WO2010055264A1 - Capteur capacitif haute temperature a collage ciment - Google Patents

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WO2010055264A1
WO2010055264A1 PCT/FR2009/052174 FR2009052174W WO2010055264A1 WO 2010055264 A1 WO2010055264 A1 WO 2010055264A1 FR 2009052174 W FR2009052174 W FR 2009052174W WO 2010055264 A1 WO2010055264 A1 WO 2010055264A1
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WO
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sensor
electrode
ceramic
measuring
guard
Prior art date
Application number
PCT/FR2009/052174
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English (en)
Inventor
Didier Roziere
Original Assignee
Nanotec Solution
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B1/00—Measuring instruments characterised by the selection of material therefor

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a capacitive sensor, and such a capacitive sensor, intended in particular for measuring blade sets in gas turbines and jet engines, which provides satisfactory performance in terms of robustness, security and durability while remaining moderate cost.
  • the field of the invention is more particularly but not limited to that of the instrumentation of gas turbine generators, as well as jet engines.
  • the measurement of the blade sets in the turbines consists in measuring the distance between the end of the vanes of a rotor and the casing of a turbomachine. This measure is particularly interesting in aeronautics for example, because it allows to set up an active control of the blade game in order to improve the performance of aircraft engines.
  • This measurement is done conventionally with capacitive sensors.
  • a sensor comprises a body attached to the casing of the turbine, which comprises in the center an electrode electrically insulated from this body.
  • the blades, or blades of turbines are generally metallic and constitute from the electrical point of view ground planes. When the end of a blade passes the electrode of the sensor, it forms with the latter an electrical capacitor whose capacity measurement calculates the distance between the blade and this electrode.
  • a capacitive blade clearance measurement chain Comprises a capacitive sensor fixed on the turbine casing, a connecting cable and a conditioning electronics.
  • the sensor generally also includes a guard electrode. Maintained at the same potential as the measuring electrode, it allows differential measurement to overcome the capacitive effects due to the cable itself.
  • capacitive sensors can be placed on the input stages where the temperature is close to the ambient but also on the high pressure turbine where the gas temperature can reach 1400 ° C. They must also withstand pressures of the order of 40 bars, considerable mechanical vibrations and a highly oxidizing chemical environment.
  • the technology to be implemented is therefore of crucial importance and has given rise to many developments.
  • GB 2,314,631 is known from Bailleul et al. which discloses a coaxial sensor comprising a platinum electrode and a refractory alloy body, which are electrically insulated by a ceramic part, aluminum oxide or Beryllium oxide. The parts constituting the sensor are assembled by brazing.
  • refractory alloy is understood to mean an alloy that is resistant to high temperatures (if necessary protected against corrosion) provided that it is not subjected to significant mechanical stresses.
  • a superalloy is distinguished from a refractory alloy in that it has good mechanical strength, especially creep, at high temperatures.
  • the method of assembling the elements of the sensor by soldering is used in particular in FR 2,721,105 and GB 2,314,631 because it ensures a good mechanical strength between the metal and ceramic parts and especially a good seal and hermeticity of the sensor. This hermeticity is usually necessary because most often the sensors are connected to the processing electronics by mineral-insulated coaxial or triaxial cables, that is to say cables that contain a powder of alumina, magnesia, silica etc.
  • the hermeticity of the sensor is therefore necessary to guarantee the performance of the measuring chain (sensor, cable, electronics).
  • the brazing process has the disadvantage of being complex to implement, insofar as it requires many stages of preparation of the parts and the application of thermal cycles up to 1000 0 C. Its impact on the price sensors is very sensitive.
  • the object of the present invention is to propose a method of manufacturing a capacitive sensor and such a capacitive sensor intended in particular for blade clearance measurements in gas turbines and jet engines, which provides satisfactory performance. in terms of robustness, security and durability while remaining of moderate cost.
  • said step of fixing the elements constituting the measuring face of the sensor comprises a bonding operation by means of a ceramic-based adhesive.
  • the elements constituting the sensor are thus fixed by means of ceramic-based adhesive.
  • the method according to the invention thus achieves a kind of technical optimum in which the properties of electrical insulation, hermeticity and mechanical strength are provided by the ceramic dielectric element, while the ease of assembly and the moderate cost are obtained by the use of the ceramic-based adhesive, which adhesive is also generally not deemed satisfactory when used alone as a dielectric element.
  • a capacitive sensor that can be used up to a temperature of at least 400 ° C., comprising:
  • At least one body made of material substantially electrically conductive
  • At least one measuring electrode of substantially electrically conductive material at least one measuring electrode of substantially electrically conductive material, and at least one ceramic dielectric element, characterized in that said dielectric element is fixed to said body and said measuring electrode, respectively, by bonding by means of a ceramic based adhesive.
