Brevet FR2616544A1 — publié le 19881216

La présente invention est du domaine des capteurs de pression différentielle de type capacitif et elle a plus particulièrement pour objet un capteur pourvu d'une paire de membranes, l'une réagissant une pression appliquée élevée et l'autre à une basse pression appliquée, chaque membrane fonctionnant comme l'électrode mobile d'un condensateur variable. On connaît dans les systèmes de contrôle de processus industriel l'utilisation de capteurs à pression différentielle (D-P) pour mesurer l'écoulement du fluide. Ainsi pour déterminer la vitesse d'écoulement d'un fluide véhiculé (liquide ou gaz) dans une conduite, on interpose dans celui-ci une plaque déflectrice tandis qu'un capteur de pression différentielle agit pour capter l'amplitude de la chute de la pression développée entre les faces opposées de la plaque. Cette chute est directement liée à la vitesse d'écoulement. (La chute de la pression est proportionnelle au carré de la vitesse d'écoulement). Une forme de réalisation simple de capteur de pression différentielle de type capacitif consiste en un boîtier divisé par une membrane conductrice de l'électricité, en une paire de chambres; chacune d'elles a une électrode stationnaire montée à l'intérieur pour définir avec la membrane conductrice un condensateur dont la valeur varie au fur et à mesure que la membrane est déviée. La pression faible du fluide provenant de la plaque déflectrice est appliquée à une chambre et la pression élevée à l'autre. Dans cette forme connue de réalisation de capteur à pression différentielle, la mem- brane conductrice et les électrodes stationnaires placées sur chacune des faces de cette dernière forment un poten- tiomètre capacitif à trois bornes dans lequel la membrane est l'élément variable. En disposant cet élément dans un montage en pont excité par une tension alternée de, par exemple, 10 Khz, les variations capacitives causées par la déviation de la membrane déséquilibrent le pont pour produire une sortie de 10 Khz dont l'amplitude est direc- tement proportionnelle à la pression. Un brevet allemand publié sous le numéro 2 364 027 divulgue un capteur à pression diffé- rentielle composé d'un cylindre métallique creux ayant un corps isolant à l'intérieur et des membranes soudées chacune des extrémités, de manière à enclore les cavités reliées entre elles et remplies d'un fluide incompressible. Ces membranes forment des condensateurs en regard d'électro- des en couches disposées sur les faces opposées du corps isolant. En raison du fait que les membranes métalliques transportent une tension électrique, un arc peut se produire entre les membranes et les parties mises à la masse qui lui sont adjacentes. Un tel phénomène d'arc représente un danger si le fluide soumis à mesure est inflammable. Un montage similaire de capteur de pression différentielle utilisant des membranes métal- liques est divulgué dans le brevet US 4 398 194 (Johnson), dans lequel le capteur est formé d'une paire de chambres de sens opposés, limitées par les membranes qui en regard des couches conductrices appliquées sur un corps isolant, forment des condensateurs variables. Les cavités créées entre les membranes et le corps sont remplies d'un fluide diélectrique incompressible et sont reliées entre elles par un simple conduit passant par le corps isolant. Les brevets US 4 301 492 (Paquin et Al.) et US 4 458 537 (Bell et Al.) constituent un art antérieur pertinent. La référence à l'art antérieur qui présente le plus d'intérêt est le brevet US 4 531 415 (ORLOWSKI et Al.). Ce brevet divulgue un capteur à pression différentielle dans lequel les membranes sont faites de céramique ou d'un autre matériau isolant résistant à la corrosion; celles- ci comportent sur leurs surfaces internes des électrodes en couche en regard des surfaces terminales du corps isblant sur lequel sont formées des électrodes stationnaires. A partir de là, les surfaces externes des membranes peuvent être exposées à n'importe quel fluide traité, corrosif ou non. Dans le brevet d' ORLOWSKI et Ai., le corps isolant et les membranes définissent une paire de cavités remplies d'huile de silicone ou autre fluide diélectrique, par le moyen d'un simple conduit de remplissage traversant le corps. Pour empêcher les membranes de se détériorer, à cause d'une surcharge causée par de très grandes différences de pression d'admission, la dévia- tion de chaque membrane est limitée par des supports fixes sur les surfaces du corps isolant en regard de la membrane. Des