FR2503362A1

FR2503362A1 - Dynamic calibration assembly for pressure sensor - has coil assembly to drive piston for compressing liquid at variable force in calibration chamber

Info

Publication number: FR2503362A1
Application number: FR8106409A
Authority: FR
Inventors: Claude Doucelance
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1982-10-08
Also published as: FR2503362B1

Abstract

An exciter assembly (1) rests on flexible mounts (3) on a support (2). The fixed part of the exciter comprises a foot (4) containing an excitation winding (5) and is extended by a support housing (6) whose upper part forms a cylindrical cavity (7) closed by a cover (8). The foot has a cylindrical opening (9) which houses a moving coil (10) fixed to a piston (11) which displaces in the cavity (7) closed by a cover (8). The foot has a cylindrical opening (9) which houses a moving coil (10) fixed to a piston (11) which displaces in the cavity to define a calibration chamber (12). The moving coil and piston rest on rubber support (13) filled with compressed air and fastened by studs (14) through a retaining plate (15). The sensor being calibrated (16) is placed on a side wall of the calibration chamber which is filled with liquid (17). The coil assemblies displace the piston and apply a sinusoidal pressure to the fluid. The piston displacement is measured by an accelerometer and from the initial static pressure the pressure in the chamber can be calculated. The device is used for calibrating pressure transducers.

Description

La présente invention a pour objet un dispositif d'étalonnage des capteurs de pression en dynamique. The present invention relates to a device for calibrating pressure sensors in dynamics.

Les dispositifs actuellement utilisés pour étalonner les capteurs destinés à mesurer des pressions rapidement variables peuvent se classer en deux grandes catégories : les générateurs de pression apériodique et les générateurs de pression périodique. The devices currently used to calibrate sensors intended to measure rapidly varying pressures can be classified into two main categories: aperiodic pressure generators and periodic pressure generators.

I1 existe trois types de générateurs apériodiques : les tubes à choc, les dispositifs à ouverture rapide et les bombes closes. There are three types of aperiodic generators: shock tubes, quick-opening devices and closed bombs.

Le tube à choc est constitué d'une chambre haute pression séparée d'une chambre basse pression par une membrane. A l'éclatement de la membrane une onde de choc se propage dans la chambre basse pression et se réfléchit en fond de tube. Le capteur de pression à étalonner est placé au fond du tube : il est donc soumis d'abord à la pression initiale, puis en un temps très bref, généralement inférieur à la microseconde, à la pression régnant derrière le choc réfléchi. L'amplitude de l'échelon de pression ainsi créé peut être connu théoriquement ou expérimentalement mais n'a qu'une durée limitée (de 2 à 20 millisecondes).Les inconvénients du tube à choc sont d'une part l'amplitude de l'échelon de pression qui dépasse rarement une dizaine de bars et d'autre part la durée du palier de pression qui limite l'analyse vers les basses fréquences (domaine d'application en fréquence de 500 Hz à 1 MHz). The shock tube consists of a high pressure chamber separated from a low pressure chamber by a membrane. When the membrane bursts, a shock wave propagates in the low pressure chamber and is reflected at the bottom of the tube. The pressure sensor to be calibrated is placed at the bottom of the tube: it is therefore subjected first to the initial pressure, then in a very short time, generally less than the microsecond, to the pressure prevailing behind the reflected shock. The amplitude of the pressure step thus created can be known theoretically or experimentally but has only a limited duration (from 2 to 20 milliseconds). The disadvantages of the shock tube are on the one hand the amplitude of l 'pressure step which rarely exceeds ten bars and on the other hand the duration of the pressure level which limits the analysis towards low frequencies (frequency application range from 500 Hz to 1 MHz).

Dans les dispositifs à ouverture rapide, deux chambres gonflées à des pressions différentes sont isolées l'une de l'autre par un système ayant un temps d'ouverture très court tel que électrovanne rapide, soupape ou membrane. Les deux chambres sont de volume très différent, et le capteur à étalonner est monté sur la paroi de la chambre de plus petit volume. Ce dernier est d'abord soumis à la pression initiale, puis après mise en communication, à la pression règnant dans la grande chambre. L'échelon de pression ainsi créé a un temps de palier infini, tandis que le temps de montée est long (supérieur à 100 microsecondes). Ce dispositif est utilisé pour l'étalonnage dans le domaine des basses fréquences (de 2 à 1000 Hz), mais la pression maximale obtenue dépasse rarement la centaine de bars. In rapid opening devices, two chambers inflated to different pressures are isolated from each other by a system having a very short opening time such as rapid solenoid valve, valve or membrane. The two chambers are of very different volume, and the sensor to be calibrated is mounted on the wall of the chamber of smaller volume. The latter is first subjected to the initial pressure, then after communication, to the pressure prevailing in the large chamber. The pressure step thus created has an infinite plateau time, while the rise time is long (greater than 100 microseconds). This device is used for calibration in the low frequency range (from 2 to 1000 Hz), but the maximum pressure obtained rarely exceeds one hundred bars.

