Brevet FR2750489A1 — publié le 19980102

"DISPOSITIF DU TYPE CAPTEUR CAPACITIF COMPOSITE" Description L'invention concerne un dispositif du type capteur capacitif composite incluant une sonde ayant une surface conductrice, et incluant un câble coaxial pour relier ladite sonde à des moyens de mesure. L'invention trouve son application notamment dans l'industrie aéronautique pour la mesure en dynamique de la vitesse de rotation des aubes tournantes dans le carter d'une turbomachine, et pour la mesure de la distance existant entre les extrémités de ces aubes tournantes et ce carter. Un capteur capacitif pour une turbomachine est déjà connu du brevet EPO246576. Ce capteur comprend un corps de sonde métallique ayant deux différents diamètres internes. La partie de plus grande largeur interne est située à l'extrémité de la sonde et inclut une électrode en forme de disque plan dont une première face est destinée à être disposée en regard des extrémités des aubes tournantes de la turbomachine, et dont l'autre face est reliée au conducteur central d'un câble coaxial. Ce conducteur central est entouré par une gaine métallique fixée à la partie de petit diamètre du corps de sonde. Dans la partie de fort diamètre, l'électrode est isolée du corps de sonde par un isolant minéral. Le câble coaxial comprend en outre une électrode de garde qui est prolongée par un anneau de garde disposé autour de l'électrode dans la partie de fort diamètre. Les matériaux et éléments de soudures des différentes parties de la sonde du capteur connu sont appropriés à permettre son utilisation à une température maximale de 750 C. A cet effet, les parties métalliques du câble coaxial sont en Inconel et sont isolées entre elles par un isolant minéral, l'électrode est en platine et est isolée du corps de sonde par un oxyde d'aluminium, et les éléments formés par le corps de sonde et la gaine d'une part, et par l'électrode et le conducteur central d'autre part, sont soudés entre eux au moyen d'un matériau de soudure. De telles soudures assurent également la fixation de l'électrode de garde du câble coaxial et de l'anneau de garde du corps de sonde. Un problème technique se pose actuellement pour réaliser un tel dispositif du type capteur capacitif qui soit utilisable dans une turbomachine appelée chambre de combustion, qui comporte aussi des aubes tournantes, ou rotor, dans une partie fixe, ou stator, mais o la température est bien plus élevée que la température d'utilisation du capteur connu, de l'ordre de 1300 C, et o la pression est de l'ordre de 40 Bars. Un autre problème technique se pose aussi actuellement de réaliser un tel capteur dont la surface conductrice ait un diamètre aussi grand que possible sans détériorer les autres performances requises. En effet, le signal recueilli pour la mesure de capacité est proportionnel à l'aire de la surface conductrice. Il est donc intéressant de disposer d'une surface conductrice d'aire aussi grande que possible dans les limites de l'application envisagée. Ces problèmes sont résolus par un dispositif du type capteur capacitif composite comprenant: une sonde ayant une surface conductrice et incluant un câble coaxial pour relier ladite sonde à des moyens de mesure, dans lequel le cable coaxial comprend une gaine métallique cylindrique et un conducteur central isolé de la gaine par un isolant minéral ayant une extrémité dénudée et dans lequel la sonde est constituée de manière composite par: une électrode métallique réfractaire en forme de cône dont la base plane circulaire forme ladite surface conductrice et dont le sommet est muni d'un queusot avec une ouverture axiale cylindrique l'extrémité dénudée du conducteur central est fixée par une soudure; une bague isolante ayant une cavité axiale conique pour recevoir l'électrode métallique en forme de cône fixée par un brasure; un boitier de sonde, métallique réfractaire, avec une partie de plus grand diamètre interne pour recevoir l'électrode disposée dans la bague isolante et une partie de plus faible diamètre interne o la gaine du câble coaxial est fixée par une soudure, une bague métallique réfractaire de blocage de la bague isolante fixée par une soudure sur la face avant du boîtier, et par une brasure sur la bague