FR2733047A1 - Force measurement in hostile medium like high temperature - Google Patents

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Abstract

The force detector has a piston (7) with one end (71) submitted to the force to be measured. The other piston end (72) exerts force on a liquid (17), its pressure being detected by a sensor (6), outside the hostile medium. The separation between the sensor and the second piston end defines a liquid filled volume, compressed by the piston. The hostile medium may be at an elevated temperature and the second piston end separated from the liquid by an elastic membrane (15). This produces a closed volume between piston and membrane which may be filled with glass or silica balls, of about 0.1 mm diameter. The piston may slide in a cylinder (8), separated by a container (22) formed by the membrane.

Description

CAPTEUR DE FORCE UTILISABLE
EN MILIEU HOSTILE
La présente invention concerne un capteur de force utilisable en milieu hostile, en particulier dans un milieu où la température peut varier entre 0 et 4000C.USEFUL FORCE SENSOR
IN HOSTILE AREAS
The present invention relates to a force sensor which can be used in a hostile environment, in particular in an environment where the temperature can vary between 0 and 4000C.

Les capteurs de forces actuels s'avèrent d'un emploi difficile, voire impossible, en milieu hostile. Current force sensors are difficult, if not impossible, to use in hostile environments.

Dans le cas des températures élevées, on utilise des capteurs de force basés sur la variation d'une caractéristique (capacité ou self) d'un circuit électrique qui est modifiée par le déplacement d'un élément mécanique soumis à la force à mesurer.In the case of high temperatures, force sensors are used based on the variation of a characteristic (capacity or self) of an electrical circuit which is modified by the displacement of a mechanical element subjected to the force to be measured.

L'ensemble d'un tel dispositif capteur de force opère en zone à température variable. On constate que ce type de capteur présente un phénomène d'hystérésis important lorsque la force à mesurer diminue. Cet hystérésis est fonction de la température et rend très difficile l'interprétation des signaux qu'il fournit.All of such a force sensor device operates in a variable temperature zone. It can be seen that this type of sensor exhibits a significant hysteresis phenomenon when the force to be measured decreases. This hysteresis is a function of temperature and makes it very difficult to interpret the signals it provides.

L'invention permet de remédier à cette situation grâce à un dispositif convertissant la force à mesurer en une pression mesurée par un capteur de pression situé en dehors du milieu hostile. Le dispositif comporte un organe séparateur assurant la conversion de la force à mesurer en pression de fluide. La pression est transmise jusqu'au capteur de pression grâce à un conduit de petit diamètre, ou conduit capillaire. The invention makes it possible to remedy this situation by means of a device converting the force to be measured into a pressure measured by a pressure sensor situated outside the hostile environment. The device comprises a separating member ensuring the conversion of the force to be measured into fluid pressure. The pressure is transmitted to the pressure sensor through a small diameter conduit, or capillary conduit.

Un objet de la présente invention consiste donc en un capteur de force utilisable pour mesurer une force en milieu hostile, caractérisé en ce qu'il comprend
- un piston dont une première extrémité est destinée à être soumise à ladite force et dont la deuxième extrémité exerce son action sur un liquide,
- un capteur de pression soumis à la pression dudit liquide et disposé hors du milieu hostile,
- des moyens de séparation, situés entre le capteur de pression et la deuxième extrémité du piston, délimitant un volume déterminé rempli dudit liquide qui répercute vers le capteur de pression l'action du piston sur le liquide.An object of the present invention therefore consists of a force sensor usable for measuring a force in a hostile environment, characterized in that it comprises
a piston, a first end of which is intended to be subjected to said force and the second end of which exerts its action on a liquid,
a pressure sensor subjected to the pressure of said liquid and placed outside the hostile environment,
- Separation means, located between the pressure sensor and the second end of the piston, delimiting a determined volume filled with said liquid which reflects towards the pressure sensor the action of the piston on the liquid.

Lorsque le capteur de force est destiné à mesurer une force s'exerçant dans un milieu à température élevée, le piston du capteur de force ne doit pas être en contact direct avec le liquide. En effet, lorsque la température s'élève, le liquide se dilate et, la viscosité du liquide étant fonction de la température, des problèmes d'étanchéité interviennent. Un perfectionnement de la présente invention consiste donc à interposer, entre le fluide et le piston, un volume rempli de billes qui assurent la transmission de la force à mesurer vers le liquide. When the force sensor is intended to measure a force exerted in a high temperature medium, the piston of the force sensor must not be in direct contact with the liquid. In fact, when the temperature rises, the liquid expands and, the viscosity of the liquid being a function of the temperature, sealing problems arise. An improvement of the present invention therefore consists in interposing, between the fluid and the piston, a volume filled with balls which ensure the transmission of the force to be measured towards the liquid.