  • the device may further comprise a guard electrode placed between the body and the measurement electrode, said guard electrode being electrically isolated from the body on the one hand and the measuring electrode from the other. on the other hand by dielectric elements made of ceramic, which dielectric elements are attached to the measuring electrode, the guard electrode and the body, respectively, by gluing by means of a ceramic-based adhesive.
  • said elements constituting the measuring face of the sensor comprise a mechanical retaining device preventing them from falling on the side of said measuring face.
  • said mechanical restraint device may comprise: - a system of shoulders,
  • the device according to the invention may further comprise a triaxial cable, which cable comprises at least one mineral insulator, a central core connected to the measuring electrode, a guard shield, and an outer shield connected to the body of the sensor.
  • the cable may comprise at least one mineral insulator, a central core connected to the measurement electrode, a guard shield connected to the guard electrode, and an outer shield connected to the sensor body.
  • the dielectric elements of the device according to the invention may advantageously be ceramic based on alumina (Al2O3).
  • the measuring electrode of the device according to the invention may advantageously comprise at least one of the following materials: superalloy, refractory alloy.
  • Said measuring electrode may also advantageously comprise at least one of the following materials: platinum, alloy Dilver type.
  • the body of the device according to the invention may advantageously comprise at least one of the following materials: superalloy, refractory alloy.
  • Said body may also advantageously comprise at least one of the following materials: platinum, alloy Dilver type.
  • the guard electrode of the device according to the invention may advantageously comprise at least one of the following materials: superalloy, refractory alloy.
  • Said guard electrode may also advantageously comprise at least one of the following materials: platinum, alloy Dilver type.
  • the adhesive used in the device according to the invention may advantageously be a ceramic-based adhesive comprising alumina.
  • FIG. 1 illustrates a first device embodiment according to FIG. invention, wherein the capacitive sensor has a coaxial structure.
  • FIG. 2 illustrates a second device embodiment according to the invention, according to which the capacitive sensor has a triaxial structure, with a guard electrode.
  • the device according to the invention comprises a symmetry of revolution.
  • the senor comprises the following elements: a body 2 and a cover 3, which may consist for example of platinum, of an alloy Dilver type, a refractory metal alloy or superalloy,
  • a dielectric ring 4 which may consist for example of refractory ceramic, for example based on alumina (Al2O3) or boron nitride (NB).
  • a measuring electrode 1 which may consist for example of platinum, a Dilver type alloy, a refractory metal alloy or a superalloy,
  • a triaxial cable 5 which cable comprises a central core 6, a guard shield 7 and an outer shield 8.
  • the central core 6 is electrically connected to the measuring electrode 1 and the outer shield 8 to the body 2 by the intermediate cover 3.
  • the guard shield 7 is not connected to the sensor.
  • the cable 5 may comprise Inconel conductors. It may further comprise a mineral insulator, for example based on alumina powder (Al2O3), MgO powder, another oxide mixture, or any other mineral insulator. Such a type of cable is known by the usual name of mineral insulated cable.
  • the central core 6 and the guard shield 7 of the cable 5 may be copper. Copper indeed has a significantly better conductivity than the Inconel and ensures a better electrical potential on the guard.
  • the senor further comprises the following elements:
  • guard electrode 9 and a guard cover 11 which may consist, for example, of platinum, a Dilver type alloy, a refractory metal alloy or a superalloy,
  • Another dielectric ring 10 which may consist for example of refractory ceramic, for example based on alumina (Al2O3) or boron nitride (NB).
  • the guard shield 7 of the cable 5 can be electrically connected to the guard electrode 9 via the guard cover 11.
  • a Dilver type alloy is a metal alloy based on iron, nickel and cobalt which has the property of having a coefficient of thermal expansion close to that of alumina. Such alloys are known in particular under the trade names Dilver and Kovar.
  • Platinum also has the property of having a coefficient of thermal expansion close to that of alumina.
  • the use of these materials thus makes it possible to limit the mechanical stresses in the sensor when the latter is subjected to strong variations in temperature.
  • the Dilver can be used up to temperatures of the order of 1000 ° C.
  • the platinum can withstand temperatures up to 1400 0 C at least.
  • the measuring electrode 1, the body 2 and, in the triaxial embodiment, the guard electrode 9 may be platinum or alloy Dilver type.
  • the cover 3 can be made of Inconel 600 type superalloy and ceramic dielectric rings based on alumina.
  • the assembly of the dielectric ring 4, the electrode 1 and the body 2 can be performed by gluing using an adhesive.
  • the parts can be machined so as to leave a play of a few tens of microns between them.
