 d'acquérir la pression ambiante, il est prévu un passage d'air filtré. Celui-ci comprend le passage 66 ménagé dans la bague de retenue filetée 22 et le passage 68 ménagé dans le boîtier postérieur 46. Un petit filtre en papier circulaire 72 est maintenu en place dans un évidement de la bague de retenue filetée 22 par le tube métallique 74 s'étendant également dans le 2 5 9 1335 boîtier postérieur 46 et se couplant avec le canal 68. La figure 3 est destinée à présenter une vue agrandie du passage 30, de la chambre 32 pour hautes pressions, du diaphragme en acier inoxydable 34, et du diaphragme en céramique ou en alumine 26. Sur la figure 3, on peut voir le contact complet du diaphragme en acier inoxydable 34 avec le diaphragme en alumine 26, et on peut apprécier l'application régulière de la haute pression diaphragme. Sur la figure 3, à une échelle agrandie, est également présentée la fritte de verre 28 assurant l'étanchéité entre le diaphragme 26 et la plaque de base 24, en plus des deux électrodes conductrices, qui se trouvent sur les surfaces mutuellement corres- pondantes de la plaque de base 24 et du diaphragme 26. On note que la configuration de ces électrodes peut prendre une quelconque de plusieurs types, y compris se présenter dans les brevets cités ci-dessus. Le procédé de fabrication du transducteur lui-même, qui comporte des opérations d'application des électrodes et de la fritte de verre et de cuisson des transducteurs, peut être tel que décrit dans les brevets cités ci-dessus. Les électrodes peuvent être appliquées aux disques de céramique ou d'alumine par un processus de sérigraphie utilisant une pâte métallique, après quoi une opération ultérieure de cuisson lie aux disques les revêtements métalliques minces formant les électrodes. Les disques peuvent être tous deux collés ensemble, montés de manière étanche et écartés l'un de l'autre au moyen de la bague périphérique faite de la fritte de verre. La fritte de verre peut comporter des particules appartenant à deux verres ayant des points de fusion différents. La taille des particules du verre ayant le point de fusion le plus haut sert à déterminer l'écartement des électrodes, et la cuisson de la fritte de verre s'effectue à une température supérieure au point de fusion de l'autre verre, à point de fusion plus bas, cette température étant en outre inférieure au point de fusion du verre à point de fusion plus haut. L'écartement des électrodes est de préférence compris entre 0, 0127 mm et 0,508 mm l'écartement préféré étant de 0,0256 mm à 0,0508 mm. En conclusion, il faut comprendre que la description détaillée précédente et les dessins annexes se rapportent à un mode de réali- sation préféré de l'invention, fourni à titre d'exemple. Toutefois, diverses variantes peuvent être apportées. Ainsi, à titre d'exemple et sans esprit de limitation, le transducteur lui-même et le bottier métallique peuvent être faits en d'autres matériaux que ceux ci- dessus mentionnés. De plus, les pièces ne doivent pas nécessairement présenter la configuration précise ci-dessus décrite, mais peuvent apparaître sous d'autres formes. En outre, au lieu que les pièces soient faites de métal, elles peuvent, dans de nombreux cas, être formées de matière plastique à résistance élevée. De plus, pour un montage convenable, il n'est pas nécessaire que l'application de la pression au diaphragme 34 soit réalisée à l'aide d'un petit canal initial tel que le canal 30 débouchant dans la chambre 32. Au contrai- re, il pourrait s'agir d'un raccordement direct entre un récipient sous pression élevée et le diaphragme, via une conduite plus large. Par conséquent, on comprendra que l'homme de l'art est naturellement en mesure d'imaginer, à partir du transducteur dont la descriptionvient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. On notera de plus que l'appréciation de certaines des valeurs numériques données ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglosaxonnes en unités métriques. 2 591335 REVENDICATIONS 1. Transducteur pour hautes pressions simple et fiable, caractérisé en ce qu'il comprend: un transducteur de pression capacitif fait de deux plaques isolantes (24, 26) étroitement rapprochées en matériau à faible hysté- résis mécanique, lesdites plaques ayant chacune une couche de matériau conducteur sur leurs faces opposées formant des électrodes qui sont légèrement écartées l'une de l'autre, et au moins l'une (26) desdites plaques étant un diaphragme qui est souple sous l'action d'une pression élevée de façon à être défléchi vers l'autre plaque et modifier la capacité existant entre lesdites électrodes; une monture (14) pour hautes pressions destinée à porter et enfermer ledit transducteur capacitif, ladite monture pour hautes pressions comportant un raccord (18) destiné à se connecter à une source de fluide sous pression élevée, et une chambre (32) pour hautes pressions présentant une étendue comparable à l'extension possible du diaphragme isolant; un diaphragme métallique souple mince (34) lié à ladite monture et fermant hermétiquement ladite chambre pour hautes pressionsen empêchant l'entrée dudit transducteur au fluide sous pression élevée; et un moyen (22) permettant de monter ledit transducteur à l'intérieur de ladite monture de façon que le diaphragme isolant soit en contact ferme avec ledit diaphragme métallique en feuille souple, si bien que, lorsque la haute pression appliquée audit raccord varie, la déflexion dudit élément métallique en feuille et du diaphragme isolant varie de manière correspondante, et la capa- cité de sortie modifiée résultante du transducteur indique le nouveau niveau de pression. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites plaques isolantes sont faites d'alumine. 3. Transducteur selon La revendication 1, caractérisé en ce que ladite monture et ledit diaphragme de métal en feuille sont faits en acier inoxydable. 4. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit diaphragme isolant a une épaisseur d'au moins 2,54 mm. 5. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit diaphragme de métal en feuille a une épaisseur de l'ordre de 0,0762 mm à 0,3048 mm. 6. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit diaphragme de métal en feuille est soudé à ladite monture de manière hermétique de façon à empêcher la haute pression d'atteindre lesdites deux plaques isolantes. 7. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites deux plaques isolantes et ledit diaphragme de métal en feuille ont une configuration circulaire. 8. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites plaques isolantes sont formées d'un matériau ayant une résistance élevée à la compression. 9. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de montage comportent une bague de retenue lourde (22) en contact de vissage avec ladite monture afin de maintenir lesdites deux plaques isolantes de façon que le diaphragme isolant soit fermement disposé contre le diaphragme de métal. 10. Transducteur pour hautes pressions simple et fiable, caractérisé en ce qu'il comprend: un transducteur de pression capacitif fait de deux plaques isolantes (24, 26) étroitement rapprochées en matériau à faible hystérésis mécanique, lesdites plaques ayant chacune une couche de matériau conducteur sur leurs faces opposées formant des électrodes qui sont légèrement écartées l'une de l'autre, et au moins l'une (26) desdites plaques étant un diaphragme qui est souple sous l'action d'une pression élevée de façon à être défléchi vers l'autre plaque et modifier la capacité existant entre lesdites électrodes; une monture (14) pour hautes pressions destinée à porter et enfermer ledit transducteur capacitif, ladite monture pour hautes preessions comportant un raccord (18), permettant de manipuler des pressions qui dépassent 34,5 MPa, destiné à se connecter à une source de fluide sous pression élevée, et une chambre (32) pour hautes pressions présentant une étendue comparable à l'extension possible du diaphragme isolant; un diaphragme métallique souple mince (34) lié à ladite monture et fermant hermétiquement ladite chambre pour hautes pressionsen empêchant l'entrée dudit transducteur au fluide sous pression élevée; et un moyen (22) permettant de monter ledit transducteur à l'intérieur de ladite monture de façon que le diaphragme isolant soit en contact ferme avec ledit diaphragme métallique en feuille souple; et ledit moyen de montage comportant une bague (22) de retenue lourde en contact de vissage avec ladite monture afin de maintenir lesdites deux plaques isolantes de façon que le diaphragme isolant soit fermement disposé contre le diaphragme de métal; si bien que, lorsque la haute pression appliquée audit raccord varie, la déflexion dudit élément métallique en feuille et du diaphragme isolant varie de manière correspondante, et la capacité de sortie modifiée résultante du transducteur indique le nouveau niveau de pression. 11. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites plaques isolantes sont faites d'alumine. 12. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite monture et ledit diaphragme de métal en feuille sont faits en acier inoxydable. 13. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit diaphragme isolant a une épaisseur d'au moins 2,54 mm. 14. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit diaphragme de métal en feuille a une épaisseur de l'ordre de 0,0762 mm à 0,3048 mm. 15. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit diaphragme de métal en feuille est soudé à ladite monture de manière hermétique de façon à empêcher la haute pression d'attein- dre lesdites deux plaques isolantes. 16. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites deux plaques isolantes et ledit diaphragme de métal en feuille ont une configuration circulaire. 17. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites plaques isolantes sont formées d'un matériau ayant une résistance élevée à la compression. 18. Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite monture possède un épaulement qui vient en contact 2 5 9 1335 avec ledit diaphragme isolant (26), et ledit épaulement est évidé de manière à recevoir ledit diaphragme de métal (34) da façon que la surface du diaphragme de métal affleure La surface dudit épaulement et se trouve alors en contact intime avec ledit diaphragme isolant.