FR2610109A1

FR2610109A1 - Device for converting a mechanical magnitude into an electrical measurement signal

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Publication number: FR2610109A1
Application number: FR8700777A
Authority: FR
Original assignee: SOVAR SARL
Current assignee: SOVAR SARL
Priority date: 1987-01-23
Filing date: 1987-01-23
Publication date: 1988-07-29
Also published as: FR2610109B1

Abstract

The invention relates to a device for converting a physical magnitude, in particular a mechanical magnitude, such as a stress existing in a solid or liquid medium, into an electrical signal which can be used for measuring, treating and/or monitoring the said stress. According to the invention, the device consists of a leaktight metal enclosure, which is subdivided by an undeformable circular metal base 2, pierced at its centre by a hole 3, into a measurement cavity proper, of smaller volume, and a reserve cavity 4, which is bell-shaped, acting as a buffer reservoir for a compressible liquid filling the two cavities, the measurement cavity proper itself being subdivided into two chambers 5 and 6, by a metal diaphragm 7, electrically connected, via an insulated conductor, to a known electronic measurement device, and being firmly attached, at its periphery, to a rigid insulating ring 9 integral with the undeformable metal base 2, the said metal diaphragm 7 constituting one of the plates of a capacitor, whose capacitance varies as a function of the deformation of the said metal membrane 7, which is subject, on its other face, to the pressure in a liquid transmitting the mechanical stress to be measured, the other plate of the capacitor being formed by the upper undeformable planar surface of the metal base 2, which is also electrically connected to the electronic measurement device.

Description

La présente invention est relative à un dispositif pour transformer une grandeur physique, notamment une grandeur mécanique, telle qu'une contrainte régnant dans un milieu solide ou liquide, en un signal électrique utilisable pour mesurer, traiter et/ou contrôler ladite contrainte. The present invention relates to a device for transforming a physical quantity, in particular a mechanical quantity, such as a stress prevailing in a solid or liquid medium, into an electrical signal usable for measuring, processing and / or controlling said stress.

Ainsi qu'on le sait, toute contrainte physique dans un solide peut être transformée en une contrainte de pression dans un liquide, par l'intermédiaire d'un convertisseur hydraulique approprié ; dans un tel cas, la mesure des forces et des contraintes revient, en général, à mesurer la pression dans un fluide hydraulique du type huile de vérin, liquide pour frein et analogue. As is known, any physical stress in a solid can be transformed into a pressure stress in a liquid, via an appropriate hydraulic converter; in such a case, the measurement of the forces and the stresses amounts, in general, to measuring the pressure in a hydraulic fluid of the cylinder oil type, brake fluid and the like.

La présente invention apporte une solution à ce problème et elle vise essentiellement à transformer en une grandeur électrique la valeur des pressions s' exerçant dans un fluide. The present invention provides a solution to this problem and it essentially aims to transform the value of the pressures exerted in a fluid into an electrical quantity.

Jusqu a présent, pour opérer une telle transformation, on a fait appel à de nombreux dispositifs, parmi lesquels les plus classiques sont basés sur la mesure.de la déformation d'une membrane métallique résistante, par l'intermédiaire de jauges de contraintes collées ou réparties sur ladite membrane, cette dernière étant, sur l'une de ses faces exposée au fluide transmettant la pression et, sur son autre face, à la pression atmosphérique de référence au lieu considéré de la mesure. Until now, to operate such a transformation, numerous devices have been used, among which the most conventional are based on the measurement of the deformation of a resistant metallic membrane, by means of bonded strain gauges or distributed over said membrane, the latter being, on one of its faces exposed to the fluid transmitting the pressure and, on its other face, at the atmospheric pressure of reference at the considered location of the measurement.