évidements en forme de sillons sont formes dans les supports reliés au conduit de remplissage jusqu'au corps de telle manière que dans le cas d'une brusque variation de pression, l'huile de silicone peut être rapidement répar- tie, ce qui réduit substantiellement le temps de réaction du capteur. Au vu de ce qui précède, le principal objectif de l'invention est de proposer un capteur de pression différentielle de type capacitif très sensible et agissant de façon efficace et fiable. Un objectif de la présente invention est de prévoir plus particulièrement un capteur de pression différentielle du type susmentionné ayant un temps de réaction rapide aux variations appliquées de la pression et dans lequel les membranes sont faites d'un matéria[isolant résistant à la corrosion pour qu'elles ne puissent pas être endommagées par un fluide chimiquement agressif. Une caractéristique significa- tive de la présente invention est la protection des mem- branes contre la surcharge et aussi contre le blocage, résultat d'une pression appliquée excessive. Un tel blocage peut se produire en raison d'un vide empêchant le retour de la membrane ou en raison de la tension de surface du fluide. Ces buts sont atteints par un capteur de pression différentielle de type capacitif caractérisé en ce qu'il est constitué d'un corps isolant cylindrique dont. les faces opposées présentent chacune un évidement auxiliaire recouvert par une membrane isolante pour définir une cavité; l'évidement n'a pas de support fixé. Le dessous de chaque membrane est métallisé comme le fond de l'évidement ce qui forme ainsi les électrodes d'un condensateur variable dont la valeur dépend de l'am- plitude et de la direction de la déviation de la membrane. La relation entre les cavités est assurée par une pluralité de conduits internes de petit diamètre qui se prolongent jusqu'entre les fonds des évidements. Un fluide diélectrique incompressible passe par un des conduits et remplit les cavités. De là lorsqu'une augmentation de la pression appliquée élevée sur la face d'une membrane agit pour dévier cette membrane vers l'intérieur, le fluide présent dans l'évidement est contraint de sortir par les conduits pour aller dans l'évidement de la membrane de basse pression, qui est alors vers l'extérieur. Du fait que le diamètre cumulé des conduits est relativement grand, la durée de passage du liquide en résultant est substantiellement rédui- te et la constante de temps du capteur est faible. Et même lorsque la membrane est déviée vers l'intérieur jusqu'à une amplitude l'entraînant à buter contre ce fond de l'évi- dement et à obturer un ou plusieurs des conduits, les autres conduits sont libres et empêchent le collage par le vide de la membranetou le collage dû à la tension de surface. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite d'exemples de réalisation en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles: -la fig.l est une vue en pers- pective d'un capteur de pression différentielle conforme à l'invention; la fig.2 est une coupe à travers le capteur de la fig. 1; -la fig.3 est une vue de plan d'un côté du capteur sans la membrane; -la fig.4 illustre la structure d'un capteur à pression différentielle de l'art antérieur pourvu d'un conduit reliant les cavités entre elles; et -la fig.5 explique pourquoi le blocage de la membrane se produit dans un capteur pourvu d'un seul conduit. Sur les fig.l à 3, un capteur à pression différentielle de type capacitif conforme l'invention, comprend un corps isolant 10 cylindrique fait de verre, céramique, saphir ou de n'importe quel autre matériau isolant approprié ayant de bonnes propriétés méca- niques et est substantiellement insensible aux variations de température. Les faces opposées plates 10A et 0lB du corps comportent des évidements circulaires 11 et 12. Le recouvrement de l'évidement 11 est réalisé par une membrane 13 faite d'un matériau isolant résistant à la corrosion et déformable tel qu'une plaque en céramique mince de forme circulaire, le bord circulaire de la membrane 13 étant cimenté ou d'une autre façon fixé au rebord annu- laire entourant l'évidement 11. L'évidement 11 obturé par la membrane 13 définit une cavité, la membrane 13 étant sensible à l'application d'une pression élevée. De manière semblable, l'évi- dement 12 est obturé par une membrane 14 déviable et sensi- ble a l'application de la basse pression, pour définir une seconde cavité. Il doit être compris que les deux mem- branes et les cavités formées de cette façon sont identiques et