Brevet FR2721105A1 — publié le 19951215

La présente invention concerne un capteur capacitif à électrodes concentriques, comprenant une électrode centrale cylindrique de détection entourée d'une électrode de garde et d'une électrode extérieure annulaires et coaxiales à l'électrode centrale. Ces trois électrodes sont électriquement isolées entre elles par deux bagues en matériau diélectrique. L'invention vise aussi un procédé de fabrication de ce capteur. Convenablement connecté à une chaine de mesure capacitive, ce type de capteur permet de déterminer la distance séparant son électrode centrale d'une surface électriquement conductrice voisine. L'invention trouve alors une application particulièrement intéressante dans le domaine aéronautique pour le contrôle actif du jeu existant entre les aubes d'un rotor et le carter d'une turbomachine. En effet, une des possibilités d'améliorer le rendement des moteurs d'avions consiste à réduire au minimum le jeu qui existe entre les extrémités des aubes et le carter. Ne pouvant être minimisé une fois pour toutes, car dépendant principalement de la température de fonctionnement du moteur, ce jeu doit être contrôlé en permanence pour assurer des fuites minimales. Il est donc primordial pour les constructeurs de moteurs d'avions de disposer d'un capteur performant pour effectuer la mesure dynamique de jeu. L'invention s'intéresse plus particulièrement à la réalisation d'un capteur capacitif à longue durée de vie pouvant fonctionner dans une ambiance corrosive à haute température. Un capteur capacitif à électrodes concentriques est connu du brevet GB-2 071 852 qui décrit un capteur comprenant une électrode centrale de détection entourée d'une gaine métallique cylindrique, jouant le rôle d'une électrode de garde, dont elle est séparée par un isolant minéral. Ce capteur est connecté à un câble coaxial, l'électrode centrale étant raccordée à l'âme de ce câble et l'électrode de garde au blindage du câble. Le capteur est fixé sur le carter d'une turbomachine au droit d'une ouverture pratiquée dans la paroi, face à une rangée d'aubes du rotor. La surface conductrice de l'électrode de détection est alors alignée sur la surface interne du carter. Chaque extrémité d'aube forme avec l'électrode de détection un condensateur dont la capacite est fonction de la distance qui la sépare de l'électrode. Le capteur est incorporé dans une chaîne de mesure qui permet de déterminer le jeu entre les aubes et le carter de la turbomachine. La configuration adoptée permet d'obtenir un capteur de structure simple et réduit les variations parasites de capacité entre l'électrode de détection et l'électrode de garde qui l'entoure, portée au même potentiel. Ces variations sont dues aux déformations des électrodes et aux variations de la permittivité du matériau diélectrique, conséquences directes des fluctuations de température. Cependant, ce capteur a une durée de vie insuffisante pour une utilisation sur des moteurs industriels. Un autre exemple de capteur capacitif a électrodes concentriques est décrit dans le brevet FR-2 568 004 au nom du demandeur Ce capteur est constitué d'une électrode centrale de détection, d'une électrode de garde et d'une électrode extérieure, métalliques et isolées électriquement entre elles, reliées à un câble triaxial, pour le raccordement à une chaîne de mesure de capacité. L'électrode de détection et l'électrode de garde sont prévues pour être mises au même potentiel et l'électrode extérieure pour être mise à la masse, ce qui permet de maintenir l'électrode centrale à un potentiel parfaitement déterminé, indépendamment des conditions ambiantes. La tenue mécanique de l'ensemble et la liaison électrique avec le câble sont assurées par des soufflets élastiques conducteurs, isolés entre eux, prenant appui sur des éléments internes du corps du capteur. La liaison mécanique souple assurée par les soufflets permet au capteur de résister aux hautes températures et aux fortes pressions existant dans les turbomachines industrielles. Ce brevet propose l'utilisation d'alliage "kovar" pour les parties métalliques et d'alumine pour les isolants. Cependant la conformation de la partie avant du capteur et sa complexité rendent sa fabrication particulièrement onéreuse. De plus, cette configuration n'assure pas un positionnement sûr de l'électrode centrale. Les capteurs décrits précédemment présentent donc l'inconvénient de ne pas pouvoir résister à des températures de fonctionnement suffisamment élevées, ou d'avoir une géométrie complexe qui entraîne des coûts de fabrication importants. De plus, les capteurs disponibles sur le marché, lorsqu'ils permettent d'atteindre des températures de fonctionnement élevées, ont une durée de vie nettement insuffisante pour les applications industrielles. Le but principal de l'invention est donc de pallier ces inconvénients et de proposer un capteur capacitif compact, de géométrie simple, présentant des garanties de grande fiabilité pour un fonctionnement à haute température dans un milieu corrosif. