Brevet FR2934675A1 — publié le 20100205

L'invention concerne le domaine des capteurs capacitifs. Plus précisément, l'invention a trait aux capteurs capacitifs du type monté sur un support et comprenant une électrode de mesure. L'effet capacitif de tels capteurs est généralement utilisé pour détecter la présence d'un objet, ou mesurer une distance ou une variation de distance entre l'électrode et un objet cible. De tels capteurs sont souvent montés dans des carters de turbomachines. Il est connu que, dans le cadre d'une mesure de jeu entre une aube et un carter d'une turbine haute-pression de turbomachine, le capteur capacitif utilisé est soumis aux contraintes imposées par l'environnement des turbines haute-pression, à savoir résister à de fortes températures de l'ordre de 1000°C, présenter un encombrement très réduit et offrir un montage/démontage aisé pour faciliter la maintenance. Les capteurs capacitifs connus de l'art antérieur tels que ceux décrits dans US3628136 et US4804905 ne répondent pas de manière satisfaisante aux contraintes sus-citées. Un but de la présente invention est de fournir un capteur capacitif permettant d'être monté ou démonté rapidement. L'invention atteint son but par le fait que le capteur capacitif du type précité comprend en outre un élément de verrouillage, tandis que l'électrode de mesure est pourvue d'une armature, l'élément de verrouillage étant destiné à verrouiller le capteur par rapport au support de telle manière que, en position montée, le support est pris en sandwich entre l'armature et l'élément de verrouillage. Au sens de l'invention, de préférence, on entend par � armature � la partie sensible de l'électrode de mesure destinée à être disposée en vis-à-vis de l'objet cible. L'élément de verrouillage permet de verrouiller de manière aisée et préférentiellement de manière réversible, le capteur au support. Une fois monté, le support est enserré par l'élément de verrouillage d'une part et l'armature d'autre part. De préférence, l'armature vient en appui contre le support. Un tel capteur est notamment adapté pour être monté sur un support en matériaux composite non conducteur de courant électrique. Préférentiellement, l'armature de l'électrode est une plaque qui peut présenter la forme d'un disque ou avoir une forme elliptique, carrée, parallélépipédique ou bien polygonale. De plus cette plaque n'est pas nécessairement plane : selon une variante elle est convexe ou de forme complexe en trois dimensions (de forme tronconique à section polygonale ou circulaire, ou bien présentant une ou plusieurs pointes, ou encore présentant une ou plusieurs gorges). Ainsi, l'électrode peut présenter plusieurs formes, notamment polygonale ou circulaire, ce qui offre la possibilité d'adapter complètement le capteur à l'objet cible et donc d'optimiser ses performances. De plus, la surface de la plaque formant l'armature influence la sensibilité du capteur : plus la surface de la plaque d'armature est importante, plus la sensibilité du capteur est grande. Le nombre réduit de composants du capteur ainsi que son montage aisé sur un support selon une structure sandwich permet de réaliser le capteur dans de faibles dimensions. Avantageusement, l'armature de l'électrode de mesure est portée à l'extrémité d'une tige traversant le support, l'élément de verrouillage coopérant avec la tige de l'électrode pour assurer le verrouillage du capteur par rapport au support. La tige de l'électrode passe au travers du support et coopère avec l'élément de verrouillage afin de réaliser la fixation du capteur sur le support. Ainsi, le verrouillage du capteur au support est assuré uniquement par l'élément de verrouillage coopérant avec l'électrode de mesure. Lorsque l'élément de verrouillage ne coopère pas avec l'électrode, le capteur n'est pas verrouillé au support. Dans ce cas, le capteur peut être déposé du support et l'électrode retirée du capteur. Ce type de montage facilite les interventions de maintenance. En effet un seul élément, à savoir l'élément de verrouillage, assure le maintien des éléments constitutifs du capteur entre eux et du capteur au support, ce qui rend aisées les opérations de montage et démontage. De préférence l'armature de l'électrode est orientée