  • the faces in contact are coated with said adhesive, then the elements are assembled and cooked for a few hours.
  • the parts assembled by bonding with the adhesive are the body 2, the dielectric rings 4 and 10, the guard electrode 9 and the measurement electrode 1.
  • adheresive may include any product for performing parts bonding operation, for example ceramic, on other parts, for example superalloy without the need for firing at a temperature above 500 0 C. distinguishes organic-based adhesives such as epoxies and acrylics, and non-organic based adhesives, including ceramic bases, such as for example alumina.
  • a ceramic-based adhesive for example of the alumina or AI203 type.
  • An adhesive using another base such as magnesium oxide or zirconia can of course also be used. These products are sometimes referred to as "cement” or "ceramic cement”. These adhesives typically dry in 1 to 2 hours, and can be used after firing at a temperature of the order of 100 0 C to 350 0 C. Some can withstand temperatures up to 1700 0 C.
  • a device according to the invention using such a ceramic adhesive can thus be used up to a temperature of at least 400 ° C., for example for measurements on turbine blades.
  • such a capacitive sensor comprising electrodes 1, 9 and a platinum body 2, ceramic dielectric rings 4, 10 based on alumina bonded with a ceramic-based adhesive, and a cable with mineral insulation can withstand temperatures up to 1400 0 C, which corresponds to the hottest environments in which it may be necessary to make measurements in the turbines.
  • the performance and the life of the sensor are significantly reduced because the cement is not as moisture-tight as the ceramic, and it is also significantly more fragile.
  • the hermeticity and the mechanical strength of the sensor are provided by the ceramic whereas the adhesive, or cement, used in a sufficiently thin layer, provides the ease of assembly. without substantially degrading the performance of the sensor.
  • the ceramic is an electrical insulator significantly better than an adhesive or cement, even based on ceramics.
  • the electrical insulation between the electrodes on the one hand, and between the electrodes and the mass on the other hand, which is very important for the quality of the measurements, is provided by ceramic with performance substantially similar to those achievable with a sensor assembled by solder. There is thus no electrical contact, or electrical bridge, between the electrodes or between the electrodes and the mass only via the cement only.
  • the assembly of the metal parts together can advantageously be made by welding laser.
  • the elements included in the front part of the sensor such as the body 2, the dielectric rings 4 and 10, the guard electrode 10 and the measuring electrode 1 can fit together. in each other by a face opposite to the measuring zone, and they are mechanically retained so that none can come loose and fall on the side of this measurement zone. This means that none of these elements can normally fall into the turbine unless there is a sharp break in a part, which is particularly advantageous for safety.
  • the body 2 of the sensor may be provided with a first external shoulder 20 which makes it possible to place the sensor on the casing of the turbine, and a second internal shoulder 21 on which the other elements.
  • the measuring electrode 1 may also be provided with a shoulder 22 which prevents it from passing through the other elements.
  • the other elements such as the guard electrode 9 of the triaxial sensor and the or the dielectric rings 4 and 10 also have a shoulder that allows them to bear on the next larger diameter element. The elements thus fit into each other, concentrically, starting from the body 2 to the measuring electrode 1.
  • the elements included in the front part of the sensor may be conically shaped, shaped so as to nest and lock each other, and not fall on the side of the measurement zone.
  • the sensor may also comprise at least one ceramic spacer, for example, placed between elements of the front face such as the measuring electrode 1 and elements of the rear such as the cover 3. This spacer can help avoid , in case of detachment for example, that elements of the front face do not move back into the sensor under the effect of pressure.
  • the applications of the device according to the invention are of course not limited to the measurement of the blade set.
  • the device also makes it possible to measure the passage time of each blade to determine the vibrations of the blades as a function of the mechanical stresses. It can also be implemented in any other context than turbines.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un capteur capacitif et un tel capteur capacitif destiné notamment à la mesure des jeux d'aubes qui apporte des performantes satisfaisantes en termes de robustesse, de sécurité et de tenue dans le temps tout en restant de coût modéré. Cet objectif est atteint notamment avec un procédé de fabrication d'un capteur capacitif pouvant être utilisé jusqu'à une température d'au moins 4000C comprenant des étapes de : - assemblage des éléments constituant la face de mesure du capteur, - fixation desdits éléments constituant la face de mesure du capteur, caractérisé en ce que ladite étape de fixation des éléments constituant la face de mesure du capteur comprend une opération de collage au moyen d'un adhésif à base céramique.