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication et d'assemblage des différentes parties du capteur, offiant les mêmes garanties. L'invention porte sur un capteur capacitif à électrodes concentriques, qui est constitué d'un corps raccordé à un câble électrique triaxial. Ce câble comprend une âme, une première gaine métallique et une seconde gaine métallique sensiblement concentriques. Le corps du capteur comporte une électrode centrale cylindrique de détection directement raccordée à l'rame du câble triaxial et entourée d'une électrode de garde et d'une électrode extérieure, sensiblement annulaires et coaxiales à l'électrode centrale. L'électrode de garde est raccordée à la première gaine du câble, l'électrode extérieure à la seconde gaine. Les trois électrodes sont en matériau conducteur de l'électricité et sont isolées entre elles par deux bagues en matériau diélectrique. Le câble est un câble triaxial du commerce résistant aux hautes températures. L'invention est caractérisée par le fait que les trois électrodes du capteur sont réalisées en alliage réfractaire ou en superalliage, à base de nickel, de cobalt et/ou de fer, recouvert d'un revêtement d'aluminiure du ou des métaux de base de l'alliage réfractaire ou du superalliage, modifié par du palladium, et par le fait que les deux bagues sont réalisées en céramique réfractaire chimiquement compatible avec le matériau des électrodes. On entend par alliage réfractaire un alliage qui résiste aux températures élevées - en étant si nécessaire protégé contre la corrosion - à condition de ne pas être soumis à des contraintes mécaniques notables. Un superalliage se distingue d'un alliage réfractaire en ce qu'il présente une bonne résistance mécanique notamment au fluage aux températures élevées. La mise en oeuvre d'une telle combinaison de matériaux céramiques et métalliques permet au capteur de supporter sans dommage 1000 cycles thermiques d'une heure, de refroidissement et de chauffage accélérés, tant en oxydation à 1100"C qu'en corrosion à 850"C en présence de sulfate de sodium. Selon une caractéristique préférée de l'invention, qui assure une meilleure tenue mécanique des connexions, le corps du capteur est raccordé au câble triaxial par l'intermédiaire d'un capot constitué de deux couvercles tronconiques sensiblement concentriques, isolés électriquement entre eux. Le premier couvercle assure la continuité électrique entre l'électrode de garde et la première gaine du câble, le second couvercle entre l'électrode extérieure et la seconde gaine du câble. Ces deux couvercles sont réalisés dans le même matériau que les électrodes. L'invention vise également un procédé de fabrication d'un capteur tel que défini cidessus, dans lequel le corps du capteur est assemblé par emboîtement, les unes dans les autres, de l'électrode de détection, de la première bague en matériau diélectrique, de l'électrode de garde, de la seconde bague en matériau diélectrique et de l'électrode extérieure. Ce procédé de fabrication est caractérisé par le fait que les parties métalliques, en superalliage ou en alliage réfractaire, sont soumises à un traitement de protection par dépôt d'un revêtement d'aluminiure du ou des métaux de base du superalliage ou de l'alliage, modifié par du palladium. Ce revêtement est obtenu en déposant un alliage de palladium et dudit ou desdits métaux de base, que l'on soumet à un recuit de diffusion puis à un dépôt d'aluminium qui, par diffùsion au cours du traitement, forme un aluminiure du métal de base. Un tel traitement, appliqué à la protection des aubes de turbines fixes et mobiles des turbomachines, et son procédé de mise en oeuvre sont décrits dans le brevet FR-2 638 174 au nom du demandeur. L'invention vise enfin l'assemblage du corps, du capot et du câble du capteur en une seule étape par soudure haute-fréquence, par frittage par étincelage ou par une technique de brasure dite brasage-diffusion. Selon un premier mode de fabrication du capteur, I'accrochage mécanique des différents éléments constituant le corps du capteur est alors assuré au moyen d'une composition de scellement, constituée d'un mélange de poudres dans un véhicule organique et minéral, appliquée en couche mince sur les surfaces des pièces à assembler et soumise à un traitement thermique. Le mélange de poudres comprend en masse 70 à 90 % d'aluminium, 5 à 25 % de silicium, 0 à 5 % de silice et 0 à 5 % de métal modérateur choisi parmi