Si une telle mesure différentielle présente L'avant tage d'être extrêmement simple et d'une très bonne sensibilité, elle se heurte à des difficultés du fait que les membranes me- talliques utilises ne peuvent jamais présenter une élasticité totalement réversible, ce du fait que la déformation proprement dite provoque toujours de minimes modifications cristallines dans la structure du métal desdites membranes.En effet, ces modifications dans la texture du métal dépendent de l'importance et du nombre des différentes déformations que la membrane a subies, ces cycles de déformation ayant un caractère accumulatif chaque fois renforcé par les variations de température, s'il en existe, atteignant des maxima supérieurs à 100 C, et elles ont pour résultat un manque dè stabilité du capteur de mesure, ce qui se traduit par de fortes hystérésis, par une mauvaise constance de mesure d'une contrainte de valeur donnée, ainsi que par des dérives aléatoires dans le temps, notamment dérive de zéro et dérive de calibrage. If such a differential measurement has the advantage of being extremely simple and of very good sensitivity, it encounters difficulties because the metal membranes used can never have a fully reversible elasticity, due to the fact that the actual deformation always causes minimal crystalline modifications in the metal structure of said membranes. Indeed, these modifications in the texture of the metal depend on the importance and the number of different deformations that the membrane underwent, these deformation cycles having an accumulative character each time reinforced by the temperature variations, if there are any, reaching maxima higher than 100 C, and they result in a lack of stability of the measurement sensor, which results in strong hysteresis, by a poor constancy of measurement of a given value constraint, as well as by random drifts in time, in particular drift of zero and d calibration erive.

A tous ces inconvénients majeurs, vient encore s'ajouter le fait que les caractéristiques électriques des jauges sont par ailleurs normalement sensibles à la température et que les dilatations des membranes s'exercent toujours dans le même sens. De ce fait, on est par conséquent amené à compenser les effets des variations de température, ce qui, dans la pratique, a pour effet d'introduire encore d'autres facteurs d'incertitude quant à la précision de la mesure effectuée avec les dispositifs du type rappelé ci-dessus. To all these major drawbacks, there is also added the fact that the electrical characteristics of the gauges are moreover normally sensitive to temperature and that the expansions of the membranes are always exerted in the same direction. As a result, it is therefore necessary to compensate for the effects of temperature variations, which, in practice, has the effect of introducing still other factors of uncertainty as to the accuracy of the measurement carried out with the devices. of the type mentioned above.

D'autre part, il existe également des systèmes de transformation en grandeur électrique d'une contrainte de pression, ces dispositifs faisant appel, non pas à une membrane métallique, mais à des corps de déformation en quartz, soit cristallin, soit amorphe, lesdits systèmes présentant l'avantage d'offrir une constance ou stabilité de mesure, mais présentant par ailleurs l'inconvénient d'être d'une fabrication complexe et coûteuse, n'excluant nullement le délicat problème que pose, compte tenu de leur sensibilité à la température, la variation dans le temps de cette dernière. On the other hand, there are also systems for transforming an electrical quantity into a pressure constraint, these devices not using a metallic membrane, but quartz deformation bodies, either crystalline or amorphous, said systems having the advantage of offering constancy or stability of measurement, but also having the disadvantage of being complex and costly to manufacture, in no way excluding the delicate problem posed, given their sensitivity to temperature, the variation over time of the latter.

La présente invention remédie aux inconvénients des dispositifs connus et elle vise la réalisation d'un transforma teur de contrainte mécanique qui non seulement ne présente pas des inconvénients des dispositifs connus de l'état de la technique passés en revue ci-dessus, mais procure par ailleurs de nombreux avantages, tant du point de vue technique de fonctionnement qu'au point de vue technique de fabrication. The present invention overcomes the drawbacks of the known devices and it aims to produce a mechanical stress transformer which not only does not have the drawbacks of the devices known from the prior art reviewed above, but also provides elsewhere many advantages, both from a technical operating point of view and from a technical manufacturing point of view.

L'invention vise de plus un liquide hydraulique de composition particulière, apte a être utilisé avec avantage dans le dispositif conforme à l'invention, ainsi que son procédé de préparation. The invention further relates to a hydraulic liquid of particular composition, suitable for use with advantage in the device according to the invention, as well as its preparation process.

