Brevet FR2795508A1 — publié le 20001229

La présente invention est relative à un dispositif permettant la mesure de pression sur une ligne d'installations diverses. Elle vise plus particulièrement un manomètre dont la conception permet, d'une part de s'affranchir de tout volume mort de l'organe moteur, et d'autre part d'offrir une très grande facilité de nettoyage sans que cela soit nécessaire de déconnecter l'instrument de mesure de la ligne de procédé ou bien de le démonter. Les manomètres de conception classique, qu'ils soient à tube de "BOURDON", à capsule, à soufflet, etc... sont dotés d'organes moteurs renfermant un volume mort relativement important, dans lequel le fluide à mesurer reste prisonnier. Dans ce type de manomètres, il est en effet très difficile, pour ne pas dire impossible, de nettoyer cet organe moteur, véritable cul-de-sac, et auquel l'accès est impossible. Finalement, le fluide dont on mesure la pression reste emprisonné en permanence à l'intérieur de l'organe moteur. Pour certaines industries et applications, ce phénomène peut être gênant, car peuvent alors se former et se développer à l'intérieur de ce cul-de-sac, des germes et bactéries indésirables. Par ailleurs, on comprend bien qu'en raison de sa forme même, un tube de BOURDON ou soufflet - qu'il soit étiré sans soudure, soit roulé soudé puis étiré - ne peut pas avoir un état de surface interne impeccable quels que soient les traitements qui lui sont appliqués. A supposer que l'état de surface interne soit correct, les soudures réalisées - à l'extrémité du tube et à celle permettant de fixer le tube sur le raccord - engendrent la présence d'impuretés à l'intérieur du tube. Les traitements tels qu'électro-polissage, passage à "l'extrudom" ou autres, peuvent prétendre améliorer l'état de surface interne d'une toute petite partie du tube de BOURDON, mais ne peuvent en aucun cas le rendre suffisamment propre et exempt de toute impureté. Les organes moteurs classiques, quelle que soit leur forme (tube de BOURDON, soufflet, capsule, etc.), se révèlent être de véritables nids à particules, impossible à nettoyer efficacement, et dont les états de surface internes en contact avec le média à mesurer ne sont pas compatibles avec des industries qui réclament des degrés de propreté et pureté élevés. Par ailleurs, lors de changements de fabrication, l'utilisateur peut souhaiter nettoyer les lignes et les instruments de mesure qui sont installés sur ces dernières. Dans le cas de manomètres, ce nettoyage est impossible, à moins que le manomètre soit séparé de l'installation à l'aide d'une pièce intermédiaire, appelé séparateur. Ce séparateur permet d'isoler l'instrument de mesure de la ligne, et fait office de "tampon". Le séparateur est muni d'une membrane en contact avec le fluide à mesurer, alors qu'un liquide de remplissage (généralement une huile) assure la transmission de la pression régnant dans l'installation entre cette membrane et l'organe moteur du manomètre. L'utilisation d'un séparateur peut poser des problèmes et n'est pas toujours idéale. Les performances d'un séparateur dépendent largement des caractéristiques mécaniques de la membrane elle-même (de sa courbe de réponse), de la qualité du liquide de remplissage, de sa tenue à la température, de sa viscosité, des conditions de remplissage, etc... En outre, l'étanchéité entre cette membrane et la ligne de l'installation est assurée par un joint offrant lui-même des zones de rétention où peuvent se développer des germes, des bactéries, une flore microbienne. Par ailleurs, l'utilisation d'un liquide de remplissage au niveau du séparateur risque de polluer toute l'installation ainsi équipée, en cas de rupture de la membrane. De plus, un séparateur est un élément rapporté, indépendant du manomètre, qui ajoute un surcoflt au produit final. Même si les manomètres montés ou non sur séparateur sont des instruments de mesure de pression fiables et dont les performances répondent à la plupart des applications industrielles. Or, il est des domaines d'applications ou des industries où les inconvénients cités ci-dessus deviennent prépondérants. C'est notamment le cas pour les industries agro-alimentaires, les industriels de chimie fine, les industries pharmaceutiques, l'industrie de production des semi-conducteurs, les industries de production ou d'utilisation des gaz purs, rares, toxiques, les industries où les instruments de mesure de pression sont utilisés dans des procédés de peinture, etc... Dans toutes ces industries