Brevet FR2676542A1 — publié le 19921120

L'invention est du domaine de la mesure des pressions et elle a pour objet une cellule piézométrique, et plus particulièrement une cellule capacitive de mesure des pressions différentielles (absolues ou relatives) et son procédé d'élaboration. On connaît des cellules capacitives, principalement constituées d'au moins un corps cylindrique comportant une cuvette sur au moins une de ses faces d'extrémité, contre laquelle est appliquée la membrane, celle-ci étant communément rendue solidaire du corps au moyen d'une soudure par brassage ou d'un joint de scellement rapporté en pâte de verre, la membrane et le corps comportant chacun une armature de condensateur, dite électrode, et son moyen de connexion, la conduction en électricité étant effectuée au moyen de fils conducteurs, du joint de scellement et/ou de la soudure. De très nombreuses formes de réalisation de cellules de ce type ont été développées. Ainsi, on pourra se reporter aux Brevets US4612812 (ROSEMOUNT), qui décrit une cellule comportant une seule membrane en regard d'une face d'extrémité de chacun de deux corps cylindriques, la cuvette étant obtenue au moyen de la forme concave des dites deux faces, GB2048488 (ROSEMOUNT) qui décrit une cellule comportant deux membranes chacune en regard d'une des faces concaves d'extrémité d'un corps cylindrique, US4531415 (PHILIPS) qui décrit une cellule dont la cuvette du corps cylindrique est obtenue au moyen d'anneaux de pâte de verre qui scellent la membrane et la sépare du corps, et aux Brevets EP0351701 (ENDRESS U HAUSSER GmbH) et FR2614986 (OTIC FISCHER & PORTER, OFP) les deux derniers Brevets cités décrivant des cellules du même genre, dont la résistance à la pression a été accrue soit par l'augmentation de l'épaisseur de la membrane (EP0531701), soit par une conformation particulière de celle-ci (FR2614986). Un inconvénient de ces cellules, à la connaissance de la Demanderesse et tel que cela res sort de l'examen approfondi de l'art antérieur, réside dans la limitation de leur condition d'utilisation, les cellules ne pouvant à la fois être conçues pour résister efficacement à des pressions supérieures à 200 bars et avoir une grande sensibilité de mesure (quelques hPa), la sensibilité et la résistance variant de façon inverse en fonction de l'épaisseur de la membrane. En outre, une difficulté rencontrée avec ce type de cellule réside dans le fait que leur fiabilité et leur précision dépendent aussi de l'ajustement et du positionnement de la membrane par rapport au corps. L'invention a pour but de proposer une cellule capacitive, ainsi que des moyens d'élaboration de celle-ci, dont la structure et les moyens de constitution permettent son utilisation à de très hautes pressions (500 bars), tout en demeurant fiable, d'une excellente sensibilité et d'une grande précision, le procédé de fabrication utilisé permettant l'obtention de ces résultats à un coût économique. Selon l'invention, une cellule de mesure capacitive des pressions différentielles (absolues ou relatives), du type de cellule comprenant un corps de cellule cylindrique conformé en cuvette sur au moins une de ses faces d'extrémité et une membrane appliquée sur et solidaire de la dite face au moins, le corps et la membrane comportant chacun une armature de condensateur et sa connexion, et étant constitués d'un matériau électriquement isolant tel que céramique, la membrane et le corps étant scellés l'un à l'autre par un joint de scellement est principalement caractérisée d'une part en ce que la dite face au moins du corps contre laquelle est appliquée la membrane comporte sur le pourtour de la cuvette une partie annulaire dite assise, sur laquelle repose directement la membrane, et d'autre part en ce que le dit joint de scellement étant annulaire, celui-ci est situé à l'intérieur d'une gorge et/ou d'une feuillure ménagée à proxi mité de l'assise ; d'où il résulte que la membrane a pu être positionnée de façon précise par son application contre l'assise et, le scellement étant effectué à chaud, le joint de scellement ramolli a pu être écrasé légèrement sans affecter le positionnement de la membrane. Le joint de scellement peut être soit en une matière à base de verre, dite pâte de verre, soit en un alliage métallique. -Dans ce dernier, l'alliage sera avantageusement de la famille des Ag-Cu ou Ag-Cu-Ti ou encore de celle des Sn-Ag. Selon une forme préférée de réalisation, le joint de scellement étant en pâte de verre, une partie au moins de celui-ci est en pâte de verre