Selon une caractéristique essentiellè de l'invention, le dispositif transformateur de contrainte mécanique en grandeur électrique aisément mesurable à l'aide d'un système de mesure connu, est essentiellement constitué par une enceinte métallique étanche subdivisée, par une embase métallique indéfor mable percée d'un trou, en une cavité de mesure proprement dite de volume réduit et en une cavité de réserve servant de réservoir-tampon pour un liquide compressible remplissant les deux cavités, la cavité de mesure proprement dite étant elle-m.ême subdivisée en deux chambres par une membrane métallique électriquement reliée, par un conducteur isolé, à un dispositif électronique de mesure, et étant solidement assujettie, à sa périphérie, sur une bague isolante rigide solidarisée avec l'embase métallique indéformable, ladite membrane métallique constituant l'une des plaques d'un condensateur dont la capacité varie en fonction de la déformation de ladite membrane métallique soumise, sur son autre face, à la pression du liquide transmettant la contrainte mécanique à mesurer, l'autre plaque du condensateur étant formée par la surface plane indéformable de l'embase métallique qui est également électriquement reliée au dispositif électronique de mesure. According to an essential characteristic of the invention, the device for transforming mechanical stress into an electrical quantity easily measurable using a known measurement system, essentially consists of a sealed metal enclosure subdivided by an indefinable metal base pierced with '' a hole, in a measurement cavity proper of reduced volume and in a reserve cavity serving as buffer tank for a compressible liquid filling the two cavities, the measurement cavity itself being itself subdivided into two chambers by a metal membrane electrically connected, by an insulated conductor, to an electronic measuring device, and being firmly secured, at its periphery, on a rigid insulating ring secured to the non-deformable metal base, said metal membrane constituting one of the plates of a capacitor whose capacity varies as a function of the deformation of said subjected metallic membrane, on its a on the other side, at the pressure of the liquid transmitting the mechanical stress to be measured, the other plate of the capacitor being formed by the flat non-deformable surface of the metal base which is also electrically connected to the electronic measuring device.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la membrane métallique est réalisée dans une feuille de faible épaisseur, en un métal bon conducteur de l'électricité, par exemple en cuivre. According to another characteristic of the invention, the metal membrane is made of a thin sheet, of a metal which is a good conductor of electricity, for example copper.

Selon une forme de réalisation possible de 1 'inven- tion, la membrane soumise aux contraintes à mesurer est réa- lisée en une plaque de matière plastique rigide qui est revêtue, sur sa face tournée vers l'embase du dispositif, d'une mince couche métallique réalisée par exemple en or. According to a possible embodiment of the invention, the membrane subjected to the stresses to be measured is made of a plate of rigid plastic material which is coated, on its face facing the base of the device, with a thin metallic layer made, for example, of gold.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en regard du dessin annexé qui représente, schématiquement et simplement à titre d'exemple, un mode de réalisation du transformateur de contrainte mécanique. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows with reference to the appended drawing which shows, schematically and simply by way of example, an embodiment of the mechanical stress transformer.

Sur ce dessin
La Fig. 1 est une vue en coupe axiale du dispositif ayant en
plan une structure circulaire ;
La Fig. 2 est, à plus grande échelle, une vue en coupe axiale
de la partie du dispositif qui est encadrée dans le
cartouche (A) de la figure 1, et montrant plus parti
culièrement une liaison verre-métal pour le passage
étanche d'un conducteur, non représenté par raison de
netteté à la Fig. 1. On this drawing
Fig. 1 is an axial sectional view of the device having
plan a circular structure;
Fig. 2 is, on a larger scale, an axial section view
of the part of the device that is framed in the
cartridge (A) of figure 1, and showing more gone
especially a glass-metal connection for the passage
waterproof conductor, not shown by reason of
sharpness in Fig. 1.