ou applications, l'utilisation d'instruments de mesure de pression nécessite des précautions d'emploi très strictes notamment en ce qui concerne la présence d'impureté, de germes, de poussière, etc... Les instruments de mesure utilisés sur ces types de procédé doivent pouvoir être très facilement nettoyés. Dans les industries agro-alimentaires par exemple, les industriels ont besoin de mesurer la pression de liquide ou pâtes alimentaires destinés à la consommation humaine ou animale. En conséquence, les appareils permettant d'effectuer ces mesures ne doivent, en aucun cas, permettre la formation et le développement des germes ou bactéries qui pourraient altérer ou rendre impurs à la consommation les aliments dont on mesure la pression. Les instruments de mesure, doivent, en conséquence, être conçus de telle sorte que les zones de rétention soient quasi-inexistantes, et également de sorte qu'il soit facile de les nettoyer (c'est-à-dire qu'ils sont conçus de manière à être facilement nettoyables lorsqu'on fait passer dans les lignes de l'installation des produits nettoyants, de l'eau chaude, ou d'autres produits décontaminants). Une même problématique se pose pour les industries pharmaceutiques, de chimie fine, etc. Dans le domaine de la distribution des gaz dans l'industrie des semi-conducteurs, les manomètres sont principalement utilisés pour mesurer la pression de deux sortes de familles de gaz - Les gaz dits "gaz purs" dont les caractéristiques en terme de pureté sont extrêmement élevées : Azote ultra pur, argon, hélium, etc.. Ce sont généralement des gaz dont les degrés de pureté peuvent atteindre et dépasser 99,99999$ - Les gaz dits "gaz de dopage" - généralement des gaz très toxiques (Arsine, Bore - Gallium, etc.) - qui permettent de doper les "wafers" de silicium sur lesquels sont produits les composants électroniques, comme les mémoires, (RAM, DRAM), les microprocesseurs, etc. Dans cette industrie, il y lieu d'employer des instruments de mesure fabriqués selon des procédés très rigoureux en terme de propreté pour ne pas risquer de polluer les gaz qui sont utilisés. Par ailleurs, toutes les zones de rétention sont proscrites dans la mesure où elles favorisent, là aussi, le développement de germes ou bactéries indésirables. De plus, par exemple, la mesure de pression sur des lignes de procédés de peinture, et en fonction des productions qui se suivent, les instruments de mesure de pression sont amenés à mesurer la pression de peintures de différentes couleurs. Entre deux productions, les manomètres doivent pouvoir être facilement nettoyés et ne posséder aucune zone de rétention où une peinture de la production précédente risquerait de polluer la production immédiatement suivante. Les exemples donnés ci-dessus ne sont pas limitatifs. De nombreux autres procédés de fabrication exigent que les instruments de mesure installés sur les lignes puissent être aussi facilement que possible nettoyés, et que leur construction n'autorise aucune zone de rétention favorisant le développement de germes, bactéries et autres substances venant polluer le procédé de fabrication ou les constituants qui rentrent dans ce même procédé de fabrication, tels que notamment les liquides, les gaz, etc. Il ressort clairement du constat précédemment exposé que ces instruments doivent, dans la mesure du possible, pouvoir être nettoyés ou rincés. Dans ce contexte, on comprend que les manomètres classiques sont loin de permettre cette facilité, et que leur utilisation pose d'énormes problèmes, s'ils ne sont pas associés à des séparateurs. Pour pallier ces inconvénients, les principaux fabricants d'instruments de mesure de pression ont développé ces dernières années des appareils appelés "transmetteurs de pression à passage intégral" permettant de s'affranchir de ces problèmes de pollution. En effet, différentes technologies issues des technologies récentes de l'électronique ont permis de mettre au point des instruments de mesure de pression dont l'organe moteur (l'élément qui permet de transformer une grandeur physique de pression en un signal électrique) est tout simplement un tube à l'intérieur duquel circule le "fluide" dont on veut mesurer la pression. Ainsi, par exemple, il existe des transmetteurs de pression qui s'affranchissent de toute zone de rétention et qui offrent une facilité de nettoyage maximum. ce matériel est composé d'un tube sur lequel est usiné un méplat dont les côtes et les tolérances d'usinage sont précisément connues. Sur ce méplat, sont