FR2959309A1 - Dispositif de mesure combinee de pression et de temperature faiblement intrusif - Google Patents

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Abstract

Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné, comportant un corps d'épreuve (2) d'axe longitudinal (X), apte à se déformer longitudinalement sous l'effet des efforts de pression, un élément sensible (7) interposé entre une première extrémité longitudinale du corps d'épreuve (2) et le milieu et solidaire mécaniquement du corps d'épreuve (2), ledit élément sensible (7) ayant une face sensible (7.1) en contact avec le milieu, au moins un premier transducteur (6) solidaire mécaniquement du corps d'épreuve (2), et au moins un deuxième transducteur (10) mécaniquement isolée du corps d'épreuve (2) et disposée le long dudit premier transducteur (6) et près de celui-ci, et un système de traitement des informations délivrées par les premier et deuxième transducteurs.

Description

DISPOSITIF DE MESURE COMBINÉE DE PRESSION ET DE TEMPERATURE FAIBLEMENT INTRUSIF
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure combinée de pression et de température permettant des mesures locales et présentant un caractère peu intrusif. Dans le domaine de la fabrication de pièces de type composite par exemple à matrice thermodurcissable obtenues par moulage, par exemple mettant en oeuvre des moules RTM (Resin Transfer Moulding) ou dans les outils autoclaves, il est intéressant d'effectuer une surveillance in situ lors de la fabrication (moulage), i.e. au sein de l'outillage par exemple du moule lorsque celui est complètement fermé, afin de connaître des informations sur le déroulement du procédé, notamment sur celui des différentes phases du procédé de fabrication (moulage) comme l'injection de résine et les différentes phases de cuisson ou au niveau des zones de formes complexes du moule telles que les congés de raccordement et de manière générale les incidents de géométrie. Ces informations permettent de connaître la pression hydrostatique lorsque la matière s'écoule en phase liquide dans le moule et la pression de contact lorsque la matière se solidifie. La mesure de la pression de contact permet par exemple de détecter si un retrait de matière apparaît lors de la phase de solidification. Sur la base de ces informations, une démarche d'amélioration continue des procédés de fabrication, par exemple dans une démarche de maîtrise statistique des procédés, peut être conduite. Mais une telle démarche n'est réellement efficace que si les informations collectées sont effectivement représentatives du déroulement réel du procédé.
Un autre domaine concerné par ces mesures locales est le laminage (à chaud ou à froid), il peut être intéressant de connaître la pression de contact entre les cylindres de travail du laminoir et le matériau laminé. D'une part, les températures auxquelles se déroulent ces procédés sont élevées, par exemple supérieures à 240°C, voire atteindre 600°C dans le cas du laminage à chaud de l'acier. D'autre part, il est préférable que la présence des moyens de mesure soit pratiquement invisible pour le procédé afin de ne pas perturber son déroulement. Cependant, les moyens de mesure doivent présenter une sensibilité suffisante pour détecter de faibles variations de pression, par exemple de l'ordre de 0,1 bar dans un procédé autoclave ou RTM. Or une telle sensibilité requiert pour les capteurs de l'état de la technique une surface sensible de taille importante. Par ailleurs, on souhaite pouvoir disposer ces moyens de mesure dans des zones de formes complexes, telles que les congés de raccordement dont certains présentent un rayon de courbure inférieur à 5 mm. Si les moyens de mesure modifient la géométrie intérieure du moule, les paramètres de mise en forme des matériaux peuvent être perturbés de façon significative et les mesures effectuées peuvent alors ne pas être représentatives de la réalité des procédés mis en oeuvre. Les capteurs de l'état de la technique ne permettent pas de façon générale d'obtenir ces informations dans les conditions de fabrication précitées, en particulier s'agissant de mesures statiques dans des champs de température pouvant atteindre et dépasser 240°C. Tout d'abord, il existe peu de capteurs permettant de mesurer à la fois la pression et la température. Par conséquent, le recours à des capteurs traditionnels imposerait la mise en oeuvre d'un capteur de température et d'un capteur de pression distincts; or la présence de deux capteurs n'est pas envisageable car le capteur de température serait nécessairement éloigné du lieu où le capteur de pression mesure la pression : la température mesurée peut dans ce cas être significativement différente de celle du lieu où la pression est mesurée, en particulier en présence de gradients thermiques, ce qui peut entraîner une erreur sur la compréhension des mécanismes des procédés. Par ailleurs, les capteurs de pression traditionnels présentent une surface sensible de taille importante par rapport aux rayons de courbure des congés de raccordement, typiquement de l'ordre de 5 mm en diamètre, alors que les congés de raccordement peuvent présenter un rayon de courbure de quelques millimètres seulement. Dans le cas où la taille de la surface sensible devient acceptable et en rapport avec les rayons de courbure des congés de raccordement où ils peuvent se loger, la résolution de mesure n'est alors plus suffisante, en particulier si cette mesure doit être réalisée en conditions statiques. Nous rappelons qu'une résolution de l'ordre 0,1 bar est recherchée pour une surface sensible de capteur typique de l'ordre de 2 mm en diamètre. Les capteurs à base de microsystèmes électromécaniques peuvent offrir une telle résolution et une surface sensible de taille acceptable. En revanche, la température à laquelle ils peuvent fonctionner en continu est bien inférieure aux températures maximales de déroulement des procédés énoncés ci-dessus. Les capteurs à fibres optiques mettent généralement en oeuvre un transducteur de compensation thermique, isolé des déformations mécaniques, permettant non seulement une compensation des effets thermiques du transducteur de mesure des variations de déformations mécaniques, mais aussi la mesure des variations de température. Or généralement, ce dernier est trop éloigné du transducteur de mesure des variations de déformations mécaniques et n'offre donc pas, dans les milieux où il existe des gradients de température, une mesure exacte de la température du lieu où la variation de déformation mécanique est mesurée, ni une compensation exacte des effets thermiques. Un tel dispositif utilisant des réseaux de Bragg en tant que transducteurs est décrit dans le document FR2854689.
Le document W02006/005210 décrit un dispositif de mesure de pression piézoélectrique pour mesurer la pression de l'injection de la matière dans un moule, le capteur affleurant la paroi d'un moule. Cependant, ce dispositif ne permet pas la mesure de la température. De plus, les capteurs piézoélectriques ne présentent pas des caractéristiques suffisantes pour les mesures en conditions statiques sur plusieurs heures en continu que l'on souhaite effectuer pour les procédés RTM ou autoclave. Il existe également des capteurs à cavité Fabry-Perrot qui sont peu intrusifs et qui offrent une résolution suffisante. Cependant, ils ne sont pas tolérants en cas de perte de signal, la mesure reposant sur un principe de mesure de la phase optique qui est systématiquement perdue en cas de déconnexion optique ; de plus leur sensibilité n'est pas constante, leur réponse étant de forme sinusoïdale. Il n'existe donc pas de solution pour réaliser sur plusieurs heures en continu des mesures précises de pression et de température in situ dans les congés de raccordement et plus généralement les incidents de géométrie, dans le cadre de la surveillance des procédés de fabrication de type RTM ou autoclave. La solution adoptée jusque là consiste généralement à positionner des capteurs de mesure en amont des outillages, sur la (ou les) ligne(s) d'alimentation en résine pour le cas du RTM (pression d'injection), ou bien en un point à l'intérieur de l'autoclave (mesure de la pression régnant dans l'autoclave), donnant une mesure globale de la pression ou de la température internes. Cependant, ces informations sont insuffisantes pour acquérir une connaissance intime des conditions de fabrication des pièces, car ce sont des mesures globales et déportées, et non des mesures locales et spécifiques à des emplacements précis au plus près des pièces fabriquées. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif de mesure de variations de pression et de température peu intrusif, adapté à un fonctionnement à des températures élevées pouvant atteindre et dépasser 240°C en continu, et offrant une très bonne résolution de mesure. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif de mesure comportant un corps d'épreuve se déformant dans son domaine élastique sous l'effet de la pression de contact, le corps d'épreuve comportant une extrémité destinée à être soumise à la pression de contact à mesurer, au moins un transducteur, ledit transducteur étant soit un réseau de Bragg photo-inscrit dans une fibre optique associé à son système optoélectronique de mesure permettant d'en mesurer la longueur d'onde de Bragg caractéristique, soit une fibre optique monomode ou multimode associée à une technique de mesure par réflectométrie Rayleigh OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry û Réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel), l'autre partie du transducteur étant soumise à une pression de référence constante pouvant être nulle, ou encore à la pression atmosphérique, le transducteur étant monté sur le corps d'épreuve de manière à subir les déformations du corps d'épreuve, des moyens de compensation de la température formés soit par un réseau de Bragg photo-inscrit dans une fibre optique, ledit réseau de Bragg isolé des déformations mécaniques du corps d'épreuve dans le cas d'un transducteur à réseau de Bragg, soit par une fibre optique isolée des déformations mécaniques du corps d'épreuve dans le cas de la technique de mesure par réflectométrie OFDR, le transducteur de compensation des effets thermiques étant situé le long du transducteur de mesure des déformations mécaniques, sensiblement à proximité de celui-ci pour être soumis sensiblement à la même température et aux mêmes gradients de température. En d'autres termes, on utilise au moins deux fibres optiques sensibles à la déformation mécanique et à la température que l'on dispose parallèlement l'une à côté de l'autre de sorte qu'elles se trouvent dans les mêmes conditions de température et de gradients de température; au moins l'une des fibres optiques soumise aux déformations d'un corps d'épreuve sert de capteur de mesure des déformations mécaniques, ce qui permet d'en déduire la pression et au moins une des autres fibres optiques servant de capteur de température, celle-ci n'étant soumise à aucune déformation d'origine mécanique. Le dispositif de mesure selon la présente invention permet de réaliser une mesure locale à la fois des variations de pression dynamique et statique, et de température, évitant d'avoir recours à deux capteurs distincts.
Grâce aux transducteurs mis en oeuvre dans l'invention, le dispositif de mesure présente une très bonne sensibilité intrinsèque, la taille de sa surface sensible peut être réduite, ce qui le rend très peu intrusif. En effet, on peut réaliser des mesures de la variation de température locale avec une résolution de mesure de l'ordre de 0,01°C dans le cas de transducteurs à réseaux de Bragg, et de l'ordre 0,1°C par transducteur mettant en oeuvre une technique de réflectométrie OFDR Rayleigh. On peut réaliser une mesure simultanée de la variation de pression locale avec une résolution de 0,1 bar dans une gamme de pression de 0 bar à 10 bar. De plus, cette gamme de pression peut être facilement ajustée en dimensionnant son corps d'épreuve en fonction des applications. En outre, on peut effectuer des mesures de la variation de pression locale sur des échelles de temps variant de moins de une seconde à plusieurs heures, permettant typiquement le suivi de phénomènes dynamiques, tels que ceux apparaissant lors de l'injection de résine par exemple, aussi bien que le suivi sur plusieurs heures de la pression de contact au cours de la cuisson. De plus, en mettant en oeuvre des transducteurs utilisant des fibres optiques, le diamètre de surface sensible peut être inférieur à 5 mm, ce qui permet de les positionner dans les zones où la géométrie des outillages est complexe, comme les congés de raccordement par exemple. Le caractère intrusif du dispositif de mesure est donc limité. De plus, comme indiqué ci-dessus, ce diamètre peut être ajusté lors de la fabrication du dispositif en fonction d'applications déterminées, en particulier en termes de gamme de pression à mesurer.
