Brevet FR2750490A1 — publié le 19980102

"DISPOSITIF DU TYPE CAPTEUR CAPACITIF INTEGRE" Description L'invention concerne un dispositif du type capteur capacitif intégré 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 le contrôle en dynamique des paramètres de fonctionnement des turbomachines par la mesure de la capacité d'un condensateur formé de la surface conductrice de la sonde et de l'extrémité des aubes tournantes. Un capteur capacitif est déjà connu du brevet EPO544367. Ce capteur connu comprend une sonde et un câble coaxial. Par câble coaxial, il faut entendre un câble ayant une gaine métallique et un conducteur central isolé de la gaine par un isolant minéral compacté. Dans le capteur connu, la sonde est formée directement par une partie terminale du câble coaxial dont à la fois la gaine et le conducteur central ont un diamètre plus grand que dans le reste du câble coaxial. L'électrode de la sonde est constituée par l'extrémité dénudée du conducteur central dans ladite partie terminale. Cette extrémité forme une surface plane conductrice constituant une armature d'un condensateur. Cette surface conductrice est placée en vis-à-vis des extrémités d'aubes tournantes dans une chambre de compression d'une turbomachine. Les extrémités des aubes tournantes forment, en passant devant la surface conductrice, la seconde armature du condensateur. Le conducteur central du câble coaxial relie la surface conductrice à des appareils de mesure de la capacité de ce condensateur. Un problème technique soulevé par ce capteur est qu'il ne peut fournir qu'une sonde ayant une surface conductrice de petite surface. En effet ce capteur est fabriqué au moyen d'un tréfilage à partir d'une ébauche de diamètre donné dont une partie terminale est moins étirée que le reste pour fournir la sonde de diamètre plus grand que le câble. Néanmoins le diamètre de la sonde et donc de la surface conductrice reste limité par le diamètre de l'ébauche qui ne peut être substantiellement modifié. Un but de l'invention est de présenter un dispositif du type capteur capacitif dont la sonde a une surface conductrice de plus grand diamètre. 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 à une chambre de combustion. Un autre problème technique soulevé par ce capteur est qu'il ne peut travailler qu'à la température d'une chambre de compression, c'est-à-dire entre 500 et 700 C, la pression n'étant pas précisée. Un autre but de l'invention est de présenter un tel dispositif dont la sonde est appropriée à effectuer des mesures dans une chambre de combustion d'une turbomachine, c'est-à-dire non plus à 700 , mais à une température beaucoup plus élevée de 1300 C, et sous une pression d'environ 40 Bars. Ces problèmes sont résolus et ces buts sont atteints par un dispositif du type capteur capacitif intégré comprenant une sonde ayant une surface conductrice et incluant un câble coaxial pour relier ladite sonde à des moyens de mesure, dans lequel le câble coaxial comprend une gaine métallique cylindrique et un conducteur central isolé de la gaine par un isolant minéral et dans lequel la sonde est constituée de manière intégrée par une extrémité du câble coaxial vidée de l'isolant minéral et o l'extrémité de gaine et l'extrémité du conducteur central dénudé ont un diamètre augmenté par rapport au reste du câble coaxial, la sonde comprenant en outre une électrode métallique réfractaire fixée par une soudure au conducteur central et ayant une surface plane constituant ladite surface conductrice, une bague et un matériau de remplissage réfractaires pour isoler respectivement l'électrode et le conducteur central, et un anneau de blocage métallique réfractaire fixé par une soudure à l'extrémité de la gaine. Selon ce nouveau mode de réalisation, ce dispositif est apte à transmettre des signaux plus grands; il est très résistant mécaniquement à des températures très élevées de l'ordre de 1300 C et à des pressions de l'ordre de 40 Bars. Un autre problème réside dans le fait qu'il peut se produire, durant l'utilisation du capteur pour une mesure de capacité en dynamique, des dérives des caractéristiques du câble