Description

« Capteur capacitif haute température à collage ciment»
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un capteur capacitif, et un tel capteur capacitif, destiné notamment à la mesure des jeux d'aubes dans des turbines à gaz et des réacteurs d'avions, qui apporte des performantes satisfaisantes en termes de robustesse, de sécurité et de tenue dans le temps tout en restant de coût modéré.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui de l'instrumentation des turbines à gaz de générateurs, ainsi que des réacteurs d'avions.
Etat de la technique antérieure
La mesure des jeux d'aubes dans les turbines consiste à mesurer la distance entre l'extrémité des aubes d'un rotor et le carter d'une turbomachine. Cette mesure est particulièrement intéressante dans l'aéronautique par exemple, car elle permet de mettre en place un contrôle actif du jeu d'aube dans le but d'améliorer le rendement des moteurs d'avion.
Cette mesure se fait de manière classique avec des capteurs capacitifs. Un tel capteur comprend un corps fixé au carter de la turbine, qui comporte au centre une électrode électriquement isolée de ce corps. Les pales, ou aubes de turbines sont en général métalliques et constituent du point de vue électrique des plans de masse. Lorsque l'extrémité d'une pale passe devant l'électrode du capteur, elle forme avec cette dernière un condensateur électrique dont la mesure de la capacité permet de calculer la distance entre la pale et cette électrode.
Une chaîne de mesure capacitive de jeu d'aube, telle que décrite par exemple dans le document GB 2,071,852 de Hender et al., comprend un capteur capacitif fixé sur le carter de la turbine, un câble de liaison et une électronique de conditionnement. Le capteur comprend en général également une électrode de garde. Maintenue au même potentiel que l'électrode de mesure, elle permet par mesure différentielle de s'affranchir des effets capacitifs dus au câble lui-même.
Dans le domaine des réacteurs d'avion, les capteurs capacitifs peuvent être placé sur les étage d'entrée où la température est proche de l'ambiant mais aussi sur la turbine de haute pression où la température du gaz peut atteindre 14000C. Ils doivent également résister à des pressions de l'ordre de 40 bars, des vibrations mécaniques considérables et un environnement chimique très oxydant. La technologie à mettre en œuvre est donc d'une importance cruciale et a donné lieu à de nombreux développements.
On connaît le document GB 2,314,631 de Bailleul et al. qui décrit un capteur coaxial comprenant une électrode en platine et un corps en alliage réfractaire, lesquels sont isolés électriquement par une pièce en céramique, en oxyde d'aluminium ou en oxyde de Béryllium. Les pièces constituant le capteur sont assemblées par brasage.
On connaît le document FR 2,721,105 de Godefroy et al. qui décrit un capteur capacitif de structure triaxiale, comprenant une électrode centrale entourée d'une électrode de garde puis du corps du capteur. Chacune de ces pièces est électriquement isolée des autres par un diélectrique. Les parties métalliques sont constituées en superalliage ou en alliage réfractaire, et les diélectriques en céramique réfractaire. L'assemblage des parties métalliques et des diélectriques constituant le corps du capteur se fait par une technique de brasage.
Dans ces deux documents, on entend par alliage réfractaire un alliage qui résiste aux températures élevées (en étant si nécessaire protégé contre la corrosion) à condition de ne pas être soumis à des contraintes mécaniques notables. Un superalliage se distingue d'un alliage réfractaire en ce qu'il présente une bonne résistance mécanique, notamment au fluage, aux températures élevées. Le procédé d'assemblage des éléments du capteur par brasage est utilisé notamment dans FR 2,721,105 et GB 2,314,631 parce qu'il permet de garantir une bonne tenue mécanique entre les pièces métalliques et céramiques et surtout une bonne étanchéité et herméticité du capteur. Cette herméticité est habituellement nécessaire car le plus souvent les capteurs sont reliés à l'électronique de traitement par des câbles coaxiaux ou triaxiaux à isolant minéral, c'est-à-dire des câbles qui contiennent une poudre d'alumine, de magnésie, de silice etc. pour isoler les conducteurs entre eux. Or ces câbles à isolant minéral ont tendance à absorber l'humidité présente dans l'air avec pour conséquence que leur isolement électrique se dégrade très fortement avec l'humidité absorbée. D'autre part, Ia plupart des électroniques de traitement ont des performances qui se dégradent fortement en cas de mauvaise isolation électrique entre l'électrode, la garde et la masse au niveau du capteur et du câble. Ces électroniques ne tolèrent le plus souvent que des résistances de fuite supérieure à environ 1 MOhm.
L'herméticité du capteur est donc nécessaire pour garantir les performances de la chaîne de mesure (capteur, câble, électronique). Le procédé de brasage a toutefois l'inconvénient d'être complexe à mettre en œuvre, dans la mesure où il nécessite de nombreuses étapes de préparation des pièces et l'application de cycles thermiques jusqu'à 10000C. Son impact sur le prix des capteurs est très sensible.