le chrome, le nickel, et le fer et les mélanges de ceux-ci. Le véhicule est composé d'un liant organique dissous dans un solvant de façon à former un liquide visqueux à action défloculante et d'un liant minéral choisi parmi les acides borique et phosphorique et leurs sels de chrome, d'aluminium et des métaux du groupe VIIIa de la classification périodique et de leurs mélanges, qui a une forme visqueuse à la température de décomposition du liant organique. Le traitement thermique consiste à porter la composition de scellement progressivement à une température inférieure à 100"C pour évaporer le solvant, puis à une température inférieure à 400"C mais suffisante pour décomposer le liant organique et amener le liant minéral à l'état liquide. On porte enfin l'ensemble à une température d'au moins 1000"C en atmosphère non oxydante, pour éliminer le liant minéral et faire réagir les poudres de la composition pour transformer la couche intermédiaire en un ciment de scellement formant une liaison fortement adhérente. Selon un second mode de fabrication du capteur, I'accrochage mécanique des éléments du corps est assuré par frottement, les électrodes et les bagues diélectriques étant alors usinées à cotes serrées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée du capteur et d'exemples de mise en oeuvre du procédé de fabrication, donnés à titre indicatif et non limitatif, dans lesquels on se réfère aux figures annexées. La figure 1 est une vue de côté en coupe axiale d'un capteur capacitif agencé selon l'invention. La figure 2 est un exemple de mise en oeuvre d'un capteur selon l'invention, dans une chaîne de mesure de jeu entre les aubes d'un rotor et le carter d'une turbomachine. Selon la figure 1, le capteur comprend un corps (1) et un capot (2). Le corps est composé: -d'une électrode de détection (3) de forme cylindrique directement raccordée à l'âme (4) du câble triaxial (5), -d'une bague diélectrique (6) annulaire coaxiale à l'électrode de détection (3), -d'une électrode de garde (7) annulaire et coaxiale à la bague (6) et à l'électrode de détection (3), -d'une bague diélectrique (8) annulaire et coaxiale aux deux électrodes (3,7) et à la bague (6), -d'une électrode extérieure (9) annulaire et coaxiale aux deux électrodes (3,7) et aux deux bagues (6,8) Les électrodes sont en alliage réfractaire ou en superalliage, à base de nickel, de cobalt et/ou de fer, recouvert d'un revêtement d'aluminiure du ou des métaux de base de l'alliage ou du superalliage, modifié par du palladium, et les bagues diélectriques sont en céramique réfractaire. Ces deux matériaux sont choisis de façon à être chimiquement compatibles et à présenter des coefficients de dilatation voisins. Enfin, le diamètre de l'électrode de détection est choisi de façon à être inférieur à la plus petite dimension de la surface conductrice en regard du capteur et constituant la seconde armature du condensateur. Le capot (2) du capteur se compose de deux couvercles réalisés dans le même matériau que les électrodes: -un premier couvercle (10) tronconique disposé en regard de l'électrode de garde (7) et assurant la continuité électrique entre la première gaine (11) du câble (5) et cette électrode (7), -un second couvercle (12) tronconique, isolé du couvercle (10), disposé en regard de l'électrode extérieure (9) et assurant la continuité électrique entre la seconde gaine (13) du câble (5) et cette électrode. Une autre fonction de ce couvercle est d'assurer une protection mécanique du corps du capteur. Pour les deux exemples de fabrication qui suivent les parties métalliques du capteur sont en superalliage à base de nickel commercialisé sous la référence IN738 et les bagues diélectriques sont en alumine. Premier exemple de fabrication du capteur: On usine les différents éléments du corps et du capot du capteur, les électrodes et les bagues isolantes présentant un jeu volontairement compris entre 0,1 et 0,2 mm. On applique ensuite le revêtement de protection des parties métalliques, en effectuant successivement: I.-un dépôt électrolytique au tonneau d'un alliage de palladium et de nickel; II.-un recuit de diffùsion sous vide secondaire, meilleur que 10-3 Pa à 8500C pendant 2 heures; III.-une aluminisation en caisse basse-activité (chromaluminisation) décrite dans le brevet FR-I 490 744 au nom du demandeur. On prépare ensuite une composition de scellement dans les proportions suivantes: - 12%, en masse, de poudre de silicium dont la granulométrie est comprise entre 30 et 50 Clam. - 2,5%, en masse, de poudre de silice (SiO2) dont la granulométrie est comprise entre 20 et 50 CLm. - 82,5%, en masse, de poudre d'aluminium dont la granulométrie est comprise entre 3 et 5 Zm. - 3%, en masse, de poudre de chrome dont la granulométrie est comprise entre 10 et 20 llm. Ces poudres sont dispersées dans une solution de polyacrylate d'ammonium stabilisée au fer. Cette dispersion étant devenue homogène, on l'étend par une solution molaire d'acide phosphorique (H3PO4) ou d'acide borique (H3BO3), en quantité suffisante pour obtenir une pâte fluide. Puis on assemble le corps (1) du capteur selon les étapes suivantes: I.