électroconductrice et est dotée de moyens de connexion, d'où il résulte que cette partie électro-conductrice peut prolonger sans l'affecter dans sa conductibilité, la connexion de la membrane. Avantageusement, une partie au moins du joint de scellement se prolonge diamétralement, celle-ci étant d'une part en pâte de verre électro-conductrice et d'autre part étant dotée de moyens de connexion, de telle sorte que la dite partie au moins peut former la connexion de l'armature de condensateur du corps de cellule. Un procédé d'élaboration préféré d'une cellule selon l'invention comprend, partant d'une ébauche de forme générale prismatique (cylindrique), l'étape dite fondamentale consistant à usiner en une seule prise d'ébauche sur la machine outil, sur l'une des faces d'extrémité de cette dernière, d'une part la cuvette et d'autre part la partie annulaire dite "assise", d'où il résulte que l'épaisseur de la dite assise peut être obtenue extrêmement faible et extrêmement précise. Avantageusement, le dit procédé comprend antérieurement à l'étape fondamentale, des étapes consistant à d'une part usiner dans la dite ébauche une gorge du groupe de gorges comprenant la gorge de type annulaire et la gorge de type diamétral et d'autre part à remplir la dite gorge avec au moins une pâte de verre du groupe de pâte de verre comprenant la pâte de verre électroconductrice et la pâte de verre électro-isolante, l'une de ces pâtes occupant le volume de la gorge que n'occupe pas l'autre pâte. Le dit procédé-comprend en outre, une gorge de type annulaire ayant été usinée et remplie de pâte de verre, une autre étape antérieure consistant à usiner dans l'ébauche une gorge de l'autre type et à la remplir de pâte de verre électro-conductrice. Une feuillure externe est alors ménagée sur le pourtour du corps cylindrique. Un usinage est effectué dans la pâte de verre annulaire, pour former un rebord annulaire en légère surélévation par rapport à l'assise annulaire, le dit rebord étant destiné à constituer le joint de scellement de la membrane. Cet usinage est opéré de préférence dans la même prise d'ébauche que celle au cours de laquelle est opéré l'usinage de la cuvette et de l'assise. Selon une autre forme d'exécution du procédé, le joint de scellement est supporté par la membrane et est appliqué sous contrainte à chaud dans la dite feuillure. Selon une forme particulière de réalisation, la face supérieure de la membrane comporte un rebord avec un congé concave par rapport au centre de la membrane, le dit congé étant au droit du bord interne de l'assise, d'où il résulte une plus grande résistance de la membrane aux déformations répétées à l'utilisation. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite d'une forme préférée de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles La fig.l (a,b,c) illustre trois dispositions de cellules de mesure ~ de pression, connues de l'Art Antérieur, et auxquelles peut se rapporter l'invention, La fig.2 est une élévation en perspective d'une cellule selon l'invention, la membrane étant séparée du corps de cellule, La fig.3 est une section transversale du corps de la même cellule suivant AA de la figure précédente, La fig.4 est une autre section transversale du même suivant BB, La fig.5 est une section de la même cellule après apposition de la membrane, La fig.6 est une représentation des étapes successives du procédé d'élaboration de cellules conformes à l'invention, Les fig.7 et 8 sont des vues en coupe de deux formes d'exécution particulières du joint de scellement d'une membrane sur un corps d'une cellule selon l'invention. Les fig.l (a,b,c) illustrent de façon très schématique des cellules de mesure de pressions constituées essentiellement d'un corps c avec cuvette, et d'une membrane m ; si l'on a établi le vide v dans la cuvette (la), on mesurera une pression absolue Pa, si la cuvette est en relation avec l'atmosphère (lb) la pression mesurée Pa sera dite effective, et si les cuvettes communiquantes d'une cellule double (lc) contiennent un fluide incompressible on mesurera la pression différentielle = = P1 - P2. Sur la fig.2, une cellule capacitive de l'invention, telle qu'elle apparaît avant apposition de la membrane, est principalement constituée d'un corps 2 cylindrique comportant une cuvette 4 sur au moins l'une de ses faces, et d'une membrane 6 appliquée contre celle-ci, le corps 2 et la membrane 6 étant chacun doté d'une armature 8 et 8' de condensateur. Une assise 10 annulaire située sur le pourtour de la cuvette 4 et en légère surélévation par