Brevet FR2655419A1 — publié le 19910607

L'invention se rapporte à un capteur de pression, de la famille dans laquelle la pression à mesurer est évaluée par le réglage d'une contrepression agissant à L'opposé de la pression mesurée par rapport à une pièce de séparation mobile. Ce type de capteur permet un fonctionnement dans des environnements sévères, en particulier dans les applications nucléaires (température élevée, flux intense de rayonnement nucléaire, eau pressurisée). Il existe déjà des dispositifs de ce type constitués d'un bottier séparé en deux chambres par la pièce de séparation mobile. Une des chambres est occupée par la pression à mesurer et l'autre chambre par la contre-pression réglable, fournie par un circuit pneumatique. La pièce de séparation mobile est une membrane élastique en matériau conducteur de L'élec tricité et qui constitue un contact électrique mobile. Un contact électrique fixe est instalLé dans une des chambres. Selon le réglage de la contre-pression et les déformations infligées à La membrane, les deux contacts peuvent se toucher ou non. La pression à mesurer peut être déduite de la contre-pression qui permet de placer la membrane dans un état où elle touche le contact fixe tout en étant sur le point d'en être décollée, ce que l'on obtiendrait par une variation de faible ampleur de la contre-pression dans le sens approprié. L'inconvénient principal que l'on peut reprocher à ce capteur est qu'iL est difficiLe de régler la contre-pression avec une précision suffisante pour identifier cet état de transition, qui de plus est rarement stable en pratique. On ne peut alors pas suivre suffisamment rapidement les évolutions de la pression : si par exemple l'augmentation de la contrepression tend à décoller la membrane du contact fixe, il est impossible de détecter sans procéder à des expériences par tâtonnements la croissance de la pression à mesurer à partir d'un moment où l'on a réalisé l'équilibre, car Le contact électrique reste maintenu de la même manière. Si les variations de pression sont trop importantes, une rupture de la membrane par pression différentielle excessive peut en être la conséquence. L'objet fondamental de L'invention est la fourniture d'un capteur de pression dérivé du capteur connu et qui permette des mesures plus faciles. Comme on va le constater, ce capteur permet, sous sa forme la plus rudimentaire, de garantir que La pression mesurée se trouve dans une fourchette de largeur invariable encadrant la valeur de la contre-pression. Il est par ailleurs facile d'ajouter des dispositifs qui permettent de mesurer encore plus précisément la pression. Un autre intérêt du capteur proposé est sa robustesse mécanique, notamment en ce qui concerne la pièce de séparation mobile. Le capteur de pression conforme à L'invention comprend donc, outre un boîtier séparé en deux chambres par une pièce de séparation mobile, une des chambres étant occupée par la pression à mesurer et l'autre par une contre-pression réglable, un contact électrique fixe, un contact électrique mobile solidaire de La pièce de séparation, un circuit de fluide pour régler la contre-pression, et un circuit électrique relié aux deux contacts et comprenant des moyens de repérage de la réunion et de la séparation des contacts, et comprend en outre un second contact fixe et un second circuit électrique comprenant des moyens de repérage de la réunion et de la séparation du contact mobile et du second contact fixe, le contact mobile étant situé entre les deux contacts fixes. Le contact mobile est avantageusement lié à la pièce de séparation par une tige mobile au lieu de faire partie de celle-ci. On a retenu, dans la réalisation qui va être décrite, une pièce de séparation sous forme d'un système à soufflets. Plus précisément, cette pièce consiste en deux soufflets en prolongement de part et d'autre d'une cloison mitoyenne fixée dans le bol- tier et pourvue d'un trou central que les soufflets entourent, les soufflets étant chacun fixés à la cloison mitoyenne par une extrémité fixe et munis d'un couvercle continu à leur autre extrémité, les deux soufflets délimitant une cavité étanche et une tige d'espacement et de transmission interne s'étendant dans la cavité, à travers le trou central de la cloison mitoyenne, entre les deux couvercles. On préfère une cavité dans laquelle règne le vide. Deux perfectionnements indépendants des précédents