isolante. Selon cette nouvelle conception, ce dispositif est très résistant mécaniquement, peut résister à des pressions très élevées, notamment à la pression requise de 40 Bars, et peut être utilisé à des températures au moins égales à 1300 C. D'une manière générale, ce capteur, appelé ci-après capteur composite, montre des performances extrêmement élevées, il est capable de prélever un signal de valeur élevée par rapport à la valeur de la capacité mesurée, il résiste bien aux chocs thermiques, il est étanche aux agents corrosifs, insensible aux vibrations et très facile à mettre en place par exemple sur un carter de chambre de combustion. Les FIGs schématiques illustrant un dispositif selon l'invention sont décrites ci-après de façon succinctes: - la FIG.1 montre un exemple de réalisation d'un capteur capacitif en coupe longitudinale; - la FIG.2A montre schématiquement un capteur capacitif monté sur le carter d'une turbomachine, et la FIG.2B montre en projection la surface de l'électrode prise en compte dans la détermination de la capacité variable. Un dispositif du type capteur capacitif est décrit ci-après en détail dans des modes de réalisation, à titre non limitatif. Le dispositif décrit ci-après est un capteur capacitif apte à fonctionner à des températures aussi élevées que 1300 C, à des pressions de l'ordre de 40 Bars, avec une détection améliorée d'un signal fonction d'une capacité mesurée. En référence avec la FIG.1 qui représente un capteur capacitif en coupe longitudinale, ce capteur comprend une sonde 1 et un câble coaxial 20. Le câble coaxial 20 inclut une gaine métallique 10, et un conducteur central 21, séparé de la gaine par un isolant minéral en poudre compactée 19, et dénudé à son extrémité 21a vers la sonde. La sonde 1 inclut: une électrode métallique 4 réfractaire en forme de cône ayant une base plane circulaire constituant une surface conductrice plane 4a formant une armature d'un condensateur le sommet du cône est muni d'un queusot 5 avec un évidement 17, situé dans une partie opposée à la surface plane 4a, pour l'introduction de la partie dénudée 21a du conducteur central 21, de manière que cette extrémité 21a de ce conducteur central soit en contact électrique franc avec cette électrode métallique 4 à laquelle elle est fixée par une soudure llb; une bague isolante 9 réfractaire ayant une cavité axiale conique pour recevoir l'électrode 4 en forme de cône et une ouverture pour laisser passer le queusot 5 auquel elle est fixée par une brasure 1le; un boîtier 2 de sonde qui est métallique réfractaire et qui comprend une partie de plus grand diamètre interne pour recevoir l'électrode 4 disposée dans la bague 9, et une partie de plus faible diamètre interne pour recevoir le câble coaxial avec la gaine 10 fixée par une soudure lic; une bague 3 métallique réfractaire de blocage, fixée par une soudure lia à la face avant du boîtier métallique 2, dans sa partie de plus grand diamètre interne, et fixée par une brasure lld à la bague isolante 9. Les différentes parties du capteur sont ainsi fixées entre elles, pour fournir une très bonne rigidité mécanique et une très bonne étanchéité à tout gaz ou produits corrosifs pouvant être émis dans l'environnement du capteur durant son utilisation. Les moyens de soudure entre parties métalliques sont du type au laser, et sont référencés: lla entre le boîtier de sonde 2 et la bague métallique 3, llb entre la partie terminale 21a du conducteur central du câble coaxial et l'évidement 17 de l'électrode 4, 11c entre le boîtier de sonde 2 et la gaine 10 du câble coaxial 20. Les moyens de brasure entre parties métalliques et parties isolantes sont du type au palladium et sont référencés: lld entre la bague isolante 9 et le queusot 5 d'électrode 4, lle entre la bague isolante 9 et la bague de blocage 3. La surface conductrice 4a est réglée par rapport à une référence 2c du boitier de sonde pour se trouver exactement dans un plan de référence. Dans une application à la mesure des caractéristiques d'une chambre de combustion d'une turbomachine, cette surface conductrice 4a pourra, de cette manière, être alignée avec la surface interne du carter. Les autres éléments 2, 3 et 9 du capteur sont alignés en 2a, 3a et 9a