coaxial de transmission. Un but de l'invention est de s'affranchir de ce problème de dérives des caractéristiques du câble coaxial de transmission en dynamique. Ce problème est résolu et ce but est atteint par un dispositif tel que décrit plus haut dans lequel le câble coaxial comporte outre le conducteur central, deux conducteurs internes dont les extrémité vers la sonde sont coupées pour aboutir dans le matériau de remplissage de la sonde, et les autres extrémités sont montées en pont de capacités avec le conducteur central et la masse. Selon ce nouveau mode de réalisation, les dérives de caractéristiques sont compensées dans le capteur lui-même par le moyen du câble coaxial à trois conducteurs. Ceci est différent de l'utilisation d'un câble avec un anneau de garde. L'anneau de garde connu de l'état de la technique est destiné à compenser des capacités parasites. L'anneau de garde est surtout utile pour les mesures en statique. L'anneau de garde rend le capteur difficile à fabriquer, et encombrant, et l'anneau de garde est peu utile pour les mesures en dynamique. D'une manière générale, ce capteur, appelé ci- après capteur à sonde intégrée, est très peu encombrant tout en montrant des performances élevées. Il est très facile à installer. Il résiste très bien à des chocs thermiques, il est étanche aux agents corrosifs, et il est insensible aux vibrations des chambres de combustion des moteurs d'avions. Il est en outre simple à fabriquer et donc bon marché. Les FIGs schématiques illustrant un dispositif selon l'invention sont décrites ci-après de façon succincte: - la FIG.1A montre un exemple de réalisation d'un capteur capacitif en coupe longitudinale; la FIG.1B montre une projection de ce capteur sur un plan axial; et la FIG.1C montre ce capteur en coupe transversale; - 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.1A qui représente un capteur capacitif en coupe longitudinale, ce dispositif comprend une sonde 1 incluant une surface conductrice 4a formant une armature d'un condensateur. Ce dispositif comprend aussi un câble coaxial 20 pour relier la sonde 1 à des moyens de mesure de capacité. Le câble coaxial 20 comprend un conducteur central 21 et une gaine métallique tubulaire 10 qui est isolée du conducteur central 21 par une poudre compactée d'isolant minéral 19. Dans un premier mode de réalisation, le câble coaxial comprend un seul conducteur interne 21 qui est le conducteur central utilisé pour prélever la mesure de capacité. Dans un second mode de réalisation, le câble coaxial comprend plusieurs conducteurs internes, par exemple trois 21,22,23. Dans le cas d'un câble à trois conducteurs internes, un premier conducteur interne 21 est utilisé comme conducteur central pour prélever la mesure de capacité, et les deux autres conducteurs internes 22,23 sont utilisés pour former un pont capacitif avec le conducteur central et la masse. Dans le premier et le second modes de réalisation, la sonde 1 est formée dans une extrémité de diamètre augmenté du câble coaxial 20 selon une structure intégrée. Dans cette extrémité de diamètre augmenté, à la fois la gaine du câble et le, ou les, conducteur(s) central(aux) ont un diamètre augmenté dans les mêmes proportions. Ce résultat est obtenu en appliquant le procédé déjà décrit dans l'état de la technique constitué par le brevet EP 0544367. Selon ce procédé, la réalisation du câble coaxial implique la formation d'une ébauche formée d'une gaine métallique cylindrique et de un ou plusieurs conducteurs internes séparés de la gaine, et éventuellement les uns des autres, par un isolant minéral en poudre. L'ébauche a un diamètre d'environ 10 fois le diamètre du câble coaxial fini. Le passage de l'ébauche au câble définitif se fait par des opérations mécaniques de tréfilage et martelage successives, entrecoupées de recuit à haute température. De cette manière, le câble coaxial terminé montre une certaine souplesse. Pour réaliser le capteur capacitif selon l'invention, une ébauche de diamètre uniforme est réalisée pour le câble 20 et la sonde 1. Puis l'ébauche est soumise au traitement mécanique connu durant lequel le diamètre