FR2535458A1

FR2535458A1 - Capteur de pression et de temperature

Info

Publication number: FR2535458A1
Application number: FR8218540A
Authority: FR
Inventors: Michel Valdois
Original assignee: Etudes et Fabrication Flopetrol SA
Current assignee: Etudes et Fabrication Flopetrol SA
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1984-05-04
Also published as: JPS59132328A; FR2535458B1; GB2129565A; GB8328674D0

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET UN CAPTEUR DE PRESSION ET DE TEMPERATURE DU TYPE COMPORTANT UNE MEMBRANE 12 AYANT UNE PARTIE SENSIBLE DEFORMABLE SOUS L'EFFET DE LA PRESSION A MESURER ET AU MOINS UNE RESISTANCE ELECTRIQUE 16 FIXEE SUR L'UNE DES FACES DE LA MEMBRANE, SUBISSANT DES VARIATIONS DE VALEUR DE RESISTANCE ELECTRIQUE SOUS L'EFFET DES VARIATIONS DE LA PRESSION. LE CAPTEUR COMPORTE DES MOYENS DE MESURE DE LA TEMPERATURE DE LA MEMBRANE 12, CONSTITUES PAR AU MOINS UNE RESISTANCE ELECTRIQUE 24 FIXEE SUR LA PARTIE SENSIBLE DE LA MEMBRANE, LA VALEUR DE CETTE RESISTANCE ELECTRIQUE DEPENDANT DES VARIATIONS DE TEMPERATURE DE LA MEMBRANE ET ETANT PRATIQUEMENT INSENSIBLE AUX VARIATIONS DE LADITE PRESSION.

Description

La présente invention a pour objet un capteur de pression comportant des

moyens de mesure de la température insensibles aux variations de pression Le capteur de pression est du type comportant une membrane élastiquement déformable par la pression et sur laquelle ont été déposées des résistances électriques. Pour les mesures de pression, on utilise couramment des capteurs constitués d'une membrane souple, généralement circulaire, qui se déforme sous l'effet de la pression Des résistances électriques sont fixées sur la membrane, pour détecter et mesurer les déformations Elles peuvent être directement déposées sur la membrane, par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique Les résistances peuvent également être déposées sur un support souple, tel que du Mylar Ce support est ensuite collé sur la membrane élastiquement déformable sous l'effet des variations de pression Les résistances peuvent prendre différentes formes, les plus courantes ayant la forme de peignes ou de cercles La face de la membrane supportant les résistances est maintenue sous vide à l'intérieur d'un bottier Sous l'effet de la pression, les résistances subissent des modifications de leurs dimensions de la même manière que la membrane Il en résulte des variations correspondantes de leurs valeurs de résistance électrique Ces valeurs sont mesurées pour déterminer,

après étalonnage, les variations de pression correspondantes.

Généralement, on dispose de quatre résistances électriques montées en pont de Wheatstone On mesure dans ce cas les tensions électriques aux bornes du pont En pratique, les résistances électriques sont non seulement sensibles aux variations de pression, mais également aux variations de température Il en résulte qu' à pression constante, on recueille aux bornes du pont de Wheatstone une variation de tension lorsque la température varie Pour compenser les effets thermiques, on ajoute couramment dans le circuit de mesure des résistances électriques supplémentaires, dont les valeurs et les coefficients de température sont choisis de façon à obtenir une compensation globale de 'température Pour ce faire, on mesure la tension de déséquilibre du pont de Wheatstone en fonction de la température, la pression restant constante On détermine ainsi la loi de variation de la tension aux bornes du pont de Wheatstone en fonction de la température On ajoute alors des résistances de compensation de façon à annuler ou a maintenir constante la tension aux bornes de mesure du pont, lorsque la température varie. Les résistances de compensation sont généralement localisées à l'extérieur du boîtier contenant sous vide la membrane et les résistances du pont de Wheatstone Il est à remarquer que la compensation des effets thermiques ainsi obtenue est uniquement une compensation statique En effet, les résistances de compensation ne sont pas situées au même endroit que les résistances de mesure formant le pont de Wheatstone De plus, la nature des résistances de compensation et des résistances de mesure est différente: les premières sont des résistances beaucoup plus massives que les résistances de mesure Il en résulte que les variations de température ne se font pas ressentir aussi rapidement sur les résistances de compensation

que sur les résistances de mesure.