Le principe des bombes closes consiste à créer des impulsions de pression d'amplitude très élevée par l'explosion d'une petite charge à l'intérieur d'une enceinte fermée. Les pressions ainsi engendrées vont de la centaine de bars jusqu'à plusieurs milliers de bars, et le domaine de fréquence est compris entre 10 et 1 000 Hz. Cependant le manque de reproductibilité des caractéristiques de l'impulsion obtenue impose de prendre un capteur de référence associé au capteur à étalonner. The principle of closed bombs consists in creating pulses of very high amplitude pressure by the explosion of a small charge inside a closed enclosure. The pressures thus generated range from a hundred bars to several thousand bars, and the frequency range is between 10 and 1000 Hz. However, the lack of reproducibility of the characteristics of the pulse obtained requires taking a reference associated with the sensor to be calibrated.

Les générateurs de pression périodique comprennent essentiellement les générateurs de type sirène, les convertisseurs électropneumatiques et les "pis tonphones. The periodic pressure generators essentially include the siren-type generators, the electropneumatic converters and the "udders".

Dans les générateurs du type sirène, la modulation est assurée par un disque percé de trous équidistants, entrainés par un moteur électrique tournant à vitesse variable. Les convertisseurs électropneumatiques utilisent un dispositif du type buse-palette pour moduler la pression à l'intérieur d'une chambre. Le pistonphone est un dispositif à variation de volume piloté directement par la membrane mobile d'un haut parleur pour les fréquences élevées, ou par un excitateur électrodynamique associé à un piston pour les moyennes et basses fréquences. In siren type generators, the modulation is ensured by a disc pierced with equidistant holes, driven by an electric motor rotating at variable speed. Electropneumatic converters use a device of the nozzle-vane type to modulate the pressure inside a chamber. The pistonphone is a volume variation device controlled directly by the moving diaphragm of a loudspeaker for high frequencies, or by an electrodynamic exciter associated with a piston for medium and low frequencies.

Tous ces dispositifs présentent un certain nombre d'inconvénients : les pistonphones sont limités en pression au-dessous du bar et l'étalonnage des capteurs de pression à l'aide de ces moyens rend pratiquement obligatoire l'utilisation d'un capteur de référence. De plus, aucun de ces dispositifs n'est utilisable à la fois pour des pressions élevées et pour des fréquences élevées. All these devices have a certain number of drawbacks: the pistonphones are limited in pressure below the bar and the calibration of the pressure sensors using these means makes the use of a reference sensor practically compulsory. In addition, none of these devices can be used both for high pressures and for high frequencies.

La présente invention a justement pour objet un dispositif qui remédie à ces inconvénients en permettant notamment l'étalonnage de capteurs pour des fréquences élevées et de fortes pressions avec une bonne reproductibilité des résultats obtenus. The object of the present invention is precisely a device which overcomes these drawbacks by allowing in particular the calibration of sensors for high frequencies and high pressures with good reproducibility of the results obtained.

Selon la principale caractéristique du dispositif objet de l'invention, celui-ci comprend une chambre d'étalonnage entièrement remplie d'un fluide et fermée à son extrémité supérieure par un couvercle, ledit couvercle ainsi que les parois latérales de la chambre d'étalonnage étant solidaires de la partie fixe d'un excitateur électrodynamique, la chambre étant fermée de manière étanche à son extrémité inférieure par un piston solidaire de la partie mobile dudit excitateur, ledit piston engendrant ainsi une pression variable dans la masse du fluide, le capteur à étalonner étant placé directement en contact avec le fluide. According to the main characteristic of the device which is the subject of the invention, it comprises a calibration chamber completely filled with a fluid and closed at its upper end by a cover, said cover as well as the side walls of the calibration chamber. being integral with the fixed part of an electrodynamic exciter, the chamber being closed in leaktight manner at its lower end by a piston integral with the movable part of said exciter, said piston thus generating a variable pressure in the mass of the fluid, the sensor to calibrate being placed directly in contact with the fluid.

L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé, lequel comporte une figure unique représentant une vue schématique en coupe du dispositif objet de l'invention. The invention will appear better on reading the description which follows, given by way of purely illustrative and in no way limitative example, with reference to the appended drawing, which comprises a single figure representing a schematic sectional view of the device which is the subject of invention.

