Brevet FR2945588A1 — publié le 20101119

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de mesure de déplacement d'un élément fonctionnel disposé dans un corps de pompe cryogénique contenant un liquide cryogénique et à l'intérieur duquel est monté un arbre de pompe entraîné en rotation par un organe d'entraînement et supporté par des paliers. Art antérieur Dans le cadre du développement, du contrôle ou de la maintenance de pompes cryogéniques, utilisées notamment pour des moteurs-fusées à ergols liquides, il est important de pouvoir mesurer et contrôler les déplacements de certains organes fonctionnels de la pompe. C'est en particulier le cas de la bague extérieure d'un roulement à bille de support de l'arbre d'une pompe, telle qu'une pompe à hydrogène liquide. Il est nécessaire de pouvoir mesurer les déplacements axiaux d'une telle bague extérieure noyée dans l'hydrogène liquide. Actuellement, dans les applications cryogéniques liées aux activités spatiales, les mesures de déplacement d'organes fonctionnels sont réalisées essentiellement avec des capteurs basés sur une technologie inductive mettant en oeuvre les courants de Foucault. De tels capteurs sont encombrants et, de plus, le principe de mesure nécessite un dégagement important de la matière autour de la partie sensible (de l'ordre de une à trois fois le diamètre du capteur), ce qui pose problème lorsque la taille des machines est réduite. Définition et objet de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de permettre la mesure de déplacements d'organes fonctionnels dans un milieu cryogénique (à des températures de l'ordre de 20 K) et dans un espace très réduit où des capteurs classiques de type inductif ne peuvent pas être mis en place. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un dispositif de mesure de déplacement d'un élément fonctionnel disposé dans un corps de pompe cryogénique contenant un liquide cryogénique et à l'intérieur duquel est monté un arbre de pompe entraîné en rotation par un organe d'entraînement et supporté par des paliers, caractérisé en ce qu'il comprend un premier perçage ménagé dans le corps de pompe au droit de l'élément fonctionnel dont le déplacement est à mesurer, un deuxième perçage ménagé dans le corps de pompe de façon inclinée par rapport au premier perçage et débouchant dans le premier perçage, une bague en contact avec ledit élément fonctionnel et munie d'un ergot, un dispositif de connexion monté de façon étanche dans le deuxième perçage et un dispositif à lamelle monté de façon étanche dans le premier perçage et comprenant une lamelle flexible instrumentée en contact avec ledit ergot de ladite bague. Le dispositif à lamelle comprend un support de lamelle, une lamelle flexible soudée sur ledit support de lamelle et un dispositif à jauge de contrainte rapporté sur la lamelle flexible. La lamelle flexible comprend une extrémité libre recourbée en contact avec ledit ergot de la bague. Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif comprend en outre une vis de blocage freinée par collage et engagée dans le premier perçage pour maintenir en place le dispositif à lamelle. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de connexion comprend une première partie munie d'un premier filetage pour être vissée dans le deuxième perçage et munie d'un deuxième filetage pour recevoir une deuxième partie et des joints d'étanchéité sont disposés au voisinage des premier et deuxième filetages respectivement. Avantageusement, le dispositif à jauge de contrainte comprend des première et deuxième jauges de contrainte disposées en opposition sur la lamelle flexible et montées en pont avec des première et deuxième résistances fixes disposées dans le dispositif de connexion. Selon une caractéristique particulière, le support de lamelle comprend une partie cylindrique prolongée par une partie terminale présentant une partie périphérique en portion de cylindres et une partie interne plane. Dans ce cas, de préférence, la lamelle flexible comprend une partie de fixation qui est fixée par points sur ladite partie interne plane de ladite partie terminale du support de lamelle. Le support de lamelle est avantageusement en acier inoxydable de même que les première et deuxième parties