Brevet FR2602865A1 — publié le 19880219

CAPTEUR OPTIQUE DE GRANDEURS PHYSIQUES La présente invention a pour objet un capteur optique pour mesurer des grandeurs physiques. De façon plus précise la présente invention concerne un capteur mettant en oeuvre des phénomènes optiques pour mesurer des grandeurs physiques et notamment, mais non exclusivement, une pression. I1 existe un certain nombre de cas où 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 i tourbillon pour le gaz.Ce type de compteur, basé sur l'effet Karman, est bien connu. On pourra se reporter au brevet français 2 357 868 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 chacun des côtés de l'obstacle disposés sensiblement parallèlement i I'écoulement du fluide. La fréquence de formation de ces tourbillons est proportionnelle å la vitesse du fluide. Pour mesurer cette fréquence on peut mesurer les variations de la différence des pressions du fluide au voisinage des deux côtes latéraux de l'obstacle. Pour cela, l'obstacle comprend deux conduits qui débouchent respectivement dans ces côtés 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, à chaque instant, de la pression différentielle. Pour mesurer la fréquence de modulation de la pression différentielle on a déj & 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 a inductances variables. Un tel détecteur qui implique une circulation de courant électrique est peut satisfaisant dans le cas où le compteur à tourbillon sert a mesurer le débit d'un gaz explosif, car il nécessite alors l'usage d'un boitier antidéflagrant. De plus, fréquemment, il existe une distance non négligeable entre le lieu où est implanté le compteur avec son capteur de pression différentielle et la zone de contrôle où 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. Ce problème peut se présenter lorsqu'on veut mesurer une pression statique a distance, ou d'autres grandeurs physiques telles qu'une force, une accélération, la fréquence de vibration d'une pièce, etc. Pour remédier a ces inconvénients, un objet de l'invention est de fournir un capteur pour mesurer une grandeur physique, notamment la fréquence de modulation d'une pression, qui ne nécessite pas de circuit électrique ou électronique a proximité immédiate du compteur et qui, de plus, permette une transmission à distance du signal de mesure qui ne soit pas susceptible d'être perturbé par des interférences électromagnétiques. Pour atteindre ce but, le capteur optique selon l'invention comprend des moyens formant support déformable, des moyens pour appliquer auxdits moyens formant support une déformation par courbure représentative de la valeur de ladite grandeur physique,lesdits moyens formant support comprenant au moins un conducteur lumineux creux soumis à ladite déformation et presentant une première et une deuxième extrémité entre lesquelles ladite partie formant guide lumineux est sensiblement rectiligne, ledit guide lumineux creux présentant une paroi interne s'étendant entre les deux extrémités, au moins une partie de ladite paroi interne présentant un pouvoir de diffusion lumineuse plus élevé que le reste du guide, et en ce qu'il comprend en outre une source lumineuse pour appliquer a une desdites extrémités un faisceau lumineux, des moyens optiquement disposés en regard de ladite deuxième extrémité pour recueillir au moins une partie du faisceau lumineux transmis par ledit guide lumineux creux et des moyens pour traiter le signal recueilli pour en déduire une caractéristique de la déformation des moyens support. Selon un mode préféré de réalisation le capteur optique est un capteur de pression differentielle et les moyens pour appliquer aux moyens support une courbure représentative de la pression différentielle comprennent des moyens pour appliquer de part et d'autre des moyens support les deux pressions dont on veut mesurer la difference, les moyens support constituant alors des moyens formant diaphragme. En d'autres termes, la différence des pressions appliquées de part et d'autre du diaphragme provoque la courbure de ce diaphragme et donc du guide lumineux creux qui en fait partie intégrante. La courbure prise par le guide lumineux modifie de façon très sensible le coefficient de transmission du guide lumineux creux grâce au fait qu'au moins une partie de la paroi interne du guide lumineux présente les propriétés énoncées ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés a titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère au dessin annexé sur lequel - les figures la à lb illustrent un premier mode de réalisation du capteur optique selon l'invention, la figure la étant une vue en coupe en élévation et la figure lb une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure la ; - la figure 2 est une courbe qui illustre le fonctionnement du capteur optique selon les figures la et lb ; - les figures 3a et 3b sont des schémas illustrant le principe de fonctionnement du capteur des figures la et lb - les figure 