De plus, les fibres optiques offrent une très bonne tenue thermique puisqu'elles sont utilisables à des températures supérieures à 240°C en continu, le dispositif de mesure est donc adapté aux températures des moulages RTM. Les fibres optiques sont également complètement insensibles aux perturbations électromagnétiques environnantes, ce qui rend les mesures fiables. En outre, le dispositif selon la présente invention dispose, en effectuant une mesure différentielle, d'une compensation thermique optimale sur toute sa gamme de température, ce qui permet son utilisation dans des milieux où les gradients de température sont importants. De manière préférentielle, les transducteurs sont écartés l'un de l'autre d'une distance inférieure ou égale à 600 µm. De plus, la partie mesure et la partie optoélectronique du dispositif de mesure peuvent être très éloignées l'une de l'autre. La partie optoélectronique peut être déportée loin de la zone de mesure, par exemple : à température ambiante, et à un endroit où l'optoélectronique de mesure ne sera pas perturbée par d'éventuelles interférences électromagnétiques. Le dispositif est donc protégé et les mesures sont plus fiables. De manière avantageuse, on peut encore envisager d'utiliser le dispositif de mesure à des températures plus élevées, supérieures à 300°C, en utilisant comme transducteurs des réseaux de Bragg «torsadés », comme ceux décrits dans le document « Dual twist long period gratings », Optical Components and Materials VI. Edited by Churikov, Victor M.; Kopp, Victor 1.; Genack, A. Z. Proceedings of the SPIE, Volume 7212, pp. 72120H-72120H-9 (2009).
On peut également, à ces fins, utiliser des réseaux de Bragg dits « chimiques », tel que décrits dans le document de Michael Fokine : « Thermal stability of chemical composition gratings in fluorineûgermanium-doped silica fibers », OPTICS LETTERS, Vol. 27, No. 12, lune 15, 2002.
On peut également utiliser des réseaux de Bragg traditionnels ayant subi un recuit thermique permettant de les stabiliser en longueur d'onde. Le dispositif de mesure de pression et de température selon la présente invention est donc particulièrement adapté pour le suivi des procédés RTM et autoclave dans les accidents de géométrie, tels que les congés de raccordement, du fait de ses performances et de sa petite taille. De manière avantageuse, le dispositif de mesure peut comporter une chemise dans laquelle est monté le corps d'épreuve, le corps d'épreuve est alors protégé lors des manipulations du dispositif de mesure. Avantageusement, la chemise est en matériau présentant un faible coefficient de friction. D'autre part, cette chemise peut être surmontée d'une membrane déformable scellée de manière étanche, et par l'intermédiaire de laquelle les efforts sont transmis au corps d'épreuve. De façon alternative, cette membrane faisant office de barrière étanche peut se positionner au sein de cette chemise entre le corps d'épreuve et la surface sensible affleurant la surface interne du moule. Cette configuration permet à la surface sensible de procurer une protection mécanique à la membrane, prévenant ainsi toute déchirure accidentelle. La présente invention a alors pour objet un dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné, comportant un corps d'épreuve d'axe longitudinal, apte à se déformer longitudinalement de manière élastique sous l'effet des efforts de pression dudit milieu, un élément sensible interposé entre une première extrémité longitudinale du corps d'épreuve et le milieu et solidaire mécaniquement du corps d'épreuve, ledit élément sensible ayant une face sensible en contact avec le milieu, au moins un premier transducteur, des moyens de compensation en température et des moyens de mesure et de traitement des variations de caractéristiques du premier transducteur et des moyens de compensation en température, ledit premier transducteur étant monté sur ou dans le corps d'épreuve de manière à subir les déformations du corps d'épreuve, ledit premier transducteur comportant une première fibre optique dans laquelle est photoinscrit un premier réseau de Bragg ou non, lesdits moyens de compensation de la température comportant une deuxième transducteur comportant une deuxième fibre optique dans laquelle est photoinscrit un deuxième réseau de Bragg ou non, ledit deuxième réseau de Bragg ou la deuxième fibre optique sans réseau de Bragg étant isolé des déformations mécaniques du corps d'épreuve, lesdits moyens de mesure et de traitement comportant un système optoélectronique de mesure permettant de mesurer la longueur d'onde de Bragg caractéristique du premier et/ou du deuxième réseau de Bragg ou appliquant une technique de mesure par réflectométrie Rayleigh OFDR à la première et/ou à la deuxième fibre optique, ladite deuxième fibre optique étant sensiblement parallèle à la première fibre optique, et située sensiblement à proximité de celle-ci pour être soumise sensiblement à la même température et aux mêmes gradients de température.
Avantageusement, le premier réseau de Bragg et le deuxième réseau de Bragg sont sensiblement à la même distance de la surface sensible. La distance entre la surface sensible et le premier et le deuxième réseau de Bragg est de préférence inférieure à 10 mm, et la distance entre la première et la deuxième fibre optique est avantageusement inférieure ou égale à 1 mm, et manière encore plus avantageuse inférieure ou égale à 500 µm. Le dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon l'invention peut comporter plusieurs premières fibres optiques entourant la deuxième fibre optique.
Dan un exemple de réalisation, le corps d'épreuve a la forme d'un cylindre creux d'axe longitudinal. Le corps d'épreuve peut avantageusement comporter au moins une rainure s'étendant au moins en partie entre la première et la deuxième extrémité longitudinale du corps d'épreuve. Ladite au moins une rainure peut traverser le corps d'épreuve pour former une fente. Le corps peut présenter une section circulaire. Dans un exemple de réalisation, la première fibre optique est disposée à l'intérieur du cylindre et solidaire mécaniquement dudit cylindre par un matériau remplissant l'intérieur du cylindre.
Le cylindre du corps d'épreuve rempli dudit matériau peut alors comporter un canal longitudinal dans lequel est logée la deuxième fibre optique, le diamètre du canal étant supérieur au diamètre de la deuxième fibre optique. Ce canal est réalisé de manière très avantageuse par retrait d'un fil après remplissage du corps d'épreuve avec ledit matériau liant et solidification dudit matériau. Par exemple, le matériau est un résine du type résine thermodurcissable, par exemple : époxyde, bismaléimide, ester-cyanate, et chargées ou non en particules métalliques, un liant ou une colle. Dans un autre exemple de réalisation, la première fibre optique est fixée en deux points sur le corps d'épreuve en précontrainte de traction.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné peut comporter une chemise montée autour du corps d'épreuve ou autour du corps d'épreuve et de l'élément sensible, le corps d'épreuve étant maintenu axialement dans la chemise sans gêner sa déformation longitudinale. Le dispositif peut alors comporter des moyens pour maintenir axialement le corps d'épreuve dans la chemise, comprenant une bague fendue montée autour du corps d'épreuve autour de sa deuxième extrémité longitudinale et une vis de serrage traversant transversalement la chemise pour maintenir la bague par serrage dans la chemise sans gêner la déformation du corps d'épreuve.
De préférence, des étanchéités sont réalisées entre la chemise et l'élément sensible. Une membrane déformable recouvrant la chemise du côté de la première extrémité longitudinale du corps d'épreuve peut alors être prévue, sur laquelle elle est scellée de manière étanche, et par l'intermédiaire de laquelle les efforts de déformation sont transmis au corps d'épreuve. En variante, le dispositif comporte une membrane déformable scellée de manière étanche sur la chemise et située en retrait de la surface sensible de l'élément sensible, et par l'intermédiaire de laquelle les efforts de déformation sont transmis au corps d'épreuve. L'élément sensible peut comporter dans sa face opposée à la surface sensible un évidement dans lequel se loge la première extrémité du corps d'épreuve. De manière avantageuse, la surface sensible présente une surface supérieure ou égale à la section transversale du corps d'épreuve. Par exemple, la surface sensible a un diamètre inférieur à 5 mm. La surface sensible peut avoir un diamètre égal à 2 mm et le corps d'épreuve avoir un diamètre intérieur égal à 600 µm et un diamètre extérieur égal à 800 µm. Par exemple, le premier et/ou deuxième réseau de Bragg est/sont « chimiques » ou torsadés. Les première et deuxième fibres optiques, quant à elles, peuvent être regainées polyimide. La présente invention a également pour objet un système dans lequel des mesures de pression et de température d'un milieu sont à effectuer, comportant un support dont une surface est en contact avec le milieu, ledit support comportant au moins un alésage débouchant dans ladite surface, et au moins un dispositif de mesure selon la présente invention monté dans ledit alésage de manière étanche, la surface sensible du dispositif de mesure étant en contact avec le milieu, ledit dispositif étant immobilisé axialement dans l'alésage. La surface sensible peut affleurer la surface du support.
Le maintien axial du dispositif de mesure dans l'alésage peut s'effectuer directement au niveau de la deuxième extrémité longitudinale du corps d'épreuve. En variante, me maintien axial s'effectue par l'intermédiaire de la chemise. Une étanchéité est alors de préférence réalisée entre la chemise et l'alésage. L'alésage peut comporter une première portion de plus grand diamètre et une deuxième portion de plus petit diamètre se rejoignant par un épaulement, la portion de plus petit diamètre recevant l'élément sensible, et une cale d'épaisseur calibrée entre la chemise et le support en appui contre l'épaulement pour ajuster la position de la surface sensible par rapport à la surface du support. Le système selon l'invention peut former un laminoir, comportant deux cylindres de laminage formant les supports, le milieu étant formé par la matière à laminer, les cylindres comportant une pluralité de dispositifs de mesures répartis sur leur surface, les surfaces sensibles affleurant la surface des cylindres, de sorte à entrer en contact avec la matière à laminer. Le système selon l'invention peut former un moule RTM, le moule formant le support.
Le système selon l'invention peut former un outil autoclave. Dans le cas du moule RTM et de l'outil autoclave, s'ils comportent au moins un congé de raccordement, au moins un dispositif affleurant la surface dudit congé de raccordement. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier exemple d'un dispositif de mesure selon un premier mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif étant représenté seul, - la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième exemple d'un dispositif de mesure selon le premier mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif étant représenté monté dans un support, - la figure 3 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un ensemble corps d'épreuve et transducteur selon la présente invention, - la figure 4A est une vue en perspective d'un exemple de réalisation du corps d'épreuve du dispositif de mesure selon la présente invention, - la figure 4B est une vue en perspective d'une variante du corps d'épreuve de la figure 4A, - la figure 5 est une vue en coupe d'une variante de réalisation d'un ensemble corps d'épreuve et transducteur selon la présente invention, - la figure 6 est une représentation schématique d'un premier exemple d'un dispositif de mesure selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif étant représenté seul, - la figure 7 est une représentation schématique d'un deuxième exemple d'un dispositif de mesure selon le deuxième mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif étant représenté monté dans un support, - la figure 8A est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation pratique du dispositif de mesure selon la présente invention comportant une chemise et une membrane affleurante, - la figure 8B est une vue de détail de la figure 8A, - les figures 8C et 8D sont des vues en coupe longitudinale au niveau de la membrane de variantes de réalisation du dispositif de la figure 8A, - la figure 9 est une représentation schématique de cylindres de travail d'un laminoir avec son matériau en cours de laminage, les cylindres de travail comportant des dispositifs de mesure selon la présente invention, - les figures 10A à 10D sont des vues en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation pratique du dispositif de mesure de la figure 2. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le dispositif de mesure de variations de pression de contact et de température selon la présente invention est destiné à être logé dans un support dont une face est en contact avec le milieu dont on veut mesurer tant la variation pression de contact que celle de la température, de telle sorte qu'une partie du dispositif de mesure est soumise à la pression à mesurer. L'ensemble du dispositif de mesure est soumis à la température. Par exemple, le support est le corps d'un moule et une face d'extrémité du dispositif affleure la surface interne du moule destinée à être en contact avec la matière à mouler dont les variations de pression de contact et de température sont à mesurer. Le support peut également être un cylindre de travail d'un laminoir, une partie du dispositif de mesure affleurant la surface du cylindre entrant en contact avec le matériau à laminer. Le support peut être formé par tout autre objet dont une surface est destinée à subir une variation de pression de contact que l'on veut mesurer.
