Brevet FR2733047A1 — publié le 19961018

CAPTEUR DE FORCE UTILISABLE EN MILIEU HOSTILE La présente invention concerne un capteur de force utilisable en milieu hostile, en particulier dans un milieu où la température peut varier entre 0 et 4000C. Les capteurs de forces actuels s'avèrent d'un emploi difficile, voire impossible, en milieu hostile. Dans le cas des températures élevées, on utilise des capteurs de force basés sur la variation d'une caractéristique (capacité ou self) d'un circuit électrique qui est modifiée par le déplacement d'un élément mécanique soumis à la force à mesurer. L'ensemble d'un tel dispositif capteur de force opère en zone à température variable. On constate que ce type de capteur présente un phénomène d'hystérésis important lorsque la force à mesurer diminue. Cet hystérésis est fonction de la température et rend très difficile l'interprétation des signaux qu'il fournit. L'invention permet de remédier à cette situation grâce à un dispositif convertissant la force à mesurer en une pression mesurée par un capteur de pression situé en dehors du milieu hostile. Le dispositif comporte un organe séparateur assurant la conversion de la force à mesurer en pression de fluide. La pression est transmise jusqu'au capteur de pression grâce à un conduit de petit diamètre, ou conduit capillaire. Un objet de la présente invention consiste donc en un capteur de force utilisable pour mesurer une force en milieu hostile, caractérisé en ce qu'il comprend - un piston dont une première extrémité est destinée à être soumise à ladite force et dont la deuxième extrémité exerce son action sur un liquide, - un capteur de pression soumis à la pression dudit liquide et disposé hors du milieu hostile, - des moyens de séparation, situés entre le capteur de pression et la deuxième extrémité du piston, délimitant un volume déterminé rempli dudit liquide qui répercute vers le capteur de pression l'action du piston sur le liquide. Lorsque le capteur de force est destiné à mesurer une force s'exerçant dans un milieu à température élevée, le piston du capteur de force ne doit pas être en contact direct avec le liquide. En effet, lorsque la température s'élève, le liquide se dilate et, la viscosité du liquide étant fonction de la température, des problèmes d'étanchéité interviennent. Un perfectionnement de la présente invention consiste donc à interposer, entre le fluide et le piston, un volume rempli de billes qui assurent la transmission de la force à mesurer vers le liquide. Un autre objet de la présente invention consiste donc en un capteur de force tel que défini plus haut, caractérisé en ce que la deuxième extrémité du piston est séparée du liquide par une membrane déformable et par un volume fermé situé entre ladite deuxième extrémité du piston et la membrane, ce volume étant rempli de billes. L'avantage d'utiliser des billes plutôt que du sable est que les billes permettent d'avoir beaucoup moins de friction que le sable. I1 faut remarquer qu'on ne peut pas non plus utiliser un capteur de pression pour mesurer la pression directement sur la deuxième extrémité du piston, ce capteur de pression ne supportant pas les températures élevées. Les billes utilisées sont de préférence des billes de verre ou de silice. Elles permettent d'assurer une bonne isolation thermique entre le piston et le liquide. Les essais réalisés avec des billes de différents diamètres ont montré que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le diamètre de ces billes est d'environ 0,1 mm. De préférence, le piston est amené à coulisser dans un cylindre ou chemise solidaire des moyens de séparation. Pour assurer une meilleure isolation des moyens de séparation par rapport à la température du milieu où s'exerce la force, le capteur de force selon l'invention peut comporter des moyens d'isolation thermique. Afin de ne pas être sensible aux variations de température, le capteur de force peut comprendre des moyens de maintien du liquide à température constante, par exemple grâce à au moins une résistance électrique. En outre, il peut être prévu des moyens de contrôle de la température du liquide, par exemple en utilisant un couple thermoélectrique. On obtient ainsi un capteur de force ne présentant pas d'hystérésis même pour de faibles forces mesurées. Un autre avantage du capteur de force selon la présente invention est qu'il est facilement miniaturisable. L'invention a encore pour objet un capteur de force utilisable pour mesurer une force dans un milieu à température élevée, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour rendre la transmission de la force à mesurer, par l'intermédiaire d'un capteur de pression, indépendante de la transmission de la chaleur générée par le milieu à température élevée. