LU84283A1 - Capteur de pression differentielle - Google Patents
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Description
t
La présente invention concerne un capteur de pression différentielle, comprenant un corps d'épreuve piézoélectrique à lame vibrante fixée d'une part, sur un bâti et, d'autre part, sur le bras d'un fléau lui transmettant une 5 force résultant de la différence de pression existant entre deux enceintes distinctes, dont l'une au moins est déformable, et soumises respectivement aux pressions dont on veut mesurer la différence.
Dans les dispositifs de ce genre, les capteurs sont 10 constitués d'une structure métallique, le bâti, supportant un fléau articulé qui transmet des contraintes de forces produites par un ou plusieurs éléments déformables tels que soufflet, membranes ou capsules.
Pour les capteurs différentiels connus, il peut exis-15 ter un ou plusieurs éléments déformables, comme dans le capteur du brevet français 2 456 945. Dans l'un des éléments déformables ou sur l'une de ces faces est appliquée une pression P^, dans l'autre élément ou sur l'autre face de l'élément déformable, une autre pression P#. Après éta-20 lonnage du système, la mesure de pression différentielle est telle que A P e - P8· Cependant, un capteur à deux enceintes déformables ne peut pas être précis à cause de l'impossibilité d'avoir deux enceintes mécaniquement identiques. L'ensemble est enfermé dans une enceinte rigide et 25 étanche, dans laquelle il peut y avoir, soit une pression fixe de référence (vide), soit l'une des pressions mentionnées ci-dessus (P^ ou Ps).
En aéronautique, P« est une pression totale et P une pression statique, ces pressions étant fournies par un 30 tube de Pitot.
On connaît par ailleurs, par le brevet français 1 522 971»un capteur pourvu d'un corps d'épreuve et d'une tige disposés dans une première enceinte rigide sous vide, la tige étant soumise à l'action d'une force, résultant de 35 la déformation d'une enceinte souple soumise à la pression PT et disposée dans un second milieu soumis à la pression Pg, par l'intermédiaire d'un élément d'étanchéité souple.
*» 2
Toutefois, il ne s'agit pas d'un capteur à fléau, son enceinte souple n'est pas disposée à l'intérieur d'une enceinte rigide, et l'élément d'étanchéité souple participe à la transmission de l'effort exercé sur le corps 5 d'épreuve, perturbant ainsi les mesures de pression différentielle .
Or les capteurs piézoélectriques du type défini ci-dessus fournissent une tension analogique représentative de Δ?· Cette tension de sortie pour un grand nombre de 10 modèles de capteurs piézoélectriques est de faibles valeurs ce qui n'autorise pas une grande sensibilité de mesure pour certaines gammes de pression* De plus, compte tenu de la tendance actuelle selon laquelle le traitement de l'information donne la préférence aux calculs numériques, 15 il faut utiliser un corps d'épreuve piézoélectrique à lame vibrante, qui délivre directement un signal analogique de forme sinusoïdale facilement convertissable sous forme numérique, le corps d'épreuve étant constitué par une lame taillée dans un monocristal de quartz. Pour avoir un coef-20 ficient de qualité élevé et conserver des propriétés dynamiques constantes, cette lame doit fonctionner sous vide, ce qui évite également les effets de la pollution et de la corrosion*
Le but de l'invention est donc de réaliser un capteur 25 de pression différentielle utilisant un corps d'épreuve piézoélectrique à lame vibrante, avec une seule enceinte . déformable pour la mesure de pression, et dont l'élément d'étanchéité ne perturbe pas la mesure.
A cet effet, l'invention concerne un capteur du type 30 défini ci-dessus, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve et le fléau sont disposés dans une première enceinte rigide, sous vide, le fléau étant soumis à l'action d'une force, ^ P résultant de la différence de pression entre la pression P^>, qui agit à l'intérieur d'une enceinte 35 souple, et la pression Pg, qui agit à l'intérieur d'une chambre fixe ainsi que sur la face extérieure de l'enceinte où règne la pression P^, la séparation entre la chambre ».