Dans la description qui va suivre, les mêmes références seront utilisées pour désigner des éléments ayant sensiblement la même forme et sensiblement la même fonction. Dans la présente demande, on emploiera le terme « pression » à la fois pour désigner une pression supérieure à une pression de référence, qui est par exemple la pression atmosphérique, et une «dépression », une pression inférieure à cette même pression de référence.
Sur la figure 1, on peut voir un premier mode de réalisation d'un dispositif de mesure Dl selon la présente invention mettant en oeuvre un transducteur à réseau de Bragg. Le dispositif de mesure Dl comporte un corps d'épreuve 2, par exemple, mais non nécessairement, de forme cylindrique, d'axe longitudinal X, comportant une première face d'extrémité longitudinale 4, par laquelle l'effort de pression à mesurer est appliqué au corps d'épreuve, et une deuxième face d'extrémité longitudinale 5 opposée à la première face d'extrémité longitudinale 4 non soumise à la pression que l'on souhaite mesurer.
Dans l'exemple représenté, le corps d'épreuve 2 a avantageusement la forme d'un cylindre de section circulaire, il présente alors une grande résistance au flambement, ce qui permet d'utiliser le dispositif Dl dans des gammes d'efforts plus étendues, néanmoins, un corps de section elliptique, carrée ou rectangulaire ne sort pas du cadre de la présente invention.
Le dispositif de mesure Dl comporte avantageusement un élément sensible 7 en appui par une extrémité sur la première face d'extrémité 4 du corps d'épreuve. L'élément sensible 7 comporte une face 7.1 destinée à être directement en contact avec le milieu. Cette face 7.1 peut éventuellement être surmontée d'une membrane déformable faisant office de paroi d'étanchéité avec le milieu dont la pression est à mesurer, mais ne faisant pas obstacle à la transmission des efforts de pression au corps d'épreuve. Le milieu peut être formé par le matériau à mouler lors de son écoulement : on mesure alors la pression hydrostatique, ou par l'objet moulé lors de la cuisson : on mesure alors la pression statique.
De manière particulièrement avantageuse, la face 7.1 (ou sa membrane lorsque celle-ci est présente) de l'élément sensible 7, lorsque celui-ci est monté dans le support, affleure la surface du support dans lequel le dispositif est monté, ladite surface (ou sa membrane) étant en contact avec le milieu ; le capteur ne perturbe alors pas l'écoulement ou le moulage ou toute autre opération, en ne faisant pas saillie en dehors du support. De manière avantageuse, on peut prévoir que la face 7.1 soit usinée afin d'épouser localement la forme de la paroi dans laquelle l'élément sensible 7 est inséré. Lorsque l'élément sensible 7 est monté dans le support, il est mécaniquement indépendant du support afin de transmettre intégralement sans frottement tous les efforts de pression de contact au corps d'épreuve 2. De manière avantageuse, l'élément sensible 7 est réalisé dans un matériau présentant des propriétés thermomécaniques similaires à celles du milieu dans lequel il est positionné. Ainsi, sa présence perturbe peu, ou pas du tout, le champ thermique local afin de ne pas former de pont thermique pouvant localement modifier les conditions de moulage. En outre, cela évite la génération de contraintes mécaniques dans le support pouvant entraîner, par fatigue, sa fissuration, du fait de dilatations thermiques différentielles cycliques. On pourra utiliser des matériaux métalliques tels que de l'acier ou bien encore de l'Invar ®.
De manière particulièrement avantageuse, la surface de la face 7.1 de l'élément sensible 7 est supérieure à celle de la première face d'extrémité longitudinale 4 du corps d'épreuve, ce qui permet d'amplifier d'un facteur fixé la déformation du corps d'épreuve et donc du réseau de Bragg 6 pour une même pression sur la face 7.1. On obtient alors une amélioration de la résolution du dispositif de mesure. Nous déterminerons par la suite ce facteur d'amplification dans différents cas. Dans l'exemple représenté, l'élément sensible 7 présente une section circulaire. Mais ceci n'est pas limitatif, sa forme pouvant, par exemple, être tout aussi oblongue ou elliptique.
Par exemple l'élément sensible comporte dans sa face opposée à la face 7.1 un évidement 7.2 de diamètre au moins égal à celui du corps d'épreuve 2, l'extrémité du corps d'épreuve 2 portant la première face d'extrémité 4 étant logée dans l'évidement 7.2. L'élément sensible 7 et le corps d'épreuve 2 sont solidaires mécaniquement. Par exemple le corps d'épreuve 2 est collé ou fretté dans l'élément sensible 7. Ainsi tout effort de pression ou dépression subi par la face 7.1 de l'élément sensible est transmis au corps d'épreuve 2, qui va se déformer longitudinalement en conséquence. Le corps d'épreuve 2 est réalisé dans un matériau apte à se déformer longitudinalement dans son domaine élastique dans la gamme de pression à mesurer. Par exemple, le corps d'épreuve est en matériau métallique. Cependant, d'autres matériaux sont envisageables: ainsi des micro-tubes en silice, ou encore en aluminium voire en titane peuvent aussi être utilisés. Il suffit alors de dimensionner le micro-tube pour obtenir un facteur d'amplification suffisamment grand pour atteindre les résolutions souhaitées. Dans le premier mode de réalisation, le dispositif comporte un transducteur à réseau de Bragg 6 photo-inscrit dans une fibre optique 8 solidaire mécaniquement du corps d'épreuve 2 de telle sorte que toute déformation longitudinale du corps d'épreuve 2 déforme longitudinalement le réseau de Bragg 6. La déformation mesurée par le premier transducteur 6 est destinée à déterminer la pression que l'on souhaite mesurer. La fibre optique 8 est monomode. Dans l'exemple représenté, le premier transducteur 6 est logé dans le corps d'épreuve 2 solidaire mécaniquement de celui-ci, ce qui permet d'avoir un dispositif compact. Cependant, le premier transducteur 6 pourrait être fixé sur la face extérieure du corps d'épreuve 2. Un corps d'épreuve plein avec un transducteur sur la face extérieure du corps ne sort pas du cadre de la présente invention. Par exemple, la fibre optique peut soit être collée sur toute sa longueur dans le corps d'épreuve, soit collée, seulement en deux points aux deux extrémités du corps d'épreuve, en précontrainte de traction. Le collage en deux points présente l'avantage de se prémunir des gradients de déformation pouvant être générés par la colle, non seulement lors de sa polymérisation, mais aussi lorsque la température environnante change.
Dans le cas d'une pression supérieure à la pression de référence, le corps d'épreuve 2 se contracte longitudinalement sans flambement, le premier réseau de Bragg 6 voyant sa longueur d'onde de Bragg diminuer. Dans le cas d'une dépression, le corps d'épreuve 2 s'étire, le premier réseau de Bragg 6 voit sa longueur d'onde de Bragg augmenter. La mise en oeuvre d'un tel transducteur permet à la fois d'obtenir un dispositif de très bonne résolution et très peu intrusif. En effet, il existe des réseaux de Bragg pour lesquels le système optoélectronique de mesure est capable de résoudre une déformation mécanique longitudinale équivalente à quelques dixièmes de micromètres par mètre (µm/m). Par ailleurs, la fibre optique support présente de très faibles dimensions. En effet, le diamètre d'une fibre optique revêtue de sa gaine polyimide, utilisée généralement dans ce genre de dispositif, est typiquement de l'ordre de 155 µm. Le dispositif de mesure Dl comporte également des moyens de compensation de la température 10. On entend par « moyens de compensation de la température » des moyens permettant d'isoler la déformation mécanique du réseau de Bragg due à la pression, de la dilatation (déformation d'origine uniquement thermique de celui-ci due à la température), sachant qu'un réseau de Bragg est particulièrement sensible à la température. De manière préférentielle, les moyens de compensation de la température 10 dans le premier mode de réalisation, sont formés par un second transducteur à réseau de Bragg photo-inscrit dans une fibre optique 12. La fibre optique 12 est disposée le long de la fibre optique 8 portant le réseau de Bragg 10, et au plus près de celle-ci. Par ailleurs, le réseau de Bragg 10 est monté dans le dispositif Dl de telle sorte qu'il ne subisse aucune déformation mécanique, et en particulier : aucune déformation induite par la déformation du corps d'épreuve 2, contrairement au réseau de Bragg 6. En effet, le deuxième réseau de Bragg 10 est destiné à mesurer la température, indépendamment de la déformation due à la pression. La fibre optique 12, support du réseau de Bragg 10, est une fibre optique de type monomode. Le réseau de Bragg 10 a la même longueur physique que le réseau de Bragg 6, typiquement 5 mm de long pour les réseaux de Bragg usuels.
En outre, le réseau de Bragg 10 est disposé sensiblement en regard du réseau de Bragg 6, de sorte que les deux réseaux de Bragg, 6 et 10, soient sensiblement à la même distance de la surface sensible 7.1. Ceci assure que les effets des gradients thermiques qui leur sont appliqués soient très proches. Avantageusement le deuxième réseau de Bragg 10 est parallèle au premier réseau de Bragg. Par exemple, le deuxième réseau de Bragg est positionné à une distance maximale de 1 mm du premier transducteur de mesure des déformations mécaniques dont il compense la dépendance en température, afin de réduire les effets des gradients de température transverses. En effet s'il règne un important gradient thermique transversal à l'axe X, plus le deuxième réseau de Bragg est éloigné du premier réseau de Bragg, plus les températures subies par l'un et l'autre des réseaux de Bragg sont différentes. De manière plus avantageuse, le réseau de Bragg 10 de compensation thermique est disposé à une distance inférieure à 500 µm du réseau de Bragg 6 de mesure de la pression et parallèlement à celui-ci, ce qui permet d'obtenir une très bonne compensation thermique et des mesures de pression précises dans des milieux où les gradients de température peuvent dépasser 100°C/m. Le dispositif complet de mesure comporte également un système de mesure (non représenté) permettant la lecture et le démultiplexage spectral, déporté par fibre optique, de chacune des longueurs d'onde de Bragg des réseaux de Bragg intégrés au capteur.