respectivement, un peu en retrait de la surface conductrice 4a. Ce capteur comporte plusieurs particularités importantes: a) l'électrode 4 est logée dans le corps isolant 9 par l'emboîtement conique 16 et bloquée par la brasure l1e, ce qui procure une très bonne résistance mécanique tout en permettant d'obtenir une aire de la surface conductrice 4a de dimension importante; b) l'extrémité 21a du conducteur du câble coaxial est logée dans l'électrode 4 par un l'emboîtement cylindrique 17 et la soudure au laser 11b, ce qui procure un très bon contact électrique et une très bonne résistance mécanique; c) la partie 10a de la gaine métallique du câble coaxial est bloquée dans la partie de plus faible diamètre du boîtier 2 de la sonde par la soudure au laser 11c; d) la bague isolante 9 est bloquée dans le corps du boîtier 2 de la sonde au moyen de la bague métallique 3 munie d'un épaulement de blocage et fixée par la brasure lld; e) la bague métallique est fixée sur le boîtier 2 de la sonde par la soudure laser lia; f) les matériaux sont choisis pour supporter individuellement les très hautes températures de 1300 C; g) les matériaux sont choisis pour que leurs coefficients de dilatation réciproques procurent une cohérence des différentes pièces du capteur et une résistance mécanique inchangée entre la température ambiante 20 C et 1300 C. A cet effet le boîtier de la sonde 2, l'électrode 4 et la bague métallique de blocage 3 sont des métaux réfractaires par exemple en platine, ou par exemple en MA916, la bague isolante 9 est par exemple en alumine ou en oxyde de béryllium. Pour réaliser les brasures au palladium 11d, lie entre la bague isolante en céramique 9 et respectivement la bague métallique de blocage 3, et l'électrode métallique 4, ladite bague isolante 9 est préalablement revêtue dans les zones de brasure d'une métallisation formée d'un mélange de tungstène, d'yttrium et d'oxydes de ces métaux. Dans le câble coaxial 10, le conducteur et la gaine sont en Inconel, et l'isolant est en oxyde de magnésium. L'avantage du capteur ayant cette structure et conçu avec ces matériaux est d'utiliser un câble coaxial standard fabriqué en série donc bon marché, et de lui adjoindre, de manière composite, un petit nombre de pièces pour réaliser la sonde, ces pièces pouvant être faites également en série. A l'aide de tous ces éléments réalisés par des moyens mécaniques standards, la sonde du capteur est ensuite montée soigneusement à l'aide des pièces éventuellement préalablement ajustées pour permettre ce montage soigneux. Grâce à la bague métallique 3, et au montage conique de l'électrode 4 dans le corps isolant 9, la sonde est résistante mécaniquement. Grâce au montage cylindrique de l'extrémité du conducteur central 21a du câble dans le logement 17 de l'électrode 4, le contact électrique est excellent. Grâce au choix des matériaux métalliques isolants et des soudures et brasures, ces qualités mécaniques et électriques sont maintenues jusqu'aux très hautes températures de 1300 C, sous une pression élevée de 40 bars. Le nombre des soudures et des brasures est respectivement réduit au minimum. Dans l'application à la mesure de caractéristiques d'une chambre de combustion d'une turbomachine, et en référence avec la FIG.2A, la sonde 1 est montée dans l'ouverture 76 du carter 72, par vissage du pas de vis 2b sur un bossage prévu sur le carter 72, jusqu'au blocage de la surface 2c sur le carter. Les cotes du boîtier de sonde ont été préalablement ajustées très finement pour que, après cette mise en place, la surface 4a affleure la surface interne du carter avec une très haute précision. La surface conductrice 4a définit alors avec l'extrémité d'une aube tournante, lorsque cette extrémité 74 passe à proximité de ladite surface, un condensateur dont la capacité est une fonction inverse de la distance D. En référence avec la FIG.3B, qui montre une projection de l'aube 73 sur la surface conductrice 4a, la capacité variable est en outre proportionnelle à la surface A de recouvrement de la surface conductrice 4a de l'électrode par la surface projetée 7 de l'aube 73. En reliant l'autre extrémité du conducteur 21 du câble coaxial 20, à un circuit 70 similaire à l'un des circuits connu du brevet GB 2 