Sur la figure, on voit que l'excitateur 1 repose sur un support 2 par l'intermédiaire d'une suspension souple 3 ; la partie fixe de l'excitateur comporte un fût 4 muni d'une bobine excitatrice 5. Le fût 4 est prolongé par un bâti-support 6 dont la partie supérieure présente une forme telle qu'elle délimite une cavité cylindrique 7 fermée par un couvercle 8 solidaire du bâti 6. Le fût 4 comporte en son centre un évidement cylindrique 9 permettant de loger la bobine mobile 10 de l'excitateur. Celle-ci est solidaire d'un piston 11 qui peut se déplacer dans la cavité 7 délimitant ainsi une chambre d'étalonnage 12. L'ensemble constitué par la bobine 10 et le piston 11 repose sur le bâti 6 par l'intermédiaire de supports 13 en caoutchouc remplis d'air comprimé grâce aux tiges de liaison 14 et aux plateaux de reprise 15. In the figure, it can be seen that the exciter 1 rests on a support 2 by means of a flexible suspension 3; the fixed part of the exciter comprises a barrel 4 provided with an exciting coil 5. The barrel 4 is extended by a support frame 6, the upper part of which has a shape such that it delimits a cylindrical cavity 7 closed by a cover 8 secured to the frame 6. The barrel 4 has at its center a cylindrical recess 9 for housing the voice coil 10 of the exciter. This is integral with a piston 11 which can move in the cavity 7 thus delimiting a calibration chamber 12. The assembly formed by the coil 10 and the piston 11 rests on the frame 6 by means of supports 13 made of rubber filled with compressed air thanks to the connecting rods 14 and the return plates 15.

Le capteur à étalonner 16 est placé sur la paroi latérale de la chambre 12 qui est elle-même remplie d'un fluide 17. Le principe de fonctionnement de l'appareil est le suivant : la bobine fixe 5 et la bobine mobile 10 de l'excitateur 1 commandent le déplacement alternatif du piston 11 et par conséquent la mise en pression alternative du fluide 17 contenu dans la chambre 12.Lorsque la bobine mobile de l'excitateur est en position moyenne, la chambre d'étalonnage est mise à une pression statique Po ; le déplacement sinusoldal du piston provoque une variation sinusoldale de la pression et l'on peut écrire :

c'est-à-dire :

avec S section du piston
VO volume initial
coefficient de compressibilité du fluide
utilisé
ax déplacement du piston
bP variation de pression dûe au déplacement du
piston
Si Po est la pression statique initiale, et si le déplacement imposé au piston est sinusoïdal tel que ax = xO sin wt, la pression dans la chambre d'étalonnage s'exprime par la relation ::

The sensor to be calibrated 16 is placed on the side wall of the chamber 12 which is itself filled with a fluid 17. The operating principle of the device is as follows: the fixed coil 5 and the moving coil 10 of the exciter 1 control the reciprocating movement of the piston 11 and consequently the alternating pressurization of the fluid 17 contained in the chamber 12. When the exciter's moving coil is in the middle position, the calibration chamber is brought to a pressure static Po; the sinusoldal displacement of the piston causes a sinusoldal variation of the pressure and one can write:

that is to say :

with S piston section
VO initial volume
fluid compressibility coefficient
used
ax displacement of the piston
bP pressure variation due to displacement of the
piston
If Po is the initial static pressure, and if the displacement imposed on the piston is sinusoidal such that ax = xO sin wt, the pressure in the calibration chamber is expressed by the relation:

Cette formule permet de connaître à tout instant la pression P si l'on connait toutes les caractéristiques de l'appareil, à savoir la section du piston, le volume initial de la chambre, le coefficient de compressibilité du liquide et la fréquence w. This formula makes it possible to know the pressure P at all times if all the characteristics of the device are known, namely the section of the piston, the initial volume of the chamber, the coefficient of compressibility of the liquid and the frequency w.

Une opération d'étalonnage se déroule de la manière suivante : tout d'abord on place l'excitateur en position moyenne. On fait le vide dans la chambre 12 et dans les canalisations d'amenée du fluide. La chambre 12 est ensuite remplie du fluide d'étalonnage 17, par exemple de l'huile dégazée. On met la chambre 12 en pression à la valeur Po désirée et on applique ensuite un déplacement sinusoïdal d'amplitude constante du piston compatible avec le domaine des fréquences et la pression maximale souhaitée. I1 peut être utile de placer dans la chambre 12 un capteur statique 19 permettant de mesurer la composante continue Po de la pression afin de vérifier qu'il n'y a pas de fuite.Dans certains cas, il peut être utile de placer également un capteur étalon en contact avec le fluide 17 : dans l'exemple décrit ici, un capteur de référence 18 est placé dans le couvercle 8 fermant l'extrémité supérieure de la chambre 12, mais cela n'est pas nécessaire étant donné le principe de fonctionnement de l'appareil. A calibration operation takes place as follows: first of all, the exciter is placed in the middle position. There is a vacuum in the chamber 12 and in the fluid supply pipes. The chamber 12 is then filled with the calibration fluid 17, for example degassed oil. The chamber 12 is pressurized to the desired value Po and then a sinusoidal displacement of constant amplitude of the piston is applied, compatible with the frequency domain and the maximum pressure desired. It may be useful to place in the chamber 12 a static sensor 19 making it possible to measure the continuous component Po of the pressure in order to verify that there is no leakage. standard sensor in contact with the fluid 17: in the example described here, a reference sensor 18 is placed in the cover 8 closing the upper end of the chamber 12, but this is not necessary given the operating principle of the device.