On connaît le document EP 0 544 367 de Coville et al. dans lequel l'herméticité du capteur et le maintien des électrodes est réalisé au moyen d'un bouchon de ciment réfractaire, qui fait aussi office de diélectrique. Cette solution a l'avantage notable d'être moins cher et plus facile à mettre en œuvre que le brasage. Par contre, ces ciments céramiques ont le défaut d'absorber très fortement l'humidité de l'air et d'être relativement fragile.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un capteur capacitif et un tel capteur capacitif destiné notamment à des mesures de jeu d'aube dans des turbines à gaz et des réacteurs d'avions, qui apporte des performances satisfaisantes en termes de robustesse, de sécurité et de tenue dans le temps tout en restant de coût modéré.
Exposé de l'invention Cet objectif est atteint avec un procédé de fabrication d'un capteur capacitif pouvant être utilisé jusqu'à une température d'au moins 4000C comprenant des étapes de :
- assemblage des éléments constituant la face de mesure du capteur, lesquels éléments comprenant au moins une électrode de mesure en matériau sensiblement conducteur à l'électricité, un élément diélectrique en céramique, et un corps en matériau sensiblement conducteur à l'électricité,
- fixation desdits éléments constituant la face de mesure du capteur, caractérisé en ce que ladite étape de fixation des éléments constituant la face de mesure du capteur comprend une opération de collage au moyen d'un adhésif à base céramique. Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les éléments constituant le capteur sont ainsi fixés au moyen d'adhésif à base céramique. Ce procédé de fabrication peut avantageusement remplacer une opération de brasage complexe et onéreuse telle que pratiquée dans les dispositifs de l'art antérieur, tout en aboutissant à un capteur dont les caractéristiques d'herméticité et de robustesse sont parfaitement adaptées aux besoins. Le procédé selon l'invention réalise ainsi une sorte d'optimum technique dans lequel les propriétés d'isolation électrique, d'herméticité et de tenue mécanique sont assurées par l'élément diélectrique en céramique, tandis que la facilité de montage et le coût modéré sont obtenus par l'utilisation de l'adhésif à base céramique, lequel adhésif n'est par ailleurs généralement pas réputé satisfaisant lorsqu'il est utilisé seul comme élément diélectrique.
Suivant un autre aspect de l'invention il est proposé un capteur capacitif pouvant être utilisé jusqu'à une température d'au moins 4000C, comprenant :
- au moins un corps en matériau sensiblement conducteur à l'électricité,
- au moins une électrode de mesure en matériau sensiblement conducteur à l'électricité, et - au moins un élément diélectrique en céramique, caractérisé en ce que ledit élément diélectrique est fixé audit corps et à ladite électrode de mesure, respectivement, par collage au moyen d'un adhésif à base céramique.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif peut comprendre en outre une électrode de garde placée entre le corps et l'électrode de mesure, ladite électrode de garde étant électriquement isolée du corps d'une part et de l'électrode de mesure d'autre part par des éléments diélectriques constitués de céramique, lesquels éléments diélectriques étant fixés à l'électrode de mesure, à l'électrode de garde et au corps, respectivement, par collage au moyen d'un adhésif à base céramique.
Suivant un autre aspect de l'invention, lesdits éléments constituant la face de mesure du capteur comprennent un dispositif de retenue mécanique les empêchant de tomber du côté de ladite face de mesure.
Suivant des modes de réalisation particuliers, ledit dispositif de retenue mécanique peut comprendre : - un système d'épaulements,
- un système de cônes imbriqués.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre un câble triaxial, lequel câble comprenant au moins un isolant minéral, une âme centrale reliée à l'électrode de mesure, un blindage de garde, et un blindage extérieur relié au corps du capteur.
Suivant le mode de réalisation particulier selon lequel le dispositif comprend une électrode de garde, le câble peut comprendre au moins un isolant minéral, une âme centrale reliée à l'électrode de mesure, un blindage de garde relié à l'électrode de garde, et un blindage extérieur relié au corps du capteur.
Les éléments diélectriques du dispositif selon l'invention peuvent avantageusement être en céramique à base d'alumine (AI2O3).
L'électrode de mesure du dispositif selon l'invention peut avantageusement comprendre au moins l'un des matériaux suivants : superalliage, alliage réfractaire.
Ladite électrode de mesure peut également avantageusement comprendre au moins l'un des matériaux suivants : platine, alliage de type Dilver. Le corps du dispositif selon l'invention peut avantageusement comprendre au moins l'un des matériaux suivants : superalliage, alliage réfractaire.