consistent à pourvoir le contact mobile d'un capteur de déplacement et La tige mobile d'une partie élastique. Par ailleurs, les circuits électriques peuvent comprendre, pour une forme de réalisation préférée, deux moyens de commande respectifs de deux organes du circuit de fluide permettant respectivement d'augmenter et de diminuer la contre-pression, les circuits électriques étant en outre constitués de façon qu'un premier des moyens de commande est mis en action dès que le contact mobile touche un premier des contacts fixes afin de faire varier la contre-pression dans un sens permettant d'écarter le contact mobile du premier contact fixe, l'action du premier moyen de commande cessant dès que le contact mobile est écarté du premier contact fixe, et que le second moyen de commande est mis en action dès que le contact mobile touche l'autre contact fixe afin de faire varier la contre-pression dans un sens permettant d'écarter le contact mobile du second contact fixe, l'action du second moyen de commande subsistant tant que le contact mobile n'a pas atteint le premier des contacts fixes. Le commentaire des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif permet de se faire une idée plus exacte de l'invention : - la figure 1 représente une réalisation de la partie électrique et pneumatique d'un capteur ; et - la figure 2 représente une réalisation de la partie mécanique de ce capteur. L'invention comprend tout d'abord (figure 2) un boîtier 1 cylindrique composé d'une chambre supérieure 2 et d'une chambre inférieure 3 dont chacune communique avec l'extérieur au moyen respectivement d'un orifice de contre-pression 4 et d'un orifice de pression à mesurer 5. Une cloison mitoyenne 6 située vers le milieu du bottier 1 délimite partiellement les deux chambres 2 et 3 ; elle est évidée d'un trou central 7. Par ailleurs, deux soufflets 8 et 9 venant en prolongement sont soudés chacun par une de lueurs extrémités sur une face de la cloison mitoyenne 6 et entourent le trou central 7. Les soufflets 8 et 9 sont terminés à leur autre extrémité par un couvercle plat et continu, respectivement 10 et 11, délimitant ainsi avec eux une cavité entièrement fermée 12 dans laquelle on a établi le vide. Une tige 13 rigide d'espacement et de transmission interne est contenue dans la cavité 12 et s'étend entre les deux couvercles 10 et 11 auxquels elle est fixée et qu'elle maintient donc à une distance constante. La tige 13 passe à travers le trou central 7. L'enveloppe 1 est munie à sa partie inférieure d'un embout 17 porteur de l'orifice de pression à mesurer 5. Le couvercle 11 du soufflet 9 de la chambre inférieure 3 peut venir en butée, par déplacement dans le sens axial de l'enveloppe 1, contre une portée annulaire de butée 14 de l'embout 17, et il porte un doigt de centrage 15 qui prolonge la tige 13 à l'extérieur de la cavité 12 et qui coulisse dans un alésage 16 que la portée annulaire de butée 14 entoure et qui communique avec l'orifice 5. Cette disposition, jointe à la rigidité des soufflets 8 et 9 en flexion, garantit que la partie mobile du capteur se déplace avec un mouvement de va-et-vient axial. La pression à mesurer est communiquée à l'intérieur de la chambre 3 grâce au jeu qui existe entre le doigt 15 et l'embout 17. La communication peut être le cas échéant facilitée par un réseau de tubes 18 établis sur le doigt 15 entre l'alésage 16 et le reste de la chambre 3. A l'opposé, le couvercle 10 du soufflet 8 dans la chambre supérieure 2 porte sur sa face opposée à la cavité 12 une tige axiale 20 porteuse d'un contact mobile 21 électrique à son extrémité. Toutefois, un système de réglage 22 constitué d'un système à vis et écrou et qui permet de régLer la longueur de la tige axiale 20, ainsi qu'un éLément élastique 19 qui peut être constitué d'un ressort déformable en traction et en compression dans le sens axial, sont interposés en série entre le couvercle 10 et la tige axiale 20. Le contact mobile 21 se dépLace entre deux contacts fixes : un premier est situé du côté de l'ori fice de contre-pression 4 et appelé contact d'admission 23, et un second est appelé contact d'échappement 24. Les deux contacts fixes 23 et 24 sont soutenus par des barrettes isolantes 25 qui les relient au boîtier 1. Le contact d'échappement 24 est de forme annulaire pour laisser passer la tige 20 ; le contact d'admission 23 est également, dans le mode de