Le système de mesure peut être disposé à distance du milieu dont on souhaite mesurer les variations de température et de pression, ce qui permet d'éviter de le soumettre à des températures élevées le cas échéant. On prévoit également avantageusement un dispositif de reprise d'effort pour le câble protecteur de la fibre optique permettant la connexion déportée par fibre optique de l'optoélectronique d'interrogation des réseaux de Bragg. Sur la figure 3, on peut voir une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation d'un corps d'épreuve selon la présente. Celui-ci comporte un corps tubulaire rempli d'une résine 14 ou d'un liant ou tout autre matériau apte à solidariser la première fibre optique 8 au corps d'épreuve 2, la fibre optique 8 portant le premier transducteur 6, ce dernier est donc solidaire mécaniquement du corps d'épreuve 2 et subira de façon analogue les déformations mécaniques que celui-ci subit. En outre, un canal 15 destiné à recevoir le transducteur compensateur des effets thermiques (non représenté), et de diamètre strictement supérieur à celui-ci, est réalisé parallèlement à la fibre optique portant le premier transducteur solidaire mécaniquement du corps d'épreuve 2. Le deuxième transducteur 10, compensateur des effets thermiques, n'étant pas mécaniquement solidaire de la résine, il n'est donc pas non plus mécaniquement solidaire du corps d'épreuve 2. Par conséquent, il ne subit pas de déformation mécanique induite par la déformation du corps d'épreuve 2. En revanche, il est situé au plus près du premier transducteur 6 et se trouve par conséquent sensiblement dans les mêmes conditions thermiques que celui-ci. La deuxième fibre optique 12 est positionnée de façon à ce que les transducteurs des fibres optiques 8 et 12 se trouvent à la même position longitudinale par rapport au corps d'épreuve 2. Le maintien en place de ce positionnement précis peut être obtenu en accrochant la deuxième fibre optique 12 sur la première fibre optique 8, par exemple à l'aide d'un point de colle, cette partie de la première fibre optique 8 ne subissant pas de déformation due à la déformation du corps d'épreuve 2 car elle est située en dehors de celui-ci. Le canal 15 est dans l'exemple représenté traversant.
Il est bien entendu que si le premier transducteur 6 est monté à l'extérieur du corps d'épreuve, il n'est pas nécessaire que celui soit rempli de résine ou d'un autre matériau. A titre d'exemple, le canal 15 dans lequel est montée la fibre optique 12 portant le transducteur 10 de compensation thermique peut avoir un diamètre de 200 µm et la fibre optique 12 avoir un diamètre de 155 µm avec sa gaine polymère, et 125 µm sans gaine. Nous allons décrire ci-dessous un exemple d'un procédé de réalisation d'un canal 15 pour loger la fibre optique 12 portant le transducteur de compensation thermique.
Lors d'une première étape, on dispose un fil de section circulaire et de diamètre égal à celui du canal souhaité, dans la partie intérieure du corps d'épreuve en le positionnant à l'endroit où on souhaite réaliser ledit canal, i.e. à une faible distance de la fibre optique 8 portant le transducteur de mesure des déformations mécaniques.
La fibre optique 8 portant le transducteur de mesure des déformations mécaniques, dont on aura éventuellement pris soin d'ôter localement, au niveau du transducteur, le revêtement protecteur pour ne conserver que la partie silice de la fibre optique, est mise en place avec le fil. Ce fil est par exemple un fil de pêche en Nylon, ou encore une corde de guitare, ou une corde à piano, etc ... Lors d'une seconde étape, on injecte une résine thermodurcissable (par exemple : époxyde, bismaléimide, ester-cyanate) 14 dans la partie centrale et sur toute la longueur du corps d'épreuve, cette longueur pouvant par exemple dépasser 15 mm, et atteindre 50 mm selon les besoins.
Après polymérisation de la résine 14, une traction mécanique importante (typiquement supérieure à 10 N pour un fil de 200 micromètres de diamètre collé sur une longueur de 15 mm) est exercée sur le fil pour le retirer du corps d'épreuve. Lorsque ce fil a été retiré, il laisse alors un canal 15 au sein duquel la fibre optique 12 portant le transducteur 10 compensateur des effets thermiques, et dont on aura éventuellement ôté localement au niveau du transducteur, le revêtement protecteur pour ne conserver que la partie silice de la fibre optique, peut être glissée sans effort ni frottement. De manière notable, le canal 15 ainsi obtenu présente sur toute sa longueur, pouvant dépasser 15 mm, voire 30 mm, une surface intérieure régulière et un diamètre supérieur ou égal à celui du fil utilisé. Il est à noter que le rapport longueur/diamètre du canal 15 ainsi formé dépasse la valeur de 75, ce qui est une valeur remarquable dans cette gamme de dimensions pour cette géométrie de corps d'épreuve.
Avantageusement, on utilise des fibres optiques en silice dont le regainage, faisant office de protection mécanique pour leur manipulation sans dommage, résiste à des températures élevées sans se dégrader. Par exemple, de façon non limitative, les fibres optiques sont en silice dopée Germanium avec un regainage polymère constitué de polyimide, qui supporte 300°C en continu sans subir de dégradation. Le regainage peut également être réalisé en métal, comme par exemple de l'aluminium ou de l'or, ou alors tout autre type de matériau susceptible de pouvoir supporter des températures encore plus élevées. Concernant le matériau permettant de rendre solidaire le transducteur de mesure des déformations mécaniques du corps d'épreuve, on le choisit également apte à supporter en continu des températures supérieures aux températures d'utilisation du capteur. Il peut s'agir de liants thermodurcissables de type résine époxydes, chargées ou non en particules métalliques (par exemple : alumine ou cuivre) ou bien de résines de type polybismaléimide (maleimide-based polyimides) ou esther-cyanates garantissant une tenue en température supérieure à 260°C. Plus généralement, et de façon non limitative, on pourra choisir une fibre optique et des résines, colles ou liants, permettant de rendre solidaire le transducteur de mesure des déformations solidaire de son corps d'épreuve, compatibles avec les gammes extrêmes de températures rencontrées dans les applications visées : ainsi, l'utilisation d'une fibre optique plastique collée avec une résine époxyde à son corps d'épreuve est envisageable si la température environnante ne dépasse pas 150°C en continu.
Avantageusement, dans le cas des transducteurs réseaux de Bragg, on utilise des réseaux de Bragg dits « chimiques », ou encore des réseaux de Bragg torsadés (twistés), garantissant une meilleure stabilité de leur longueur d'onde de Bragg au-delà de 300°C, ou des fibres optiques ayant subit un recuit. Sur la figure 2, on peut voir un autre exemple de réalisation particulièrement avantageux du dispositif de mesure selon la présente invention monté dans un support. Dans l'exemple représenté, les deux plans 16, 18 représentent respectivement la surface du support 100 en contact avec le milieu dont la pression de contact est à mesurer et la surface du support par laquelle le dispositif de mesure D2 est monté dans le support. Selon l'invention, le dispositif de mesure D2 est monté dans un alésage 20 pratiqué dans le support 100, débouchant, d'une part dans le plan 16, et d'autre part dans le plan 18. Selon la présente invention, le corps d'épreuve 2 est monté dans le support 100 de telle manière qu'il est mécaniquement isolé dudit support 100 afin que sa déformation ne soit pas entravée et que les mesures fournies ne soient pas erronées. Dans cette configuration, le dispositif ne présente, sur sa surface en contact avec l'élément dont la pression est à mesurer, du côté du plan 16, aucun élément débouchant de façon à subir l'effet de la pression sur toute sa section, et son autre extrémité (côté surface 18) est quant à elle soumise à une pression de référence connue, non nécessairement constante. Afin de mesurer la différence de pression entre chacune des deux extrémités du dispositif, une étanchéité est réalisée entre l'élément sensible et son alésage 20. Par exemple cette étanchéité peut être réalisée à l'aide d'un joint d'étanchéité, par exemple en élastomère fluoré positionné entre l'élément sensible 7 et son alésage 20. On peut envisager de réaliser cette étanchéité au moyen d'un ajustement de type glissant, par exemple H7g6, entre l'élément sensible et son alésage, dans le cas où les fluides ont une viscosité suffisamment élevée pour réaliser une étanchéité parfaite lors de mesures en phase liquide, du fait des pertes de charge très élevées qui en résultent, prévenant ainsi toute fuite. De manière avantageuse, un mastic, par exemple silicone, peut être ajouté entre l'élément sensible et son alésage pour améliorer l'étanchéité. Dans la variante de réalisation de la figure 2, le dispositif comporte une chemise 22 dans laquelle sont montés le corps d'épreuve 2 et de préférence son élément sensible 7, sans que celle-ci ne gène la déformation longitudinale du corps d'épreuve 2 ni le mouvement sur une faible course, de l'ordre de quelques micromètres, de l'élément sensible 7. Pour cela, des moyens 24 de blocage en translation sont prévus pour empêcher le corps d'épreuve de glisser dans la chemise 22 le long de l'axe X. Dans l'exemple représenté, les moyens 24 maintiennent le corps d'épreuve 7 dans la chemise au niveau de sa deuxième extrémité longitudinale par serrage, symbolisés par les flèches 25. Les moyens 24 de blocage en translation comportent une bague fendue élastique 26 montée serrée autour du corps d'épreuve 2, et avantageusement au moins une vis traversant radialement la chemise 22 et serrant la bague fendue 26 dans la chemise 22. La bague 26 et la vis bloquent le corps d'épreuve en translation longitudinale, par frottement, afin que la surface sensible du dispositif de mesure reste en position. Ces moyens de maintien 24 ne perturbent pas la déformation longitudinale du corps d'épreuve, puisque qu'il n'y a aucune interaction entre les moyens de maintien et la partie du corps d'épreuve contenant le premier transducteur 6.
La bague fendue 26 est par exemple métallique. En outre, elle est avantageusement calibrée en diamètre, de façon à s'ajuster parfaitement au diamètre extérieur du corps d'épreuve 2, et à répartir les efforts de serrage sur une longueur suffisante afin de réduire la contrainte d'appui, et ne pas endommager de façon plastique le corps d'épreuve.
Les moyens de blocage 24 en translation du corps d'épreuve empêchent le corps d'épreuve de glisser le long de l'axe X en direction du milieu et en éloignement de ce milieu. Ainsi, les mesures de pression de contact peuvent se réaliser dans des conditions similaires pendant toute la durée des procédés mis en oeuvre.
La chemise 22 entoure de préférence également l'élément sensible 7, ce qui facilite le montage et la manipulation du capteur. Grâce à la présence de la chemise 22, une étanchéité fiable peut être aisément réalisée entre le dispositif de mesure D2 et le support 100. Celle-ci peut être très facilement réalisée entre la chemise 22 qui est fixe dans le support 100, et la surface d'alésage. On pourra à cet usage utiliser des joints toriques d'étanchéité, par exemple en élastomère fluoré si les températures sont trop élevées, ou encore à l'aide de pâte d'étanchéité (pâte à joint, mastic silicone, graisse fortement visqueuse). En outre, une étanchéité est réalisée entre le corps d'épreuve et la chemise, tout comme celle réalisée précédemment entre le corps d'épreuve et son alésage. Cette étanchéité peut être réalisée par exemple au moyen de joints d'étanchéité, par exemple, des joints toriques en élastomère fluoré résistants aux hautes températures, ou au moyen d'un mastic silicone.
