Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
Manomètre à passacre direct
La présente invention est relative à un dispositif
permettant la mesure de pression sur une ligne d'installations
diverses. Elle vise plus particulièrement un manomètre dont la
conception permet, d'une part de s'affranchir de tout volume
mort de l'organe moteur, et d'autre part d'offrir une très
grande facilité de nettoyage sans que cela soit nécessaire de
déconnecter l'instrument de mesure de la ligne de procédé ou
bien de le démonter.
Les manomètres de conception classique, qu'ils soient à
tube de "BOURDON", à capsule, à soufflet, etc... sont dotés
d'organes moteurs renfermant un volume mort relativement
important, dans lequel le fluide à mesurer reste prisonnier.
Dans ce type de manomètres, il est en effet très
difficile, pour ne pas dire impossible, de nettoyer cet organe
moteur, véritable cul-de-sac, et auquel l'accès est impossible.
Finalement, le fluide dont on mesure la pression reste
emprisonné en permanence à l'intérieur de l'organe moteur. Pour
certaines industries et applications, ce phénomène peut être
gênant, car peuvent alors se former et se développer à
l'intérieur de ce cul-de-sac, des germes et bactéries
indésirables. Par ailleurs, on comprend bien qu'en raison de sa
forme même, un tube de BOURDON ou soufflet - qu'il soit étiré
sans soudure, soit roulé soudé puis étiré - ne peut pas avoir
un état de surface interne impeccable quels que soient les
traitements qui lui sont appliqués.
A supposer que l'état de surface interne soit correct,
les soudures réalisées - à l'extrémité du tube et à celle
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
2
permettant de fixer le tube sur le raccord - engendrent la
présence d'impuretés à l'intérieur du tube.
Les traitements tels qu'électro-polissage, passage à
"l'extrudom" ou autres, peuvent prétendre améliorer l'état de
surface interne d'une toute petite partie du tube de BOURDON,
mais ne peuvent en aucun cas le rendre suffisamment propre et
exempt de toute impureté.
Les organes moteurs classiques, quelle que soit leur
forme (tube de BOURDON, soufflet, capsule, etc.), se révèlent
être de véritables nids à particules, impossible à nettoyer
efficacement, et dont les états de surface internes en contact
avec le média à mesurer ne sont pas compatibles avec des
industries qui réclament des degrés de propreté et pureté
élevés.
Par ailleurs, lors de changements de fabrication,
l'utilisateur peut souhaiter nettoyer les lignes et les
instruments de mesure qui sont installés sur ces dernières.
Dans le cas de manomètres,' ce nettoyage est impossible, à moins
que le manomètre soit séparé de l'installation à l'aide d'une
pièce intermédiaire, appelé séparateur. Ce séparateur permet
d'isoler l'instrument de mesure de la ligne, et fait office de
"tampon". Le séparateur est muni d'une membrane en contact avec
le fluide à mesurer, alors qu'un liquide de remplissage
(généralement une huile) assure la transmission de la pression
régnant dans l'installation entre cette membrane et l'organe
moteur du manomètre.
L'utilisation d'un séparateur peut poser des problèmes et
n'est pas toujours idéale. Les performances d'un séparateur
dépendent largement des caractéristiques mécaniques de la
membrane elle-même (de sa courbe de réponse), de la qualité du
liquide de remplissage, de sa tenue à la température, de sa
viscosité, des conditions de remplissage, etc... En outre,
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
3
l'étanchéité entre cette membrane et la ligne de l'installation
est assurée par un joint offrant lui-même des zones de
rétention où peuvent se développer des germes, des bactéries,
une flore microbienne.
Par ailleurs, l'utilisation d'un liquide de remplissage
au niveau du séparateur risque de polluer toute l'installation
ainsi équipée, en cas de rupture de la membrane.
De plus, un séparateur est un élément rapporté,
indépendant du manomètre, qui ajoute un surcoût au produit
ffinal.
Même si les manomètres montés ou non sur séparateur sont
des instruments de mesure de pression fiables et dont les
performances répondent à la plupart des applications
industrielles.