Un autre objet de la présente invention consiste donc en un capteur de force tel que défini plus haut, caractérisé en ce que la deuxième extrémité du piston est séparée du liquide par une membrane déformable et par un volume fermé situé entre ladite deuxième extrémité du piston et la membrane, ce volume étant rempli de billes. Another object of the present invention therefore consists of a force sensor as defined above, characterized in that the second end of the piston is separated from the liquid by a deformable membrane and by a closed volume located between said second end of the piston and the membrane, this volume being filled with beads.

L'avantage d'utiliser des billes plutôt que du sable est que les billes permettent d'avoir beaucoup moins de friction que le sable. The advantage of using balls rather than sand is that the balls allow to have much less friction than sand.

I1 faut remarquer qu'on ne peut pas non plus utiliser un capteur de pression pour mesurer la pression directement sur la deuxième extrémité du piston, ce capteur de pression ne supportant pas les températures élevées. It should be noted that a pressure sensor cannot also be used to measure the pressure directly on the second end of the piston, this pressure sensor cannot withstand high temperatures.

Les billes utilisées sont de préférence des billes de verre ou de silice. Elles permettent d'assurer une bonne isolation thermique entre le piston et le liquide. The beads used are preferably glass or silica beads. They ensure good thermal insulation between the piston and the liquid.

Les essais réalisés avec des billes de différents diamètres ont montré que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le diamètre de ces billes est d'environ 0,1 mm. Tests carried out with balls of different diameters have shown that the best results are obtained when the diameter of these balls is approximately 0.1 mm.

De préférence, le piston est amené à coulisser dans un cylindre ou chemise solidaire des moyens de séparation. Preferably, the piston is made to slide in a cylinder or liner secured to the separation means.

Pour assurer une meilleure isolation des moyens de séparation par rapport à la température du milieu où s'exerce la force, le capteur de force selon l'invention peut comporter des moyens d'isolation thermique. To ensure better isolation of the separation means from the temperature of the medium in which the force is exerted, the force sensor according to the invention may include thermal insulation means.

Afin de ne pas être sensible aux variations de température, le capteur de force peut comprendre des moyens de maintien du liquide à température constante, par exemple grâce à au moins une résistance électrique. In order not to be sensitive to temperature variations, the force sensor may include means for maintaining the liquid at constant temperature, for example by means of at least one electrical resistance.

En outre, il peut être prévu des moyens de contrôle de la température du liquide, par exemple en utilisant un couple thermoélectrique. In addition, means may be provided for controlling the temperature of the liquid, for example by using a thermoelectric couple.

On obtient ainsi un capteur de force ne présentant pas d'hystérésis même pour de faibles forces mesurées. A force sensor is thus obtained which does not exhibit hysteresis even for low measured forces.

Un autre avantage du capteur de force selon la présente invention est qu'il est facilement miniaturisable. Another advantage of the force sensor according to the present invention is that it is easily miniaturizable.

L'invention a encore pour objet un capteur de force utilisable pour mesurer une force dans un milieu à température élevée, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour rendre la transmission de la force à mesurer, par l'intermédiaire d'un capteur de pression, indépendante de la transmission de la chaleur générée par le milieu à température élevée.  Another subject of the invention is a force sensor which can be used to measure a force in a medium at high temperature, characterized in that it comprises means for making the transmission of the force to be measured, by means of a sensor pressure, independent of the transmission of heat generated by the medium at high temperature.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée de la figure annexée qui est une vue en coupe longitudinale d'un capteur de force selon l'invention et permettant la mesure de forces s'exerçant dans un milieu à température élevée. The invention will be better understood and other advantages and features will appear on reading the description which follows, given by way of nonlimiting example, accompanied by the appended figure which is a view in longitudinal section of a sensor of force according to the invention and allowing the measurement of forces exerted in a medium at high temperature.

Sur la figure annexée, l'élément central portant la référence 2 est le corps de l'organe séparateur. In the appended figure, the central element bearing the reference 2 is the body of the separating member.

C'est une pièce métallique de forme générale cylindrique selon l'axe A du capteur de force. I1 est placé entre le talon de retenue 13 et le piston 7 qui sont également métalliques. Le piston 7, de forme cylindrique et d'axe confondu avec celui du capteur de force, présente l'une de ses extrémités, référencée 71, au milieu à température élevée pour y recevoir la force à mesurer.It is a metal part of generally cylindrical shape along the axis A of the force sensor. I1 is placed between the retaining heel 13 and the piston 7 which are also metallic. The piston 7, of cylindrical shape and axis coincident with that of the force sensor, has one of its ends, referenced 71, in the middle at high temperature to receive the force to be measured.

Son extrémité opposée, référencée 72, fait face au corps 2.Its opposite end, referenced 72, faces the body 2.