rapport à celle-ci permet un positionnement précis de la membrane 6. Un joint annulaire 12 de scellement en pâte de verre situé à proximité de l'assise 10 permet de rendre solidaire la membrane 6 et le corps 2 le scellement n'étant pas encore effectué, le joint 12 est en léger retrait diamétral et en légère surélévation par rapport à l'assise. Le scellement étant effectué à chaud, le joint 12 se ramollit et peut alors être écrasé légèrement et s'épandre à l'intérieur d'une feuillure 14 annulaire, ménagée en bordure du corps 2 cylindrique, et ainsi ne pas affecter le positionnement de la membrane 6. Le joint 12 de scellement comporte une partie 12' en pâte de verre électro-conductrice dotée de moyens 16 de connexion afin de prolonger sans l'affecter dans sa conductibilité, la connexion de l'électrode 8 de la membrane. Une bande 18 diamétrale de pâte de verre électro-conductrice dotée de moyens 16' de connexion permet la connexion à l'électrode 8' du corps 2 de cellule. Sur la fig.3, le corps 2 de la cellule comporte une cuvette 4 au fond de laquelle se trouve l'armature 8' de condensateur. L'assise 10 annulaire peut être en légère surélévation 1 par rapport au bord supérieur de la cuvette 4. Le joint 12 de scellement comporte une partie 12' en pâte de verre électro-conductrice supportant des moyens 16 de connexion. La membrane n'étant pas scellée, celui-ci 12 est en légère surélévation 3 et en léger retrait par rapport à l'assise 10, d'où il résulte qu'il 12 peut se déformer à l'intérieur de la feuillure 14 lors du scellement à chaud de la membrane qui l'écrase légèrement. Sur la fig.4, le corps 2 cylindrique comporte une bande 18 diamétrale de pâte de verre électro-conductrice d'une épaisseur telle qu'elle permette la conduction électrique entre l'armature 8' de condensateur du corps 2 et des moyens 16' de connexion. Sur la fig.5,- le joint 12 de scellement peut s'écraser légèrement dans la feuillure 14 ménagée à cet effet sur le pourtour du corps 2 cylindrique, celuici étant ramolli lors du scellement à chaud et légèrement écrasé par la membrane. La membrane 6 comporte sur le pourtour de sa face supérieure un rebord 20 dont le congé 22 est sensiblement au droit du bord intérieur de l'assise 10. Sur la fig.6, un procédé de fabrication d'une cellule selon l'invention comporte une succession d'étapes dont - la première consiste à ménager dans une ébauche 24 cylindrique d'une matière électroisolante telle une céramique une gorge du groupe de celles comprenant les gorges 26 de type annulaire et les gorges 28 de type diamétral, et à les remplir de pâte de verre 30 électro-conductrice et/ou de pâte de verre 32 électroisolante, une partie 34 au moins de la gorge 26 de type annulaire étant de pâte de verre 30 électro-conductrice, - la deuxième consiste à ménager, une gorge 26 de type annulaire ayant été effectuée, une gorge 28 de type diamétral et à la remplir de pâte de verre 30 électro-conductrice, - la troisième consiste à ménager une feuillure 14 annulaire sur le pourtour de la dite ébauche 24, - la quatrième étape, dite fondamentale, consiste à usiner d'une part la cuvette 4 et l'assise 10 de telle sorte que la dite assise 10 soit ob tenue en légère surélévation par rapport au bord supérieur de la cuvette 4, et d'autre part la mise à niveau de la pâte de verre 32 et 30 de telle sorte que celle-ci soit en légère surélévation et en léger retrait par rapport à l'assise 10, Sur la fig.7, le joint 12 de scellement est situé sur la membrane 6 au moment du scellement à chaud de celle-ci avec le corps 2 cylindrique, tandis que sur la fig.8 le joint 12 de scellement est situé à l'intérieur de la gorge 26 annulaire de corps 2. I1 devra être compris que si le joint de scellement est un alliage métallique, une seule sortie (ou connexion) pourra passer à travers le joint et il s'agira de la sortie membrane, tandis que l'autre sortie devra être réalisée, de manière connue, à travers le corps. Bien que l'on ait décrit et représenté une forme préférée de réalisation, il doit être compris que la portée de la présente invention n'est pas limitée à cette forme mais qu'elle s'étend à tout dispositif comportant les caractéristiques énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1.