Or, il est des domaines d'applications ou des industries
où les inconvénients cités ci-dessus deviennent prépondérants.
C'est notamment le cas pour les industries agro-alimentaires,
les industriels de chimie fine, les industries
pharmaceutiques, l'industrie de production des semi-
conducteurs, les industries de production ou d'utilisation des
gaz purs, rares, toxiques, les industries où les instruments de
mesure de pression sont utilisés dans des procédés de
peinture, etc...
Dans toutes ces industries ou applications, l'utilisation
d'instruments de mesure de pression nécessite des précautions
d'emploi très strictes notamment en ce qui concerne la
présence d'impureté, de germes, de poussière, etc... Les
instruments de mesure utilisés sur ces types de procédé doivent
pouvoir être très facilement nettoyés.
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
4
Dans les industries agro-alimentaires par exemple, les
industriels ont besoin de mesurer la pression de liquide ou
pâtes alimentaires destinés à la consommation humaine ou
animale. En conséquence, les appareils permettant d'effectuer
ces mesures ne doivent, en aucun cas, permettre la formation et
le développement des germes ou bactéries qui pourraient altérer
ou rendre impurs à la consommation les aliments dont on mesure
la pression. Les instruments de mesure, doivent, en
conséquence, être conçus de telle sorte que les zones de
rétention soient quasi-inexistantes, et également de sorte
qu'il soit facile de les nettoyer (c'est-à-dire qu'ils sont
conçus de manière à être facilement nettoyables lorsqu'on fait
passer dans les lignes de l'installation des produits
nettoyants, de l'eau chaude, ou d'autres produits
décontaminants).
Une même problématique se pose pour les industries
pharmaceutiques, de chimie fine, etc.
Dans le domaine de la distribution des gaz dans
l'industrie des semi-conducteurs, les manomètres sont
principalement utilisés pour mesurer la pression de deux sortes
de familles de gaz .
- Les gaz dits "gaz purs" dont les caractéristiques en
terme de pureté sont extrêmement élevées . Azote ultra pur,
argon, hélium, etc.. Ce sont généralement des gaz dont les
degrés de pureté peuvent atteindre et dépasser 99,99999%
- Les gaz dits "gaz de dopage" - généralement des gaz
très toxiques (Arsine, Bore - Gallium, etc.) - qui permettent
de doper les "wafers" de silicium sur lesquels sont produits
les composants électroniques, comme les mémoires, (RAM, DRAM),
les microprocesseurs, etc.
Dans cette industrie, il y lieu d'employer des
instruments de mesure fabriqués selon des procédés très
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
rigoureux en terme de propreté pour ne pas risquer de polluer
les gaz qui sont utilisés.
Par ailleurs, toutes les zones de rétention sont
5 proscrites dans la mesure où elles favorisent, là aussi, le
développement de germes ou bactéries indésirables.
De plus, par exemple, la mesure de pression sur des
lignes de procédés de peinture, et en fonction des productions
qui se suivent, les instruments de mesure de pression sont
amenés à mesurer la pression de peintures de différentes
couleurs. Entre deux productions, les manomètres doivent
pouvoir être facilement nettoyés et ne posséder aucune zone de
rétention où une peinture de la production précédente
risquerait de polluer la production immédiatement suivante.
Les exemples donnés ci-dessus ne sont pas limitatifs. De
nombreux autres procédés de fabrication exigent que les
instruments de mesure installés sur les lignes puissent être
aussi facilement que possible nettoyés, et que leur
construction n'autorise aucune zone de rétention favorisant le
développement de germes, bactéries et autres substances venant
polluer le procédé de fabrication ou les constituants qui
rentrent dans ce même procédé de fabrication, tels que
notamment les liquides, les gaz, etc.
I1 ressort clairement du constat précédemment exposé que
ces instruments doivent, dans la mesure du possible, pouvoir
être nettoyés ou rincés. Dans ce contexte, on comprend que les
manomètres classiques sont loin de permettre cette facilité, et
que leur utilisation pose d'énormes problèmes, s'ils ne sont
pas associés à des séparateurs.