L'invention fournit un capteur de pression correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il ne présente pas les inconvénients ci-dessus L'invention vise en particulier à mesurer la température de la membrane sur laquelle sont déposées les résistances de mesure de pression, de façon à fournir à l'aide du même capteur une mesure de température associée à une mesure des variations de pression La compensation en température que l'on peut effectuer sur les mesures de pression, après étalonnage du capteur, est une compensation dynamique De façon plus précise, l'invention propose un capteur de pression du type comportant une membrane ayant une partie sensible mobile sous l'effet de la pression à capter et au moins une résistance électrique fixée sur l'une des faces de ladite membrane, subissant une variation de valeur de résistance électrique sous l'effet de variations de ladite pression, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de la température de la membrane, constitués par au moins une résistance électrique fixée sur ladite partie sensible de-la membrane, la valeur de la résistance électrique desdits moyens dépendant des variations de température de la membrane et étant

pratiquement insensible aux variations de ladite pression.

Selon un premier mode de réalisation, on utilise deux résistances électriques dont les variations de dimensions, dues aux variations de pressions, sont égales et opposées Il en résulte que les variations de valeurs de résistances électriques sont dues uniquement à la température, si l'on mesure la valeur

globale des deux résistances.

Selon un deuxième mode de réalisation, les deux résistances électriques utilisées sont les résistances de l'une des deux branches du pont de Wheatstone utilisé pour la mesure' des variations de pressions On peut remarquer que la mesure de température peut être faite alternativement à l'aide des deux

branches du pont.

Selon un troisième mode de réalisation, on utilise une seule résistance électrique située sur une partie du lieu géométrique

des points d'inflexion de la membrane ou à cheval sur ce lieu.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description

qui suit de modes d'exécution de l'invention donnés à titre

d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins

qui l'accompagnent dans lesquels la figure 1 représente schématiquement la partie sensible d'un capteur de pression, comportant des éléments de mesure de la température, la figure 2 représente le schéma électrique utilisé en liaison avec des capteurs montrés schématiquement sur les figures 1 et 6, la figure 3 représente, en coupe et pour la moitié de la membrane seulement, la déformation de la membrane du capteur sous l'effet de la pression, la figure 4 montre la disposition-des résistances sur la membrane pour un autre mode de réalisation déterminé, la figure 5 est le schéma électrique du capteur de la figure 4, et la figure 6 montre deux autres variantes de disposition des résistances électriques utilisées pour la mesure de température. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement en vue écorchée la partie sensible d'un capteur de pression Cette partie comporte un cylindre 10 fermé à son extrémité supérieure par un disque aminci 12 La pression que l'on veut mesurer s'exerce selon les flèches P La face extérieure du disque 12, est contenue dans une enceinte 14 que l'on a représenté très schématiquement en pointillé sur la figure 1 L'intérieur de l'enceinte 14 est placé sous vide d'air L'épaisseur du disque 12 ou membrane dépend des valeurs de la pression que l'on veut mesurer Plus l'épaisseur du disque est grande, plus les

pressions que l'on peut mesurer sont importantes, et inversement.