En variante, on pourra avoir recours à une membrane, métallique ou plastique (par exemple : du polyimide), déformable et scellée de manière étanche sur la chemise 22, ou encore positionnée entre la surface sensible 7 et le corps d'épreuve 2, assurant l'étanchéité sans perturber la transmission des efforts de pression au corps d'épreuve. Cette étanchéité est particulièrement intéressante puisqu'elle permet l'utilisation du dispositif de mesure en dépression, en particulier pour une application à la mesure de dépression en procédé autoclave, puisque la présence du dispositif de mesure dans le support n'empêche pas la génération d'une dépression.
La présence de cette chemise 22 permet de manière particulièrement avantageuse d'isoler mécaniquement le corps d'épreuve 2 et son élément sensible 7 du support 100 au sein duquel ils sont positionnés, de pouvoir disposer d'un dispositif de mesure pré-calibré et prêt à être monté dans le support 100 et de faciliter la mise en place du dispositif de mesure D2 et de ne pas l'endommager lors de sa manipulation. De manière avantageuse, la chemise 22 (tout comme l'élément sensible 7) est réalisée dans un matériau ayant un faible coefficient de frottement pour faciliter son insertion dans l'alésage 20 du support 100. Par exemple elle peut être en bronze de nuance CW453K [Cu Sn 8].
De préférence, les matériaux du support 100, de la chemise 22 et de l'élément sensible 7 ont des conductivités thermiques proches. Le dispositif de mesure est, quant à lui, maintenu immobile dans le support de sorte qu'il ne glisse pas dans le support, par exemple par vissage de la chemise dans l'alésage du support, par vissage d'une vis de serrage vissée dans un taraudage réalisé dans le support parallèlement à l'axe X, dans le cas où il comporte une chemise. Il peut également être maintenu par collage. Dans l'exemple représenté, l'alésage 20 comporte une portion de plus grand diamètre 20.1 et une portion de plus petit diamètre 20.2 se rejoignant par un épaulement 20.3, la portion de plus petit diamètre 20.2 recevant l'élément sensible 7. Le maintien du dispositif D2 peut se faire par un blocage en butée du dispositif de mesure D2 contre l'épaulement 20.3, par exemple par des moyens formant butée 27 montés dans l'alésage 20 contre la deuxième face d'extrémité du corps du capteur.
Sur la figure 8A, on peut voir un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention monté dans une chemise 22. Le dispositif comporte une membrane 23 recouvrant l'élément sensible 7 et fixée sur la chemise 22 de manière étanche. La membrane 23 est par exemple soudée ou encore collée sur la chemise 22.La membrane peut être en matériau plastique ou métallique.
De façon alternative, la membrane faisant office de barrière étanche peut aussi être positionnée entre l'élément sensible 7 et le corps d'épreuve 2 comme cela est représenté sur les figures 8C et 8D. Dans l'exemple représenté sur la figure 8C, la membrane est pincée entre deux microtubes MT coaxiaux montés dans la chemise 22. Dans l'exemple représenté sur la figure 8D, la membrane est pincée entre un microtube MT et un épaulement de la chemise 22. La membrane présente par exemple une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,15 mm. La variante de réalisation, dans laquelle la membrane est disposée en retrait, présente l'avantage de protéger la membrane et d'éviter sa détérioration de la manipulation du capteur. Le corps d'épreuve 2 est maintenu axialement dans la chemise 22 au moyen d'une vis latérale 32 vissée dans un alésage orthogonal à l'axe X venant en appui contre une bague fendue 26, comme celle décrite précédemment pour le maintien d'un corps d'épreuve monté directement dans le support S. Dans l'exemple représenté, l'assemblage entre la chemise 22 et l'élément sensible 7 est réalisé par un ajustement glissant.
Dans cet exemple, la chemise 22 présente un épaulement 34 venant en butée contre l'épaulement 20.3 du support. La chemise 22 est ensuite montée dans le support 100 et est immobilisée axialement par des moyens de butée prévus entre le support et l'extrémité longitudinale de la chemise 22 opposée à celle portant la membrane 23. Dans l'exemple représenté, une bague inférieure vissée dans la chemise sont prévus, Ces éléments servent à positionner une pièce filetée sur laquelle viendra se monter vissé un câble protecteur des fibres optiques, et faisant office d'élément de reprise d'effort.
Sur la figure 8B, on peut voir en détail l'extrémité de la chemise 22 sur laquelle est fixée la membrane 23, le bord du logement de l'élément sensible 7 dans la chemise 22 comporte un chanfrein 36, permettant à la chemise 22 de ne pas gêner la déformation de la membrane 23 et que cet effort de déformation soit transmis avec le moins de résistance possible à l'élément sensible 7, les déplacements de cette membrane étant micrométriques. Pour la mise en place du dispositif de mesure dans le support, il peut être avantageux de disposer d'un jeu de cales 28 d'épaisseurs calibrées à insérer entre la chemise 22 et le support 100 pour ajuster la position de la surface sensible par rapport à la surface du support 100 et obtenir un bon affleurement. On peut voir une telle cale 28 sur la figure 2. Cette cale 28 peut par exemple être en acier, bronze, ou encore en matériau composite. De manière avantageuse, on peut introduire une masse thermique (non représentée) positionnée autour du corps d'épreuve 2, et mécaniquement indépendante de celui-ci, afin que la présence du dispositif de mesure n'introduise pas de perturbation dans le comportement thermique du socle dans lequel le capteur est inséré. Comme décrit ci-dessus, la surface sensible 7.1 de l'élément sensible 7 présente avantageusement une surface supérieure à la section transversale du corps d'épreuve 2 permettant une amplification des déformations mécaniques provoquées par la pression ou la dépression appliquée à la surface sensible 7.1 de l'élément sensible 7, appliquées longitudinalement au corps d'épreuve 2. En effet, le rapport des sections et modules d'Young suivant 5 permet de définir un coefficient d'amplification K s'exprimant au premier ordre, par: K = s S ensible Esensible S E epreuve epreuve où : Ssensible Esensible Sepreuve Eepreuve est la section de la surface sensible est le module d' Young de la surface sensible est la section du corps d'épreuve est le module d' Young du corps d'épreuve 10 avec en particulier, un coefficient K supérieur ou égal à 1. Le module d'Young du corps d'épreuve est égal à la moyenne pondérée par la section : Sq, de chacun des modules d'Young : Eq de ses constituants, selon : Eepreuve L EgSq E Sq avec : Sepreuve = ESq Dans un premier cas où on choisit un corps d'épreuve tubulaire 15 de section circulaire et une surface sensible de forme quelconque, le rapport K s'exprime selon : 4 S K = sensible Esensible ù e preuve preuve Eepreuve 43Zepreuve eepreuve 20 Ssensible étant le diamètre interne du corps d'épreuve, étant le diamètre externe du corps d'épreuve, étant la surface de la surface sensible de section quelconque.
Dans un deuxième cas où on choisit un corps d'épreuve tubulaire de section circulaire et une surface sensible de section circulaire, le rapport K s'exprime selon : K= 1)2 - 1)2 E eepreuve Zepreuve eprelve ~iepreuve étant le diamètre interne du corps d'épreuve, ~eepreuve étant le diamètre externe du corps d'épreuve, sensible étant le diamètre de la surface sensible. Dans le cas où la surface de la surface sensible 7.1 est égale à celle de la section transversale du corps d'épreuve, le rapport d'amplification est égal à 1. Cependant on obtient un dispositif de mesure de diamètre très faible, qui peut être de l'ordre de 800 µm de diamètre s'il ne comporte pas de chemise 22. Ce dispositif est alors extrêmement peu intrusif. Sur la figure 4A, on peut voir une variante de réalisation du corps d'épreuve 2' particulièrement avantageuse permettant d'augmenter significativement le rapport K sans augmenter la surface de la surface sensible 7.1. Le corps d'épreuve 2' de la figure 4A comporte une rainure 30 s'étendant longitudinalement dans la face extérieure du corps d'épreuve sur toute sa longueur.
Sur la figure 4B, la rainure est débouchante, formant ainsi une fente 30', longitudinale s'étendant de la première extrémité longitudinale à la deuxième extrémité longitudinale. Le corps d'épreuve peut comporter plusieurs rainures sur sa périphérie extérieure. La ou les rainures peut ou peuvent ne s'étendre que sur une partie de la longueur du corps d'épreuve. En outre, dans le cas où il y a plusieurs rainures, elles n'ont pas nécessairement toute la même longueur, et (te 2 sensible Esensible
certaines peuvent être débouchantes et d'autres non. Plusieurs rainures s'étendant sur une partie seulement de la longueur du corps d'épreuve peuvent être débouchantes.
La rainure 30 présente un angle d'ouverture ak et est de largeur Lk.
Le corps d'épreuve 2' peut comporter plusieurs rainures. Dans le cas de rainures débouchantes (i.e.: fentes), celles-ci sont réalisées de sorte à laisser intactes chacune des extrémités du corps d'épreuve afin de pouvoir en garantir son intégrité mécanique. Dans ce cas, les angles des secteurs angulaires des rainures sont choisis de sorte que la somme a des secteurs angulaires individuels ak est strictement inférieure à 2n : a=Eak et 0<a<2n k afin d'obtenir un coefficient d'amplification Kralnure plus grand que K pour un corps d'épreuve sans fente : 2n Ce coefficient peut aussi s'écrire sous la forme approchée suivante, si les rainures de largeurs individuelles : Lk, ne sont pas, pour au moins l'une d'entre elles, d'ouvertures angulaires trop importantes (par exemple supérieures ou égales à n/6) : 1ù 1 L aresin ZLk 7c k cl). ~.euve e~.euve ce qui permet d'obtenir, pour des diamètres de corps d'épreuve (non rainuré) et de surface sensible suivants, un facteur d'amplification K supérieur à 1. A titre d'exemple où le corps d'épreuve et la surface sensible présentent les diamètres suivants, 1 ram K avec :20 Icl) = 600 µm lepreuve e = 800µm epreuve sensible = 2 mm le rapport K est alors environ égal à 14,3. On obtient ainsi une expression du nombre N de points de mesure accessibles dans la plage de mesure du dispositif de mesure pour une instrumentation optoélectronique de résolution r£ donnée, tel que : N= K•OP Eepreuve rE est la variation de pression de contact appliquée sur la zone sensible est le module d'Young du corps d'épreuve est la résolution de mesure en déformations de l'instrumentation ce qui permet par exemple d'obtenir comme valeur de N, pour une variation de pression de contact : OP =10bar, et comme matériau constitutif du corps d'épreuve : de l'acier caractérisé par : Eepreuve = 210 GPa : N=167 Pour les mesures à l'aide de réseaux de Bragg utilisés en tant que transducteurs, l'équivalence entre la résolution spectrale du système de mesure : rr exprimée en longueur d'onde, et la résolution en déformations : r£ , s'exprime, au premier ordre, sous la forme : rE 0,78 X où )^, est la longueur d'onde du réseau de Bragg, ce qui permet d'obtenir une expression de la résolution en nombre de point N accessibles dans la gamme de mesure en pression OP telle que : N=K•AP 0,78•X, Eepreuve 4P Eepreuve rE où : 1 rx,20 la résolution de mesure du capteur en pression équivalente rp s'exprimant dès lors comme le ratio entre la variation de pression AP et le nombre de point N accessibles dans cette gamme, soit : Eepreuve rj,, soit pour r2, = 0,5 pm, 2 =1550 mn, K =14,3 et Eepreuve = 210 GPa, une résolution en pression rp égale à 0,06 bar. La présence de ce facteur K d'amplification des déformations mécaniques permet donc d'obtenir une résolution de mesure équivalente rp en pression de contact K fois meilleure.