sensiblement perpendiculairement à la tige. De plus, pour une tige d'électrode donnée, il est possible de faire varier la forme et les dimensions de l'armature. Ainsi, il est aisé de faire évoluer les caractéristiques du capteur en remplaçant, par exemple lors d'une opération de maintenance, l'électrode ou uniquement l'armature de l'électrode. Autrement dit, grâce à l'invention, l'électrode et/ou l'armature de l'électrode sont avantageusement interchangeables. Avantageusement, l'élément de verrouillage comprend une partie formant écrou tandis que la tige comprend une partie filetée, la partie formant écrou de l'élément de verrouillage et la partie filetée étant destinées à coopérer afin d'assurer le verrouillage du capteur par rapport au support. La coopération entre l'électrode et l'élément de verrouillage étant réalisée par un système vis-écrou, le montage et le démontage du capteur sur le support sont particulièrement aisés. En effet pour monter (ou démonter) et verrouiller (ou déverrouiller) le capteur sur le support, il suffit uniquement de visser (ou dévisser) et de bloquer (ou débloquer) la partie formant écrou de l'élément de verrouillage sur la partie filetée de l'électrode. La partie filetée est de préférence située sur au moins une portion de tige. Préférentiellement, la partie formant écrou est moletée afin de rendre sa manipulation plus aisée. Avantageusement, l'élément de verrouillage et l'électrode de mesure sont montés coaxialement à la tige de l'électrode. Un montage coaxial de l'électrode et de l'élément de verrouillage selon la tige de l'électrode permet d'assurer un verrouillage particulièrement efficace du capteur au support. En effet, ce montage permet de répartir les efforts de serrage entre tous les éléments du capteur. D'autre part ce montage facilite le centrage, l'ajustage et le verrouillage des éléments autour de la tige ce qui permet d'améliorer la précision du montage. Ainsi, les vibrations des éléments au sein du capteur sont évitées ce qui permet de fiabiliser le capteur (usure mécanique), d'obtenir une meilleure précision de mesure (perturbations mécaniques des composants de mesure) et le risque de déverrouillage est diminué. Avantageusement, l'élément de verrouillage comporte en outre une portion isolante destinée à être disposée entre l'élément de verrouillage et le support, lorsque le capteur est monté sur le support. Une portion isolante disposée entre l'élément de verrouillage, ou une partie formant écrou de l'élément de verrouillage, et le support, permet d'isoler électriquement l'élément de verrouillage du support. Ceci est nécessaire dans le cas où l'élément de verrouillage est en liaison électrique avec une portion de l'électrode. Préférentiellement, cette portion isolante constitue une partie formant rondelle. De plus, pour assurer une bonne résistance du capteur aux fortes températures, il est préférable de choisir des matériaux tels que de la céramique comme isolant et de l'acier inoxydable (inox) ou de l'inconel comme conducteur. Selon une variante, le capteur capacitif selon l'invention comprend en outre une cosse de branchement électrique destinée à être disposée entre la portion isolante de l'élément de verrouillage et le support. Cette cosse électrique permet de réaliser facilement le câblage à la masse du capteur capacitif. On comprend en effet que la cosse est électriquement isolée de l'électrode grâce à la portion isolante tout en étant reliée électriquement à un potentiel électrique. De manière générale, on s'arrange pour que la cosse soit au même potentiel électrique que l'objet cible, ce dernier étant nécessairement métallique conducteur de courant électrique. Préférentiellement, mais pas nécessairement, ce potentiel électrique est la masse, qui est commune à la cosse et à l'objet cible. La cosse ramène alors la masse commune au niveau du capteur. Dans le cas où le support est conducteur électrique, la cosse est destinée à être en contact électrique avec le support de manière à rendre particulièrement aisé le câblage à la masse. En effet, le support associé au capteur capacitif est généralement relié à la masse, de sorte que tout contact électrique avec le support permet d'être connecté à la masse. Avantageusement, l'élément