Le corps 2 est percé d'un conduit 21 de faible diamètre dont la plus grande partie se situe selon l'axe A et qui se prolonge perpendiculairement d'une partie plus petite vers un bouchon de renvoi d'angle 1 vissé dans le corps 2. The body 2 is pierced with a conduit 21 of small diameter, the largest part of which is along the axis A and which extends perpendicularly from a smaller part towards an angle return plug 1 screwed into the body 2 .

Du côté du piston 7, le conduit 21 débouche au fond d'une cuvette circulaire 22 usinée à partir de la face 23 du corps 2 qui est en regard de l'extrémité 72 du piston. Du côté du bouchon 1, le conduit 21 communique avec un tube 3 qui traverse le bouchon 1. Le tube 1 est relié à l'entrée du capteur de pression 6 qui peut être à plusieurs mètres du corps 2. I1 est par exemple métallique pour ne pas se déformer sous l'effet de la pression qu'il transmet. On the side of the piston 7, the conduit 21 opens at the bottom of a circular cup 22 machined from the face 23 of the body 2 which is opposite the end 72 of the piston. On the side of the plug 1, the conduit 21 communicates with a tube 3 which passes through the plug 1. The tube 1 is connected to the inlet of the pressure sensor 6 which can be several meters from the body 2. I1 is for example metallic for do not deform under the effect of the pressure it transmits.

Le piston 7 est coiffé par un cylindre 8 solidaire du corps 2 et peut coulisser dans ce cylindre. The piston 7 is capped by a cylinder 8 secured to the body 2 and can slide in this cylinder.

Un joint torique 10 assure l'étanchéité entre le piston et le cylindre, du côté de l'extrémité 71.An O-ring 10 seals between the piston and the cylinder, on the end 71 side.

Une membrane ondulée 15, que l'on peut se procurer dans le commerce, recouvre la face 23 du corps et ferme la cuvette 22. La membrane est rendue solidaire du corps grâce à un anneau de serrage 16 fixé sur la face 23 du corps. L'ensemble formé par la cuvette 22, le conduit 21 et le tube 3 est rempli d'un liquide 17, par exemple de l'huile. Le volume fermé limité par l'extrémité 72 du piston, la membrane 15, le cylindre 8 et l'anneau de serrage 16 est rempli de microbilles 14. Un fourreau 9 en matériau isolant thermique (par exemple en laine de verre) coiffe le piston 7 jusqu'à la hauteur du corps. A corrugated membrane 15, which is commercially available, covers the face 23 of the body and closes the bowl 22. The membrane is made integral with the body by means of a tightening ring 16 fixed on the face 23 of the body. The assembly formed by the bowl 22, the conduit 21 and the tube 3 is filled with a liquid 17, for example oil. The closed volume limited by the end 72 of the piston, the membrane 15, the cylinder 8 and the clamping ring 16 is filled with microbeads 14. A sheath 9 made of thermal insulating material (for example glass wool) covers the piston 7 to body height.

Le dispositif possède, à l'opposé du piston 7, un talon de retenue 13 relié à la face 24 du corps par un bloc rigide et isolant 12. The device has, opposite the piston 7, a retaining heel 13 connected to the face 24 of the body by a rigid and insulating block 12.

Le capteur de pression 6 est par exemple d'un type capable de mesurer des pressions de l'ordre de 400 bar. I1 est sensible à la pression du liquide présent dans le tube 3. The pressure sensor 6 is for example of a type capable of measuring pressures of the order of 400 bar. I1 is sensitive to the pressure of the liquid present in the tube 3.

Le liquide 17 est maintenu à température constante par des résistances électriques et en utilisant un couple thermoélectrique 4 pour le contrôle de cette température. The liquid 17 is maintained at constant temperature by electrical resistances and by using a thermoelectric couple 4 for the control of this temperature.

Une première résistance 5 est constituée par un fil bobiné autour du corps 2 sur la longueur correspondant au conduit 21. Cette première résistance est connectée à une alimentation électrique. A first resistor 5 is constituted by a wire wound around the body 2 over the length corresponding to the conduit 21. This first resistor is connected to an electrical supply.

Une deuxième résistance 11, également reliée à une alimentation électrique, est constituée par une bobine électrique disposée autour de la partie centrale du dispositif. Elle comporte un bourrelet latéral 18 dans l'axe du tube 3 et de la longueur du tube 3. Ceci permet de réguler plus précisément la température du liquide 17.  A second resistor 11, also connected to an electrical supply, consists of an electrical coil arranged around the central part of the device. It has a lateral bead 18 in the axis of the tube 3 and the length of the tube 3. This makes it possible to regulate the temperature of the liquid 17 more precisely.