Le déplacement du piston 11 peut être commandé par un accéléromètre, mais dans ce cas-la souplesse des diverses parties de l'excitateur et l'élasticité des divers moyens de suspension risquent-d'entrainer des erreurs de mesure. On remédie à ces inconvénients en pilotant le déplacement de l'excitateur en différentiel, c'est-à-dire à l'aide d'un capteur de déplacement qui permet de mesurer le déplacement relatif du piston 11 et du bâti support 6 pris comme référence : on évite ainsi les inconvénients dûs aux éventuelles déformations de celui-ci. The displacement of the piston 11 can be controlled by an accelerometer, but in this case, the flexibility of the various parts of the exciter and the elasticity of the various suspension means risk causing measurement errors. These drawbacks are remedied by controlling the movement of the exciter in differential, that is to say using a displacement sensor which makes it possible to measure the relative displacement of the piston 11 and of the support frame 6 taken as reference: this avoids the disadvantages due to possible deformations thereof.

L'excitateur 1 comporte avantageusement un dispositif électromagnétique de compensation de charge qui permet d'amener la bobine mobile 10 dans sa position moyenne de vibration. Dans ce cas, les supports 13 peuvent être supprimés pour les faibles pressions, ainsi que les plateaux de reprise 15 et les tiges de liaison 14. Cependant, pour les fortes pressions, les supports 13 sont indispensables. The exciter 1 advantageously comprises an electromagnetic charge compensation device which makes it possible to bring the voice coil 10 to its mean vibration position. In this case, the supports 13 can be omitted for low pressures, as well as the recovery plates 15 and the connecting rods 14. However, for high pressures, the supports 13 are essential.

Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages. Tout d'abord c'est le seul dispositif actuel applicable aux fortes pressions en régime périodique (jusqu'à 400 bars crête à crête). La gamme de fréquences peut s'étendre de 5 à 500 Hz et si les caractéristiques du fluide utilisé sont parfaitement connues, il n'est pas nécessaire d'utiliser un capteur de pression de référence. Enfin on a pu constater une bonne reproductibilité des courbes d'étalonnage (erreur inférieure à 2%). Bien que le dispositif selon l'invention soit plus particulièrement avantageux pour une gamme de pressions allant jusqu'à 400 bars et une gamme de fréquences de 5 à 500 Hz, il est tout-à-fait possible de l'adapter pour d'autres pressions et dXau- tres fréquences. The device according to the invention has many advantages. First of all, it is the only current device applicable to high pressures in periodic regime (up to 400 bar peak to peak). The frequency range can extend from 5 to 500 Hz and if the characteristics of the fluid used are perfectly known, it is not necessary to use a reference pressure sensor. Finally, we could see a good reproducibility of the calibration curves (error less than 2%). Although the device according to the invention is more particularly advantageous for a pressure range up to 400 bars and a frequency range from 5 to 500 Hz, it is entirely possible to adapt it for other pressures and other frequencies.

Enfin il est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul exemple de réalisation qui vient d'être décrit mais qu'elle en couvre au contraire toutes les variantes. Finally, it is understood that the invention is not limited to the single embodiment which has just been described but that, on the contrary, it covers all the variants thereof.

Claims

1. Calibration device for dynamic pressure sensors characterized in that it comprises a calibration chamber (12) completely filled with a fluid (17) and closed at its upper end by a cover (8), said cover (8) and the side walls of the chamber (12) being integral with the fixed part of an electrodynamic exciter (1), the chamber (12) being sealed in its sealed end at its lower end by a piston (11) integral with the movable part of said exciter, the piston (11) thus generating a variable pressure in the mass of the fluid (17), the sensor to be calibrated being placed directly in contact with the fluid (17).

2. Device according to claim 1, characterized in that it comprises means (13) allowing the movable part of the electrodynamic exciter (1) to rest flexibly on the fixed part of said exciter.

3. Device according to claim 2, characterized in that the means (13) allowing the movable part of the exciter (1) to rest flexibly on the fixed part of said exciter comprise supports (13) of rubber filled with 'pressurized air.

4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the electrodynamic exciter (1) is controlled with constant displacement in differential, taking as reference the fixed part of said exciter.