de verrouillage comporte en outre une partie de protection. Dans le cas où le capteur n'est pas équipé d'une portion isolante, une partie de protection permet, lors du verrouillage de l'élément de verrouillage ou de la partie formant écrou, de protéger la partie du support qui est en contact avec l'élément de verrouillage d'une altération qui serait provoquée par l'élément de verrouillage ou un outil aidant au verrouillage. Dans le cas où le capteur est équipé d'une portion isolante, une partie de protection permet, lors du verrouillage de l'élément de verrouillage ou de la partie formant écrou, de protéger la portion isolante d'une altération qui serait provoquée par l'élément de verrouillage ou par un outil aidant au verrouillage. De préférence, la partie de protection est disposée entre la partie formant écrou et la portion isolante. Préférentiellement, la partie de protection et la portion isolante constituent une partie formant rondelle et sont de préférence assemblées. Par ailleurs, la partie de protection est de préférence métallique tandis que la portion isolante est en céramique, ces deux parties étant assemblées de préférence par brasure. Dans le cas où les contraintes de température environnante permettent d'utiliser du PVC (polychlorure de vinyle) ou du PTFE (polytétrafluoréthylène) comme matériau isolant, la portion isolante et la partie de protection sont assemblées par collage. Avantageusement, la partie formant écrou et la partie de 10 protection définissent un espace formant une gorge destiné à guider un câble de connexion électrique relié à l'électrode de mesure. En ménageant un espace formant une gorge entre la partie de protection et la partie formant écrou pour guider un câble de connexion électrique relié à l'électrode de mesure, le câblage du capteur est facilité. 15 Selon une variante, la gorge présente un méplat, ou bien peut être de diamètre inférieur au câble, de sorte que ce dernier soit bloqué et maintenu entre la partie formant écrou et la partie formant rondelle. La gorge s'étend sur toute ou partie de la périphérie de la partie de protection et/ou de la partie formant écrou. Préférentiellement, la gorge 20 est traversante. C'est-à-dire que la gorge s'étend de la périphérie extérieure jusqu'à la périphérie intérieure de la partie de protection et/ou de la partie formant écrou. Selon une autre variante, le capteur comprend en outre un élément isolant destiné à être disposé entre l'armature de l'électrode de 25 mesure et le support. Cette variante est utile lorsque le support est conducteur de courant électrique, afin d'isoler électriquement l'électrode du support. Préférentiellement, l'élément isolant est en céramique. Avantageusement, l'armature comprend un épaulement. 30 Dans la variante où le capteur n'est pas équipé d'un élément isolant, un épaulement de l'électrode venant en appui contre une face du support, permet une coopération efficace entre l'électrode et le support ce qui facilite le verrouillage du capteur au support. Dans l'autre variante où le capteur est équipé d'un élément isolant, cet épaulement permet en 35 outre de maintenir l'élément isolant contre une face du support. Ainsi, tout en facilitant le verrouillage du capteur, cet épaulement permet de maintenir l'élément isolant qui assure l'isolation électrique entre l'armature de l'électrode et le support. Préférentiellement, l'épaulement est constitué par au moins une portion de l'armature, tandis que la face du support est celle opposée à l'élément de verrouillage. Avantageusement, vu selon la direction axiale de la tige de l'électrode, ledit capteur, en position montée sur le support comporte successivement : l'armature de l'électrode, l'élément isolant, la portion isolante de l'élément de verrouillage, le support étant pris en sandwich entre l'élément isolant et la portion isolante de l'élément de verrouillage. Cette disposition permet de réduire le volume occupé par le capteur. Une imbrication les uns aux autres des éléments constitutifs du capteur rend possible la fabrication de capteurs de très petites tailles. Avantageusement le support est une partie de carter de turbine, ce dernier étant de préférence, mais pas nécessairement, métallique et conducteur