-les faces des électrodes qui seront en contact avec les bagues isolantes et les deux faces de chaque bague sont enduites de la composition de scellement. Les éléments du capteur sont ensuite étuvés 30 mn à 80"C; II.-l'électrode extérieure (5) est disposée sur une surface plane et remplie de pâte. On introduit alors la seconde bague (4) que l'on remplit de pâte, et l'on répète l'opération pour l'électrode de garde (3), la première bague (2) et l'électrode de détection (1). L'excédant est ensuite éliminé; III.-le corps du capteur ainsi assemblé est étuvé pendant 30 mn à 80"C puis subit un recuit sous air confiné pendant 30 mn à 350"C et un recuit de diffusion sous hydrogène pendant 4 heures à 1050"C, enfin un recuit de relaxation, de 30 minutes environ, à une température supérieure à la température d'utilisation prévue. Enfin, pour assembler le corps (1), le capot (2) et le câble triaxial (8) on dispose le capot en regard du corps et on introduit le câble. Les parties métalliques du capteur, d'une part, et celles du câble de mesure, d'autre part, sont alors mises en contact et reliées aux bornes d'un poste de soudure haute fréquence. On obtient ainsi, en une seule opération, les soudures A, B, C, D et E. En variante les soudures peuvent être réalisées par un procédé dit de "frittage par étincelage" décrit dans le brevet GB-I 508 350 et qui consiste à faire passer entre les éléments métalliques constitutifs du capot, du corps et du câble le courant de décharge d'une batterie de condensateurs. On peut aussi assembler ces trois éléments par brasage-diffusion, en utilisant des feuilles de brasure au palladium du type MBF 1007 commercialisées par Allied Meltglass Products, et en portant l'ensemble à 850 C sous vide. Deuxième exemple de fabrication du capteur: Les différentes parties constitutives du corps du capteur sont usinées avec des tolérances dimensionnelles sévères, afin de permettre un ajustage à cotes serrées. On applique ensuite le traitement de protection sur les parties métalliques comme cela a été décrit dans le premier exemple de fabrication. Puis, on assemble le corps du capteur en mettant en oeuvre des techniques de sertissage connues de l'homme de métier et permettant d'obtenir après assemblage un excellent accrochage mécanique, par frottement, de l'ensemble des éléments. On assemble, enfin, le corps, le capot et le câble selon l'une des méthodes décrites dans le premier exemple de fabrication. En variante, il est possible de déposer le revêtement de protection sur les électrodes après leur assemblage avec les bagues diélectriques. Des applications particulièrement intéressantes du capteur peuvent être trouvées dans l'industrie aéronautique. Ainsi, un exemple d'utilisation du capteur, illustré par la figure 2, propose de connecter le capteur (20) à une chaîne de mesure capacitive (21), telle que décrite dans le brevet FR-2 608 751, qui permet de déterminer le jeu entre les aubes (22) du rotor et le stator (23) d'un turboréacteur. Cette mesure peut alors être exploitée pour chercher à améliorer le rendement du réacteur en contrôlant ce jeu. Une tel ensemble présente les caractéristiques suivantes: - étendue de mesure: 1,2 mm, - sensibilité statique de l'ensemble capteur-chaîne de mesure pour un jeu de 0,2 mm: 8,75 mV. > m~l, - bruit de fond mesuré en sortie de chaîne: 8 zV.Hz-1/2, - détectivité de l'ensemble lorsque la bande passante est de 300 kHz: 22 zm efficaces. On entend par détectivité le signal tel que le rapport signal / bruit = 1. Le champ d'application de l'invention peut s'étendre à de nombreux domaines, par exemple au contrôle de processus industriels dans lesquels sont impliqués des éléments mobiles (machine outil, chaîne de montage notamment) travaillant dans un environnement sévère et/ou dangereux. Revendications 1. - Capteur capacitif à électrodes concentriques, comportant un corps raccordé à un câble électrique triaxial (5) constitué d'une âme (4), d'une première gaine métallique (11) et d'une seconde gaine métallique (13) sensiblement concentriques, le corps du capteur comprenant une électrode centrale cylindrique de détection (3) directement raccordée à l'âme (4) du câble et entourée d'une électrode de garde (7) et d'une électrode extérieure (9), sensiblement annulaires et coaxiales à l'électrode centrale (3), I'électrode de garde (7) étant