réalisation représenté, de forme annulaire pour laisser passer une tige magnétique 27 qui prolonge la tige axiale 20 de l'autre côté du contact mobile 21 et qui coulisse dans une longueur plus ou moins importante, selon les déplacements du contact mobile 21, d'une bobine d'induction 28 excitée par un fil électrique 29 et également soutenue dans le boîtier 1 par des barrettes isolantes 25. L'ensemble constitué par la tige magnétique 27 et la bobine d'induction 28 constitue un capteur de déplacement 26 : pour une alimentation à caractéristiques constantes, le courant induit dans la bobine d'induction 28 sera différent en fonction de l'enfoncement de la tige magnétique 27 et donc de la position du contact mobile 21. La contre-pression est fournie (figure 1) par un circuit pneumatique qui comprend une source de gaz 30 reliée à l'orifice de contre-pression 4 par une tuyauterie d'admission 31 sur laquelle sont établies en série une électrovanne d'admission 32 et une vanne de réglage d'admission 33. Une tuyauterie d'échappement 34 communique également avec l'orifice de contre-pression 4, conduit à l'extérieur, et est équipée d'une électrovanne d'échappement 35 en série avec une vanne de réglage d'échappement 36. Enfin, un manomètre 58 est établi à la limite des tuyauteries d'admission 31 et d'échappement 34 et permet de mesurer la contre-pression introduite dans La chambre supérieure 2. On remarque que le boîtier 1 et le contact mobile 21, qui sont reliés par des pièces conductrices, sont au potentiel de la terre alors que deux lignes électriques 37 et 38 qui passent à travers le boîtier 1 relient respectivement les deux contacts fixes 23 et 24 à un potentiel positif. Chacune des lignes 37 et 38 porte une bobine excitatrice de relais 39 et 40 ainsi qu'une ligne d'embranchement 41 et 42 qui aboutit à la terre par L'intermédiaire d'un bouton poussoir 43 ou 44 à fonctionnement manuel et qui est, en position de repos, disposé de façon à interrompre la circulation de courant dans la ligne d'embranchement 41 ou 42 respective. Une ligne 45 s'étend de la bobine 40 associée au contact d'échappement 24 à la terre et comprend en série un relais d'auto-alimentation 46 et un relais d'interruption d'échappement 47. On trouve également un circuit de visualisation 48 qui comprend un témoin d'admission 49, un témoin d'échappement 50 et un témoin d'état transitoire 51.Ces trois témoins 49, 50 et 51 sont en permanence reliés au potentiel positif par une borne, et une ligne 52 permet de les relier tour à tour à la terre par leur autre borne ; on dispose pour cela un relais de témoin d'admission 53 qui permet de relier à la terre soit le témoin d'admission 49 soit un des deux autres témoins 50 et 51, ainsi qu'un relais de témoin d'échappement 54 qui permet de relier à la terre soit le témoin d'échappement 50 soit le témoin d'état transitoire 51 pour peu que le relais de témoin d'admission 53 ne connecte pas le témoin d'admission 49 à la terre. Enfin, on distingue un circuit de commande d'admission 55 comprenant un interrupteur à relais et commandant le fonctionnement de l'électrovanne d'admission 32 ainsi qu'un circuit de commande d'échap pement 56 muni également d'un interrupteur à relais et commandant l'électrovanne d'échappement 35. L'équipage mobile constitué en particulier des soufflets 8 et 9 et du contact mobile 21 est déplacé par la pression à mesurer et la contre-pression, qui exercent des efforts antagonistes essentiellement sur les couvercles 11 et 10. Un équilibre est obtenu lorsque la résultante de ces efforts est équilibrée par la force d'élasticité des soufflets 8 et 9. La position d'équilibre dépend donc de la différence entre la pression à mesurer et la contre-pression ; il est possible de déduire cette différence de la position du contact mobile 21, et c'est précisément ce qui peut être entrepris à l'aide du capteur de déplacement 26 une fois qu'une calibration a été effectuée.Toutefois, on se contentera souvent en pratique d'une évaluation moins précise : il suffit en effet de connaitre les deux pressions différentielles qui amènent le contact mobile 21 à toucher l'un ou l'autre des contacts fixes pour connaître, à partir de la valeur de la contre-pression, la valeur de la pression à mesurer avec une incertitude immuable quand le contact mobile 21 est décollé des contacts fixes. Le dispositif de réglage 22 permet de placer le contact mobile 