qu'en pratique la relation entre les pressions peut être inversée: la pression élevée provenant de la plaque déflectrice dans le tuyau transportant le fluide soumis à mesure, est appliquée à la membrane 14 tandis que la pression faible est appliquée à la membrane 13. La face de dessous de la mem- brane 13 est métallisée soit par dépôt sous vide, soit suivant des techniques de couches épaisses, ou encore, une feuille de métal très conducteur tel que l'or ou l'ar- gent peut être soudée sur cette face pour créer une électro- de mobile 15. De façon semblable une électrode stationnaire 16 est formée sur le fond 11B de l'évidement 11. Les élec- trodes 15 et 16. forment un condensateur variable dont la valeur capacitive varie en fonction de la déviation de la membrane. Les évidements 11 et 12, ou cavités, sont aussi appelés chambres. De manière semblable, une é- lectrode 17 est formée sur le dessous de la membrane 14 et une électrode stationnaire 18 est formée sur le fond 12B de l'évidement 12, ce qui crée un second condensateur variable. L'amplitude avec laquelle chaque membrane peut être déviée est limitée par sa venue en butée contre le fond de l'évidement, la limite étant celle de la pression maximale de l'intervalle de pression pour lequel le capteur est conçu. Si la pression dépasse le maximum autorisé, il en résulte une surcharge de la membrane. Donc, comme le montrent les tirets de la fig.2, lorsque la pression élevée appliquée à la membrane 13 atteint la valeur extrême de la gamme, elle est déviée jusqu'à ce que la membrane bute contre le fond 11B de l'évidement. Toute autre augmentation de la pression n'entraîne pas d'autre déviation de la membrane, évitant de ce fait la surcharge de la membrane. Par le fait que les cavités, délimitées par les membranes et par leurs fonds, sont remplies d'un fluide diélectrique incom- pressible et que les cavités sont reliées entre elles par des conduits internes se prolongeant à travers le corps , lorsque la membrane 13 est déviée par l'application d'une pression élevée, cette action force le fluide diélec- trique à pénétrer dans la cavité connexe par les conduits jusqu'à l'autre cavité et entraîne la déviation vers l'exté- rieur de la membrane 14 à laquelle est appliquée la basse pression.- L'amplitude avec laquelle la membrane 13 est déviée vers l'intérieur et avec laquelle la membrane 14 est déviée simultanément vers l'extérieur, dépend du rapport existant entre les pressions haute et basse appliquéespar le fluide soumis à mesure, et de ce fait de sa vitesse d'écoulement. Cela se reflète sur le rapport résultant des valeurs capacitives des condensateurs variables inclus dans le capteur à pression différentielle. Les conduits internes qui relient les deux cavités comprennent quatre premiers con- duits D1 à D4 de petit diamètre disposes suivant une circon- férence à 90 les uns des autres, et quatre autres conduits D5 à D8 de petit diamètre disposés sur une circonférence un peu plus grande concentrique à la première, ces autres conduits étant eux aussi disposés à 90 les uns des autres, mais décolés!de 45 par rapport aux premiers. Chaque conduit s'étend à travers le corps depuis le fond 11B de l'évidement 11 jusqu'au fond 12B de l'évidement 12. Le conduit interne D1 fonctionne aussi comme conduit de remplissage communiquant à travers un conduit radial latéral 19 jusqu'à un ajutage 20 monté sur le côté du corps 10 et pourvu d'un bouchon de remplis- sage 21 amovible. De ce fait pour remplir les cavités de fluide diélectrique, on injecte le fluide dans le conduit radial 19, il circule dans des directions opposées à travers le conduit de remplissage D1 jusqu'aux cavités. Le fluide de remplissage peut être par exemple, de l'huile de silico- ne, un polymère de chlorure de trifluorovinyl ou tout autre fluide diélectrique incompressible ayant une constante diélectrique élevée. Dans les formes connues de réalisation de capteurs de pression différentielle, dans lesquels un simple conduit relie les cavités entre elles, et fonctionne aussi comme conduit de remplissage, si le diamètre de ce conduit est petit, il permet un passage réduit du liquide entre lescavités; de ce fait, lorsque la membrane sous pression élevée est déviée, et oblige par là le fluide provenant de la cavité connexe à aller dans la cavité à faible pression, la restriction de passage de.l'écoulement ralentit ce dernier. En conséquence, le capteur a une longue constante temps qui est inadmissible (par exemple d'environ 5 à 6 secondes). La constante temps souhaitée