électrique. Dans le cadre de mesures au sein d'une turbine, grâce à sa structure sandwich, le capteur selon l'invention est particulièrement bien adapté pour être monté sur un carter de turbine. Bien sûr, le terme � carter de turbine � inclut les anneaux et secteurs d'anneaux de turbine. Ainsi, lorsque le capteur est orienté vers le centre de la turbine, c'est-à-dire lorsque l'électrode est orientée vers les aubes de la turbine, il est avantageusement possible de mesurer le jeu entre le carter et les sommets des aubes de la turbine, de compter le nombre de tours réalisés par une aube, ou bien de mesurer de manière dynamique le déplacement des aubes par rapport au carter. Dans ce cadre, il est préférable que le capteur soit monté à l'aplomb des aubes de la turbine pour que l'effet capacitif soit maximum, et par conséquent d'augmenter la précision des mesures. L'invention concerne également un carter de turbine comprenant au moins un capteur capacitif selon l'invention ainsi qu'une turbomachine, telle qu'une turbine à gaz d'hélicoptère, comprenant un tel carter de turbine. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit de différents modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 est une représentation en perspective en coupe d'un premier mode de réalisation du capteur selon l'invention monté sur un support électriquement conducteur, - la figure 2 est une représentation en perspective en coupe d'un second mode de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 3 est une représentation en perspective écorchée du capteur de la figure 1 équipé d'un câble électrique, - la figure 4 est une représentation en perspective éclatée du capteur de la figure 1, et - la figure 5 est une représentation d'une turbomachine équipée du capteur de la figure 1. Un mode de réalisation préférentiel de l'invention est décrit en référence à la figure 1 qui représente une vue en coupe d'un capteur capacitif 10, conforme à l'invention, monté sur un support 12 métallique électriquement conducteur, ce dernier étant de préférence, mais pas nécessairement, un carter de turbine. Le capteur 10 comprend une électrode de mesure 14 métallique, un élément isolant 16 en céramique et un élément de verrouillage 18 comportant une portion isolante 183 également en céramique. Le support 12 est pris en sandwich entre l'élément isolant 16 d'une part et l'élément de verrouillage 18 d'autre part, et de préférence entre l'élément isolant 16 et la portion isolante 183. L'électrode 14 comprend une armature 140 et une tige 142 qui traverse le support 12 par le biais d'un perçage 121. La tige 142 de l'électrode 14 et l'élément de verrouillage 18 coopèrent pour assurer le verrouillage du capteur 10 par rapport au support 12. L'élément de verrouillage 18 comprend une partie formant écrou 180 métallique. La tige 142 de l'électrode 14 présente une partie filetée 144 qui coopère avec la partie formant écrou 180 de l'élément de verrouillage 18. La partie filetée 144 s'étend axialement sur une portion de la tige 142 de l'électrode 14. Afin de faciliter le centrage de la partie formant écrou 180 sur la tige 142 de l'électrode 14 lors du montage et du verrouillage du capteur 10, la tige 142 présente une portion tronconique 146 au niveau de son extrémité libre. L'armature 140 de l'électrode 14 est portée par l'autre extrémité de la tige 142 tout en étant sensiblement perpendiculaire à la tige 142. La face arrière de l'armature 140, c'est-à-dire la face de l'armature 140 d'où s'étend la tige 142, constitue un épaulement 148 destiné à prendre appui sur l'élément isolant 16. Dans cet exemple, l'élément isolant 16 a une forme de rondelle et est ajusté dans une cavité 120 du support 12. Selon un second mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'élément isolant 16' comporte une partie de centrage 160 sous forme d'extension qui s'ajuste au diamètre du perçage 121. Une telle variante permet un montage sur un support 12' dépourvu de cavité 120. En se référant de nouveau à la figure 1, on constate que l'élément isolant 16, l'élément de verrouillage 18 et l'électrode 14 sont montés coaxialement à la tige 142 de l'électrode 14. De plus, le diamètre intérieur de l'élément isolant 16 est ajusté de préférence au diamètre