du dispositif de connexion. La lamelle flexible peut être en un alliage de nickel-chrome. Selon un mode de réalisation particulier, la lamelle flexible présente une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,25 mm, une largeur comprise entre 1,5 et 2,5 mm, une longueur active comprise entre 10 et 5 20 mm. L'élément fonctionnel peut être constitué par une bague extérieure d'un roulement à billes constituant un palier de l'arbre de pompe et la bague munie d'un ergot est positionnée en contact avec la bague extérieure de façon à permettre la mesure d'un déplacement axial 10 de la bague extérieure au moyen de la lamelle flexible instrumentée. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de 15 l'invention, donnés à titre d'exemples en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en demi-coupe axiale d'un corps de pompe cryogénique équipé d'un exemple de dispositif de mesure selon l'invention, 20 - la figure 2 est une vue en élévation d'un exemple de dispositif à lame flexible instrumentée utilisable dans le dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une section selon la ligne III-III de la figure 2, - la figure 4 est une vue de côté selon la flèche F de la figure 3, et 25 - la figure 5 est un schéma électrique du dispositif de mesure selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation préférentiels On voit sur la figure 1 un exemple de corps 1 d'une pompe 30 cryogénique à l'intérieur duquel est monté un arbre 2 de pompe entraîné en rotation par un organe d'entraînement et supporté par des paliers 3. L'organe d'entraînement peut être de natures très diverses et peut comprendre par exemple une turbine ou un moteur. L'invention s'applique plus particulièrement à des corps de 35 pompe de taille réduite dans lesquels le très faible volume disponible dans la machine ne permet pas de mettre en place des capteurs classiques de type inductif pour mesurer des déplacements d'organes fonctionnels. L'invention s'applique aux corps de pompe cryogénique dans lesquels il est nécessaire de mesurer des déplacements d'organes fonctionnels dans un milieu cryogénique (à des températures de l'ordre de 20 K). L'invention vise ainsi à permettre de réaliser des mesures de déplacement dans des machines cryogéniques de faibles dimensions, à des endroits où les capteurs traditionnels ne peuvent être intégrés. A titre d'exemple, on considèrera ci-après le cas d'un élément fonctionnel constitué par la bague extérieure 31 d'un roulement à billes 3 d'une pompe, cette bague extérieure étant noyée dans un liquide cryogénique, tel que de l'hydrogène liquide, mais l'invention s'applique naturellement à d'autres types d'éléments fonctionnels. Le roulement à billes 3 comprend un ensemble de billes 33 interposées entre une bague extérieure 31 et une bague intérieure 32. Des rondelles 4 sont interposées dans le sens axial entre la bague extérieure 31 et le corps de pompe 1. Une bague 6 munie d'un ergot 60 est elle-même interposée entre les rondelles 4 et la bague extérieure 31 du roulement 3 pour permettre de mesurer au niveau de l'ergot 60 les déplacements axiaux de la bague extérieure 31. Un perçage 7 est ménagé dans le corps de pompe 1 au droit du roulement à billes 3 pour recevoir un dispositif à lamelle 10 coopérant avec l'ergot 60 de la bague 6 pour contrôler et mesurer par l'intermédiaire de cet ergot 60 les déplacements axiaux de l'élément fonctionnel constitué par la bague extérieure 31. Le dispositif à lamelle 10 comprend une lamelle 11 souple instrumentée montée sur un rapport 12 lui-même immobilisé dans le perçage 7 par une vis de blocage 14. Des jauges de contrainte 13 sont fixées sur la lamelle flexible 11 dont une extrémité libre recourbée 110 coopère avec l'ergot 60 de la bague 6. Un exemple du dispositif à lamelle 10 est représenté sur les figures 2-4. La lamelle souple 11 peut être en un alliage de nickel-chrome, tel qu'un alliage NC15FET ou NC19FENB par exemple. Cette lamelle souple 11 est soudée par points sur une partie plane 12b du support 12. Le support 12 peut comprendre une tête cylindrique 12d engagée dans un orifice interne de la vis de blocage 14, une collerette 12c servant de butée pour la vis 14 et venant elle-même en butée sur un épaulement formé