Ledit corps peut également avantageusement comprendre au moins l'un des matériaux suivants : platine, alliage de type Dilver. L'électrode de garde du dispositif selon l'invention peut avantageusement comprendre au moins l'un des matériaux suivants : superalliage, alliage réfractaire.
Ladite électrode de garde peut également avantageusement comprendre au moins l'un des matériaux suivants : platine, alliage de type Dilver.
L'adhésif mis en œuvre dans le dispositif selon l'invention peut avantageusement être un adhésif à base céramique comprenant de l'alumine. Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : - la figure 1 illustre un premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention, selon lequel le capteur capacitif a une structure coaxiale.
- la figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, selon lequel le capteur capacitif a une structure triaxiale, avec une électrode de garde. Selon un mode de réalisation préférentiel mais nullement limitatif, le dispositif selon l'invention, dit capteur capacitif, comporte une symétrie de révolution.
En référence à la figure 1, dans un mode de réalisation dit coaxial du dispositif selon l'invention, le capteur comprend les éléments suivants : - un corps 2 et un capot 3, qui peuvent être constitué par exemple de platine, d'un alliage de type Dilver, d'un alliage métallique réfractaire ou superalliage,
- une bague diélectrique 4, qui peut être constitué par exemple de céramique réfractaire, par exemple à base d'alumine (AI2O3) ou de nitrure de bore (NB).
- une électrode de mesure 1, qui peut être constitué par exemple de platine, d'un alliage de type Dilver, d'un alliage métallique réfractaire ou de superalliage,
- un câble triaxial 5, lequel câble comprend une âme centrale 6, un blindage de garde 7 et un blindage extérieur 8. L'âme centrale 6 est électriquement reliée à l'électrode de mesure 1 et le blindage extérieur 8 au corps 2 par l'intermédiaire du capot 3. Le blindage de garde 7 n'est pas relié au capteur.
Le câble 5 peut comprendre des conducteurs en Inconel. Il peut en outre comprendre un isolant minéral, par exemple à base de poudre d'alumine (AI2O3), de poudre de MgO, d'un autre mélange d'oxyde, ou tout autre isolant minéral. Un tel type de câble est connu sous le nom usuel de câble à isolant minéral.
Selon un mode de réalisation particulier, l'âme centrale 6 et le blindage de garde 7 du câble 5 peuvent être en cuivre. Le cuivre a en effet une conductivité sensiblement meilleure que l'Inconel et permet de garantir un meilleur potentiel électrique sur la garde.
En référence à la figure 2, dans un autre mode de réalisation dit triaxial du dispositif selon l'invention, le capteur comprend en outre les éléments suivants :
- une électrode de garde 9, et un capot de garde 11 qui peuvent être constitués par exemple de platine, d'un alliage de type Dilver, d'un alliage métallique réfractaire ou de superalliage,
- une autre bague diélectrique 10, qui peut être constitué par exemple de céramique réfractaire, par exemple à base d'alumine (AI2O3) ou de nitrure de bore (NB).
Dans le mode de réalisation triaxial de la figure 2 le blindage de garde 7 du câble 5 peut être électriquement relié à l'électrode de garde 9 par l'intermédiaire du capot de garde 11. Un alliage de type Dilver est un alliage métallique à base de fer, nickel et cobalt qui a la propriété de présenter un coefficient de dilatation thermique proche de celui de l'alumine. De tels alliages sont connus notamment sous les noms commerciaux de Dilver et Kovar.
Le platine a également cette propriété de présenter un coefficient de dilatation thermique proche de celui de l'alumine. L'usage de ces matériaux (platine, Dilver, alumine) permet ainsi de limiter les contraintes mécanique dans le capteur lorsque ce dernier est soumis à de fortes variations de température. Le Dilver peut être utilisé jusqu'à des températures de l'ordre de 1000 0C. Le platine peut supporter des températures jusqu'à 1400 0C au moins.
Suivant un mode de réalisation préférentiel, l'électrode de mesure 1, le corps 2 et, dans le mode de réalisation triaxial, l'électrode de garde 9 peuvent être en platine ou en alliage de type Dilver. Le capot 3 peut être réalisé en superalliage de type Inconel 600 et les bagues diélectriques en céramique à base d'alumine.
Selon un aspect particulièrement avantageux de l'invention, dans le mode de réalisation coaxial de la figure 1, l'assemblage de la bague diélectrique 4, de l'électrode 1 et du corps 2 peut être effectué par collage en utilisant un adhésif. Selon ce mode de réalisation, les pièces peuvent être usinées de telle sorte à laisser un jeu de quelques dizaines de microns entre elles. Les faces en contact sont enduites dudit adhésif, puis les éléments sont assemblés et cuits à chaud pendant quelques heures.