4a et 4b illustrent une variante de réalisation du tube creux du capteur optique;; - les figures 5a et 5b montrent un deuxième mode de réalisation d'un capteur selon l'invention comportant deux diaphragmes déformables - la figure 6 est une courbe montrant la variation du signal recueilli à la sortie du capteur des figures 5a et 5b en fonction de la différence de pression ; et - les figures 7a et 7b montrent une variante de réalisation du capteur des figures 5a et 5b utilisant des guides lumineux pleins; Les figures la et lb montrent un premier mode de réalisation d'un capteur de pression différentielle selon 1 'invention. Le capteur comprend un diaphragme déformable 500 de forme circulaire et d'épaisseur réduite. I1 est par exemple réalisé en acier. Sur la face supérieure 500~ du diaphragme 500 est soudé un tube creux 502 dont l'axe XX' s'détend selon un diamètre du diaphragme 500. Les deux extrémités 504 et 506 du tube 502 sont ouverte. La paroi interne 508 du tube, qui est cylindrique dans l'exemple considéré comporte une partie supérieure demi-cylindrique 508a qui est dépolie, c'est-à-dire pourvue d'aspérités et une partie inférieure demi-cylindrique 508b qui est polie, c'est-à-dire qui presente des bonnes propriétés réfléchissantes.Sur la périphérie du diaphragme 500 est fixée de façon étanche un manchon 516 cylindrique dont la hauteur est légèrement supérieure au diamètre du tube 502. Le manchon 510 comporte deux encoches 512 et 514 diamétralement opposées dans lesquelles sont engagées les extrémités du tube 502. Vis- & vis de l'extrémité 504 du tube 502 est disposée une source lumineuse 520 qui émet un faisceau lumineux pénétrant dans le tube 502 par son extremite 504. En face de l'extrémité 506 du tube 502 est disposé un détecteur photosensible qui délivre sur sa sortie 524 un signal électrique dont l'intensité est représentative de l'intensité lumineuse qu'il a recueillie à la sortie du tube 502. L'ensemble formé par le diaphragme 500, le manchon 510 et le tube 502 est enserré par deux demi-enveloppes cylindriques 526 et 528. Les liaisons entre d'une part le manchon 510 et la demi-enveloppe 526 et d'autre part le diaphragme 500 et la demi-enveloppe 528 sont étanches.Les demi-enveloppes limitent ainsi de part et d'autre du diaphragme 500 deux chambres 530 et 532 dans lesquelles on peut faire régner les pressions P2 et P1 dont on veut mesurer la différence. On comprend que, lorsque les pressions P1 et P2 sont égales le diaphragme 500 ne présente pas de courbure.Il en va de même du tube 502. Au contraire, si les pressions P1 et P2 sont différentes, le diaphragme 500 et donc l'axe XX' du tube 505 prennent une courbure dont la flèche (y) dépend de la différence des pressions et dont le signe dépend de la localisation (chambres 530 ou 532) où il règne la pression la plus élevée. La figure 2 illustre la variation de l'intensité du signal lumineux en fonction de la différence de pression P2-P1. Plus précisément sur la figure 2 on a porté en abscisses la flèche (y) du diaphragme 500 et en ordonnées le rapport entre l'intensité lumineuse recueillie I et l'intensité lumineuse Io recueillie par le détecteur 522 lorsque le diaphragme est plan (y=o). On voit que la courbe n'est pas symétrique par rapport à y=o, ce qui permet effectivement de faire la distinction entre les différences de pressions positives et négatives. La courbe de la figure 2 correspond au cas ou la source lumineuse est du type lambertien. En se référant aux schémas des figures 3a et 3b on comprendra mieux pourquoi l'intensité lumineuse recueillie I augmente pour les valeurs positives de la flèche y (P2 P1). Sur le figure 3a on a représenté schématiquement un guide optique 600 en forme de tube creux présentant deux faces d'extrémité 602 et 604 ouvertes, une paroi interne demi-cylindriques 606 polie, et une deuxième paroi interne demi-cylindrique 608 qui est dépolie. Sur la figure 3a on a fait figurer un rayon lumineux R qui frappe la paroi interne réfléchissante 606 au point A avec un angle d'incidence i tel que le rayon réfléchi S frappe la paroi dépolie 608 au point B. La figure 3b montre le même guide 600 mais présentant une flèche positive due à ce que la pression P2 est supérieure à la pression P1. Si l'on considère le même rayon lumineux R, celui-ci frappe la paroi réfléchissante 606 en un point A' différent du point A en raison de la courbure prise par le guide lumineux creux, le point A' étant plus proche de la face de sortie 604 que le point A. Pour la même raison l'angle d'incidence i' est supérieur å l'angle i. En conséquence, le rayon réfléchi correspondant S' sort directement a l'extrémité de sortie 604 sans subir de réflection.Comme, de plus, l'influence de la courbure de la paroi interne dépolie 608 n'a que peu d'influence sur l'énergie lumineuse transmise, le résultat global de la courbure du guide lumineux est d'augmenter l'énergie lumineuse transmise par rapport à l'énergie lumineuse transmise en l'absence de