de la tige 142 de l'électrode 14. L'élément isolant 16 est donc ajusté tant au support qu'à la tige 142 de l'électrode 14. Ainsi, les éléments du capteur étant montés coaxialement à la tige 142 de l'électrode 14, l'élément isolant 16 fait office de centreur du capteur 10 par rapport au perçage 121 du support 12. De plus, pour éviter tout contact latéral entre le pourtour du perçage 121 et la tige 142 de l'électrode 14 maintenue centrée par rapport au perçage 121 par l'élément isolant 16, le perçage 121 a un diamètre sensiblement supérieur au diamètre de la tige 142. L'électrode 14 est alors isolée électriquement du support 12, d'une part grâce au caractère isolant de l'élément isolant 16, et d'autre part grâce au rôle de centreur assuré également par l'élément isolant 16. Bien évidemment, afin d'assurer un épaulement 122 au niveau du support 12 sur lequel l'élément isolant 16 prend appui pour réaliser la structure sandwich du capteur 10, le diamètre du perçage 121 est sensiblement inférieur au diamètre de la cavité 120. Dans ce mode de réalisation, le perçage 121 du support 12 a un diamètre compris entre 2.0mm et 3.0mm, et a préférentiellement un diamètre de 2.5mm. Le diamètre maximum de la tige 140, i.e. de la partie filetée 144 dans ce mode de réalisation, est compris entre 2.5mm et 1.5mm et est préférentiellement de 2.0mm. De plus, le montage du capteur 10 ne nécessitant pas de taraudage ni de pièce mécanique d'interfaçage du type bossage, il n'y a quasiment pas de limite inférieure quand à l'épaisseur du support 12. Enfin, pour assurer efficacement son rôle d'isolant et prévenir tout risque de court circuit, l'élément isolant 16 présente une épaisseur comprise entre 0.40mm et 0.80mm, et préférentiellement une épaisseur de 0.55mm. Du côté où se situe l'élément de verrouillage 18, l'isolation électrique du capteur 10 par rapport au support 12 est assurée par la portion isolante 183. Cette portion isolante 183 est incluse à une partie formant rondelle 181 de l'élément de verrouillage 18. Ainsi, le capteur 10, et plus particulièrement l'électrode 14, est totalement isolé électriquement du support 12. La partie formant rondelle 181 comprend également une partie de protection 182 métallique. La portion isolante 183 et la partie de protection 182 sont maintenues assemblées par une brasure 184. Une gorge 185 est ménagée sur la partie de protection 182 au niveau de la surface de contact avec la partie formant écrou 180. De préférence, une cosse de branchement électrique 20 est avantageusement disposée entre la portion isolante 183 et le support 12 de manière à être en contact avec le support 12. La cosse 20 a un diamètre intérieur supérieur au diamètre de la tige 142 de l'électrode 14. De plus elle présente une cavité 202 dans laquelle la partie formant rondelle 181 s'ajuste. Ainsi, la partie formant rondelle 181 centre la cosse 20 par rapport au capteur 10 (et donc par rapport à la tige 142) de sorte que la tige 142 et la cosse 20 sont distantes et isolées électriquement l'une de l'autre. Vu selon la direction axiale de la tige 142, le capteur 10 comporte successivement: l'armature 140 de l'électrode 14, l'élément isolant 16, la cosse 20, et l'élément de verrouillage 18, ce dernier comportant successivement la portion isolante 183, la partie de protection 182 et la partie formant écrou 180. On comprend donc que le support 12 est pris en sandwich entre l'élément isolant 16 et la portion isolante 183. Dans cette structure en couches empilées prenant le support 12 en sandwich, les différents éléments sont superposés et imbriqués de telle manière que chaque élément remplit correctement sa fonction isolante ou conductrice et que le capteur 10 est fermement verrouillé au support 12. Pour ce faire, la partie formant écrou 180 présente une extension 186 qui coopère avec la partie filetée 144 de la tige 142 de l'électrode 14. Cette extension 186 a un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur de la partie formant écrou 180. De plus, l'extension 186 est ajustée au diamètre intérieur de la partie formant rondelle 181, de sorte que l'extension 186 fait office de centreur de l'électrode par rapport à la partie formant rondelle 181. L'extension 186 permet également d'améliorer