Sur la face extérieure du disque 12, c'est-à-dire sur la face opposée à la face du disque soumise à la pression, des résistances 16, 18, 20 et 22 ont été déposées Ces résistances peuvent avoir été déposées directement sur cette face, par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique Une autre facon de procéder consiste à les déposer au préalable sur un support souple, tel que par exemple, du Mylar, et à les coller ensuite sur la face extérieure du disque La forme des résistances électriques peut être quelconque; celle représentée sur la figure 1 est utilisée couramment, de même que des configurations en forme de peignes ou de forme rectiligne Ces résistances électriques constituent les moyens de mesure de la pression En effet, le disque 12 subit une déformation élastique lorsque la pression est appliquée sur sa face interne Il en résulte une modification des dimensions géométriques des résistances 16 à 22 et, en conséquence, une variation de la valeur de leur résistance électrique Les résistances électriques 16 à 22 sont montées en pont de Wheatstone, tel que représentées sur la figure 2 Les deux branches du pont sont constituées d'une part par les résistances 16 et 22 et, d'autre part, par les résistances 18 et 20 Le pont est alimenté en courant électrique entre les bornes 34 et 36 à l'aide d'une source de courant électrique 28, telle qu'un accumulateur ou une source électrique de tension stabilisée La mesure de la tension de déséquilibre du pont est effectuée entre les bornes 30 et 32 Cette tension de déséquilibre fournit une mesure des variations de pression Ce type de capteur de pression, comportant des résistances électriques montées en pont de Wheatstone est utilisé couramment

dans l'industrie.

Selon un mode de réalisation de l'invention, deux résistances 24 et 26 sont déposées sur la surface extérieure du disque 12 en des endroits choisis de telle sorte que les variations de dimensions géométriques des deux résistances 24 et 26 soient égales et de sens opposé lorsque la pression varie et lorsque la température est constante Il en résulte qu'en connectant ces deux résistances en série et en mesurant la valeur de leur résistance électrique globale, les changements de résistance électrique sont dus uniquement aux variations de température et non plus aux variations de pression Le montage électrique des deux résistances 24 et 26 est montré sur la partie droite de la figure 2 Ces deux résistances 24 et 26 sont connectées en série, d'une part, à un générateur de courant 38 et, d'autre part, à un voltmètre 40 permettant de mesurer les variations de tension aux bornes de l'ensemble des deux résistances 24 et 26. Pour positionner ces deux résistances sur le disque 12, on dépose l'une des résistances à un endroit subissant une compression alors que l'autre résistance est déposée à un endroit subissant une extension En se reportant à la figure 3, 12 a et 12 b représentent schématiquement la moitié du disque respectivement au repos et déformé sous l'effet de la pression Le centre du disque est représenté par O et son rayon par OR = r La déformation d'une plaque circulaire est caractérisée par deux zones,l' une en compression qui est en fait un anneau sur le pourtour de la plaque et l'autre en extension constituée par un disque de rayon égal à 0,628 r Le cercle de rayon égal à 0,628 r est le cercle d'inflexion qui est le lieu des points de la surface du disque déformé, caractérisés par un changement de signe de la pente C'est ce qui est montré par les flèches 42 Si l'on dépose une résistance électrique dans la partie en compression, c'est-à-dire sur l'anneau compris entre les cercles des rayons r et 0, 628 r, cette résistance électrique va diminuer de valeur lorsque le disque 12 passera de la position 12 a à 12 b sous l'effet de la pression Par contre, une résistance électrique déposée dans la partie en extension du disque va voir la valeur de sa résistance électrique augmenter La diminution de dimensions géométriques de l'une peut compenser l'accroissement de dimensions géométriques de l'autre Il en résulte qu'en connectant ces deux résistances en série, la valeur globale des deux résistances électriques ne sera pas modifiée sous l'effet de la pression Par contre, leur valeur globale reste sensible aux variations de température qui modifient sensiblement de la même façon les dimensions de ces résistances Autrement dit, ces deux résistances constituent des moyens de mesure de la température indépendants des déformations du disque 12, donc indépendants des variations de pression Pour positionner les deux résistances électriques de mesure de la température, de façon qu'elles soient insensibles à la pression, on peut procéder de deux façons En premier lieu, on peut procéder expérimentalement en déposant des jauges de contrainte sur les zones en compression et en extension, en maintenant la température constante Il suffit, dans ce cas, que pour une déformation du disque 12 telle que 12 b, une jauge de contrainte placée dans la zone en compression fournisse une mesure égale mais de -sens opposée à celle d'une jauge de contrainte placée dans la zone en extension On peut également procéder par calcul Pour cela, il est nécessaire de calculer les déformations que subit le disque 12 sous l'effet de la pression L'étude mathématique des déformations d'une plaque circulaire à bord encastré est faite, par exemple, dans le livre intitulé " Théorie des Plaques et Coques" par S TIMOSHENKO et

S WOINOWSKI-KRIEGER, publié par la Librairie polytechnique Ch.