Dans le mode de réalisation triaxial de la figure 2, les pièces assemblées par collage avec l'adhésif sont le corps 2, les bagues diélectriques 4 et 10, l'électrode de garde 9 et l'électrode de mesure 1.
Le terme « adhésif » peut englober tout produit permettant d'effectuer une opération de collage de pièces, par exemple en céramique, sur d'autres pièces, par exemple en superalliage, sans nécessiter de cuisson à une température supérieure à 5000C. On distingue les adhésifs à base organique tels que les époxys et les acryliques, et les adhésifs à base non organique, comprenant notamment des bases céramiques, telles que par exemple l'alumine.
Il est possible sans sortir du champ de l'invention d'utiliser des adhésifs organiques. Par exemple, avec certains adhésifs époxy, un dispositif selon l'invention pourrait être mis en œuvre jusqu'à des températures de 3000C.
De manière préférentielle, il peut être mis en œuvre dans un dispositif selon l'invention un adhésif à base céramique, par exemple de type alumine ou AI203. Un adhésif utilisant une autre base comme par exemple de l'oxyde de magnésium ou de la zircone peut bien entendu également être utilisé. Il est parfois fait référence à ces produits sous le nom de « ciment » ou « ciment céramique ». Ces adhésifs sèchent typiquement en 1 à 2 heures, et sont utilisables après cuisson à une température de l'ordre de 1000C à 3500C. Certains peuvent supporter des températures jusqu'à 17000C. Un dispositif selon l'invention utilisant un tel adhésif céramique peut ainsi être mis en œuvre jusqu'à une température d'au moins 4000C, par exemple pour des mesures sur des aubes de turbines.
Suivant un aspect avantageux de l'invention, un tel capteur capacitif comprenant des électrodes 1, 9 et un corps 2 en platine, des bagues diélectriques 4, 10 en céramique à base d'alumine collées par un adhésif à base céramique, et un câble à isolant minéral peut supporter des températures jusqu'à 14000C, ce qui correspond aux milieux les plus chauds dans lesquelles il peut être nécessaire de faire des mesures dans les turbines. Selon un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, il est possible de remplacer complètement les bagues diélectriques 4 et 10 par un ciment, tel que proposé d'ailleurs dans certains documents de l'art antérieur comme EP 0 544 367. Les performances et la durée de vie du capteur s'en trouvent cependant sensiblement diminuées car le ciment n'est pas aussi hermétique à l'humidité que la céramique, et il est de plus sensiblement plus fragile.
Ainsi, dans le mode de réalisation préférentielle du dispositif selon l'invention, l'herméticité et la tenue mécanique du capteur sont assurées par la céramique tandis que l'adhésif, ou ciment, utilisé en couche suffisamment mince, apporte la facilité d'assemblage sans dégrader sensiblement les performances du capteur.
Du point de vue des propriétés électriques également, la céramique est un isolant électrique sensiblement meilleure qu'un adhésif ou ciment, même à base de céramique. Dans le mode de réalisation préférentielle du dispositif selon l'invention, l'isolation électrique entre les électrodes d'une part, et entre les électrodes et la masse d'autre part, qui est très importante pour la qualité des mesures, est assurée par la céramique avec des performances sensiblement proches de celles pouvant être obtenues avec un capteur assemblé par brasure. Il n'y a ainsi jamais de contact électrique, ou de pont électrique, entre les électrodes ou entre les électrodes et la masse uniquement via le ciment uniquement.
L'assemblage des pièces métalliques entre elles, tel que le corps 2 avec le capot 3, l'électrode de garde 9 avec le capot de garde 11 ainsi que les conducteurs du câble avec les éléments correspondant du capteur, peut avantageusement être réalisé par soudure au laser.
Selon un autre aspect avantageux de l'invention, les éléments inclus dans la partie avant du capteur tels que le corps 2, les bagues diélectriques 4 et 10, l'électrode de garde 10 et l'électrode de mesure 1, peuvent s'emboîter les uns dans les autres par une face opposée à la zone de mesure, et ils sont retenus mécaniquement de telle sorte qu'aucun ne puisse se détacher et tomber du côté de cette zone de mesure. Cela signifie qu'aucun de ces éléments ne peut normalement tomber dans la turbine à moins de rupture franche d'une pièce, ce qui est particulièrement avantageux pour la sécurité. Selon un exemple de réalisation nullement limitatif, le corps 2 du capteur peut être pourvu d'un premier épaulement externe 20 qui permet de poser le capteur sur le carter de la turbine, et d'un deuxième épaulement interne 21 sur lequel peuvent se poser les autres éléments. L'électrode de mesure 1 peut elle aussi être pourvu d'un épaulement 22 qui l'empêche de traverser les autres éléments. Les autres éléments tels que l'électrode de garde 9 du capteur triaxial et la, ou les, bagues diélectriques 4 et 10 ont également un épaulement qui leur permet de prendre appui sur l'élément de diamètre immédiatement supérieur. Les éléments s'encastrent ainsi les uns dans les autres, de manière concentrique, en partant du corps 2 jusqu'à l'électrode de mesure 1.