3 fixe Ps et la chambre à vide dans laquelle se trouve la lame vibrante étant obtenue par l’intermédiaire d'un élément souple assurant l'étanchéité, tout en permettant la transmission sur la lame et par le fléau des forces résul-5 tant de la mesure de & P, et dont l'effort, résultant de la différence de pressions entre le vide et la pression P , est appliqué suivant son axe longitudinal passant par l'axe de pivotement du fléau, pour ne pas engendrer de couple parasite sur le corps d'épreuve.
10 Les dessins annexée illustrent à titre d'exemple deux formes de réalisation conformes à la présente invention, sur lesquels :
La figure 1 est une vue d'ensemble avec coupe partielle d’une première forme de réalisation.
13 La figure 2 représente le schéma fonctionnel du cap teur de pression différentielle de la figure 1, et
La figure 3 représente une vue d'ensemble avec coupe partielle d'une deuxième forme de réalisation de l'invention, et 20 La figure k représente le schéma fonctionnel du cap teur de la figure 3·
Tel que représenté figure 1, le capteur de pression différentielle comprend un bâti rigide 1, sur lequel est fixé un fléau 3 réalisé par usinage dans un bloc de bronze 25 ou d'acier. Des perçages et des fentes ne laissent subsister qu'une mince lame de métal 3h qui sert d'articulation au fléau proprement dit et fonctionne comme le couteau d'une balance. Des couvercles la, lb délimitent deux enceintes rigides 4 et 5 dans le boîtier 1. L'enceinte 4 30 renferme le bloc fléau 3 et Te corps d'épreuve 6, ce dernier étant constitué par une lame vibrante, taillée par exemple dans un monocristal de quartz, relié au bras 3a du fléau 3·
Le bronze au berrylium a été choisi de préférence 35 parce que sa dérive thermique est telle qu'elle compense en partie celle de la lame.
L'enceinte 5 renferme l'élément déformable constitué 4 par un soufflet 7* de section utile S, fixé sur le bâti, et dont l’extrémité libre 7a agit sur une tige 8 fixée sur l'autre bras 3c du fléau.
Cette tige transmet la force, résultant des différen-5 ces de pression P. et P régnant respectivement dans les enceintes 7 et 5· Cette force est appliquée, par l'intermédiaire du bras 3a du fléau, sur le corps d'épreuve 6.
Pour maintenir constant le coefficient de qualité et s'affranchir des phénomènes visco-élastiques sur le corps d'é-10 preuve 6,il est fait un vide très poussé dans l'enceinte 4.
L'étanchéité entre les chambres 3 et 4 est réalisée au moyen d'un soufflet 9 de section utile s.
Pour s'affranchir des erreurs de mode commun qui pourraient être engendrées par le petit soufflet 9» il faut 13 que son axe longitudinal passant par son point d'ancrage sur le fléau, ou sur la tige 8, soit confondu avec l'axe x de l'articulation 3b.
De plus, pour que la force transmise par le toufflet 7 sur la tige 8, et qui est l'image de la mesure de pression 20 A P ne soit pas erronée, il faut que sa section S soit très grande vis-à-vis de la section transversale s du soufflet d'étanchéité 9» et que la raideur du soufflet 9 soit faible par rapport à la raideur de l'articulation 3b pour ne pas introduire de contraintes parasites sur le corps 25 d'épreuve 6.
La fréquence de battement du quartz du corps d'épreu-' ve 6 est fonction du taux de contrainte auquel il est sou mis par l'intermédiaire du fléau et du soufflet de mesure 7· C'est cette fréquence qui constitue l'information de 30 sortie dite numérique du capteur. Cette fréquence est entretenue et détectée par le principe physique de la piézo-électricité, par des électrodes métallisées réalisées sur le corps d'épreuVe, soit par évaporation sous vide avec caches sélectifs, soit par pulvérisation cathodique d'une 35 découpe par exemple au laser.