BERANGER en 1961 Cette étude mathématique est donnée au

paragraphe 16, pages 54 à 56 de cet ouvrage.

On peut remarquer que la membrane 12 supportant les résistances n'est pas nécessairement circulaire Elle peut, par exemple, avoir la forme d'une ellipse Dans -ce cas, on ne parlera plus de cercle d'inflexion, mais d' ellipse d'inflexion De façon

générale, on se référera au lieu des points d'inflexion.

La figure 4 représente schématiquement une autre disposition des résistances permettant d'effectuer une mesure de la température indépendante de la pression Pour ce faire, on utilise deux des quatre résistances électriques 44, 46, 48 et 50 La forme de ces résistances peut, comme précédemment, être quelconque On a représenté sur la figure 4, une forme de résistance utilisée habituellement Ces quatres résistances 44 à 50 sont montées en pont de Wheatstone pour la mesure de la pression telle que décrite précédemment Le cercle d'inflexion de rayon égal à 0,628 r est représenté par 52 On remarque que les deux résistances 44 et 46 sont représentées dans la zone d'extension du disque alors que les deux résistances 48 et 50 sont placées dans la zone de compression On positionne les deux résistances 44 et 48 de telle sorte qu'à température constante, la diminution de dimension géométrique de la résistance 48 soit compensée par l'augmentation des dimensions de la résistance 44 On fait de même pour les deux résistances 46 et 50 Il en résulte qu'en mesurant les variations de résistance électrique de l'ensemble des deux résistances 44 et 48 montées en série, on obtient une

mesure de la température indépendante des variations de pression.

Il en est de même de l'ensemble constitué par les deux

résistances 46 et 50 montées en série.

En se reportant à la figure 5, qui représente le schéma électrique du capteur de la figure 4, les résistances 44 à 50 sont montées en pont de lheatstone La tension de déséquilibre du pont est mesurée entre les bornes 54 et 56 Cette tension fournit une mesure de la pression Les deux résistances 44 et 48 sont -montées en série entre les bornes 58 et 60 Il en est de même des résistances 46 et 50 entre -les bornes 62 et 64 Les deux bornes 58 et 62 peuvent être court-circuitées, simultanément avec les bornes 60 et 64, grâce à des contacts 66 et 68 Un noyau magnétique 72 est relié au contact 66 et entouré par une bobine d'excitation 74 Cette dernière est reliée, d'une part à une borne à tension électrique constante, ou masse 76, et, d'autre part à la borne 78 d'une commande de multiplexage 80 Un noyau magnétique 69 est relié au contact 68 et entouré par une bobine d'excitation 70 Cette dernière est reliée, d'une part à la masse 76 et, d'autre part à la borne 78 de la commande-de multiplexage 80. La deuxième borne 82 de cette commande de multiplexage est reliée à une bobine d'excitation 84 dont l'autre extrémité est reliée à la masse 76 Un noyau magnétique 88 est placé à l'intérieur de la bobine 84 et est relié à une tige rigide 90 comportant deux contacts 92 et 94 La tige 90 comporte une partie isolante 86 de façon à isoler électriquement les deux contacts 92 et 94 Les deux contacts 92 et 94 permettent de mesurer alternativement les valeurs globales, d'une part, des résistances 44 et 48 montées en série, et d'autre part, des résistances 46 et montées en série Pour ce faire, on branche, entre les contacts 92 et 94, des moyens classiques de mesure de résistances (non représentés), tels qu'un voltmètre, aux bornes des contacts 92 et 94 En excitant la bobine 74 à l'aide de la commande de multiplexage 80, on court-circuite les bornes 58 et 62 d'une part, et 60 et 64 d'autre part Le pont de Wheatstone constitué des résistances 44 à 50 est ainsi réalisé On mesure alors la tension de déséquilibre du pont entre les bornes 54 et 56 de façon à obtenir une mesure de la pression Puis, on coupe le courant électrique dans les bobines 70 et 74 et on excite la bobine 84 dans un sens de façon à placer les contacts 92 et 94 en liaison avec les bornes 96 et 100, respectivement On peut alors mesurer les variations de résistance électrique de la branche du pont constituée par les résistances 44 et 48 Cette mesure fournit une mesure de la température En excitant la bobine 84 dans l'autre sens, par inversion de sens du courant électrique, on établit la liaison entre le contact 92 et la borne 98, d'une part, et entre le contact 94 et la borne 102 d'autre part On peut alors mesurer la résistance électrique de la deuxième branche du pont constitué par les résistances 46 et 50 On obtient ainsi une deuxième mesure de la température Au lieu d'inverser le sens du courant électrique dans la bobine 84, on pourrait utiliser une deuxième bobine (non représentée) branchée électriquement à la commande de multiplexage 80 et agissant sur la barre 90 en sens opposé à la bobine 84 En coupant le courant dans la bobine 84, on peut à nouveau exciter les bobines 70 et 74