Sur la figure 5, on peut voir une vue de dessus d'un autre exemple de réalisation d'un ensemble corps d'épreuve et transducteurs selon la présente invention. Cet ensemble comporte un corps d'épreuve de section polygonale, un transducteur compensateur d'effets thermiques entouré de six transducteurs de mesures des déformations mécaniques. Avantageusement, le transducteur compensateur des effets thermiques est coaxial à l'axe X et est disposé dans un canal de diamètre supérieur au diamètre du transducteur compensateur, lui permettant de se déformer librement sous le seul effet des variations de température. Les transducteurs de mesures des déformations mécaniques sont, quant à eux, tous solidaires mécaniquement du corps d'épreuve et avantageusement situés sur un cercle et répartis angulairement de manière régulière autour du transducteur compensateur des effets thermiques, i.e. dans l'exemple représenté à un angle ne les uns des autres. Le rayon du cercle est avantageusement inférieur à 1 mm, encore plus avantageusement inférieur à 500 µm. rp K O,78•2 , Il est bien entendu que ni la forme du corps d'épreuve, ni le nombre des transducteurs de mesure des déformations mécaniques et leur disposition relative n'est limitative. Ce nombre de transducteurs pourra dépendre de la résolution de mesure souhaitée, sachant que celle-ci s'améliore d'un facteur multiplicatif 1/f pour une quantité q de transducteurs réalisant la mesure de la même quantité. Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement d'un tel dispositif.
Le dispositif de mesure est monté dans le support 100 immobile par rapport à celui-ci, de sorte que la surface sensible 7.1 affleure la surface du support en contact avec le milieu dont on veut mesurer les variations de pression et de température, cette surface pouvant être éventuellement surmontée d'une membrane déformable dans son domaine élastique.
La pression de contact s'applique sur la surface sensible 7.1, symbolisée par les flèches 32, qui transmet via l'élément sensible 7 un effort au corps d'épreuve 2 qui, du fait de cet effort, se déforme longitudinalement, plus particulièrement se déforme longitudinalement en compression si la pression de contact est supérieure à la pression de référence et se déforme longitudinalement en traction si la pression de contact est inférieure à la pression de référence, cette pression de référence s'exerçant à l'autre extrémité du corps d'épreuve. Le réseau de Bragg 6 étant mécaniquement solidaire du corps d'épreuve 2, il est également déformé et voit sa longueur d'onde de Bragg diminuée dans le cas d'une déformation longitudinale en compression du corps d'épreuve et voit sa longueur d'onde de Bragg augmenter dans le cas d'une déformation longitudinale en traction du corps d'épreuve. Par ailleurs, l'ensemble du dispositif de mesure est soumis à la température du milieu. Selon l'invention, puisque le réseau de Bragg 10 compensateur des effets thermiques est au plus près du réseau de Bragg 6 de mesure des déformations mécaniques, le réseau de Bragg 10 et le réseau de Bragg 6 sont soumis sensiblement à la même température, et ce, même en cas d'un gradient de température important.
La déformation du réseau de Bragg 6 est induite par la déformation mécanique et thermique du corps d'épreuve 2 qui se traduit par une variation de sa longueur d'onde de Bragg caractéristique, mesurée par le système de mesure optoélectronique, tandis que le réseau de Bragg 10 ne subit que des déformations d'origine thermique. Cette déformation d'origine thermique est également mesurée par le système de mesure optoélectronique. La variation de déformation thermique du réseau de Bragg 10 permet de déterminer la variation de température locale du milieu environnant ce réseau 10. A partir des mesures des variations de longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg 6 et du réseau de Bragg 10, on peut déterminer les variations de déformation longitudinale subies par le corps d'épreuve 2. Connaissant le rapport K et la surface de la surface sensible 7.1, on peut déterminer la valeur de la variation de la pression de contact. La valeur exacte de la mesure de la variation de pression de 2 0 contact est obtenue après calibrage. Le comportement thermomécanique du réseau de Bragg est donné par différentiation de sa relation de Bragg : est la longueur d'onde de Bragg est l'indice effectif de la fibre optique est le pas du réseau de Bragg Cette relation peut s'exprimer sous forme adimensionnelle par 25 application du théorème de Vaschy-Buckingham, et permet d'exprimer le comportement spectral d'un réseau de Bragg soumis à des variations : - de température : AT, Bragg = 2 ne A Où X X'Bragg A - de déformations longitudinales : Ac , - et de pression hydrostatique : APhydrostatique, selon une relation du type : Bragg _ a AT + b + c hydrostatique Bragg T hydrostatique où les coefficients : a, b et c, sont des caractéristiques intrinsèques du réseau de Bragg en question, dépendants, entre autres, des conditions selon lesquelles les déformations mécaniques lui sont appliquées; ainsi, pour une fibre optique tendue et libre entre deux points, on a des valeurs de coefficients a, b et c à 25°C données par : a2,3x10-3 b0,78 c -2,94 x 10-6 Ces coefficients pouvant, de façon non limitative, être dépendants de la température, des quantités de dopants des fibres optiques, ainsi que de la longueur d'onde : a(T,X,...) b(T,X,...) c(T,X,...) II est à noter que la variation de pression hydrostatique OPhydrostatique appliquée au réseau de Bragg lui-même peut être généralement négligée, ou être masquée par un coefficient de calibrage. Connaissant le mécanisme amplificateur des déformations mécaniques appliquées au réseau de Bragg solidaire du corps d'épreuve, la résolution des deux premières équations ci-dessous traduisant chacune respectivement le comportement du réseau de Bragg compensateur des effets thermiques, et du réseau de Bragg de mesure des déformations mécaniques : lAXT _ AT xT ù aT T 3,4 = 4eT AT + b£ A conduit ainsi aux relations cherchées : 0X£ 1 DXT a£ Eepreuve
a£ 2^,£ aT b K / To A4 aT XT0 où: • AP est la variation de pression de contact recherchée, • AT est la variation de température recherchée, • gT est une fonction obtenue par calibrage en température du capteur, • f£ est une fonction obtenue par calibrage en pression de contact du capteur, • a£ est la sensibilité thermique du réseau de Bragg de mesure des déformations mécaniques, solidaire du corps d'épreuve, • aT est la sensibilité thermique du réseau de Bragg de compensation thermique, isolé des déformations mécaniques du corps d'épreuve, • b£ est la sensibilité en déformations longitudinales du réseau de Bragg de mesure des déformations mécaniques, solidaire du corps d'épreuve, • X est la longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg de mesure des déformations mécaniques, solidaire du corps d'épreuve, • 0~£ = ~£ -40 est la variation de la longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg de mesure des déformations mécaniques, solidaire du corps d'épreuve, par rapport à sa valeur initiale : , • XT est la longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg de compensation des effets thermiques, OP= Σ AT = gT • AXT = ~T -2 est la variation de la longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg de compensation des effets thermiques par rapport à sa valeur initiale : ~To On notera que les coefficients : a£ , aT , b£ et bT ne sont pas nécessairement constants sur toute la plage d'utilisation du capteur, et peuvent entre autres, être dépendants de la température. A titre d'exemple uniquement qui n'est nullement limitatif, nous allons décrire un mode de réalisation privilégié du dispositif de mesure selon le premier mode de réalisation.
Le dispositif de mesure comporte un élément sensible 7 en acier, ou encore en bronze, muni d'une surface sensible 7.1 circulaire et de diamètre 2 mm. L'élément sensible 7 est logé dans une chemise en bronze de forme cylindrique et d'épaisseur 0,8 mm, dont le diamètre intérieur est ajusté afin de permettre un glissement sans blocage. Le corps d'épreuve 2 est un tube en acier, de diamètre intérieur égal à 600 µm, et de diamètre extérieur égal à 800 µm. Le corps d'épreuve 2 comporte un canal 15 réalisé par la méthode décrite ci-dessus. Le canal 15 est formé, par retrait d'un fil de pêche en Nylon de 200 µm de diamètre, qui a été préalablement collé en même temps que le réseau de Bragg 6 de mesure des déformations mécaniques au moyen d'un élément liant 14. Le transducteur de compensation thermique 10 est logé dans le canal 15. Ce dispositif de mesure permet d'obtenir une compensation thermique optimale, un facteur d'amplification K, en absence de membrane, égal à 14,3 et une résolution de mesure de 0,06 bar en pression de contact pour une résolution de mesure équivalente du système optoélectronique de 0,5 pm en longueur d'onde.
Par ailleurs, en l'absence de membrane, une étanchéité statique peut aussi être réalisée par l'introduction, de part et d'autre de la chemise en bronze, de mastic silicone, ou de graisse thermique. Concernant les réseaux de Bragg 6, 10, il s'agit de deux réseaux de Bragg apodisés photo-inscrits de longueurs d'onde de Bragg pouvant être différentes (mais ce n'est pas indispensable), et présentant des caractéristiques de photo-inscription identiques, en particulier les deux réseaux de Bragg 6, 10 ont la même longueur de photo-inscription. Les réseaux de Bragg 6, 10 sont photo-inscrits chacun dans une fibre optique 8, 12 monomode regainée polyimide de 155 µm de diamètre, soit d'un diamètre strictement inférieur à celui du canal 15. Le transducteur de mesure des déformations mécaniques 6 du corps d'épreuve 2 est collé à l'aide d'une colle époxyde. On aura pris préalablement soin d'ôter localement, au niveau du réseau de Bragg, le revêtement protecteur entourant la fibre optique pour n'en conserver que la partie silice. Le second transducteur 10, compensateur des effets thermiques est logé libre de toute contrainte mécanique dans le canal 15, à une distance transversale inférieure à 500 µm. Les deux réseaux de Bragg 6, 10 sont disposés à la même distance longitudinale de la surface sensible 7.1. Une cale de réglage d'épaisseur calibrée 28 est interposée entre l'épaulement 20.3 du support 100 et le corps du dispositif de mesure. Le corps du dispositif de mesure est fixé dans le support 100 contre sa cale de réglage calibrée en épaisseur, par une vis de serrage vissée dans un filetage réalisé à même le support, afin qu'il reste affleurant à la surface du support, soumise aux pressions de contact et aux températures locales que l'on souhaite mesurer. Sur les figures 6 et 7, on peut voir deux exemples de réalisation D3 et D4 d'un dispositif de mesure selon le deuxième mode de réalisation selon la présente invention, dans lequel au moins le transducteur de mesures des déformations mécaniques est une fibre optique 110 à laquelle on applique la technique de mesure par réflectométrie Rayleigh OFDR. A des fins de simplicité, nous désignerons la fibre optique : fibre optique OFDR. La structure du dispositif de mesure selon la deuxième mode de réalisation est similaire à celle du dispositif du premier mode de réalisation. Le dispositif de mesure comporte un corps d'épreuve 2 tel que décrit précédemment, un transducteur OFDR 106 mécaniquement solidaire du corps d'épreuve 2, une surface sensible 7.1 en contact avec le milieu dont on souhaite mesurer les variations de pression et de température locales.