Dans la forme de réalisation qui est illustrée à la figure 1, le dispositif transformateur de contrainte mécanique en grandeur électrique, aisément mesurable à l'aide d'un système de mesure connu,-est essentiellement constitué par une enceinte métallique étanche désignée dans son ensemble sur le dessin par la référence 1 et subdivisée, par une embase métallique 2 circulaire indéformable, percée en son centre d'un trou 3, en une cavité de mesure proprement dite de volume ré- duit et en une cavité de réserve 4 en forme de cloche servant de réservoir-tampon pour un liquide compressible remplissant les deux cavités, la cavité de mesure proprement dite étant elle-même subdivisée en deux chambres 5 et 6 par une membrane métallique 7 électriquement reliée, par un conducteur 8 isolé (cf. figure 2), à un dispositif électronique de mesure connu, et étant solidement assujettie, à sa périphérie, sur une bague isolante rigide 9 solidarisée avec l'embase métallique indéformable 2, ladite membrane métallique 7 constituant l'une des plaques d'un condensateur dont la capacité varie en fonction de la déformation de ladite membrane métallique 7 soumise, sur son autre face, à la pression du liquide transmettant la contrainte mécanique à mesurer, l'autre plaque du condensateur étant formée par la surface plane supérieure de l'embase métallique 2 indéformable, qui est également électriquement reliée au dispositif électronique de mesure. In the embodiment which is illustrated in FIG. 1, the device for transforming mechanical stress into an electrical quantity, easily measurable using a known measurement system, is essentially constituted by a sealed metallic enclosure designated as a whole. in the drawing by the reference 1 and subdivided, by a non-deformable circular metal base 2, pierced in its center with a hole 3, in a measurement cavity proper of reduced volume and in a reserve cavity 4 in the form of bell serving as a buffer tank for a compressible liquid filling the two cavities, the actual measurement cavity being itself subdivided into two chambers 5 and 6 by an electrically connected metal membrane 7, by an insulated conductor (cf. FIG. 2 ), to a known electronic measuring device, and being securely fastened, at its periphery, to a rigid insulating ring 9 secured to the non-deformable metal base 2, said membrane mé sheet metal 7 constituting one of the plates of a capacitor whose capacity varies as a function of the deformation of said metal membrane 7 subjected, on its other face, to the pressure of the liquid transmitting the mechanical stress to be measured, the other plate of the capacitor being formed by the upper flat surface of the non-deformable metal base 2, which is also electrically connected to the electronic measuring device.

La cloche 4 formant la capacité de réserve pour le liquide hydraulique utlisé comporte à son sommet, sur sa paroi frontale, un renfort 10 permettant la mise en place d'un ajutage 11 à robinet, ayant de préférence la forme d'un raccord rapide à soupape étanche, ledit ajutage permettant, comme l'ajutage homologue 12 solidarisé avec le capot 13, de faire le vide dans les cavités 6, 5 et 4 du dispositif, avant de remplir simultanément ces dernières avec le liquide hydraulique utilisé pour la transmission de la contrainte mécanique à mesurer. The bell 4 forming the reserve capacity for the hydraulic fluid used has at its top, on its front wall, a reinforcement 10 allowing the fitting of a nozzle 11 with tap, preferably having the form of a quick coupling to sealed valve, said nozzle making it possible, like the homologous nozzle 12 secured to the cover 13, to create a vacuum in the cavities 6, 5 and 4 of the device, before simultaneously filling the latter with the hydraulic liquid used for the transmission of the mechanical stress to be measured.

Le capot 13, réalisé massif, comporte un bord renforcé pourvu d'alésages taraudés pour la mise en place de vis de serrage 13' solidarisant ledit capot 13 avec 1 'embase 2 supportant de son côté la cloche 4. The cover 13, made solid, has a reinforced edge provided with tapped bores for the fitting of clamping screws 13 ′ securing said cover 13 with the base 2 supporting on its side the bell 4.

Dans une forme de réalisation avantageuse de 1 'i nven- tion, tous les éléments solidarisés entre eux sont fixés par collage, 1 'embase 2 étant notamment pourvue colle sur l'annea de contact et de fixation avec le capot 13. De même, la rondelle-joint 9 supportant la plaque métallique 7 est collée avec cette dernière, d'une part, mais également avec 1 'em- base 2, d'autre part. On obtient ainsi une liaison satisfaisante aux exigences de la pratique. In an advantageous embodiment of the invention, all the elements joined to one another are fixed by gluing, the base 2 being in particular provided with adhesive on the contact and fixing ring with the cover 13. Similarly, the seal washer 9 supporting the metal plate 7 is glued with the latter, on the one hand, but also with the base 2, on the other hand. This gives a satisfactory connection to the requirements of the practice.