21 à l'endroit souhaité pour une pression différentielle choisie. La partie élastique 19 sert de compensateur lorsque des pressions différentielles supérieures à celles qui sont nécessaires pour que le contact mobile 21 touche l'un des contacts fixes sont instaurées : les soufflets 8 et 9 continuent à se déformer, sans transmettre des efforts excessifs aux contacts, jusqu'à ce que les couvercles 11 et 10 touchent respectivement la portée annulaire 14 et une autre portée annulaire 57 établie dans la chambre supérieure 2 sur la face interne du bottier. La disposition avec deux soufflets 8 et 9 de part et d'autre d'une cloison 6 mitoyenne permet d'accroître la sensibilité et surtout d'obtenir une construction plus robuste. On peut envisager une construction avec un soufflet seulement tel que 8, l'autre soufflet 9, son couvercle 12 et la tige 13 étant alors supprimés, mais le soufflet 8 serait alors exposé à des surpressions internes auxquelles il est vulnérable. Au lieu de cela, le montage avec une cavité centrale 12 entièrement fermée permet de n'exposer les soufflets 8 et 9 qu'à des surpressions externes qui produisent des contraintes de compression auxquelles ils résistent mieux. Si la cavité 12 est sous vide, la précision de mesure est meilleure car la mesure est insensible à d'éventuelles variations du volume de la cavité 12. En outre, le capteur continue de fonctionner normalement si un des soufflets 8 ou 9 est percé par accident. Les vannes de réglage d'admission 33 et d'échappement 36 servent à régler les débits d'admission et d'échappement de contre-pression dans la chambre supérieure 2. On va maintenant expliquer le fonctionnement du dispositif électrique et son influence bénéfique sur la précision de la mesure dans le cas où le capteur de déplacement 26 est omis ou inutilisé. A partir d'un état où le contact mobile 21 ne touche aucun des contacts fixes 23 et 24, le système est comme représenté à la figure 1 : aucune des bobines 39, 40 n'est excitée, les relais de témoins d'admission et d'échappement 53 et 54 sont basculés de sorte que le témoin d'état transitoire 51 est allumé, aucun des circuits de commande 55 et 56 n'est actif, le relais d'auto-alimentation 46 est ouvert et le relais d'interruption d'échappement 47 est fermé. Si la pression à mesurer croit, le contact mobile 21 finit par toucher le contact d'admission 23, excitant la bobine d'admission 39 qui va alors faire basculer le relais d'interrupteur d'échappement 47, le relais de témoin d'admission 53 et le relais du circuit de commande d'admission 55. Il en résulte que le témoin d'ad-mission 49 s'allume et que la contre-pression s' élève jusqu'à ce que le contact mobile 21 se décolle du contact d'admission 23. Le système électrique revient alors à l'état primitif. Dans le cas d'une pression à mesurer croissant constamment, les deux états décrits vont alterner constamment, c'est-à-dire que le contact mobile 21 va rester près du contact d'admission 23 et qu'en fonction de la contre-pression lue sur le manomètre 58, on pourra toujours connaître avec une bonne précision la pression à mesurer par un calcul de correction. Dans le cas contraire d'une pression à mesurer diminuant constamment, le contact mobile 21 finit par toucher le contact d'échappement 24. La bobine d'échappement 40 est excitée et fait basculer le relais d'auto-alimentation 46, Le relais de témoin d'échappement 54 et le relais du circuit de commande d'échappement 56. Le témoin d'échappement 50 s'allume et la contre-pression diminue. Toutefois, contrairement au cas précédent, cet état se prolonge quand le contact mobile 21 a été décollé du contact d'échappement 24, car le relais d'auto-alimentation 46 reste commuté de façon à maintenir la bobine d'échappement 40 reliee à la terre par la ligne 45 et le relais d'interrupteur d'échappement 47 n'est pas excité.Le contact mobile 21 finit donc par toucher le contact d'admission 23, ce qui provoque en particulier le basculement du relais d'interrupteur d'échappement 47, coupant la ligne 45 et l'alimentation de la bobine d'échappement 40. La contre-pression peut à nouveau être accrue. Ce fonctionnement dissymétrique permet d'amener le contact mobile 21 beaucoup plus aisément près du contact d'admission 23 que du contact d'échappement 24. Ainsi, la mesure est toujours faite par excès. Sur des relevés continus au cours de longues périodes, l'erreur statistique