de l'ébauche est moins réduit dans la zone correspondant à la sonde 1 que dans celle correspondant au câble.coaxial 20. Cela est obtenu dans le cours des opérations mécaniques et thermiques successives. Après l'obtention d'un câble ayant les diamètres respectifs appropriés à former la partie sonde 1 à une extrémité et à former le câble coaxial 20 dans le prolongement de la sonde, la réalisation de la sonde 1 elle-même est mise en oeuvre de manière à l'intégrer dans la gaine du câble. A cet effet, dans la partie terminale du câble de diamètre augmenté, l'intérieur de la gaine 10 est vidé de l'isolant minéral autour du conducteur central, ou autour d'un des conducteurs internes choisi comme conducteur central. Dans le cas o plusieurs conducteurs internes existent, les conducteurs autres que le conducteur central sont coupés au ras du niveau d'évidement de l'isolant minéral, de sorte que les extrémités 22a, 23a respectivement desdits conducteurs internes 22, 23 se trouvent en l'air. La sonde comprend une électrode métallique 4 substantiellement en forme de cylindre. Une base de ce cylindre forme la surface conductrice 4a destinée à constituer ladite armature de condensateur. Le cylindre est évidé axialement par l'autre base. Cet évidement 17 reçoit l'extrémité dénudée 21a du conducteur central. L'électrode cylindrique 4 est disposée dans la partie de sonde 1 vidée d'isolant minéral et est positionnée axialement dans l'extrémité de gaine métallique lOa. Dans le cas o le conducteur central est un parmi plusieurs conducteurs internes, son extrémité 21a est amenée en position axiale en prenant soin de ne pas contacter les autres conducteurs dont l'extrémité doit rester en l'air. L'électrode 4 est maintenue dans la position axiale au moyen d'une bague 9 en matériau céramique isolant dont la surface externe 9a est un peu en retrait de la surface conductrice 4a. La bague 9 isolante est maintenue en place par un anneau métallique 5, de surface externe 5a, qui est fixé sur l'extrémité 10a de la gaine 10 et s'appuie sur un épaulement de la bague isolante 9. L'extrémité de gaine métallique 10a est munie de fenêtres t10c à travers lesquelles une soudure au laser llb est pratiquée entre l'extrémité 21a du conducteur central et le bord de l'évidement 17 de l'électrode 4 alors que l'extrémité 21a du conducteur central et l'électrode 4 sont déjà en place dans la sonde. Ainsi, la corrosion de l'électrode 4 est évitée. Un matériau isolant réfractaire de remplissage 29 est ensuite injecté à travers ces mêmes fenêtres 10c. Ce système permet d'utiliser la sonde sous Bars: il ne comporte que deux soudures appliquées sur les pièces métalliques pour maintenir assemblées les pièces formant la sonde 1. La première soudure llb fixe l'extrémité 21a du conducteur central 21 dans l'évidement 17 de l'électrode 4. La seconde soudure lia fixe l'anneau métallique 5 sur l'extrémité a de la gaine. Les soudures sont effectuées au laser. La FIG.lB est une représentation de la coupe longitudinale de la FIG.1A dans le cas o le câble comprend en tout trois conducteurs internes qui sont projetés dans un même plan axial, pour une meilleure compréhension de la structure du capteur formé du câble 10, 19, 21, 22, 23 et de la sonde 1 avec ses éléments 10a, 9, 29, 5, 21a, 17, 4 et 4a. La FIG.1C montre, sur une coupe transversale de la sonde 1, l'extrémité de gaine 10a, les fenêtres 10c, le conducteur central 21a ramené sur l'axe de la sonde 1, les projections 22a, et 23a des extrémités de conducteurs internes non centraux 22, 23, et le matériau de remplissage isolant 29. Les caractéristiques techniques des matériaux pour obtenir le fonctionnement de la sonde à 1300 C sont données ci- après à titre d'exemple: la gaine 10 et les conducteurs 21, 22, 23 du câble coaxial sont en INCONEL, l'isolant minéral 19 est en oxyde de magnésium, l'électrode 4 et l'anneau 5 sont en platine (Pt) ou en MA916, la bague 9 est en alumine ou en oxyde de béryllium. Le matériau de remplissage 29 est un liant réfractaire, ou ciment, non organique à base de céramique. Pour ce matériau de remplissage, on peut utiliser un produit disponible