La présente invention a pour objet un capteur de pression à ultrasons.
Jusqu'ici l'utilisation des ultrasons comme moyens d'émission et de réception ne présentait que peu d'intérêt du fait des difficultés et du coût de fabrication des transducteurs. L'apparition des céramiques piézo-électriques PXE permet maintenant d'envisager de telles réalisations.
La présente invention a pour objet un capteur de pression à ultrasons, caractérisé par le fait qu'il comporte: un boîtier présentant une membrane sur laquelle est fixé un disque en céramique, cette membrane étant susceptible d'être exposée, par sa face externe, à la pression à mesurer: un circuit d'excitation de ce disque céramique: une seconde membrane disposée dans le boîtier et délimitant avec la première membrane une chambre à l'intérieur du boîtier, et par le fait qu'un autre disque céramique est fixé sur cette seconde membrane et est relié électriquement à un circuit de mesure de pression.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple une forme d'exécution du capteur de pression selon l'invention.
La fig. 1 illustre un transducteur à ultrasons.
La fig. 2 est une coupe longitudinale du capteur de pression.
La fig. 1 illustre un transducteur émetteur qui se compose d'un disque en céramique 1 collé sur la face interne d'une coupelle métallique 2.
Si l'on applique à l'aide d'un circuit d'excitation entre les deux faces du disque 1 une tension alternative dont la fréquence correspond à la fréquence de résonance mécanique de l'ensemble du disque 1 plus coupelle 2, I'on obtient une amplitude d'oscillation maximale, dont le mode est représenté en lignes pointillées sur la fig. 1.
L'intérêt de cette conception réside dans le fait que la céramique piézo-électrique n'est pas en contact avec l'air ambiant.
Elle ne subit donc pas les détériorations dues aux agents atmosphériques.
La fréquence de résonance du diaphragme en mode axial s'exprime par:
EMI1.1
La périphérie du diaphragme est considérée comme immobile.
h: épaisseur du diaphragme
D: diamètre du diaphragme
E: coefficient d'élasticité du matériau constituant la coupelle p: masse volumique du matériau constituant la coupelle o: coefficient de Poisson du matériau constituant la coupelle
Bn: constante dépendant du mode de vibration.
Un tel transducteur peut également être utilisé comme récepteur si le disque céramique est relié électriquement à un circuit de détection ou de mesure.
La fréquence de réponse maximale FM est la fréquence pour laquelle le module de la fonction de transfert est maximal. C'est à cette fréquence que le récepteur a la sensibilité maximale ou que l'émetteur a une puissance ultrasonore maximale.
Le capteur de pression illustré à la fig. 2 comporte un boîtier 2 qui, dans la forme d'exécution illustrée, comporte un filetage extérieur en vue d'être monté sur une enceinte ou sur une conduite dont on doit mesurer la pression interne. La partie frontale de ce boîtier 3 est constituée par une membrane 4 sur la face interne de laquelle est fixée, par collage par exemple, un disque céramique 5. Cette membrane 4 et ce disque 5 constituent un transducteur à ultrasons, utilisé comme émetteur, le disque 5 étant relié électriquement à un circuit d'excitation contenu dans le bloc A logé dans le boîtier 3.
Le capteur comporte encore un récepteur monté à l'intérieur du boîtier 3 et constitué par une seconde membrane 6 montée dans un tube 7 fixé au boîtier 3. Cette seconde membrane 6 définit avec la première 4 une chambre de mesure 8. Cette seconde membrane 6 est également munie d'un disque céramique 9 branché électriquement sur un circuit de mesure également logé dans le bloc A. Ce bloc A renfermant les circuits électriques, de types classiques, du capteur de pression, peut être relié à un appareillage externe par un connecteur 10.
Le fonctionnement du capteur décrit est le suivant:
L'émetteur 4, 5 oscille à une fréquence déterminée par la dimension de la membrane 4 qui oscille librement à la fréquence obtenue et rayonne sur la membrane 6 du récepteur 6, 9. Ce récepteur transforme les vibrations mécaniques reçues en grandeurs électriques mesurables par les circuits contenus dans le bloc A.
Comme les oscillations de la première membrane 4 dépendent bien entendu de la pression régnant sur la face externe de cette première membrane, lorsque la pression externe s'exerçant sur cette membrane 4 augmente, I'élongation qui produit le train d'onde est ralentie. Le signal reçu par le transducteur 6, 9 diminue et cette variation de pression est traduite en valeur électrique.
Ce capteur est extrêmement simple et robuste, notamment du fait qu'il ne comporte pas de partie mobile et que les disques céramiques se trouvent à l'abri des agents extérieurs dans le boîtier étanche 3.
REVENDICATION
Capteur de pression à ultrasons, caractérisé par le fait qu'il comporte: un boîtier présentant une membrane sur laquelle est fixé un disque en céramique, cette membrane étant susceptible d'être exposée, par sa face externe, à la pression à mesurer; un circuit d'excitation de ce disque céramique; une seconde membrane disposée dans le boîtier et délimitant avec la première membrane une chambre à l'intérieur du boîtier, et par le fait qu'un autre disque céramique est fixé sur cette seconde membrane et est relié électriquement à un circuit de mesure de pression.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Capteur selon la revendication, caractérisé par le fait que le boîtier est étanche.