judicieusement placées et collées des jauges de contraintes à trame pelliculaire disposées en Pont de "wheatstone" (réseau de résistances). Lorsque ce réseau de résistances est alimenté par une tension extérieure, le Pont de "wheatstone" délivre un signal électrique dont la valeur varie en fonction de la déformation subie par ces jauges de contraintes lorsqu'une pression est exercée sur la paroi intérieure du tube (au niveau du méplat). Le signal de sortie du Pont de "wheatstone" dépend donc de la valeur des résistances collées sur le méplat. or, sous l'effet de la pression, le méplat à tendance à se déformer. En se déformant, le méplat fait également subir aux jauges de contraintes des déformations qui se traduisent finalement par une variation de la valeur de chacune des résistances ou jauges de contraintes. Une conséquence immédiate est la variation et/ou la dérive du signal de sortie délivré aux bornes du Pont de "wheatstone" sous l'effet de la pression. Le signal de sortie est globalement proportionnel à la déformation subie par le méplat et donc à la pression exercée par le fluide qui circule dans le tube sur la zone de déformation de ce méplat. Le signal de sortie du Pont de "wheatstone" est ensuite traité par une électronique de traitement qui délivre généralement un courant compris entre 4 et 20 mA, correspondant respectivement à une pression nulle et à la pression maximum pour laquelle l'instrument de mesure a été calibré. Ce genre de transmetteurs répond parfaitement aux contraintes de propreté, de pureté et de nettoyabilité. Mais leur utilisation est soumise à d'autres contraintes dont la principale, pour l'utilisateur, l'oblige à alimenter électriquement le Pont de "wheatstone" et donc ce type de transmetteur de pression. L'utilisateur final est donc contraint de prévoir de "tirer" des câbles d'alimentation sur son installation et son procédé pour ce matériel. Or, dans l'industrie des semi-conducteurs, par exemple, il n'est pas rare d'installer plusieurs centaines d'instruments de mesure de pression pour contrôler la distribution des gaz au niveau de la fabrication. Ce type d'installation peut se révéler lourd et coûteux. D'autant plus, qu'à ce type de transmetteur, il faut rajouter un élément permettant de visualiser la mesure transmise par l'instrument . un afficheur permettra de visualiser la pression de ligne en temps réel. Enfin, un transmetteur coûte généralement plus cher qu'un manomètre. La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients, en proposant un dispositif indépendant de tout organe moteur et autonome en termes de source d'énergie et qui permette de s'affranchir en grande partie des problèmes liés à la pureté, la propreté et la nettoyabilité de l'organe moteur. A cet effet, le manomètre à passage direct, objet de l'invention, se caractérise en ce qu'il comporte un corps qui est muni en son centre d'une surface courbe en creux, dans laquelle débouchent au moins deux orifices transversaux, destinés à permettre l'arrivée et le départ du fluide dont on veut mesurer la pression, cette surface courbe étant obturée par une membrane qui est maintenue en position sur son siège grâce à un boîtier de mesure qui coopère avec le corps par l'intermédiaire de moyens de fixation et d'orifices, le boîtier de mesure étant en outre muni de seconds moyens de fixation permettant le montage d'un dispositif amplificateur de mouvement reposant sur la membrane et relié à un indicateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue en élévation plane d'un manomètre selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe et en élévation latérale de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en élévation plane du corps du manomètre ; - la figure 4 est une vue en coupe et en élévation latérale d'une membrane équipant le manomètre objet de l'invention ; - la figure 5 illustre une variante de réalisation de la figure 3. Selon un mode préféré de réalisation, on pourra se reporter à la figure 2, sur laquelle on a représenté par le repère 1, le corps du manomètre, par le repère 2 la membrane, et par le repère 3 le boîtier de mesure, ces trois composants étant assemblés ensemble de manière à former le manomètre. Le corps 1 est élaboré à partir d'une succession d'opérations d'usinage de manière à conformer une pièce sensiblement cylindrique formant une embase. Cette pièce 1 est préférentiellement usinée dans un étiré métallique du type notamment acier inoxydable, et comporte sensiblement en son centre une