dans le commerce sous la référence FC4, de la société ARES, 8 rue Gustave EIFFEL, 77506 CHELLES, France. Les soudures au laser sont aussi des éléments importants de ce capteur. La sonde ainsi intégrée dans l'extrémité de gaine du câble coaxial est très résistante à la température, aux chocs thermiques, à la pression, et forme un assemblage hermétique insensible aux agents corrosifs et aux vibrations. Elle est facile à monter dans une ouverture de petit diamètre pratiquée dans la paroi d'un carter de chambre de combustion, avec la surface conductrice 4a à l'alignement de la paroi interne du carter. En référence avec la FIG.2A, pour l'application à la détermination de la capacité variable entre les aubes tournantes et le carter d'une turbomachine, la face plane conductrice 4a de l'électrode 4 est disposée au droit d'une rangée d'aubes 73, au moyen d'une ouverture 76 pratiquée dans la paroi 72 du carter de la chambre de combustion. La surface conductrice 4a est en outre rendue solidaire de ce carter et disposée à l'alignement de sa surface interne, de telle manière que la distance D entre la surface conductrice 4a et l'extrémité 74 d'une aube tournante 73 est identique à celle qui sépare le carter 72 de cette extrémité d'aube. 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. Dans le cas o le capteur capacitif comprend, outre le conducteur central 21 de mesure de capacité, deux autres conducteurs 22, 23 qui sont en l'air du côté de la sonde 1, les trois conducteurs sont montés en pont capacitif avec la masse à l'autre extrémité du câble coaxial, ce qui permet d'éliminer toutes variations de caractéristiques pouvant perturber la mesure de capacité. Cette élimination peut être faite grâce à la structure particulière du capteur lui-même, et non par des seuls moyens externes. REVENDICATIONS: 1. Dispositif du type capteur capacitif intégré 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) et dans lequel la sonde est constituée de manière intégrée par une extrémité du câble coaxial vidée de l'isolant minéral et o l'extrémité de gaine (10a) et l'extrémité du conducteur central (21a) dénudé ont un diamètre augmenté par rapport au reste du câble coaxial, la sonde comprenant en outre une électrode métallique (4) réfractaire fixée par une soudure (11b) au conducteur central et ayant une surface plane constituant ladite surface conductrice (4a), une bague (9) et un matériau de remplissage réfractaires pour isoler respectivement l'électrode (4) et le conducteur central (21a), et un anneau (5) de blocage métallique réfractaire fixé par une soudure (11a) à l'extrémité de la gaine (10a). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'électrode (4) de la sonde (1) est un çylindre dont une base tournée vers l'extérieur de la sonde forme ladite surface conductrice (4a) et dont l'autre base est munie d'un évidement axial (17) pour recevoir l'extrémité dénudée (21a) du conducteur central (21) fixée dans ledit évidement par une soudure (11b) pratiquée alors que l'extrémité du conducteur central et l'électrode (4) sont en place dans la sonde, à l'abri des corrosions. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, 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 l'anneau de blocage (5) sont en platine ou en MA916, la bague isolante (9) est en alumine ou en oxyde de béryllium et le matériau de remplissage (29) est en un ciment non-organique à base de céramique. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, pour réaliser des mesures à 1300 sous 40 bars, les soudures (lia, llb) sont faites au laser. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, 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. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le câble coaxial (20) comporte outre le conducteur central (21), deux conducteurs internes (22,23) dont les extrémité (22a, 23a) vers la sonde sont coupées pour aboutir dans le matériau de remplissage de la sonde, et les autres extrémités sont montées en pont de capacités avec le conducteur central (21) et la masse. 7. Dispositif selon la revendication 5, 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.