courbure.Cela reste vrai pour des courbures pas trop grande du guide. Sur les figures 4a et 4b on a représenté une variante de réalisation du capteur de la figure 1, et plus précisément une variante de réalisation du tube creux. Le capteur comprend un diaphragme déformable 620 semblable au diaphragme 500 de la figure 1, mais dont la face 622 est polie afin d'être optiquement réfléchissante. Sur la face 622 du diaphragme 620 est fixée une pièce allongée 624 ayant en section droite la forme d'un U. l'axe longitudinal YY' de la pièce 624 est disposé selon un diamètre du diaphragme 620. La pièce 624 et la portion en regard de celle-ci du -diaphragme 620 forment un tube creux à section droite rectangulaire. La face interne 626 de la pièce opposée au diaphragme 620 ainsi que la paroi latérale 628 sont dépolies. En revanche, la face latérale 630 reste polie. On obtient ainsi un conducteur optique creux à section droite rectangulaire dont la moitié de la surface interne est dépolie et dont l'autre moitié est polie et donc réfléchissante. Ce capteur présente des caractéristiques très semblables a celles du capteur des figures la et lb. Un avantage des capteurs décrits précédemment est que le tube et le diaphragme peuvent avantageusement être fabriqués avec le même matériau, par exemple de l'acier. I1 en résulte que les variations de température auxquelles le capteur peut être soumis en cours d'utilisation n'induiront aucun phénomène de dilatation thermique différentielle susceptible d'affecter le fonctionnement du capteur. Toutefois, si le capteur est monté dans un ensemble susceptible d'être soumis à des vibrations importantes, ces vibrations peuvent provoquer des déformations par courbure du diaphragme. Ces déformations parasites se traduiraient par une modulation parasite du signal lumineux recueilli par le détecteur optique. Sur les figures 5a et 5b on a représenté un deuxième mode de réalisation de l'invention permettent de s'affranchir des problèmes de vibrations mécaniques parasites. Le capteur est constitue par deux sous-ensembles de mesure A et B. Le sous-ensemble A comprend un diaphragme déformable 640 en forme de disque et un tube creux 642 a section droite circulaire fixé sur la face 644 du diaphragme 640 selon un diamètre de celui-ci. Comme le montre mieux la figure 5b la demi-paroi interne 645 la plus proche du diaphragme 640 est polie alors que l'autre demi-paroi interne 646 est dépolie. Le sous-ensemble de mesure B comprend également un diaphragme déformable 650 et un tube creux 652 à section droite circulaire fixé sur la face 654 du diaphragme 650. La demi-paroi interne 656 la plus proche du diaphragme 650 est dépolie et l'autre demi- paroi cylindrique 658 est polie. Les périphéries des faces des diaphragmes 640 et 650 dépourvues de tubes sont fixées de façon étanche à une paroi cylindrique 660, ce qui définit urçe chambre intermédiaire 662.La périphérie de l'autre face du diaphragme 640 est fixé à une première demi-enveloppe cylindrique 664 qui définit ainsi une première chambre d'extrémité 666, et la périphérie de l'autre face du diaphragme 650 est fixé à une deuxième demi-enveloppe cylindrique 668 ce qui définit une deuxième chambre d'extrémité 670.La paroi cylindrique 660 est munie d'une première buse 672 pour l'introduction d'un fluide à la pression P1 dans la chambre intermédiaire 662, et les demi-enveloppes 664 et 668 sont respectivement munies de buses 674 et 676 pour introduire un fluide i la pression commune P2 dans les chambres d'extrémité 666 et 670. Le système comprend en outre une source lumineuse 678 et un diviseur de faisceau 680 pour appliquer aux extrémités 682 et 684 des tubes 642 et 652 des faisceaux lumineux identiques. Le système comprend également deux détecteurs lumineux 686 et 688 qui recueillent respectivement les faisceaux lumineux transmis par les tubes 642 et 652 et les convertissent en des signaux électriques S1 et 52, et un circuit soustracteur 690 dont les entrées sont reliées aux sorties des détecteurs lumineux 686 et 688 pour delivrer un signal de mesure S. Si l'on considère le sous-ensemble A, il est soumis i la différence de pression P2-P1 et il se comporte comme le capteur de la figure 1. Le signal sl a donc la forme représentée sur la figure 2.De même, le sous-ensemble de mesure B est soumis a la même différence de pression ,mais avec y remplacé par -y et se comporte comme le capteur de la figure 1. Le signal S2 a donc la forme représentée sur la figure 2 en remplaçant P2-P1 par P1-P2. Si l'on choisit les diaphragmes 640 et 650 pour qu'ils présentent la même courbe de déformation en fonction de la différence de pression, les courbes représentatives de signaux S1 et 52 sont symétriques par rapport à l'axe des intensités .I1 en résulte que le signal S n S1-S2 a une courbe représentative qui passe par l'origine O et est antisymétrique par rapport a l'axe des intnesités .On comprend également que si l'ensemble du capteur est soumis à un choc ou une