071 852, ou tout autre circuit oscillant équivalent, on peut obtenir en sortie dudit circuit 70 un signal S qui est une fonction de la capacité du condensateur formé par l'extrémité d'aube 74 et la surface conductrice 4a. Ce signal S peut être traité, d'une façon connue des techniques de l'électronique, pour déterminer la distance D ou bien la vitesse de rotation de la roue de turbine. Le dispositif selon l'invention permet donc de connaître à la fois, pour le même point du carter, les paramètres: - jeu des extrémités d'aubes, vitesse du rotor, qui sont déterminants pour contrôler réellement le moteur. Ce capteur ainsi réalisé de manière composite en combinant un câble coaxial standard et une sonde formée d'éléments spécialement usinés, et adaptés à ce câble, permet d'obtenir un fort signal S, par réalisation d'une électrode présentant une grande surface conductrice à laquelle ce signal est proportionnel, tout en répondant aux critères très sévères de température et de pression. Jusqu'à ce jour, on n'avait pas trouvé, dans l'état de la technique, des capteurs capacitifs capables d'opérer à des températures aussi élevées. REVENDICATIONS: 1. Dispositif du type capteur capacitif composite incluant une sonde (1) ayant une surface conductrice (4a) et incluant un câble coaxial (20) pour relier ladite sonde (1) à des moyens de mesure (70), dans lequel le câble coaxial comprend une gaine métallique cylindrique (10) et un conducteur central (21) isolé de la gaine par un isolant minéral (19) ayant une extrémité (21a) dénudée et dans lequel la sonde est constituée de manière composite par: une électrode métallique (4) réfractaire en forme de cône dont la base plane circulaire forme ladite surface conductrice (4a) et dont le sommet est muni d'un queusot avec une ouverture axiale cylindrique (17) l'extrémité dénudée (21a) du conducteur central (21) est fixée par une soudure (11b); une bague isolante réfractaire (9) ayant une cavité axiale conique pour recevoir l'électrode métallique (4) en forme de cône fixée par une brasure (11e); un boîtier (2) de sonde, métallique réfractaire, avec une partie de plus grand diamètre interne pour recevoir l'électrode disposée dans la bague isolante et une partie de plus faible diamètre interne o la gaine (10) du câble coaxial (20) est fixée par une soudure (11c), une bague métallique réfractaire (3) de blocage du corps isolant fixée par une soudure (11a) sur la face avant du boîtier (2), et par une brasure (11d) sur la bague isolante (9). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel, pour réaliser des mesures à 1300 sous 40 bars, dans le câble coaxial (20) les parties métalliques sont en Inconel et l'isolant minéral est en poudre compactée d'oxyde de magnésium, et dans la sonde l'électrode (4) et la bague de blocage (3) sont en platine ou en MA916, la bague isolante (9) est en alumine ou en oxyde de béryllium. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, pour réaliser des mesures à 1300 sous 40 bars, les soudures métal-métal (11a à 11c) sont faites au laser, et les brasures (11e, lld) céramique-métal sont faites avec du palladium, et la bague isolante (9) de la sonde est métallisée dans les zones de brasure et avant la brasure avec un mélange incluant du tungstène (W), de l'yttrium (Y) et des oxydes de ces métaux. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la surface conductrice (4a) de la sonde (1) forme une première armature d'un condensateur dont la seconde armature est constituée par une surface métallique parallèle située à une distance variable de cette surface conductrice de sonde, le câble coaxial (20) reliant ladite sonde (1) à des moyens de mesure (70) des variations de capacité du condensateur ainsi formé. 5. Dispositif selon la revendication 4, pour fixation au carter d'une chambre de combustion d'une turbomachine, dans une région de température à 1300 C, et de pression à 40 bars, dont la surface conductrice (4a) est positionnée en coïncidence avec la paroi interne du carter, pour la mesure de la capacité du condensateur ayant une première armature formée par ladite surface conductrice (4a) et une seconde armature formée par successivement les extrémités d'aubes tournantes dans le carter de la turbomachine.