Il comporte également des moyens de compensation des effets thermiques disposés au plus près du transducteur OFDR et mécaniquement indépendants du corps d'épreuve 2. De manière préférentielle, les moyens de compensation des effets thermiques sont formés par une fibre optique 110 monomode ou multimode pour la technique OFDR, les première 106 et deuxième 110 fibres optiques étant avantageusement issues de la même préforme de fibre optique, et encore plus avantageusement de la même bobine de fibre optique. Dans ce mode de réalisation, les fibres optiques 106, 110 forment directement les transducteurs.
La deuxième fibre optique 110 est par exemple positionnée dans un canal 15 réalisé dans une résine 14 ou un liant solidarisant le transducteur 106 de mesures des déformations mécaniques au corps d'épreuve 2, ce canal 15 ayant un diamètre suffisamment grand pour ne pas entrer en contact avec la fibre optique 110.
Les fibres optiques 106, 110 mises en oeuvre dans la méthode OFDR peuvent, ou non, comporter des réseaux de Bragg si la fibre optique est monomode. En effet, la technique de mesure dite OFDR peut à la fois mesurer les variations de déformations/température subies par la fibre et mesurer la réponse à ces deux effets sur des réseaux de Bragg photo-inscrits dans la fibre sous test.
Le dispositif de mesure selon le deuxième mode de réalisation comporte également un système de mesure comportant des moyens de démultiplexage des transducteurs fibres optiques, par exemple formés par un commutateur optique, et un système de mesure associé permettant la mesure de la température et de la déformation mécanique. Sur la figure 7, on peut voir un autre exemple de réalisation de dispositif de mesure D4 selon le deuxième mode de réalisation très proche de celui de la figure 2, dans lequel le dispositif de mesure D4 comporte une chemise 22, dans laquelle le corps d'épreuve est immobilisé axialement et qui est elle- même fixée dans le support 100. Le montage dans le support et le fonctionnement général du dispositif de mesure selon le deuxième mode de réalisation est similaire à celui du premier mode de réalisation, hormis le principe de mesure optique. Il ne sera donc pas repris ici. Sur les figures 10A à 10D, on peut voir une représentation pratique d'un dispositif de mesure de la figure 2. Les mêmes références que celles utilisées pour la figure 2 sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. La structure de ce dispositif est applicable au dispositif de la figure 7. La mise en oeuvre de la méthode OFDR pour déterminer la variation de la pression de contact et de la température, permet une mesure sur toute la longueur et en tout point de la fibre optique. En effet, le transducteur étant la fibre optique elle-même, cette méthode de mesure est de facto continue, puisque la fibre joue le rôle d'un élément transducteur continûment sensible, contrairement aux réseaux de Bragg, qui ne permettent que des mesures très localisées, là où se trouve(nt) justement photo-inscrits le(s) réseau(x) de Bragg. La méthode OFDR est particulièrement adaptée dans les domaines où les temps de mesure ne sont pas trop élevés, i.e. de l'ordre de quelques dizaines de secondes, et où des mesures en de nombreux points sur des longueurs maximales de quelques dizaines de mètres sont requises. Par ailleurs, elles sont d'un coût de revient rapporté au point de mesure très inférieur à celui des réseaux de Bragg, i.e. entre 1,5 et 5 fois inférieur, cette valeur dépendant de la topologie des points de mesure, et de la longueur de fibre considérée. Les résolutions de mesure en température et déformation mécanique des dispositifs de mesure selon les premier et deuxième modes de réalisations sont sensiblement similaires. Nous allons maintenant donner des exemples de valeur de gradient thermique dans lesquels le dispositif de mesure selon la présente invention peut être utilisé.
Le dispositif de mesure selon la présente invention à transducteurs à réseaux de Bragg dont les fibres optiques sont toutes deux positionnées au sein du tube corps d'épreuve, permet de réaliser des mesures dans des champs dont le gradient thermique de l'ordre de 150°C/m. Dans l'exemple particulier de réalisation du dispositif de mesure selon la présente invention dans lequel : - les fibres optiques utilisées ont un diamètre : ~fibre_regainee = 155,um environ (il est envisageable d'utiliser des fibres optiques de diamètre encore plus petit, par exemple 80 µm ou bien encore 40 µm) ; - le diamètre intérieur du tube corps d'épreuve est de : ~lPYeuVe = 600,um , - le diamètre extérieur du tube corps d'épreuve est de : = 800,um ; - le matériau de l'élément sensible est en acier tel que son module d'Young : Esensible = 210 GPa ; - le facteur d'amplification K, par calcul, est donc égal à 14,3, - et dans l'hypothèse où les deux fibres optiques sont au sein du tube corps d'épreuve, l'éloignement maximal d des deux fibres optiques (de mesure des déformations mécaniques d'une part, et de compensation thermique d'autre part), est égal à : d aep eue ù fibre _ regainee = d = 445 y m on peut alors déterminer, au premier ordre, une valeur théorique du gradient thermique maximal admissible VTmax : V Tmax 17 T b•K ' AP d a E sensibleOT <_ 157°C / m (à T=25°C) Dans l'hypothèse où la fibre optique compensatrice des effets thermiques se trouve au sein du tube corps d'épreuve, et la fibre optique de mesure des déformations mécaniques à l'extérieur et au contact de ce même tube (ou inversement : la fibre optique compensatrice à l'extérieur du tube, et la fibre de mesure des déformations au sein du tube corps d'épreuve), la distance maximale séparant les deux fibres optique est donc égale à : d=12 (~ +t )=d=700,um e Preuve Preuve on peut alors déterminer, au premier ordre, une valeur théorique du gradient thermique maximal admissible VTmax : VTmax 1 T b K AP VT 100°C/m (à T=25°C) d a E sensible Par conséquent, le dispositif de mesure selon la présente invention permet d'effectuer des mesures dans des champs de gradient de température de l'ordre de 100°C/m, voire 150°C/m suivant les configurations. Sur la figure 9, on peut voir l'exemple d'un laminoir équipé d'au moins un dispositif de mesure selon la présente invention. Le laminoir comporte deux cylindres de travail 40 d'axe Y parallèles et espacés d'une distance donnée et entre lesquels un lopin de matière 42 à laminer est introduit. Le lopin de matière 42 entre en contact avec la surface périphérique des cylindres 40. Le laminoir selon la présente invention comporte au moins un dispositif de mesure D selon la présente invention monté dans un des cylindres 40, la matière à laminer 42 formant le milieu dont on souhaite mesurer la température et la pression de contact avec les cylindres.
De manière avantageuse, chaque cylindre est équipé d'une pluralité de dispositifs de mesure D selon la présente invention répartis sur toute la périphérie des cylindres, ils sont répartis à la fois longitudinalement et angulairement, pour fournir une information à tout moment du laminage.
La surface sensible de chacun des dispositifs de mesure affleure la périphérie des cylindres. Il est bien entendu que les dispositifs de mesure ne sont pas représentés à l'échelle. Les dispositifs de mesure entrent successivement en contact avec la matière à laminer au niveau de la zone 44 lors de la rotation des cylindres et fournissent des valeurs de variation de température et de variation de pression de contact. Il est à noter la présence de gradients thermiques selon le rayon des cylindres du laminoir, en particulier, en laminage à chaud. Cependant, grâce à l'invention, puisque les transducteurs de mesure de pression et de température sont proches l'un de l'autre et proches de la surface périphérique extérieure des rouleaux, ils sont peu sensibles aux gradients thermiques, et donnent des mesures représentatives de la réalité. On a donc bien réalisé un dispositif de mesure permettant d'effectuer une mesure locale combinée de la variation de la pression statique ou dynamique, ainsi que de la température avec un seul dispositif de mesure. De plus, le dispositif selon l'invention fournit une mesure parfaitement compensée thermiquement, et ceci sur toute la gamme de température, et jusqu'à la température maximale supportée par les matériaux utilisés pour rendre solidaire le transducteur de son corps d'épreuve, et pouvant atteindre 300°C, alors que les températures maximales d'utilisation des dispositifs de mesure de l'état de la technique sont de l'ordre de 240°C en pointe, et pour le dispositif de mesure de l'état de la technique dont la sensibilité est proche de celle recherchée, de l'ordre de 120°C.
Par ailleurs, grâce à la position des moyens de compensation des effets thermiques, le dispositif de mesure peut être utilisé dans des milieux où les gradients de température sont importants, pouvant dépasser 150°C/m. Si les deux fibres optiques sont positionnées en surface extérieure du corps d'épreuve, le dispositif de mesure permet de réaliser des mesures dans des champs dont le gradient thermique est de l'ordre de 100°C/m. Le dispositif selon la présente invention offre de très faibles dimensions, sa partie sensible offrant un diamètre inférieur à 5 mm avec une gamme de mesure en pressions de 0 à 10 bar et une résolution meilleure que 0,1 bar. De plus ce capteur ne mettant pas en oeuvre de mesure électrique au niveau de sa partie active de mesure, mais uniquement optique avec un système de mesure optoélectronique pouvant être déporté par fibre optique, il peut être utilisé sans risque dans des milieux explosifs ou inflammables. Par ailleurs, il est insensible aux interférences électromagnétiques environnantes du fait de l'utilisation des fibres optiques, ce qui permet, à titre d'exemple non limitatif, d'utiliser ce capteur au potentiel sans nécessairement avoir recours à une isolation galvanique particulière. Il est aussi possible de déplacer l'optoélectronique de mesure hors de la zone potentiellement perturbée, dans un endroit ne subissant aucune perturbation électromagnétique, la distance entre la mesure et l'optoélectronique pouvant être multi-kilométrique dans le cas des réseaux de Bragg, et de quelques dizaines de mètres en OFDR.