dans le perçage 7. Un pion 15 collé sur le support 12 ou une excroissance de celui-ci coopère avec une encoche formée dans le perçage 7 pour positionner le support 12 en position angulaire. Le support 12 présente sous la collerette 12c une partie cylindrique 12a elle-même prolongée par une portion 12b semi-cylindrique avec une face interne plane sur laquelle est fixée une extrémité de la lamelle souple 11 opposée à l'extrémité libre recourbée 110. Le support 12 et le vis 14 peuvent être en acier inoxydable tel que, par exemple, l'acier 22 CN 18-10. La vis de blocage 14 destinée à maintenir en place le dispositif 10 à lamelle peut être freinée par collage. La lamelle flexible 11 peut présenter une épaisseur e comprise entre 0,15 et 0,25 mm, une largeur Ii comprise entre 1,5 et 2,5 mm, et une longueur active L1 comprise entre 10 et 20 mm. La longueur L2 du support 12 est de préférence inférieure ou égale à la longueur active L1. Selon un exemple de réalisation particulier, la lamelle 11 présente une épaisseur de 0,2 mm, une largeur 11 de 2 mm, une longueur active L1 de 15 mm et une raideur de 0,025 daN/mm2. La lamelle 11 est située à une distance prédéterminée d d'une face frontale du corps de pompe 1 pour correspondre à la position initiale de l'ergot 60 de la bague 6 (position en pointillés de la lamelle 11 sur la figure 1). Sous l'influence d'un léger déplacement axial de la bague extérieure 31 du roulement 3, la lamelle 11 fléchit et une mesure de la déflexion peut être effectuée grâce aux jauges de contrainte 13 collées sur la plus grande face de la lamelle 11 (figures 3 et 4) juste au-dessous du support 12 de lamelle. A titre d'exemple, les jauges de contrainte 13 peuvent être de type FKO6. Le dispositif de mesure peut comprendre deux jauges de contrainte 13 encapsulées auto-compensées en température et placées en opposition afin d'obtenir un demi-pont de flexion, l'autre demi-pont comprenant des résistances fixes 25 disposées dans un dispositif de connexion 20 (figures 1 et 5). L'alimentation et la restitution des mesures sont effectuées par des liaisons filaires 23 à travers un dispositif de connexion 40 disposé dans un perçage 8 ménagé dans le corps 1 de la pompe et incliné par rapport au perçage 7 et débouchant dans le perçage 7 au voisinage de l'ergot 60 et de la lamelle flexible 11. Le dispositif de connexion 20 est monté de façon étanche avec une tenue à haute pression cryogénique (de l'ordre de 200 bar). Le dispositif de connexion 20 comprend une première partie 21 munie d'un premier filetage pour être vissé dans le perçage 8 et munie d'un deuxième filetage pour recevoir une deuxième partie 22 dans laquelle sont formées les connexions 24. Des joints d'étanchéité 26, 29 sont disposés au voisinage des premier et deuxième filetage respectivement. Les première et deuxième parties 21, 22 du dispositif de connexion peuvent être en acier inoxydable. On a représenté sur la figure 5 le schéma électrique du dispositif de mesure. Une tension d'alimentation Ve est appliquée entre les pôles +ALIM et ùALIM des connexions 27. La tension de sortie VS du dispositif de mesure est disponible sur les pôles + et ù des connecteurs 28. On voit sur la figure 5 les deux jauges de contrainte 13 (fixées sur la lamelle 11 des figures 1 à 4), leurs fils de liaison présentant chacun une résistance de câble et deux résistances 25 de valeur fixe disposées dans le dispositif de connexion 20 pour compléter le pont de mesure. La tension d'alimentation Ve est appliquée entre les points milieux d'une part des jauges de contrainte 13 et d'autre part des résistances fixes 25. La tension de sortie de mesure Vs est prélevée aux bornes du montage en série des deux résistances 25. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de mesurer des déplacements axiaux de la bague extérieure 31 du roulement 3 d'une pompe à hydrogène liquide dans un environnement existant qui ne laisse que très peu d'espace pour la mise en place d'un capteur. Les jauges de contrainte 13 peuvent être fixées sur les deux faces principales de la lamelle 11 avec une colle cryogénique. Le dispositif présente une grande linéarité. Le dispositif de mesure selon l'invention peut comprendre des lamelles 11 de différentes géométries pour s'adapter à différents organes fonctionnels et permettre la mesure de déplacement de ces organes fonctionnels dans des machines cryogéniques de faibles dimensions à des endroits où des capteurs traditionnels de type inductif ou capacitif ne peuvent être intégrés. L'étalonnage du dispositif de mesure est réalisé au cryostat à la température d'utilisation sur machine. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de déplacement d'un élément fonctionnel disposé dans un corps (1) de pompe cryogénique contenant un liquide cryogénique et à l'intérieur duquel est monté un arbre (2) de pompe entraîné en rotation par un organe d'entraînement et supporté par des paliers (3), caractérisé en ce qu'il comprend un premier perçage (7) ménagé dans le corps (1) de pompe au droit de l'élément fonctionnel (31) dont le déplacement est à mesurer, un deuxième perçage (8) ménagé dans le corps (1) de pompe de façon inclinée par rapport au premier perçage (7) et débouchant dans le premier perçage (7), une bague (6) en contact avec ledit élément fonctionnel (31) et munie d'un ergot (60), un dispositif de connexion (30) monté de façon étanche dans le deuxième perçage (8) et un dispositif (10) à lamelle monté de façon étanche dans le premier perçage (7) et comprenant une lamelle (11) flexible instrumentée en contact avec ledit ergot (60) de ladite bague (6). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (10) à lamelle comprend un support de lamelle (12), une lamelle flexible (11) soudée sur ledit support de lamelle (12) et un dispositif à jauge de contrainte (13) rapporté sur la lamelle flexible (11). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lamelle flexible (11) comprend une extrémité libre recourbée (110) en contact avec ledit ergot (60) de la bague (6). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une vis de blocage (14) freinée par collage et engagée dans le premier perçage (7) pour maintenir en place le dispositif (10) à lamelle. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de connexion (20) comprend une première partie (21) munie d'un premier filetage pour être vissée dans le deuxième perçage (8) et munie d'un deuxième filetage pour recevoir une deuxième partie (22) et en ce que des joints d'étanchéité (26, 29) sont disposés au voisinage des premier et deuxième filetages respectivement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif à jauge de contrainte comprend despremière et deuxième jauges de contrainte (13) disposées en opposition sur la lamelle flexible (11) et montées en pont avec des première et deuxième résistances fixes (25) disposées dans le dispositif de connexion (20). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le support de lamelle (12) comprend une partie cylindrique (12a) prolongée par une partie terminale (12b) présentant une partie périphérique en portion de cylindres et une partie interne plane. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la lamelle flexible (11) comprend une partie de fixation qui est fixée par points sur ladite partie interne plane de ladite partie terminale (12b) du support de lamelle (12). 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support de lamelle (12) est en acier inoxydable. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les première et deuxième parties (21, 22) du dispositif de connexion sont en acier inoxydable. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la lamelle flexible (11) est en un alliage de nickel-20 chrome. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la lamelle flexible (11) présente une épaisseur (e) comprise entre 0,15 et 0,25 mm, une largeur (I1) comprise entre 1,5 et 2,5 mm, une longueur active (L1) comprise entre 10 et 20 mm. 25 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit élément fonctionnel est constitué par une bague extérieure (31) d'un roulement à billes (3) constituant un palier dudit arbre (2) et en ce que la bague (6) munie d'un ergot (60) est positionnée en contact et avec ladite bague extérieure (31) de façon à 30 permettre la mesure d'un déplacement axial de la bague extérieure (31) au moyen de la lamelle (11) flexible instrumentée. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le liquide cryogénique est de l'hydrogène liquide.