L'équation d'équilibre des forces, tel que représenté figure 2, peut s'écrire : 5 P_.S.a - P .S.a + P . s . £ - F.b ss 0 iss soit P» - P (1 - = F. |-r-= F. |
T s v S.a' s.a S
5 où λ est le rapport des bras du levier ~ , et £ » l'erreur
cL
d'alignement du soufflet par rapport à l'axe X de l'articulation du fléau.
Si on s'arrange par construction pour avoir : îa o
on obtient : P_ - P = = /\ P
ISO
10 où ^ est le facteur de sensibilité du capteur.
Si £ n'est pas nul, le couple parasite devient : P .s. £ et l’erreur sur Λ P est s 0 ^ s u S.a
Cette erreur sera d'autant plus faible que : • £ voisin de zéro 15 .a très grand devant £ . s très petit vis-à-vis de S.
Exemple d'application numérique :
Avec P (max) s 1100 mbar P,^ (max) = I50O mbar 20 s =0,03 cm^ S =1 cm^ £ (max) = 0,0005 cm a = 1 cm , .2 l'erreur maxi sera de 1,65 10 mbar 25 soit 1,1 10**^ de l'étendue de mesure (E.M.) pour EM = 1500 mbar
Si l'alignement de l'axe du soufflet 9 et de l'axe d'articulation du fléau n'est pas bon, la contrainte due au soufflet 9 n'est alors pas entièrement absorbée par 30 l'articulation 3b du fléau et un couple parasite peut apparaître. De plus, ce couple n'est pas constant car il dépend des caractéristiques mécaniques et des variations de surface effective du soufflet 9 suivant la valeur de la pression existant dans la chambre 5· 35 Pour remédier à ce défaut et améliorer encore la sensi bilité de ce type de capteur, on monte en opposition un ♦ 6 second soufflet 9' dont les caractéristiques sont le plus possible identiques à celles du soufflet 9· Pour ce faire, figure 3, le fléau 3, dont le bras 3a est toujours fixé sur l'une des extrémités du corps d'épreuve 6, a son bras 5 3c coudé à angle droit. C'est sur une face de cette partie coudée 3d que s'appuie le soufflet 9» tandis que le soufflet compensateur 9’ s'appuie sur l'autre face.
Un trou 31 est prévu dans le coude 3d pour permettre à la pression régnant dans la chambre 5 de s'établir uni-10 formément dans les deux soufflets.
Ainsi les deux soufflets étant disposés de part et d'autre du bras 3d, entre deux points fixes 11 et 12 du bâti 1, leurs anomalies et leurs contraintes se compensent. La raideur de ces soufflets est faible par rapport à 15 la raideur de l'articulation 3b du fléau, pour ne pas introduire de contraintes parasites au niveau du corps d'épreuve ·
Le rapport entre la surface effective des soufflets 9, 9' et la surface effective du soufflet de mesure 7 est 20 grand, afin que leur influence sur la transmission de la force F soit négligeable.
D'autre part, pour réduire au maximum les erreurs de mode commun, l'axe longitudinal des soufflets 9, 9' et leur point d'encrage sur le fléau sont alignés avec l'axe X de 25 l'articulation du fléau. Des masses d'équilibrage statique 38 situées sur les axes X et Y permettent de ramener le centre de gravité de l'équipage mobile sur l'axe Z de l'ar- » ticulation du fléau qui est aussi l'axe de pivotement. Suivant l'axe X, l'équilibrage se fait du côté soufflet de 30 mesure.