de façon à effectuer une mesure de pression et ainsi de suite.

L'alimentation électrique du pont se fait de façon classique entre les bornes 58 et 60 ou 62 et 64 Cependant, si les mesures de température sont effectuées alternativement avec les deux branches du'pont, il est nécessaire que la branche dont on mesure la résistance soit alimentée en courant électrique Pour ce faire, on commute l'alimentation du pont entre les bornes 58 et 62 d'une part, et 60 et 64 d'autre part Il faut remarquer que cette commutation n'est pas nécessaire si -l'on n'utilise qu'une seule branche du pont pour la mesure de la température Dans ce cas, l'alimentation électrique se fait en permanence aux bornes

de cette branche (par exemple, entre 58 et 60 ou entre 62 et 64).

La figure 6 représente schématiquement une autre configuration possible des résistances pour un capteur de pression permettant la mesure simultanée de la température Sur cette figure,on a représenté les quatre résistances 104, 106, 108 et 110 montées en pont de Wheatstone pour la mesure des variations de pression Ces résistances sont connectées de la façon montrée sur la partie gauche de la figure 2 Les moyens de mesure de la température, indépendants des variations de pression, sont représentés selon un premier mode de réalisation par une résistance électrique 112 déposée sur un arc du cercle d'inflexion 116 du disque qui se déforme sous l'effet de la pression Par définition, le cercle d'inflexion ne subit aucune déformation Il en résulte que, quelle que soit la déformation du disque 12, la résistance électrique 112 ne change pas de dimensions géométriques Il en résulte qu'en mesurant la valeur de sa résistance électrique, on obtient une mesure de la température La largeur de cette résistance, qui est faible en pratique (environ 1 millimètre), a été exagérée sur la figure 6 pour mieux illustrer le mode de réalisation La résistance électrique utilisée pour la mesure de la température peut également être disposée selon un rayon du disque, à cheval sur le cercle d'inflexion, tel que représenté par la résistance 114 La partie 118 de la résistance située dans la zone de compression va subir une diminution de longueur alors que la partie 120 située dans la zone d'extension va subir une augmentation de longueur Il en résulte que la résistance électrique 114 va conserver globalement les mêmes dimensions géométriques et, de ce fait, la même valeur de résistance électrique La mesure de cette valeur fournit donc une indication de la température indépendante des variations de pression subies par le disque 120 Cette mesure peut être effectuée à l'aide du

schéma électrique représenté sur la partie droite de la figure 2.

A la place des résistances 24 et 26, on aura bien entendu, soit

la résistance 112, soit la résistance 118.