Le couple thermoélectrique peut alors être disposé de la manière illustrée par la figure, l'une de ses extrémités pénétrant dans le corps 2 et son autre extrémité aboutissant dans le bourrelet 18 parallèlement et à proximité du tube 3. The thermoelectric couple can then be arranged in the manner illustrated by the figure, one of its ends penetrating into the body 2 and its other end ending in the bead 18 parallel and close to the tube 3.

Ce capteur de force peut être notamment utilisable en géotechnique, en géothermie, en forages profonds et en plasturgie.  This force sensor can be used in particular in geotechnics, geothermal energy, deep drilling and plastics.

Claims (12)

REVENDICATIONS 1. Capteur de force utilisable pour mesurer une force en milieu hostile, caractérisé en ce qu'il comprend 1. Force sensor usable for measuring a force in a hostile environment, characterized in that it comprises - un piston (7) dont une première extrémité (71) est destinée à être soumise à ladite force et dont la deuxième extrémité (72) exerce son action sur un liquide (17), a piston (7), a first end (71) of which is intended to be subjected to said force and the second end (72) of which acts on a liquid (17), - un capteur de pression (6) soumis à la pression dudit liquide et disposé hors du milieu hostile, - a pressure sensor (6) subjected to the pressure of said liquid and placed outside the hostile environment, - des moyens de séparation, situés entre le capteur de pression (6) et la deuxième extrémité (72) du piston (7), délimitant un volume déterminé rempli dudit liquide qui répercute vers le capteur de pression l'action du piston (7) sur le liquide. - separation means, located between the pressure sensor (6) and the second end (72) of the piston (7), delimiting a determined volume filled with said liquid which reflects towards the pressure sensor the action of the piston (7) on the liquid. 2. Capteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le milieu hostile étant un milieu à température élevée, la deuxième extrémité (72) du piston (7) est séparée du liquide (17) par une membrane déformable (15) et par un volume fermé situé entre ladite deuxième extrémité (72) du piston et la membrane (15), ce volume étant rempli de billes (14). 2. Force sensor according to claim 1, characterized in that, the hostile medium being a medium at high temperature, the second end (72) of the piston (7) is separated from the liquid (17) by a deformable membrane (15) and by a closed volume located between said second end (72) of the piston and the membrane (15), this volume being filled with balls (14). 3. Capteur de force selon la revendication 2, caractérisé en ce que les billes (14) sont en verre ou en silice. 3. Force sensor according to claim 2, characterized in that the balls (14) are made of glass or silica. 4. Capteur de force selon la revendication 3, caractérisé en ce que les billes (14) ont un diamètre d'environ 0,1 mm. 4. Force sensor according to claim 3, characterized in that the balls (14) have a diameter of about 0.1 mm. 5. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le piston (7) coulisse dans un cylindre (8) solidaire des moyens de séparation. 5. Force sensor according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the piston (7) slides in a cylinder (8) secured to the separation means. 6. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de séparation comportent une cuvette (22) située face à la membrane déformable (15) et fermée par cette membrane, et un conduit (21, 3) reliant la cuvette au capteur de pression (6), la cuvette et le conduit délimitant ledit volume déterminé de liquide. 6. Force sensor according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the separation means comprise a bowl (22) located opposite the deformable membrane (15) and closed by this membrane, and a conduit (21 , 3) connecting the bowl to the pressure sensor (6), the bowl and the conduit defining said determined volume of liquid. 7. Capteur de force selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de séparation sont constitués d'un corps (2) dans lequel est prévu la cuvette (22) et d'un conduit de prolongement (3) vers le capteur de pression pour relier la cuvette à ce capteur de pression. 7. Force sensor according to claim 6, characterized in that the separation means consist of a body (2) in which is provided the bowl (22) and an extension conduit (3) to the sensor pressure to connect the bowl to this pressure sensor. 8. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'isolation thermique (9, 12) pour isoler les moyens de séparation de la température du milieu où s'exerce la force. 8. Force sensor according to any one of claims 2 to 7, characterized in that it comprises means of thermal insulation (9, 12) for isolating the means for separating the temperature from the medium where the strength. 9. Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de maintien du liquide à température constante. 9. Force sensor according to any one of claims 2 to 8, characterized in that it comprises means for maintaining the liquid at constant temperature. 10. Capteur de force selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien du liquide à température constante comprennent au moins une résistance électrique (5, 11). 10. Force sensor according to claim 9, characterized in that said means for maintaining the liquid at constant temperature comprise at least one electrical resistance (5, 11). 11. Capteur de force selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle de la température du liquide. 11. Force sensor according to one of claims 9 or 10, characterized in that it comprises means for controlling the temperature of the liquid. 12. Capteur de force selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent un couple thermoélectrique (4).  12. Force sensor according to claim 11, characterized in that said control means comprise a thermoelectric couple (4).
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