la conduction électrique entre l'électrode 14, la portion formant écrou 180 et la partie de protection 182. Enfin l'extension 186 augmente le nombre de filets qui coopèrent entre la partie filetée 144 et la partie formant écrou 180, améliorant ainsi le verrouillage du capteur 10. L'ensemble des éléments constituant le capteur 10 étant ajustés les uns aux autres, ainsi qu'au support 12, le verrouillage du capteur 10 ne présente pas de jeu, ou seulement les jeux nécessaires aux dilatations thermiques. De plus, cette structure d'empilement coaxial autorise de faibles dimensions. En effet, la hauteur se mesurant selon le sens de l'épaisseur de la structure sandwich définie par le capteur 10, l'élément de verrouillage 18 présente une hauteur comprise entre 3.0mm et 5.0mm et un diamètre compris entre 5.0mm et 10.0mm. Préférentiellement l'élément de verrouillage 18 présente une hauteur de 4.8mm et un diamètre de 7.4mm. Il faut noter qu'un espace libre d'une hauteur de 0.2mm est à prévoir à l'arrière de l'élément de verrouillage 18 (l'arrière étant le côté opposé au côté en contact avec le support 12) pour éviter tout contact électrique avec une pièce conductrice. La cosse 20 présente une épaisseur comprise entre 0.2mm et 0.6mm et préférentiellement une épaisseur de 0.4mm. Ainsi la hauteur totale de l'ensemble élément de verrouillage 18 et cosse 20 est préférentiellement de 5.2mm et occupe, en comptant l'espace libre de 0.2mm de hauteur, un espace de 5.4mm de hauteur sur 7.4mm de diamètre. Le branchement électrique du capteur est décrit en référence à la figure 3 dans laquelle le capteur 10 de la figure 1 est relié à un câble coaxial 22. L'âme 221 du câble 22 est connectée au capteur 10 au niveau de la gorge 185 alors que le blindage 220 du câble 22 est connecté à la masse via la cosse 20 au niveau des ailettes 204 de sertissage de câble. En cas de montage sans cosse 20, un contact électrique franc, par exemple un pontage, doit-être établi entre le blindage 220 du câble et la masse (par exemple le support 12). Un circuit électrique, non représenté, impose un potentiel électrique E, préférentiellement mais pas nécessairement alternatif, à l'âme 221 du câble 22, et donc au capteur 10, il apparaît une différence de potentiel entre le blindage 220 relié à la masse et l'âme 221. Lors du passage d'un objet cible métallique à proximité de l'armature 140 de l'électrode 14 du capteur 10, l'objet cible étant lui-même relié à la masse commune du montage fait office de seconde armature. L'effet capacitif du montage fait alors apparaître un courant électrique I entre l'objet cible et le capteur capacitif 10. En d'autres termes, le potentiel imposé E charge électriquement le condensateur constitué par l'armature 140 d'une part et l'objet cible relié à la masse commune d'autre part. Lorsque l'objet cible se déplace aux environs de l'armature 140, la charge du condensateur varie créant ainsi dans le circuit électrique une variation de courant électrique I. Cette variation de courant électrique I est proportionnelle à la distance entre l'objet cible et l'armature de l'électrode 14 du capteur 10. En détectant cette variation de courant électrique I, on détecte indirectement la présence d'un objet cible métallique devant le capteur 10, et en mesurant cette variation de courant électrique I, on mesure indirectement la distance entre l'objet cible et le capteur 10. La figure 4 représente une vue éclatée en perspective du capteur 10. La gorge 185 traverse horizontalement de part en part l'épaisseur de la partie de protection 182 de la partie formant rondelle 181 de l'élément de verrouillage 18. Cette gorge 185 permet de maintenir et de verrouiller un câble entre la partie formant écrou 180 et la partie formant rondelle 181. La figure 5 représente une turbomachine 400 du type turbine à gaz d'hélicoptère, comprenant un carter 300 de turbine qui sert de support au capteur 10. Le capteur 10 est monté à l'aplomb des aubes 500. Le carter 300 offre une meilleure résistance par rapport aux carters de l'art antérieur du fait de la faible dimension du trou de montage (perçage 121 de la figure 1) qui est moins fragilisant pour le carter 300 que les usinages nécessaires au montage des capteurs de l'art antérieur.