- Cellule de mesure capacitive des pressions différen tielles (absolues ou relatives), du type de cellule comprenant un corps (2) de cellule cylindrique conformé en cuvette (4) sur au moins une de ses faces d'extrémité et une membrane (6) appliquée sur, et solidaire de, la dite face au moins, le corps (2) et la membrane (6) comportant chacun une armature (8 et 8') de conden sateur et leur connexion (16 et 16') et étant constitués d'un matériau électriquement isolant tel que céramique, la membrane (6) et le corps (2) étant scellés l'un à l'autre par un joint (12) de scellement, caracté risée :: en ce que la dite face au moins du corps (2) contre laquelle est appliquée la membrane (6) comporte sur le pourtour de la cuvette (4) une partie annulaire dite assise (10) sur laquelle repose directement la membrane, et en ce que le dit joint (12) de scellement, celui-ci étant annulaire est situé à l'intérieur d'un évidement (14,26) ménagée à proximité de l'assise (10), d'où il résulte que la membrane (6) est positionnée de façon précise par son application contre l'assise (10) et le scellement étant effectué à chaud, le joint (12) de scellement ramolli peut être écrasé légèrement sans affecter le dit positionnement 2.- Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que le joint (12) de scel lement est en pâte de verre, en ce qu'une partie (12') au moins du joint (12) de scellement est en pâte de verre électro-conductrice, et en ce que la dite partie (12') au moins est dotée de moyens (16) de connexion, de telle sorte que la partie (12') électro-conductrice peut prolonger sans l'affecter dans sa conductibilité, la connexion de l'armature de condensateur (8) de la membrane (6) 3.- Cellule selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie (18') au moins du joint (12) de scellement se prolonge diamé tralement, la dite partie au moins étant en pâte de verre électro-conductrice, et en ce que la dite partie (18) au moins est dotée de moyens de connexion (16'), de telle sorte que la dite partie (18) au moins peut former la connexion de l'armature (8') de condensateur du corps (2) de cellule 4.- Procédé d'élaboration d'une cellule selon la revendi cation 1, caractérisé en ce qu'il comprend, partant d'une ébauche (24) de forme générale prismatique (cylin drique), l'étape dite fondamentale consistant à Usiner sur l'une des faces d'ex trémité de cette dernière - la cuvette (4) et - la partie annulaire (10) dite "assise", d'où il résulte que l'épaisseur de la dite assise peut être obtenue extrêmement faible et extrêmement précise 5.- Procédé d'élaboration d'une cellule selon la revendi cation 4, caractérisé en ce qu'il comprend antérieu rement à l'étape fondamentale des étapes consistant a:: - usiner dans la dite ébauche (24) une gorge du groupe de gorges comprenant la gorge (26) de type annulaire et la gorge (28) de type dia métral, - remplir lesdites gorges avec au moins une pâte de verre du groupe de pâte de verre comprenant la pâte de verre électro-conductrice (30,34,18) et la pâte de verre électro-isolante (32), l'une de ces pâtes occupant le volume de la gorge que n'occupe pas l'autre pâte; 6.- Procédé d'élaboration d'une cellule selon la revendi cation 5, caractérisé : en ce qu'il comprend une gorge (26) de type annulaire ayant été usinée et remplie de pâte de verre (32,34), une autre étape antérieure consistant à usiner dans l'ébauche (24) une gorge (28) de type diamétral et à la remplir de pâte de verre électro-conductrice (30) 7.- Procédé d'élaboration d'une cellule selon la revendi cation 6, caractérisé : en ce qu'il comprend en outre, l'étape consistant à usiner dans la pâte de verre (32,34) annulaire, un rebord annulaire en légère sur élévation (3) par rapport à l'assise (10) annulaire, le dit rebord étant destiné à constituer le joint (12) de scellement de la membrane (6) sur le corps de cellule (2) 8.- Procédé d'élaboration d'une cellule selon la revendi cation 4, caractérisé :: en ce que le joint (12) de scel lement est supporté par la membrane (6), et en ce qu'il est appliqué sous contrainte à chaud dans la dite feuillure (14) 9.- Cellule selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face supérieure de la membrane (6) comporte sur son pourtour un rebord (20) avec un congé (22) concave par rapport au centre de la membrane (6), et en ce que le dit congé (22) est sensiblement au droit du bord interne de l'assise (10), d'où il résulte de cette confor mation une plus grande résistance à la déformation de la membrane (6) 10.- Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit évidement est une gorge (26) 11.- Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit évidement est une feuillure (14) 12.- Cellule selon la revendication 1, caractérisée : : en ce que la partie annulaire, dite assise, est en surélévation (1) par rapport au pourtour de la cuvette.