Pour pallier ces inconvénients, les principaux fabricants
d'instruments de mesure de pression ont développé ces dernières
années des appareils appelés "transmetteurs de pression à
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
6
passage intégral" permettant de s'affranchir de ces problèmes
de pollution. En effet, différentes technologies issues des
technologies récentes de l'électronique ont permis de mettre au
point des instruments de mesure de pression dont l'organe
moteur (l'élément qui permet de transformer une grandeur
physique de pression en un signal électrique) est tout
simplement un tube à l'intérieur duquel circule le "fluide"
dont on veut mesurer la pression. Ainsi, par exemple, il existe
des transmetteurs de pression qui s'affranchissent de toute
zone de rétention et qui offrent une facilité de nettoyage
maximum. Ce matériel est composé d'un tube sur lequel est usiné
un méplat dont les côtes et les tolérances d'usinage sont
précisément connues. Sur ce méplat, sont. judicieusement placées
et collées des jauges de contraintes à trame pelliculaire
disposées en Pont de "wheatstone" (réseau de résistances).
Lorsque ce réseau de résistances est alimenté par une tension
extérieure, le Pont de "wheatstone" délivre un signal
électrique dont la valeur varie en fonction de la déformation
subie par ces jauges de contraintes lorsqu'une pression est
exercée sur la paroi intérieure du tube (au niveau du méplat).
Le signal de sortie du Pont de "wheatstone" dépend donc
de la valeur des résistances collées sur le méplat. Or, sous
l'effet de la pression, le méplat à tendance à se déformer. En
se déformant, le méplat fait également subir aux jauges de
contraintes des déformations qui se traduisent finalement par
une variation de la valeur de chacune des résistances ou jauges
de contraintes. Une conséquence immédiate est la variation
et/ou la dérive du signal de sortie délivré aux bornes du Pont
de "wheatstone" sous l'effet de la pression. Le signal de
sortie est globalement proportionnel à la déformation subie par
le méplat et donc à la pression exercée par le fluide qui
circule dans le tube sur la zone de déformation de ce méplat .
Le signal de sortie du Pont de "wheatstone" est ensuite traité
par une électronique de traitement qui délivre généralement un
courant compris entre 4 et 20 mA, correspondant respectivement
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
7
à une pression nulle et à la pression maximum pour laquelle
l'instrument de mesure a été calibré.
Ce genre de transmetteurs répond parfaitement aux
contraintes de propreté, de pureté et de nettoyabilité. Mais
leur utilisation est soumise à d'autres contraintes dont la
principale, pour l'utilisateur, l'oblige à alimenter
électriquement le Pont de "wheatstone" et donc ce type de
transmetteur de pression. L'utilisateur final est donc
contraint de prévoir de "tirer" des câbles d'alimentation sur
son installation et son procédé pour ce matériel. Or, dans
l'industrie des semi-conducteurs, par exemple, il n'est pas
rare d'installer plusieurs centaines d'instruments de mesure de
pression pour contrôler la distribution des gaz au niveau de la
fabrication. Ce type d'installation peut se révéler lourd et
coûteux. D'autant plus, qu'à ce type de transmetteur, il faut
rajouter un élément permettant de visualiser la mesure
transmise par l'instrument . un afficheur permettra de
visualiser la pression de ligne en temps réel.
Enfin, un transmetteur coûte généralement plus cher qu'un
manomètre.
La présente invention vise donc à pallier ces
inconvénients, en proposant un dispositif indépendant de tout
organe moteur et autonome en termes de source d'énergie et qui
permette de s'affranchir en grande partie des problèmes liés à
la pureté, la propreté et la nettoyabilité de l'organe moteur.