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée de la figure annexée qui est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de force selon l'invention et permettant la mesure de forces s'exerçant dans un milieu à température élevée. Sur la figure annexée, l'élément central portant la référence 2 est le corps de l'organe séparateur. C'est une pièce métallique de forme générale cylindrique selon l'axe A du capteur de force. I1 est placé entre le talon de retenue 13 et le piston 7 qui sont également métalliques. Le piston 7, de forme cylindrique et d'axe confondu avec celui du capteur de force, présente l'une de ses extrémités, référencée 71, au milieu à température élevée pour y recevoir la force à mesurer. Son extrémité opposée, référencée 72, fait face au corps 2. Le corps 2 est percé d'un conduit 21 de faible diamètre dont la plus grande partie se situe selon l'axe A et qui se prolonge perpendiculairement d'une partie plus petite vers un bouchon de renvoi d'angle 1 vissé dans le corps 2. Du côté du piston 7, le conduit 21 débouche au fond d'une cuvette circulaire 22 usinée à partir de la face 23 du corps 2 qui est en regard de l'extrémité 72 du piston. Du côté du bouchon 1, le conduit 21 communique avec un tube 3 qui traverse le bouchon 1. Le tube 1 est relié à l'entrée du capteur de pression 6 qui peut être à plusieurs mètres du corps 2. I1 est par exemple métallique pour ne pas se déformer sous l'effet de la pression qu'il transmet. Le piston 7 est coiffé par un cylindre 8 solidaire du corps 2 et peut coulisser dans ce cylindre. Un joint torique 10 assure l'étanchéité entre le piston et le cylindre, du côté de l'extrémité 71. Une membrane ondulée 15, que l'on peut se procurer dans le commerce, recouvre la face 23 du corps et ferme la cuvette 22. La membrane est rendue solidaire du corps grâce à un anneau de serrage 16 fixé sur la face 23 du corps. L'ensemble formé par la cuvette 22, le conduit 21 et le tube 3 est rempli d'un liquide 17, par exemple de l'huile. Le volume fermé limité par l'extrémité 72 du piston, la membrane 15, le cylindre 8 et l'anneau de serrage 16 est rempli de microbilles 14. Un fourreau 9 en matériau isolant thermique (par exemple en laine de verre) coiffe le piston 7 jusqu'à la hauteur du corps. Le dispositif possède, à l'opposé du piston 7, un talon de retenue 13 relié à la face 24 du corps par un bloc rigide et isolant 12. Le capteur de pression 6 est par exemple d'un type capable de mesurer des pressions de l'ordre de 400 bar. I1 est sensible à la pression du liquide présent dans le tube 3. Le liquide 17 est maintenu à température constante par des résistances électriques et en utilisant un couple thermoélectrique 4 pour le contrôle de cette température. Une première résistance 5 est constituée par un fil bobiné autour du corps 2 sur la longueur correspondant au conduit 21. Cette première résistance est connectée à une alimentation électrique. Une deuxième résistance 11, également reliée à une alimentation électrique, est constituée par une bobine électrique disposée autour de la partie centrale du dispositif. Elle comporte un bourrelet latéral 18 dans l'axe du tube 3 et de la longueur du tube 3. Ceci permet de réguler plus précisément la température du liquide 17. Le couple thermoélectrique peut alors être disposé de la manière illustrée par la figure, l'une de ses extrémités pénétrant dans le corps 2 et son autre extrémité aboutissant dans le bourrelet 18 parallèlement et à proximité du tube 3. Ce capteur de force peut être notamment utilisable en géotechnique, en géothermie, en forages profonds et en plasturgie. REVENDICATIONS 1. Capteur de force utilisable pour mesurer une force en milieu hostile, caractérisé en ce qu'il comprend - un piston (7) dont une première extrémité (71) est destinée à être soumise à ladite force et dont la deuxième extrémité (72) exerce son action sur un liquide (17), - un capteur de pression (6) soumis à la pression dudit liquide et disposé hors du milieu hostile, - des moyens de séparation, situés entre le capteur de pression (6) et la deuxième extrémité (72) du piston (7), délimitant un volume déterminé rempli dudit liquide qui répercute vers le capteur de pression l'action du piston (7) sur le liquide. 2. Capteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le milieu hostile étant un milieu à température élevée, la deuxième extrémité (72) du piston (7) est séparée du liquide (17) par une membrane déformable (15) et par un volume fermé situé entre ladite deuxième extrémité (72) du piston et la membrane (15), ce volume étant rempli de billes (14). 3. Capteur de force selon la revendication 2, caractérisé en ce que les billes (14) sont en verre ou en silice. 4. Capteur de force selon la revendication 3, caractérisé en ce que les billes (14) ont un diamètre d'environ 0,1 mm. 5. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le piston (7) coulisse dans un cylindre (8) solidaire des moyens de séparation. 6. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de séparation comportent une cuvette (22) située face à la membrane déformable (15) et fermée par cette membrane, et un conduit (21, 3) reliant la cuvette au capteur de pression (6), la cuvette et le conduit délimitant ledit volume déterminé de liquide. 7. Capteur de force selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de séparation sont constitués d'un corps (2) dans lequel est prévu la cuvette (22) et d'un conduit de prolongement (3) vers le capteur de pression pour relier la cuvette à ce capteur de pression. 8. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'isolation thermique (9, 12) pour isoler les moyens de séparation de la température du milieu où s'exerce la force. 9. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de maintien du liquide à température constante. 10. Capteur de force selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien du liquide à température constante comprennent au moins une résistance électrique (5, 11). 11. Capteur de force selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle de la température du liquide. 12. Capteur de force selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent un couple thermoélectrique (4).