En considérant le fléau isolé, l'équation d'équilibre des forces peut s'écrire, d'après la figure 4 : P_.S,a - P .S.a + P .s. £. - P .s'.fc' - F.b = 0 T s s s
35 PT-P. - *' sV'' E’> - 1 · P
» * 7 l'erreur sur P = PT - Pg est X r» s. t -s1. t ' 0 = s S.a
Pour que (p soit petit il faut : 5 1. s. L· = s·. t ' 2. s. £ - e'· £' très petit devant S.a 3* s=s' par le choix des soufflets • het £' représentant les erreurs d'alignement des axes 10 de chacun des soufflets par rapport à l'axe X de l'articulation du fléauj ist £ ' peut s'obtenir par un usinage très précis des pièces ou par un dispositif de réglage des points d'application de l'action des soufflets permettant de les faire coïncider.
15 A titre d’exemple, pour une pression Ρ,ρ de 1500 mb (maxi) et Pg = 1100 mb (maxi) avec : s' =0,03 cm2 - 0,00003 cm2 2 + 2 s = 0,03 cm - 0,00003 cm t = - 0,0005 cm 20 £· = i 0,0005 cm S =1 cm2 a = 1 cm l'erreur sur P est de : ¢-. 1100 0.03 * 5.10^ + 0,3003 x 5.10-4 -4 25 <f= 1100 x 0,06003 x 5.10 (f = 0,033 mbar
On peut améliorer les performances du capteur avec un réglage permettant de faire coïncider les points d'applica-30 tion évoqués ci-dessus pour obtenir é= % ' ,
Dans ce cas : P
<Γ = —~ (® ®')· £ S .a <r= ψΒ. X 3.10-5 * 5.10-1· *· 8 soit une erreur très faible de l'ordre de : <J"* = 16,5.10 ^ mbar 5 Le dispositif selon l'invention permet de réaliser des capteurs de pression et plus particulièrement des capteurs de pression différentielle d'une très grande précision et sensibilité, délivrant une information sous forme numérique ce qui est très favorable à leur utilisation 10 dans le domaine de 1'aéronautique.
Claims (6)
1. Capteur de pression différentielle comprenant un corps d * épreuve piézoélectrique (6) à lame vibrante fixée d'une part sur un bâti fixe (l) et d'autre part sur l'un 5 des bras (3a) d'un fléau (3) lui transmettant une force résultant de la différence de pression (PT«Pe)existant entre deux enceintes distinctes (7, 5) dont l'une (7) au moins est déformable, et soumises respectivement aux pressions dont la différence est à mesurer, caractérisé par le 10 fait que le corps d'épreuve (6) et le fléau (3) sont disposés dans une première enceinte (4) rigide, sous vide, le fléau (3) étant soumis à l'action d'une force, résultant de la déformation d'une enceinte souple (7) soumise à la pression P,^ disposée dans une seconde enceinte rigide (5) 15 soumise à la pression P , par l'intermédiaire d'un élément 8 d'étanchéité souple (9), soumis de part et d'autre au vide et à la pression P , et dont l'effet résultant de la dif- s férence de pression entre le vide et la pression P est appliqué suivant son axe longitudinal (x) passant par 20 l'axe de pivotement (3b) du fléau (3).
2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la lame vibrante est constituée par une lame (6) taillée dans un monocristal de quartz.
3. Capteur de pression, selon l'une des revendica-25 tions 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément souple est un soufflet étanche (9) dont la section utile (s) est très faible vis-à-vis de la section (S) de l'enceinte souple (7) soumise à la pression (Ρ,ρ) .
4. Capteur de pression, selon l'une des revendications 30. et 3, caractérisé par le fait que le fléau (3) est taillé dans un bloc de bronze dont la dérive compense celle de la lame de quartz (6).
5. Capteur de pression, selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, pour compenser les 35 variations de contraintes mécaniques propres au soufflet d'étanchéité (9), il est prévu un second soufflet (91) * 10 mécaniquement Identique et eoumls à la même pression que le soufflet d’étanchéité (9)» et monté en opposition avec celui-ci.
6. Capteur de pression différentielle, selon la 5 revendication 5» caractérisé par le fait que le fléau (3) présente un bras (3d) coudé à 90·, du cêté de son articulation (3b) et sur lequel les deux soufflets (9t 9') viennent prendre appui de part et d’autre. »
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