Comme on peut le voir à plus grande échelle à la figure 2, la plaque métallique 7 est reliée, par un fil conducteur isolant 8 à l'une des bornes du dispositif électronique e mesure. As can be seen on a larger scale in FIG. 2, the metal plate 7 is connected, by an insulating conductive wire 8 to one of the terminals of the electronic measurement device.

Pour assurer un passage étanche du conducteur 8 à travers la paroi épaisse du couvercle 13 , il est prévu une liaison verre-métal, désignée par 14 à la figure 2. To ensure a tight passage of the conductor 8 through the thick wall of the cover 13, a glass-metal connection is provided, designated by 14 in FIG. 2.

Quant au fil métallique 8, il est relié par soudure et collage à la plaque métallique 7, entre cette dernière et le joint périphérique rigide 9. As for the metal wire 8, it is connected by welding and bonding to the metal plate 7, between the latter and the rigid peripheral seal 9.

Comme on l'a indiqué précédemment, le dispositif conforme à l'invention prévoit l'utilisation d'un liquide hydraulique de type particulier, destiné à remplir les cavités 4 et 5 du dispositif, la cavité 6 et le circuit partent de 12 sont remplis d'huile hydraulique ordinaire. As previously indicated, the device according to the invention provides for the use of a hydraulic fluid of a particular type, intended to fill the cavities 4 and 5 of the device, the cavity 6 and the circuit start from 12 are filled. ordinary hydraulic oil.

Le liquide compressible, destiné à servir de diélectrique pour le condensateur de mesure, dont la variation de capacité identifie les variations des contraintes transmises à la plaque métallique 7, est caractérisé par le fait qu'il est essentiellement constitué par de l'huile de ricin de pureté pharmaceutique contenant, en suspension aussi homogène que possible, des particules de biotite. The compressible liquid, intended to serve as a dielectric for the measurement capacitor, the variation in capacity of which identifies the variations in the stresses transmitted to the metal plate 7, is characterized by the fact that it essentially consists of castor oil of pharmaceutical purity containing, in suspension as homogeneous as possible, particles of biotite.

Comme on le sait, la biotite ou mica noir est un minéral cristallisant dans le système monoclinique et essentiellement caractérisé par sa structure feuilletée et ses propriétés diélectriques. As we know, biotite or black mica is a mineral crystallizing in the monoclinic system and essentially characterized by its laminated structure and its dielectric properties.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'huile de ricin utilisée renferme, pour 5 à 10 grammes environ, une quantité de particules de biotite de 100 à 200 milligrammes, de préférence de 100 à 150 mg, pour 5 centilitres de liquide. According to another characteristic of the invention, the castor oil used contains, for approximately 5 to 10 grams, an amount of biotite particles of 100 to 200 milligrams, preferably 100 to 150 mg, for 5 centiliters of liquid.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les particules de biotite que l'huile renferme en suspension homogène présentent une granulométrie de 0,2 à 0,5 millimètre. According to another characteristic of the invention, the particles of biotite that the oil contains in homogeneous suspension have a particle size of 0.2 to 0.5 millimeter.

Quant au procédé à mettre en oeuvre pour la préparation de l'huile diélectrique utilisée comme liquide hydraulique, il est caractérisé par le fait que l'on place dans un mortier, de préférence en porcelaine, des fragments de biotite, qu'on les broie finement, qu'on sasse lesdites particules dans un tamis à mailles de 0,5 mm et qu'après avoir renvoyé le refus de tamisage au stade du broyage, on verse les particules dans de l'huile de ricin à raison de 150 milligrammes de particules pour 5 centilitres d'huile et qu'on homogénéise le tout, avant utilisation, dans un mélangeur à lame, sous vide. As for the process to be used for the preparation of the dielectric oil used as hydraulic fluid, it is characterized by the fact that biotite fragments are placed in a mortar, preferably made of porcelain, and that they are ground finely, that the said particles are sieved in a sieve with a 0.5 mm mesh and that after having returned the rejection of sieving to the grinding stage, the particles are poured into castor oil at the rate of 150 milligrams particles per 5 centilitres of oil and homogenize everything, before use, in a blade mixer, under vacuum.