Selon un autre exemple de réalisation, les éléments inclus dans la partie avant du capteur peuvent être de forme conique, conformés de telle sorte à s'emboîter et se bloquer mutuellement, et ne pas pouvoir tomber du côté de la zone de mesure.
Le capteur peut également comprendre au moins une entretoise en céramique par exemple, placée entre des éléments de la face avant tels que l'électrode de mesure 1 et des éléments de l'arrière tels que le capot 3. Cette entretoise peut permettre d'éviter, en cas de décollements par exemple, que des éléments de la face avant ne reculent dans le capteur sous l'effet de la pression.
Les applications du dispositif selon l'invention ne sont bien entendu pas limitées à la mesure du jeu d'aubes. Le dispositif permet par exemple également de mesurer le temps de passage de chaque aube pour déterminer les vibrations des aubes en fonction des sollicitations mécaniques. Il peut également être mis en œuvre dans tout autre contexte que les turbines.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un capteur capacitif pouvant être utilisé jusqu'à une température d'au moins 40O0C comprenant des étapes de :
- assemblage des éléments constituant la face de mesure (12) du capteur, lesquels éléments comprenant au moins une électrode de mesure
(1) en matériau sensiblement conducteur à l'électricité, un élément diélectrique (4) en céramique, et un corps (2) en matériau sensiblement conducteur à l'électricité,
- fixation desdits éléments constituant la face de mesure (12) du capteur, caractérisé en ce que ladite étape de fixation des éléments constituant la face de mesure (12) du capteur comprend une opération de collage au moyen d'un adhésif à base céramique.
2. Capteur capacitif pouvant être utilisé jusqu'à une température d'au moins 4000C, comprenant :
- Au moins un corps (2) en matériau sensiblement conducteur à l'électricité,
- au moins une électrode de mesure (1) en matériau sensiblement conducteur à l'électricité, et
- au moins un élément diélectrique (4) en céramique, caractérisé en ce que ledit élément diélectrique (4) est fixé audit corps
(2) et à ladite électrode de mesure (1), respectivement, par collage au moyen d'un adhésif à base céramique.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une électrode de garde (9) placée entre le corps (2) et l'électrode de mesure (1), ladite électrode de garde (9) étant électriquement isolée du corps (2) d'une part et de l'électrode de mesure (1) d'autre part par des éléments diélectriques (4) et (10) constitués de céramique, lesquels éléments diélectriques étant fixés à l'électrode de mesure (1), à l'électrode de garde (9) et au corps (2), respectivement, par collage au moyen d'un adhésif à base céramique.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits éléments constituant la face de mesure (12) du capteur comprennent un dispositif de retenue mécanique les empêchant de tomber du côté de ladite face de mesure (12).
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dispositif de retenue mécanique comprend un système d'épaulements (20, 21, 22).
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dispositif de retenue comprend un système de cônes imbriqués.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2, 4, 5, 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un câble triaxial (5), lequel câble comprenant au moins un isolant minéral, une âme centrale (6) reliée à l'électrode de mesure (1), un blindage de garde (7), et un blindage extérieur (8) relié au corps du capteur (2).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un câble triaxial (5), lequel câble comprenant au moins un isolant minéral, une âme centrale (6) reliée à l'électrode de mesure (1), un blindage de garde (7) relié à l'électrode de garde (9), et un blindage extérieur (8) relié au corps du capteur (2).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que lesdits éléments diélectriques comprennent de la céramique à base d'alumine.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ladite électrode de mesure (1) comprend au moins l'un des matériaux suivants : superalliage, alliage réfractaire.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ladite électrode de mesure (1) comprend au moins l'un des matériaux suivants : platine, alliage de type Dilver.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que ledit corps (2) comprend au moins l'un des matériaux suivants : superalliage, alliage réfractaire.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que ledit corps (2) comprend au moins l'un des matériaux suivants : platine, alliage de type Dilver.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 13, caractérisé en ce que ladite électrode de garde (9) comprend au moins l'un des matériaux suivants : superalliage, alliage réfractaire.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 13, caractérisé en ce que ladite électrode de garde (9) comprend au moins l'un des matériaux suivants : platine, alliage de type Dilver.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que ledit adhésif est un adhésif à base céramique comprenant de l'alumine.
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