vibration, les signaux S1 et 52 sont modifiés de la même manière dans la région pr8che de l'origine O. En conséquence, le signal S n'est pas modifie.dans cette région. Les figures 7a et 7b montrent une variante de réalisation des figures 5a et 5b. Le capteur optique est identique à celui qui est représenté sur les figures 5a et 5b a l'exception des conducteurs lumineux. Les sous ensembles de mesure A et B comprennent les diaphragmes 640 et 650 sur lesquels sont fixés des conducteurs lumineux 700 et 702 que l'on va decrire ci-après plus en détail. Le conducteur 700 comprend un tube creux 704 fixé sur la face 644 du diaphragme 640 selon un diamètre de celui-ci. A l'intérieur du tube 700 on trouve un conducteur optique 706 à section droite circulaire, qui est solidaire du tube 702 pour prendre les mêmes courbures que celui-ci.La demi-paroi externe 708 du conducteur 706 qui est la plus éloignée du diaphragme 640, est dépolie alors que l'autre demi-paroi externe 710 reste polie. Le conducteur lumineux 702 comprend un tube creux 712 qui est fixé sur la face 654 du diaphragme 650 selon un diamètre de celui-ci.A l'intérieur du tube 712 est placé un conducteur optique 714 à section dronte circulaire qui est solidaire du tube 712 pour subir les mêmes déformations que lui. La demi-paroi externe 716 du conducteur optique 714 qui est la plus proche du diaphragme 650 est dépolie alors que l'autre demi-paroi externe 718 reste polie. Le reste du capteur est identique a celui qui est représenté sur les figures 5a et 5b. Pour les éléments inchangés on a repris les mêmes références numériques sur les figures 7a et 7b. Par rapport au mode de réalisation des figures 5a et 5b, on comprend que les tubes 704 et 712 servent uniquement à protéger mécaniquement les conducteurs optiques 706 et 714. Les conducteurs lumineux 706 et 714 qui sont réalisés en un matériau transparent jouent le même rôle que l'intérieur des tubes 642 et 652 des figures 3a et 3b.De plus, on comprend que, fonctionnellement, il y a équivalence entre le fait qu'une partie de la paroi externe du conducteur lumineux 706 ou 714 soit dépolie et le fait que la même partie de la paroi interne des tubes 642 et 652 soit dépolie. Le signal présent à la sortie du soustracteur a sensiblement la même forme que celui qui est représenté sur la figure 6. La mesure ainsi effectuée est sensiblement indépendante des vibrations auxquelles le capteur est soumis. Revendications 1. Capteur optique d'une grandeur physique caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens formant support déformables ; - des moyens pour appliquer auxdits moyens formant support une déformation par courbure représentative de la valeur de ladite grandeur physique, lesdits moyens formant support comprenant au moins un conducteur creux présentant un axe longitudinal s'étendant entre une première et une deuxième extrémité et ayant une section droite sensiblement constante, l'axe longitudinal dudit conducteur prenant ladite déformation par courbure, au moins une partie de la paroi interne dudit conducteur présentant un pouvoir de diffusion lumineuse plus élevé que celui du reste de la dite paroi ;; - une source lumineuse pour appliquer å ladite première extrémite une faisceau lumineux - des moyens optiquement disposés en regard de ladite deuxième extrémité pour recueillir au moins une partie du faisceau lumineux transmis par ledit tube ; et - des moyens pour traiter le signal recueilli pour en déduire une caractéristique de la.déformation des moyens support. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élèment support comprend un diaphragme déformable, et en ce que ledit conducteur lumineux est un tube creux solidaire dudit diaphragme, l'axe dudit tube étant disposé selon un diamètre dudit diaphragme. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que une partie de la paroi interne disposée selon l'axe longitudinal est dépolie. 4. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément formant support comprend deux diaphragmes déformables parallèles entre eux lorsqu'ils sont au repos, en ce que ledit élément formant support comprend deux tubes creux, chaque tube entant solidaire d'un desdits diaphragmes lesdits tubes étant disposés selon des diamètres parallèles des diaphragmes,en ce que ladite source lumineuse comprend des moyens pour appliquer a la première extrémité de chaque tube un faisceau lumineux,en ce qu'il comprend des moyens optiquement disposés en regard de la deuxième extrémité de chaque tube pour recueillir au moins une partie des faisceaux transmis, et des moyens pour effectuer la différence entre les signeaux représentatifs d'une caractéristique des faisceaux recueillis. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque tube comporte une partie de paroi interne disposée selon l'axe longitudinal qui est dépolie, lesdites parties dépolies appartenant respectivement à la portion de paroi interne la plus prôche du diaphragme et la plus éloignée du diaphragme.