surface courbe 4 en creux dont le rayon de courbure, l'usinage, le traitement de surface, l'état de surface permettent d'éliminer toute zone de rétention, de sorte que ce manomètre est parfaitement nettoyable en ligne. Au sein de cette surface courbe 4, débouchent au moins deux orifices transversaux 5, 6, destinés à permettre l'arrivée et le départ du fluide dont on veut mesurer la pression. Selon un premier mode de réalisation, ces orifices 5, 6 sont positionnés selon une même génératrice, notamment selon un diamètre du corps 1 (cf. figure 3) Selon un deuxième mode de réalisation, ces orifices 5, 6 sont placés selon deux génératrices sécantes (cf. figure 5). Quel que soit le mode de réalisation, les zones d'intersection entre les orifices 5, 6 et la surface courbe en creux 4 forment un profil en ellipse dont les zones de raccordement sont également usinées et traitées de manière à éviter toute zone de rétention. Selon une autre caractéristique de l'invention, la périphérie de la surface courbe en creux 4 est munie d'une couronne annulaire 7 qui délimite un lamage servant de surface de contact à la membrane 2. Cette membrane 2 recouvre totalement la surface courbe en creux 4 et reçoit les efforts de pression provenant du passage du fluide transitant dans la cavité au travers des deux orifices 5, 6 (cf. figure 4). La membrane 2 se présente sous la forme d'un disque métallique qui comporte une pluralité d'ondulations 8 concentriques qui délimitent entre elles des zones de déformations élastiques. En outre, la partie centrale 9 de cette membrane est plane et délimite une zone de contact avec un dispositif de mouvement amplificateur qui est lui-même relié à un pignon qui met en mouvement une aiguille sur son axe. Par ailleurs, la partie périphérique 10 de la membrane 2 est plane et sensiblement positionnée dans un plan médian par rapport à la pluralité d'ondulations concentriques réparties entre la partie centrale 9 et la partie périphérique 10 de la membrane 2. Le rôle de cette partie périphérique 10 sera explicité ci-après. De même, cette membrane 2 est obtenue notamment par une opération d'emboutissage dans un feuillard métallique qui subira par la suite une pluralité d'opérations de traitement thermique ainsi qu'une pluralité d'opérations de traitement de surface. Le choix des matériaux utilisés et leurs traitements a été rigoureusement étudié et sélectionné pour permettre un fonctionnement optimal, notamment pour offrir d'excellentes performances métrologiques (linéarité, hystérésis, répétabilité), on atteint ainsi la classe d'exactitude de 1. Le corps 1 du manomètre comporte également une pluralité de moyens de fixation il, disposés préférentiellement de manière équidistante autour de la couronne annulaire 7. Ces moyens de fixation il sont élaborés à partir de perçages -taraudages réalisés dans le corps 1 du manomètre, de manière à permettre la solidarisation du boîtier de mesure 3. Le boîtier de mesure 3 est réalisé dans un matériau similaire à celui du corps 1, à partir d'une pluralité d'opérations d'usinage classique ainsi que diverses opérations de traitement de surface. Globalement cylindrique, en forme de virole, cette pièce est destinée, d'une part à maintenir la membrane au- dessus de la cavité à surface courbe 4, et d'autre part à assurer le montage du dispositif de mouvement amplificateur ainsi que le cadran gradué. Ainsi, pour réaliser ces diverses fonctions, la virole formant le boîtier de mesure 3 comporte une pluralité d'orifices 12 positionnés angulairement de telle façon qu'ils correspondent avec les moyens de fixation 11 prévus au sein du corps 1 du manomètre. Ces orifices 12 permettent le passage de vis, goujons ou similaires qui coopèrent au niveau des moyens de fixation 11 et qui autorisent, grâce à leur vissage, le maintien du boîtier de mesure 3 sur le corps 1. Selon une autre caractéristique de l'invention, la face de la virole devant être en contact avec la partie périphérique 10 de la membrane 2, comporte un épaulement ou bossage circulaire qui délimite une surface de contact 13 qui permet, lors du montage du boîtier de mesure 3 sur le corps 1, le pinçage de la partie périphérique 10 au niveau du lamage 7 réalisé sur le corps 1. L'assemblage du manomètre au niveau du corps 1 de la membrane 2 du boîtier de mesure 3 se fait sans soudure, donc sans risque aucun de pollution interne. Le montage du manomètre est assuré en classe 100, et pour certaines opérations en classe 10 (sous les hottes à flux laminaires) pour éviter tout risque de pollution. Le boîtier de mesure 3 comporte également des seconds moyens de fixation 14 qui permettent le montage du dispositif amplificateur de mesure, dont une extrémité repose sur la partie centrale 9 de la membrane 2, et dont l'autre extrémité est formée par un axe pour le montage de l'indicateur, notamment en forme d'aiguille. En outre, la partie frontale de la virole 3 comporte une série d'épaulements 15 pour le passage du cadran qui repose sur les moyens de fixation 14, ainsi que pour le maintien d'un capot de protection du cadran et de l'aiguille. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les orifices 5 et 6 sont reliés à des piquages faisant saillie latéralement par rapport au corps 1 du manomètre, ces piquages 16, 17 reçoivent divers types de moyens de raccordement normalisés, mâles ou femelles, de manière à permettre le montage du manomètre sur la ligne d'installation du procédé industriel. L'invention telle que décrite précédemment offre de multiples avantages car le manomètre ainsi réalisé est à passage direct qui a la particularité d'offrir un volume mort nul, et dont la cavité permettant de mesurer la pression du fluide est entièrement balayée par ce même fluide, empêchant ainsi toute zone de rétention préjudiciable aux critères de propreté. De plus, la construction, la forme des pièces internes, les usinages, les traitements et les états de surface des divers composants formant le manomètre permettent d'éliminer toute zone de rétention, de sorte que ce manomètre est parfaitement nettoyable en ligne. De part sa construction - membrane pincée et non soudée - chaque pièce de ce manomètre peut être traitée de façon à atteindre des états de pureté et de propreté extrêmement élevés. I1 demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Manomètre à passage direct, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) qui est muni en son centre d'une surface courbe (4) en creux, dans laquelle débouchent au moins deux orifices transversaux (5, 6), destinés à permettre l'arrivée et le départ du fluide dont on veut mesurer la pression, cette surface courbe (4) étant obturée par une membrane (2) qui est maintenue en position sur son siège grâce à un boîtier de mesure (3) qui coopère avec le corps (1) par l'intermédiaire de moyens de fixation (11) et d'orifices (12), le boîtier de mesure (3) étant en outre muni de seconds moyens de fixation (14) permettant le montage d'un dispositif amplificateur de mouvement reposant sur la membrane (2) et relié à un indicateur. 2 - Manomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices (5, 6) sont positionnés selon une même génératrice, notamment selon un diamètre du corps (1). 3 - Manomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices (5, 6) sont placés selon deux génératrices sécantes. 4 - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones d'intersection entre les orifices (5, 6) et la surface courbe en creux (4) forment un profil en ellipse dont les zones de raccordement sont également usinées et traitées de manière à éviter toute zone de rétention. 5 - Manomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la périphérie de la surface courbe en creux (4) est munie d'une couronne annulaire (7) qui délimite un lamage servant de surface de contact à la membrane (2). 6 - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la membrane (2) se présente sous la forme d'un disque métallique qui comporte une pluralité d'ondulations (8) concentriques qui délimitent entre elles des zones de déformations élastiques. 7 - Manomètre selon luné quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie centrale (9) de la membrane (2) est plane et délimite une zone de contact avec le dispositif de mouvement amplificateur. 8 - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la partie périphérique (10) de la membrane (2) est plane et sensiblement positionnée dans un plan médian par rapport à la pluralité d'ondulations concentriques réparties entre la partie centrale (9) et la partie périphérique (10) de la membrane (2). 9 - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la face du boîtier de mesure (3) devant être en contact avec la partie périphérique (10) de la membrane (2), comporte un épaulement ou bossage circulaire qui délimite une surface de contact (13) qui permet, lors du montage du boîtier de mesure (3) sur le corps (1), le pinçage de la partie périphérique (10) de la membrane (2) au niveau du lamage (7) réalisé sur le corps (1).