2. Capteur selon la sous-revendication 1, caractérisé par le fait que le boîtier est tubulaire et que la première membrane est constituée par sa partie frontale, la seconde membrane étant disposée dans le boîtier perpendiculairement à son axe longitudinal.
3. Capteur selon la revendication ou l'une des sous-revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le boîtier renferme les circuits d'excitation et de mesure.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
The present invention relates to an ultrasonic pressure sensor.
Until now, the use of ultrasound as means of transmission and reception was of little interest because of the difficulties and the cost of manufacturing transducers. The appearance of PXE piezoelectric ceramics now makes it possible to envisage such realizations.
The object of the present invention is an ultrasonic pressure sensor, characterized in that it comprises: a housing having a membrane on which is fixed a ceramic disc, this membrane being capable of being exposed, by its external face, at the pressure to be measured: an excitation circuit of this ceramic disc: a second membrane arranged in the housing and defining with the first membrane a chamber inside the housing, and by the fact that another ceramic disc is attached on this second membrane and is electrically connected to a pressure measurement circuit.
The attached drawing illustrates schematically and by way of example an embodiment of the pressure sensor according to the invention.
Fig. 1 illustrates an ultrasonic transducer.
Fig. 2 is a longitudinal section of the pressure sensor.
Fig. 1 illustrates an emitting transducer which consists of a ceramic disc 1 glued to the internal face of a metal cup 2.
If we apply, using an excitation circuit between the two faces of the disc 1, an alternating voltage whose frequency corresponds to the mechanical resonance frequency of the whole of the disc 1 plus cup 2, the obtains a maximum oscillation amplitude, the mode of which is shown in dotted lines in fig. 1.
The advantage of this design lies in the fact that the piezoelectric ceramic is not in contact with the ambient air.
It is therefore not subject to deterioration due to atmospheric agents.
The resonant frequency of the diaphragm in axial mode is expressed by:
EMI1.1
The periphery of the diaphragm is considered immobile.
h: diaphragm thickness
D: diaphragm diameter
E: coefficient of elasticity of the material constituting the cup p: density of the material constituting the cup o: Poisson's ratio of the material constituting the cup
Bn: constant depending on the vibration mode.
Such a transducer can also be used as a receiver if the ceramic disc is electrically connected to a detection or measurement circuit.
The maximum response frequency FM is the frequency at which the modulus of the transfer function is maximum. It is at this frequency that the receiver has maximum sensitivity or the transmitter has maximum ultrasonic power.
The pressure sensor shown in fig. 2 comprises a housing 2 which, in the embodiment illustrated, has an external thread for mounting on an enclosure or on a pipe whose internal pressure is to be measured. The front part of this housing 3 consists of a membrane 4 on the internal face of which is fixed, by gluing for example, a ceramic disc 5. This membrane 4 and this disc 5 constitute an ultrasound transducer, used as a transmitter, the disk 5 being electrically connected to an excitation circuit contained in unit A housed in housing 3.
The sensor also comprises a receiver mounted inside the housing 3 and constituted by a second membrane 6 mounted in a tube 7 fixed to the housing 3. This second membrane 6 defines with the first 4 a measuring chamber 8. This second membrane 6 is also provided with a ceramic disc 9 electrically connected to a measuring circuit also housed in block A. This block A containing the electrical circuits, of conventional types, of the pressure sensor, can be connected to an external device by a connector 10.
The operation of the sensor described is as follows:
The transmitter 4, 5 oscillates at a frequency determined by the dimension of the membrane 4 which oscillates freely at the frequency obtained and radiates on the membrane 6 of the receiver 6, 9. This receiver transforms the mechanical vibrations received into electrical quantities that can be measured by the circuits contained in block A.
As the oscillations of the first membrane 4 naturally depend on the pressure prevailing on the external face of this first membrane, when the external pressure exerted on this membrane 4 increases, the elongation which produces the wave train is slowed down. The signal received by the transducer 6, 9 decreases and this pressure variation is translated into an electrical value.
This sensor is extremely simple and robust, in particular due to the fact that it has no moving part and that the ceramic discs are sheltered from external agents in the sealed housing 3.
CLAIM
Ultrasonic pressure sensor, characterized in that it comprises: a housing having a membrane on which is fixed a ceramic disc, this membrane being capable of being exposed, by its outer face, to the pressure to be measured; an excitation circuit for this ceramic disc; a second membrane arranged in the housing and delimiting with the first membrane a chamber inside the housing, and by the fact that another ceramic disc is fixed on this second membrane and is electrically connected to a pressure measuring circuit.
SUB-CLAIMS
1. Sensor according to claim, characterized in that the housing is waterproof.
2. Sensor according to sub-claim 1, characterized in that the housing is tubular and that the first membrane is constituted by its front part, the second membrane being disposed in the housing perpendicular to its longitudinal axis.
3. Sensor according to claim or one of sub-claims 1 and 2, characterized in that the housing contains the excitation and measurement circuits.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.