En outre, le dispositif de mesure selon la présente invention assure de ne pas perdre la valeur de la mesure en cas de déconnexion et de reconnexion de la chaîne de mesure optique, la mesure étant fondée sur une mesure spectrale pour les transducteurs réseaux de Bragg : les déplacements spectraux de la longueur d'onde de Bragg, ou encore réflectométrique pour la méthode par réflectométrie Rayleigh OFDR, ce qui n'est pas le cas des transducteurs à cavité Fabry-Perot. Les dispositifs de mesure selon les premier et deuxième modes de réalisation peuvent être appliqués pour la mesure simultanée de la variation de pression de contact et de la mesure de la variation température, entre une paroi et un milieu fluide ou solide. Plus particulièrement, le dispositif de mesure selon la présente invention est adapté à la mesure de faibles pressions (typiquement entre 0 bar et 10 bar) dans les cavités à proximité des incidents géométriques qui peuvent être de petites dimensions, comme par exemple les congés de raccordement, où les rayons de courbure sont faibles (quelques millimètres seulement), et les températures peuvent dépasser 200°C. Ce dispositif de mesure selon la présente invention est aussi capable de réaliser des mesures de dépression jusqu'à 1 bar, en particulier pour les procédés autoclave, cette valeur n'étant toutefois pas limitative. Le dispositif de mesure selon la présente invention peut être appliqué à la mesure de la pression de contact en général, et plus particulièrement aux mesures in situ de variations de pression et de température dans les accidents de géométrie des moules des procédés de type RTM (Resin Transfer Moulding) ou dérivés, connus sous le nom de procédés par voie liquide pouvant inclure le moulage sous vide, le LRI (Liquid Resin Infusion), le RFI (Resin Film Infusion), le moulage par injection, le VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) le Vacuum Assisted Resin Injection (VARI) ..., ainsi que dans les procédés de type cuisson en autoclave connus sous le nom de procédés par voie solide, là où les difficultés d'écoulement des résines sont les plus importantes, par conséquent, où la probabilité de formation de défauts est la plus grande. Grâce aux mesures in situ obtenues par le dispositif selon la présente invention, on peut acquérir une connaissance plus précise des phénomènes physiques entrant en jeu pendant la fabrication de pièces composites, et, par la mise en oeuvre de méthodes d'amélioration continue des procédés de fabrication (par exemple les méthodes MSP : Maîtrise Statistique des Procédés décrites par les normes Afnor NF X 06 031 et NF X 06 034), de conduire à une réduction : - des défauts et des rebuts de fabrication par une amélioration continue de la qualité des pièces fabriquées, - des coûts de fabrication par une réduction du contrôle a posteriori des caractéristiques des pièces fabriquées, et à leur remplacement progressif par un pilotage amont de leurs procédés de fabrication, grâce à la mesure en temps réel des paramètres de fabrication et à leur ajustement permanent; le contrôle a posteriori peut en particulier être remplacé à terme, si la capabilité (Cpk) des procédés le permet, par des mesures par échantillonnage. Les mesures déportées réalisées de manière connue par les dispositifs de l'état de la technique ne permettent pas d'obtenir des informations offrant une précision identique à celle obtenue par la présente invention dans les conditions de pression et de température précités. Également, du fait de la faible dimension de sa surface sensible, de son immunité aux interférences électromagnétiques grâce à la mise en oeuvre de fibre optique, sa tenue aux températures supérieures à 200°C, et sa parfaite compensation thermique permettant des mesures dans des champs thermiques où les gradients sont importants, le dispositif de mesure selon la présente invention peut tout aussi bien être utilisé pour la mesure des efforts de contact entre une brame (ou un lopin, ou encore une tôle, généralement métalliques) et les cylindres de travail d'un laminoir pendant les procédés de laminage à chaud ou à froid. La faible taille du dispositif de mesure selon la présente invention et sa très bonne sensibilité du fait du mécanisme d'amplification intrinsèque des déformations mécaniques imposées, par l'intermédiaire de la surface sensible affleurante, au corps d'épreuve, autorise en effet un échantillonnage pendant la rotation des cylindres très résolvant de la mesure de la pression de contact dans l'angle d'emprise des deux cylindres de travail.

Claims (36)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de pression et de température REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné, comportant un corps d'épreuve (2) d'axe longitudinal (X), apte à se déformer longitudinalement de manière élastique sous l'effet des efforts de pression dudit milieu, un élément sensible (7) interposé entre une première extrémité longitudinale du corps d'épreuve (2) et le milieu et solidaire mécaniquement du corps d'épreuve (2), ledit élément sensible (7) ayant une face sensible (7.1) en contact avec le milieu, au moins un premier transducteur, des moyens de compensation en température et des moyens de mesure et de traitement des variations de caractéristiques du premier transducteur et des moyens de compensation en température, ledit premier transducteur étant monté sur ou dans le corps d'épreuve de manière à subir les déformations du corps d'épreuve, ledit premier transducteur comportant une première fibre optique dans laquelle est photoinscrit un premier réseau de Bragg ou non, lesdits moyens de compensation de la température comportant une deuxième transducteur comportant une deuxième fibre optique dans laquelle est photoinscrit un deuxième réseau de Bragg ou non, ledit deuxième réseau de Bragg ou la deuxième fibre optique sans réseau de Bragg étant isolé des déformations mécaniques du corps d'épreuve, lesdits moyens de mesure et de traitement comportant un système optoélectronique de mesure permettant de mesurer la longueur d'onde de Bragg caractéristique du premier et/ou du deuxième réseau de Bragg ou appliquant une technique de mesure par réflectométrie Rayleigh OFDR à la première et/ou à la deuxième fibre optique, ladite deuxième fibre optique étant sensiblement parallèle à la première fibre optique, et située sensiblement à proximité de celle-ci pour être soumise sensiblement à la même température et aux mêmes gradients de température.
  2. 2. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 1, dans lequel le premier réseau de Bragg (6) et le deuxième réseau de Bragg (10) sont sensiblement à la même distance de la surface sensible.
  3. 3. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 2, dans lequel la distance entre la surface sensible et le premier et le deuxième réseau de Bragg est inférieure à 10 mm.
  4. 4. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la distance entre la première (8, 106) et la deuxième (12, 110) fibre optique est inférieure ou égale à 1 mm.
  5. 5. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 4, dans lequel la distance entre la première (8, 106) et la deuxième (12, 110) fibre optique est inférieure ou égale à 500 µm.
  6. 6. Dispositif de mesure de pression et de température d'un 20 milieu donné selon l'une des revendications 1 à 5, comportant plusieurs premières (8, 106) fibres optiques entourant la deuxième fibre optique (12, 110).
  7. 7. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le corps d'épreuve 25 (2) a la forme d'un cylindre creux d'axe longitudinal.
  8. 8. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 7, dans lequel le corps d'épreuve (2) comporte au moins une rainure s'étendant au moins en partie entre la première 30 et la deuxième extrémité longitudinale du corps d'épreuve. 10 15
  9. 9. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 8, dans lequel la au moins une rainure traverse le corps d'épreuve pour former une fente (30).
  10. 10. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 7, 8 ou 9, dans lequel le corps d'épreuve (2) présente une section circulaire.
  11. 11. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel la première fibre optique (8, 106) est disposée à l'intérieur du cylindre et solidaire mécaniquement dudit cylindre par un matériau remplissant l'intérieur du cylindre.
  12. 12. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel la première fibre optique (8, 106) est fixée en deux points sur le corps d'épreuve en précontrainte de traction.
  13. 13. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 11, dans lequel le cylindre du corps d'épreuve (2) rempli dudit matériau comporte un canal (15) longitudinal dans lequel est logée la deuxième fibre optique (12, 110), le diamètre du canal (15) étant supérieur au diamètre de la deuxième fibre optique (12, 110).
  14. 14. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon la revendication 13, dans lequel le canal (15) est réalisé par retrait d'un fil après remplissage du corps d'épreuve avec ledit matériau liant et solidification dudit matériau.
  15. 15. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon la revendication 11, 13 ou 14, dans lequel le matériau est un résine du type résine thermodurcissable, par exemple : époxyde, bismaléimide, ester-cyanate, et chargées ou non en particules métalliques, un liant ou une colle.
  16. 16. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon l'une des revendications 1 à 15, comportant une chemise (22) montée autour du corps d'épreuve (2) ou autour du corps d'épreuve (2) et de l'élément sensible (7), le corps d'épreuve (2) étant maintenu axialement dans la chemise (22) sans gêner sa déformation longitudinale.
  17. 17. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon la revendication 16, comportant des moyens (24) pour maintenir axialement le corps d'épreuve (2) dans la chemise (22), comprenant une bague fendue (26) montée autour du corps d'épreuve (2) autour de sa deuxième extrémité longitudinale et une vis de serrage (32) traversant transversalement la chemise (22) pour maintenir la bague par serrage dans la chemise (22) sans gêner la déformation du corps d'épreuve (2).
  18. 18. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon la revendication 16 ou 17, dans lequel des étanchéités sont réalisées entre la chemise (22) et l'élément sensible (7).
  19. 19. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon les revendications 16 à 18, comportant une membrane déformable (23) recouvrant la chemise (22) du côté de la première extrémité longitudinale du corps d'épreuve, sur laquelle elle est scellée de manière étanche, et par l'intermédiaire de laquelle les efforts de déformation sont transmis au corps d'épreuve (2).
  20. 20. Dispositif de mesure de variations de pression et de température selon les revendications 16 à 18, comportant une membrane déformable (23) scellée de manière étanche sur la chemise (22) et située en retrait de la surface sensible (7.1) de l'élément sensible (7), et par l'intermédiaire de laquelle les efforts de déformation sont transmis au corps d'épreuve (2).
  21. 21. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon l'une des revendications 1 à 20, dans lequel l'élément sensible (7) comporte dans sa face opposée à la surface sensible un évidement dans lequel se loge la première extrémité du corps d'épreuve.
  22. 22. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon l'une des revendications 1 à 21, dans lequel la surface sensible (7.1) présente une surface supérieure ou égale à la section transversale du corps d'épreuve (2).
  23. 23. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon l'une des revendications 1 à 22, dans lequel la surface sensible (7.1) a un diamètre inférieur à 5 mm.
  24. 24. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon la revendication 23 en combinaison avec la revendication 10, dans lequel la surface sensible (7.1) a un diamètre égal à 2 mm et le corps d'épreuve (2) a un diamètre intérieur égal à 600 µm et un diamètre extérieur égal à 800 µm.
  25. 25. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon l'une des revendications 1 à 24, dans lequel le premier et/ou deuxième réseau de Bragg est/sont « chimiques » ou torsadés.
  26. 26. Dispositif de mesure de pression et de température d'un milieu donné selon l'une des revendications 1 à 25, dans lequel les première et deuxième fibres optiques sont regainées polyimide.
  27. 27. Système dans lequel des mesures de pression et de température d'un milieu sont à effectuer, comportant un support (100) dont une surface est en contact avec le milieu, ledit support (100) comportant au moins un alésage (20) débouchant dans ladite surface, et au moins un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes monté dans ledit alésage (20) de manière étanche, la surface sensible (7.1) du dispositif de mesure étant en contact avec le milieu, ledit dispositif étant immobilisé axialement dans l'alésage (20).
  28. 28. Système selon la revendication 27, dans lequel la surface sensible (7.1) affleure la surface du support.
  29. 29. Système selon la revendication 27 ou 28, dans lequel le maintien axial s'effectue directement au niveau de la deuxième extrémité longitudinale du corps d'épreuve (2).
  30. 30. Système selon la revendication 27, 28 ou 29 en combinaison avec l'une des revendications 15 à 18, dans lequel le maintien axial s'effectue par l'intermédiaire de la chemise (22).
  31. 31. Système selon la revendication 30, dans lequel une étanchéité est réalisée entre la chemise (22) et l'alésage (20).
  32. 32. Système selon la revendication 30 ou 31, dans lequel l'alésage comporte une première portion de plus grand diamètre (20.1) et une deuxième portion de plus petit diamètre (20.2) se rejoignant par un épaulement(20.3), la portion de plus petit diamètre (20.1) recevant l'élément sensible (7), et une cale (28) d'épaisseur calibrée entre la chemise (22) et le support en appui contre l'épaulement (20.3) pour ajuster la position de la surface sensible (7.1) par rapport à la surface du support.
  33. 33. Système selon l'une des revendications 27 à 32, formant un laminoir, comportant deux cylindres (40) de laminage formant les supports, le milieu étant formé par la matière à laminer (42), les cylindres (40) comportant une pluralité de dispositifs de mesures répartis sur leur surface, les surfaces sensibles (7.1) affleurant la surface des cylindres (40), de sorte à entrer en contact avec la matière à laminer.
  34. 34. Système selon l'une des revendications 27 à 32 formant un moule RTM, le moule formant le support.
  35. 35. Système selon l'une des revendications 27 à 32, formant un outil autoclave.
  36. 36. Système selon la revendication 34 ou 35, dans lequel le 20 système comporte au moins un congé de raccordement, au moins un dispositif affleurant la surface dudit congé de raccordement.15
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