Il va de soi que le dispositif transformateur de contrainte n'a été décrit et représenté qu'à titre purement explicatif, nullement limitatif, et que diverses modifications de détail pourraient être apportées à la forme de réalisation indiquée, sans que l'on sorte pour autant du domaine de 1 'inven- tion. It goes without saying that the stress transformer device has only been described and shown for purely explanatory purposes, in no way limiting, and that various modifications of detail could be made to the embodiment indicated, without going so far as to as much in the field of invention.

Claims

1. Device for transforming mechanical stress into an electrical signal, characterized by the fact that it is constituted by a sealed metallic enclosure subdivided by a metallic, non-deformable circular base (2), pierced in its center with a hole (3), an actual measuring cavity, of reduced volume, and a bell-shaped reserve cavity (4) serving as a buffer tank for a compressible liquid filling the two cavities, the actual measuring cavity being itself subdivided into two chambers (5 and 6) by a metal membrane (7) electrically connected, by an insulated conductor (8) (cf. FIG. 2), to a known electronic measuring device, and being firmly secured, at its periphery, on a rigid insulating ring (9) secured to the non-deformable metal base (2), said metal membrane (7) constituting one of the plates of a capacitor whose capacity varies as a function of the deformation of said metal membrane (7 ) subm ise, on its other face, to the pressure of the liquid transmitting the mechanical stress to be measured, the other plate of the capacitor being formed by the flat non-deformable flat surface of the metal base (2) which is also electrically connected to the electronic device for measured.

2. A device for transforming mechanical stress into an electrical signal, according to claim 1, characterized in that the metal membrane (7) is produced in a thin sheet, of a metal which is a good conductor of electricity, for example copper. .

3. A device for transforming mechanical stress into an electrical signal, according to claims 1 and 2, characterized in that the membrane (i) subjected to the stresses to be measured is made of a rigid plastic plate which is coated on its turned side. towards the base (2) of the device, with a thin metallic layer made for example of gold.

4. Device for transforming a stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bell (4), forming a buffer container for the hydraulic fluid used, has, at its front end, a reinforcement (10 ) allowing the installation of a nozzle (11) controlled by a valve and having, preferably, the shape of a quick connection of great tightness, said nozzle allowing, like 1 homologous nozzle (12) integral with the cover (13), to create a vacuum in the cavities (6, 5 and 4) of the device, before simultaneously filling the latter with the hydraulic fluid used.

5. Device for transforming a stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cover (13), made solid, has a reinforced edge provided with tapped bores for the installation of screws. clamping (13 ') securing the cover (13) with the base (2) supporting on its side the bell (4).

6. Device for transforming a stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 5, characterized in that all of the elements secured to one another are fixed by bonding, the base (2) being in particular provided with adhesive on the ring. contact and fixing with the cover (13).

7. device for converting a stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 6, characterized in that the seal ring or washer (9) supporting the metal plate (7) is bonded not only with the latter, d on the one hand, but also with the rigid base (2) on the other.

8. Device for transforming mechanical stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 7, characterized in that the metal plate (7) is connected, by an insulating conductive wire (8) to one of the terminals of the device measurement electronics.

9. A device for transforming mechanical stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 8, characterized in that a glass-metal connection (14) is provided for the passage of the conductive wire (8) through the wall of the cover. (13).

10. Device for transforming mechanical stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 9, characterized in that the metal wire (8) is connected by welding and bonding to the metal plate (7), between the latter and the rigid peripheral seal (9).

11. Device for transforming mechanical stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 10, characterized in that the compressible liquid which it contains consists of castor oil of pharmaceutical purity containing, also in homogeneous suspension as possible, biotite particles.

12. Device for transforming mechanical stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 11, characterized in that the castor oil it contains contains, for approximately 5 to 10 grams, an amount of biotite particles of 100 to 200 milligrams, preferably 100 to 150 mg.

13. Device for transforming mechanical stress into an electrical signal according to one of claims 1 to 12, characterized in that the biotite particles contained in the oil have a size of 0.2 to 0.5 millimeters.