raccordée à la première gaine (11), I'électrode extérieure (9) étant raccordée à la seconde gaine (13), les trois électrodes étant constituées en un matériau conducteur de l'électricité et isolées entre elles par deux bagues (6) (8) en matériau diélectrique, caractérisé en ce que les trois électrodes (3) (7) (9) sont réalisées en superalliage ou en alliage réfractaire, à base de nickel, de cobalt et/ou de fer, recouvert d'un dépôt d'alliage de palladium et du ou des métaux de base du superalliage ou de l'alliage réfractaire, puis d'un aluminiure de ce ou de ces mêmes métaux de base, et en ce que les deux bagues (6) (8) sont réalisées en céramique réfractaire chimiquement compatible avec le matériau des électrodes. 2. - Capteur selon la revendication I caractérisé en ce que les électrodes (3) (7) (9) sont réalisées en superalliage à base de nickel, en ce que l'alliage déposé est un alliage de nickel et de palladium et en ce que l'aluminiure est de l'aluminiure de nickel. 3. - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les deux bagues (6) (8) sont réalisées en alumine. 4. - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le corps (1) du capteur est raccordé au câble triaxial par l'intermédiaire d'un capot (2) réalisé dans le même matériau que les électrodes et constitué de deux couvercles (10) (12) tronconiques sensiblement concentriques, isolés électriquement entre eux, le premier couvercle (10) assurant la continuité électrique entre l'électrode de garde (7) et la première gaine (11) du câble (5), le second couvercle (12) assurant la continuité électrique entre l'électrode extérieure (9) et la seconde gaine (13) du câble (5). 5. - Procédé de fabrication du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le corps du capteur est assemblé par emboîtement, les unes dans les autres, de l'électrode de détection, de la première bague en matériau diélectrique, de l'électrode de garde, de la seconde bague en matériau diélectrique et de l'électrode extérieure, caractérisé par le fait que les parties métalliques, en superalliage ou en alliage réfractaire, sont soumises à un traitement de protection par dépôt d'un revêtement d'alliage de palladium et du ou des métaux de base du superalliage ou de l'alliage réfractaire ayant subi un recuit de diffusion puis une aluminisation conduisant à l'obtention d'un aluminiure dudit ou desdits métaux de base, modifié par le palladium. 6. - Procédé de fabrication du capteur selon la revendication 5, dans lequel l'accrochage mécanique des éléments constituant le corps du capteur est assuré au moyen d'une composition de scellement constituée d'un mélange de poudres en suspension dans un véhicule organique et minéral, appliquée en couche mince sur les surfaces des pièces à assembler et soumise à un traitement thermique, caractérisé en ce que: - le mélange comprend en masse 70 à 90 % d'aluminium, 5 à 25 % de silicium, 0 à 5 % de silice et 0 à 5 % d'un métal modérateur choisi parmi le chrome, le nickel, et le fer et les mélanges de ceux-ci, - le véhicule est composé d'un liant organique dissous dans un solvant de façon à former un liquide visqueux à action défloculante et d'un liant minéral choisi parmi les acides borique et phosphorique et leurs sels de chrome, d'aluminium et des métaux du groupe VIIIa de la classification périodique et de leurs mélanges, qui a une forme visqueuse à la température de décomposition du liant organique, - le traitement thermique consiste à porter la composition de scellement progressivement à une température inférieure à 100"C pour évaporer le solvant, puis à une température inférieure à 400"C mais suffisante pour décomposer le liant organique et amener le liant minéral à l'état liquide, enfin à une température d'au moins 1000"C en atmosphère non oxydante, pour éliminer le liant minéral et faire réagir les poudres de la composition. 7. - Procédé de fabrication selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'accrochage mécanique des éléments du corps du capteur est assuré par frottement, les électrodes et les bagues diélectriques étant usinées à cotes serrées. 8. - Procédé de fabrication selon l'une ou l'autre des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le corps, le capot et le câble du capteur sont solidarisés en une seule étape par soudure haute-fréquence. 9. - Procédé de fabrication selon l'une ou l'autre des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le corps, le capot et le câble du capteur sont solidarisés en une seule étape par frittage par étincelage. 10. - Procédé de fabrication selon l'une ou l'autre des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le corps, le capot et le câble du capteur sont solidarisés en une seule étape par brasage-diffusion.