A cet effet, le manomètre à passage direct, objet de
l'invention, se caractérise en ce qu'il comporte un corps qui
est muni en son centre d'une surface courbe en creux, dans
laquelle débouchent au moins deux orifices transversaux,
destinés à permettre l'arrivée et le départ du fluide dont on
veut mesurer la pression, cette surface courbe étant obturée
par une membrane qui est maintenue en position sur son siège
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
8
grâce à un boîtier de mesure qui coopère avec le corps par
l'intermédiaire de moyens de fixation et d'orifices, le boîtier
de mesure étant en outre muni de seconds moyens de fixation
permettant le montage d'un dispositif amplificateur de
mouvement reposant sur la membrane et relié à un indicateur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente
invention ressortiront de la description faite ci-après, en
référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de
réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les
figures .
- la figure 1 est une vue en élévation plane d'un
manomètre selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe et en élévation
latérale de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en élévation plane du corps du
manomètre ;
- la figure 4 est une vue en coupe et en élévation
latérale d'une membrane équipant le manomètre objet de
l'invention ;
- la figure 5 illustre une variante de réalisation de la
figure 3.
Selon un mode préférê de réalisation, on pourra se
reporter à la figure 2, sur laquelle on a représenté par le
repère 1, le corps du manomètre, par le repère 2 la membrane,
et par le repère 3 le boîtier de mesure, ces trois composants
étant assemblés ensemble de manière à former le manomètre.
Le corps 1 est élaboré à partir d'une succession
d'opérations d'usinage de manière à conformer une pièce
sensiblement cylindrique formant une embase. Cette pièce 1 est
préférentiellement usinée dans un étiré métallique du type
notamment acier inoxydable, et comporte sensiblement en son
centre une surface courbe 4 en creux dont le rayon de courbure,
l'usinage, le traitement de surface, l'état de surface
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
9
permettent d'éliminer toute zone de rétention, de sorte que ce
manomètre est parfaitement nettoyable en ligne.
Au sein de cette surface courbe 4, débouchent au moins
deux orifices transversaux 5, 6, destinés à permettre l'arrivée
et le départ du fluide dont on veut mesurer la pression.
Selon un premier mode de réalisation, ces orifices 5, 6
sont positionnés selon une même génêratrice, notamment selon un
diamètre du corps 1 (cf. figure 3)
Selon un deuxième mode de réalisation, ces orifices 5, 6
sont placés selon deux génératrices sécar~tes (cf. figure 5).
Quel que soit le mode de réalisation, les zones
d'intersection entre les orifices 5, 6 et la surface courbe en
creux 4 forment un profil en ellipse dont les zones de
raccordement sont également usinées et traitées de manière à
éviter toute zone de rétention.
25
Selon une autre caractéristique de l'invention, la
périphérie de la surface courbe en creux 4 est munie d'une
couronne annulaire 7 qui délimite un lamage servant de surface
de contact à la membrane 2.
Cette membrane 2 recouvre totalement la surface courbe en
creux 4 et reçoit les efforts de pression provenant du passage
du fluide transitant dans la cavité au travers des deux
orifices 5, 6 (cf. figure 4).
La membrane 2 se présente sous la forme d'un disque
métallique qui comporte une pluralité d'ondulations 8
concentriques qui délimitent entre elles des zones de
déformations élastiques.
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
En outre, la partie centrale 9 de cette membrane est
plane et délimite une zone de contact avec un dispositif de
mouvement amplificateur qui est lui-même relié à un pignon qui
met en mouvement une aiguille sur son axe.
5
Par ailleurs, la partie périphérique 10 de la membrane 2
est plane et sensiblement positionnée dans un plan médian par
rapport à la pluralité d'ondulations concentriques réparties
entre la partie centrale 9 et la partie périphérique 10 de la
10 membrane 2. Le rôle de cette partie périphérique 10 sera
explicité ci-après.
De même, cette membrane 2 est obtenue notamment par une
opération d'emboutissage dans un feuillard métallique qui
subira par la suite une pluralité d'opérations de traitement
thermique ainsi qu'une pluralité d'opérations de traitement de
surface .