Le capteur qui vient d'être décrit fournit donc une mesure de la pression associée à une mesure de la température On remarque que la température est mesurée à l'endroit même o l'on mesure la pression De plus, les résistances électriques pour la mesure de la température peuvent être de même nature que les résistances électriques pour la mesure de la pression ll en résulte que l'inertie de ces résistances électriques en fonction de la température est identique pour toutes les résistances On remarque également que les résistances électriques sont toutes sur la membrane et qu'il n'y a plus de résistances de compensation situées à l'extérieur du bottier représenté schématiquement par 14 sur la figure 1 A partir de la détermination des variations de la valeur des résistances utilisées pour la mesure de pression en fonction de la température, on peut corriger la valeur mesurée de la pression en fonction de la température On peut donc ainsi obtenir une valeur de la pression compensée en température ainsi qu'une valeur de la température indépendante de la pression La compensation en température des valeurs de pression est une compensation dynamique si on associe au capteur des moyens de calcul appropriés qui permettent de corriger rapidement les valeurs

mesurées de la pression en fonction de la température.

Il va sans dire que la présente invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre explicatif mais nullement limitatif Dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, on a représenté une forme de résistance particulière Bien entendu, cette forme de résistance peut 9 tre différente On a également représenté à chaque fois quatre résistances montées en pont de Wheatstone pour la mesure de la pression Il est évident qu'en principe, une seule résistance suffit pour la mesure de la pression, bien qu'en pratique, la plupart des capteurs comporte des résistances montées en pont de Wheatstone Il est aussi évident qu'une branche du pont de Wheatstone peut comporter plus de deux résistances Il est à remarquer également que la forme des résistances pour la mesure de la température peut être différente de la forme des résistances utilisées pour la mesure de pressions.

Claims

REVEN Dl CATIONS

1 Capteur de pression du type comportant une membrane ( 12) ayant une partie sensible déformable sous l'el'ffet de la pression à mesurer et au moins une résistance électrique ( 16) fixée sur l'une des faces de ladite membrane, subissant des variations de valeur de résistance électrique so US l'effet des variations de ladite pression, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de la température de la membrane ( 12), constitués par au moins une résistance électrique ( 24) fixée sur ladite partie sensible de la membrane, la valeur de la résistance électrique desdits moyens dépendant des variations de température de la membrane et étant pratiquement insensible aux variations de

ladite pression.

2 Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de la température comportent au moins deux résistances électriques ( 24 et 26) montées en série et fixées sur ladite partie sensible de la membrane de part et d'autre du lieu des points d'inflexion ( 52) de sorte que les variations de dimensions desdites résistances se compensent lors de la déformation de la membrane sous

l'effet des variations de pression.

3 Capteur de pression selon la revendication 2, comportant des résistances électriques ( 44-46-48-50) constituant les deux branches ( 44- 46-48-50) d'un pont de Wheatstone pour la mesure de la pression, caractérisé en ce que lesdites résistances des moyens de mesure de la température sont les résistances ( 44-48 ou 50-46) d'au moins l'une des deux

branches du pont de Wheatstone.

4 Capteur de pression selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour mesurer alternativement une grandeur caractéristique du déséquilibre du pont pour fournir une mesure de la pression ( 72-74-66-70-69-68) et une grandeur caractéristique de la valeur de la résistance électrique d'au moins l'une des deux branches du pont pour fournir une mesure de la température, ( 84-88-90-92-94) lesdits moyens comportant une commande de

multiplexage( 80).

Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résistance électrique ( 112) desdits moyens de mesure de la température épouse la forme du lieu des points d'inflexion de la membrane et est déposée sur une partie au

moins dudit lieu des points d'inflexion.

6 Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance électrique ( 14) desdits moyens de mesure de la température a une forme symétrique par rapport

au lieu des points d'inflexion de la membrane.

7 Capteur de pression selon-la revendication 6, caractérisé en ce que ladite résistance ( 114) a une forme rectiligne d'axe longitudinal perpendiculaire au lieu des points d'inflexion

de la membrane.

8 Capteur de pression selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de la température sont constitués d'au moins une résistance électrique formée par déposition d'un matériau directement sur la membrane ou sur un support souple collé sur la membrane.

9 Capteur de pression selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que ladite membrane ( 12) est circulaire, le lieu des points d'inflexion de la membrane

étant un cercle.