due à l'incertitude de la position réelle du contact mobile 21 est beaucoup moins grande. Suivant un autre procédé de commande dont on ne détaille pas le circuit, les mesures sont faites grâce à un dispositif automatique comprenant un sommateur. On provoque alors périodiquement des admissions de contre-pression jusqu'à ce que le contact mobile 21 touche le contact d'échappement 24. La contre-pression est mesurée à ce moment et diffère alors de la pression à mesurer d'une valeur constante et connue. Quand le contact est établi, un échappement est réalisé pour ramener le contact mobile 21 hors de contact. On peut encore, pour une précision plus grande, poursuivre l'échappement jusqu'à entrer en contact avec Le contact d'admission 23. On dispose alors d'une autre évaluation de la pression à mesurer. Pour tous ces procédés, il est évidemment possible d'intervertir les rôles des contacts d'admission 23 et d'échappement 24. Les divers avantages de ce capteur le rendent très intéressant par exemple pour mesurer la pression dans les crayons de combustible nucléaire sur de longues périodes. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression comprenant un boîtier (1) séparé en deux chambres (2, 3) par une pièce de séparation mobile, une des chambres (3) étant occupée par la pression à mesurer et l'autre (2) par une contre-pression réglable, un contact électrique fixe (23) , un contact électrique mobile (21) solidaire de la pièce de séparation, un circuit de fluide (30 à 37) pour régler la contre-pression, et un circuit électrique relié aux deux contacts et comprenant des moyens de repérage (49) de la réunion et de la séparation des contacts, caractérisé en ce qu'il comprend un second contact fixe (24) et un second circuit électrique comprenant des moyens de repérage (50) de la réunion et de la séparation du contact mobile et du second contact fixe, le contact mobile étant situé entre les deux contacts fixes. 2. Capteur de pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le contact mobile est lié à la pièce de séparation par une tige mobile (20). 3. Capteur de pression suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce de séparation comprend un soufflet (8) cylindrique lié au boîtier par une extrémité et muni d'un couvercle continu (10) à son autre extrémité. 4. Capteur de pression suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce de séparation consiste en deux soufflets (8, 9) en prolongement de part et d'autre d'une cloison mitoyenne (6) fixée dans le boîtier (1) et pourvue d'un trou central (7) que les soufflets (8, 9) entourent, les soufflets étant chacun fixés à la cloison mitoyenne (6) par une extrémité fixe et munis d'un couvercle continu (10, 11) à leur autre extrémité, les deux souffLets délimitant une cavité étanche (12) et une tige d'espacement et de transmission interne (13) s'étendant dans la cavité, à travers le trou central (7) de la cloison mitoyenne, entre les deux couvercles. 5. Capteur de pression suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la cavité est sous vide. 6. Capteur de pression suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le contact mobile (21) est solidaire d'un capteur de déplacement (26). 7. Capteur de pression suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la tige mobile (20) comprend une partie élastique (19). 8. Capteur de pression suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les circuits électriques comprennent deux moyens de commande (39, 40) respectifs de deux organes du circuit de fluide (55, 56) permettant respectivement d'augmenter et de diminuer la contre-pression, les circuits électriques étant en outre constitués de façon qu'un premier des moyens de commande (55) est mis en action dès que le contact mobile touche un premier des contacts fixes (24) afin de faire varier la contre-pression dans un sens permettant d'écarter le contact mobile (21) du premier contact fixe, l'action du premier moyen de commande cessant dès que le contact mobile est écarté du premier contact fixe, et que le second moyen de commande (56) est mis en action dès que le contact mobile touche l'autre contact fixe (23) afin de faire varier la contre-pression dans un sens permettant d'écarter le contact mobile du second contact fixe, l'action du second moyen de commande subsistant tant que le contact mobile n'a pas atteint le premier des contacts fixes (24).