Le choix des matériaux utilisés et leurs traitements a
été rigoureusement étudié et sélectionné pour permettre un
fonctionnement optimal, notamment pour offrir d'excellentes
performances métrologiques (linéarité, hystérésis,
répétabilité), on atteint ainsi la classe d'exactitude de 1.
Le corps 1 du manomètre comporte également une pluralité
de moyens de fixation 11, disposés préférentiellement de
manière équidistante autour de la couronne annulaire 7.
Ces moyens de fixation 11 sont élaborés à partir de
perçages-taraudages réalisés dans le corps 1 du manomètre, de
manière à permettre la solidarisation du boîtier de mesure 3.
Le boîtier de mesure 3 est réalisé dans un matériau
similaire à celui du corps 1, à partir d'une pluralité
d°opérations d'usinage classique ainsi que diverses opérations
de traitement de surface.
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
11
Globalement cylindrique, en forme de virole, cette pièce
est destinée, d'une part à maintenir la membrane au-dessus de
la cavité à surface courbe 4, et d'autre part à assurer le
montage du dispositif de mouvement amplificateur ainsi que le
cadran gradué.
Ainsi, pour réaliser ces diverses fonctions, la virole
formant le boîtier de mesure 3 comporte une pluralité
d'orifices 12 positionnés angulairement de telle façon qu'ils
correspondent avec les moyens de fixation 11 prévus au sein du
corps 1 du manomètre.
Ces orifices 12 permettent le passage de vis, goujons ou
similaires qui coopèrent au niveau des moyens de fixation 11 et
qui autorisent, grâce à leur vissage, le maintien du boîtier de
mesure 3 sur le corps 1.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la face
de la virole devant être en contact avec la partie périphérique
10 de la membrane 2, comporte un épaulement ou bossage
circulaire qui délimite une surface de contact 13 qui permet,
lors du montage du boîtier de mesure 3 sur le corps 1, le
pinçage de la partie périphérique 10 au niveau du lamage 7
réalisé sur le corps 1.
L'assemblage du manomètre au niveau du corps 1 de la
membrane 2 du boîtier de mesure 3 se fait sans soudure, donc
sans risque aucun de pollution interne. Le montage du manomètre
est assuré en classe 100, et pour certaines opérations en
classe 10 (sous les hottes à flux laminaires) pour éviter tout
risque de pollution.
Le boîtier de mesure 3 comporte également des seconds
moyens de fixation 14 qui permettent le montage du dispositif
amplificateur de mesure, dont une extrémité repose sur la
partie centrale 9 de la membrane 2, et dont l'autre extrémité
CA 02370118 2001-11-21
WO 01/01098 PCT/FR00/01773
12
est formée par un axe pour le montage de l'indicateur,
notamment en forme d'aiguille.
En outre, 1a partie frontale de la virole 3 comporte une
série d'épaulements 15 pour le passage du cadran qui repose sur
les moyens de fixation 14, ainsi que pour le maintien d'un
capot de protection du cadran et de l'aiguille.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention,
les orifices 5 et 6 sont reliés à des piquages faisant saillie
latéralement par rapport au corps 1 du manomètre, ces piquages
16, 17 reçoivent divers types de moyens de raccordement
normalisés, mâles ou femelles, de manière à permettre le
montage du manomètre sur la ligne d'installation du procédé
industriel.
L'invention telle que décrite précédemment offre de
multiples avantages car le manomètre ainsi réalisé est à
passage direct qui a la particularité d'offrir un volume mort
nul, et dont la cavité permettant de mesurer la pression du
fluide est entièrement balayée par ce même fluide, empêchant
ainsi toute zone de rétention préjudiciable aux critères de
propreté.
De plus, la construction, la forme des pièces internes,
les usinages, les traitements et les états de surface des
divers composants formant le manomètre permettent d'éliminer
toute zone de rétention, de sorte que ce manomètre est
parfaitement nettoyable en ligne. De part sa construction -
membrane pincée et non soudée - chaque pièce de ce manomètre
peut être traitée de façon à atteindre des états de pureté et
de propreté extrêmement élevés.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est
pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés
ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes.