est faible et est d'habitude d'environ une seconde au plus. Dans le cas de la présente invention, en raison du fait que le diamètre cumulé des conduits de petit diamètre est important, le passage global résultant d'interconnection des cavités n'est pas substan- tiellement réduit et la constante temps du capteur est faible, c'est-à-dire d'environ une seconde, ou même infé- rieure. De ce fait le capteur réagit rapidement à une varia- tion de pression. On pourrait réussir à garder la même constante temps faible en utilisant un conduit de remplissage de grand diamètre, tel que le conduit D9 de la fig.4 reliant entre eux les cavités 22 et 23 obturées respectivement par les membranes 24 et 25, le corps 26 ayant un conduit radial 27 communiquant avec le conduit D9 pour admettre le fluide de remplissage à l'intérieur. Toutefois un seul conduit de remplissage d'un grand diamètre, comme dans les capteurs de l'art antérieur, présente de sérieux inconvénients car comme le montre la fig.5, lorsque la membrane 24 est sur- chargée, elle bute contre le fond de la cavité 22 et obstrue le conduit 26. En raison du fait que la pression appliquée à la membrane peut être très élevée, et que le diamètre du conduit est grand, la membrane fait pression sur l'entrée du conduit et cherche à faire saillie dans son entrée en obturant le conduit; cette déformation peut endommager la membrane. Ensuite lorsqu'on diminue la pression excessive de la membrane de sorte que la membrane déviable cherche alors à retrouver sa position normale en essayant de se retirer de l'entrée du conduit, un vide et une tension de surface sont créés entre la membrane et l'entrée, qui résistent à un tel mouvement. De ce fait la membrane est effectivement bloquée et le capteur n'est plus longtemps efficace. Au contraire, avec la disposi- tion de la présente invention qui prévoit une multiplicité de conduits d'un petit diamètre, même si la membrane en état de surcharge peut bloquer un ou plusieurs conduits, particulièrement ceux de la circonférence interne d'une part et, en raison du petit diamètre de ces conduits, la membrane ne peut pas être déformée ou saillie dans les entrées de ces conduits et d'autre part il subsiste des conduits libres qui empêchent le blocage des membranes paar l'effet du vide. Bien que l'on ait décrit et et représenté une forme particulière de réalisation de l'invention, il doit être compris que la portée de celleci n'est pas limitée à cette forme, mais qu'elle s'étend à tout capteur de pression différentielle comportant les caractéristiques générales énoncées plus haut. R E V E N D I CATIONS 1.- Capteur de pression différentielle du type comprenant un corps isolant pourvu de deux faces opposées plates comportant des évidements, ayant chacun un fond, une paire de membranes déviables constituées d'un matériau isolant résistant à la corrosion recouvrant lesdits évidements et fixées sur lesdites faces de manière à définir.une paire de cavités, dites chambres, une électrode formée sur le dessous de chaque membrane et une électrode formée sur le fond de chaque évidement de façon à former un condensateur dont la capacité variable est fonction de la déviation de la membrane, caractérisé: par une pluralité de conduits internes (D1-D8) de faible diamètre traversant ledit corps (10) et reliant entre elles lesdites chambres (11,12); 2.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit corps (10) est fait d'un matériau choisi parmi la céramique, le verre et le saphir; 3.- Capteur selon la revendication 2, caractérisé: en ce que lesdites membranes (13, 14) sont cimentées aux faces (O10A, 0lB) du corps et sont formées du même matériau; 4.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé: en ce que les électrodes (15- 18) sont formées par la métallisation des surfaces auxquelles elles sont appliquées; 5.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ladite pluralité il - des conduits internes comprend quatre permiers conduits (D1 à D4) répartis le long d'une circonférence à 90 les uns des autres, et quatre autres conduits (D5 à D8) répartis à 90 le long d'une.circonférence plus grande et concentrique à la première, lesdits autres conduits étant décalés de 45 par rapport aux premiers; 6.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé: en ce que l'un des conduits (D1) est relié à un conduit radial (19) débouchant dans un ajutage (20) d'introduction du fluide; 7.Capteur selon la revendication 6, caractérisé: en ce que ledit ajutage comporte un bouchon de remplissage (21) amovible.