FR3041770A1 - Capteur capacitif clipsable sur un tube et permettant la detection de presence de fluide et la discrimination de differents fluides - Google Patents

Capteur capacitif clipsable sur un tube et permettant la detection de presence de fluide et la discrimination de differents fluides Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un capteur capacitif clipsable sur un tube et permettant la détection de présence de fluide et la discrimination de différents fluides comportant : - Deux électrodes en U, fixes ou réalisées sous forme de deux parties articulées, clipsées autour d'un tube, sans nécessiter sa coupure. Ces électrodes sont solidaires d'un support, ce support maintenant l'espacement entre les deux électrodes constant et significativement inférieur au diamètre du tube ; - Un dispositif électronique de mesure capacitive solidaire du support et réalisant une mesure en continu de la capacité entre les électrodes, cette capacité étant fonction de la présence ou pas de liquide dans le tube, mais également du type de liquide circulant dans celui-ci, via sa constante diélectrique spécifique. De manière optionnelle l'invention présente une solution économique pour la réalisation du dispositif électronique de mesure capacitive, comportant un déphaseur dissymétrique situé entre un oscillateur de fréquence fixe et une porte logique utilisée pour la détection du déphasage, générant un signal rectangulaire de rapport cyclique fonction de la capacité entre les électrodes et si besoin transformé en un signal analogique par un filtre passe-bas.

Description

Capteur capacitif clipsable sur un tube et permettant la détection de présence de fluide et la discrimination de différents fluides
Domaine technique concerné
Le domaine concerné par la présente invention est la détection d'un fluide circulant dans un tube ou tuyau, et optionnellement le discrimination de différents fluides pouvant circuler dans ce tube, de manière non intrusive et à faible coût, par l'intermédiaire d'un capteur capacitif clipsable sur le tube et donc sans coupure de celui-ci.
Problème posé
De nombreuses applications dans les domaines industriels ou grand public nécessitent de détecter la présence ou l'absence d'un fluide circulant dans un tube. Afin d'éviter tout risque de fuite et de simplifier le montage du produit, il est très intéressant de disposer d'un capteur pouvant être clipsé sur le-dit tube sans nécessiter sa coupure physique. De plus, pour certaines applications, des fluides différents peuvent circuler dans le même tube : Disposer via le même capteur d'une information permettant d'identifier ou du moins de discriminer le type du fluide circulant dans le tube permet de fiabiliser la conception du système et de détecter de potentielles anomalies. Enfin ce type de capteur se doit d'être réalisable de manière industrielle à très faible coût car de nombreux produits nécessitent plusieurs dizaines voire centaines de capteurs de ce type.
Etat de la technique antérieure
Plusieurs publications décrivent des solutions permettant de détecter la présence de liquides par l'intermédiaire de capteurs capacitifs. Le brevet WO2015077874 décrit en particulier une telle solution mais en nécessitant de couper le tube dans lequel circule le fluide, et sans permettre d'identifier ou de classifier le type de fluide. Ce brevet ne décrit pas non plus de solution permettant de réaliser la détection capacitive sur le plan électronique d'une manière plus économique que l'existant. Le brevet FR2383430 décrit une solution de capteur capacitif permettant de mesurer la longueur d'une colonne de liquide, mais nécessite un liquide conducteur. Il nécessite également de couper le tube. La solution électronique décrite, basée sur une conversion capacité/fréquence, ne permet pas de réduire sensiblement le coût de l'électronique par rapport à l'état de l'art. De nombreux brevets sont relatifs à la mesure par effet capacitif d'un niveau de fluide dans un réservoir, comme le brevet W02012102701, mais sans aborder la problématique de détection de présence d'un fluide dans un tube et/ou son identification. Le brevet W02005019839 décrit une solution plus proche du besoin exprimé, consistant à réaliser une mesure de capacité par l'extérieur d'un tube et permettant de là de détecter la présence ou l'absence de liquide. Ce brevet nécessite toutefois l'utilisation d'un tube de conception spécifique, ne décrit pas de solution permettant d'identifier ou de classifier le type de liquide et ne décrit pas de solution électronique permettant de réduire le coût du produit par rapport à l'état de l'art. Enfin le brevet EP1617212 décrit l'utilisation d'un capteur capacitif pour discriminer deux types de fluides, ici la présence d'eau dans de l'huile, mais en nécessitant une structure mécanique complexe et sans être adapté à la problématique de tubes existants.
Exposé de l'invention L’invention est basée sur l'association des éléments suivants : - Deux électrodes (1) et (2) en forme de U, fixes ou réalisées sous forme de deux parties articulées, sont clipsées autour d'un tube (3), sans nécessiter sa coupure. Ces électrodes sont solidaires d'un support (4), ce support maintenant l'espacement entre les deux électrodes constant et significativement inférieur au diamètre du tube, et ce de manière a maximiser le couplage capacitif entre les électrodes (1) et (2) et le fluide circulant le cas échéant dans le tube (3); - Un dispositif électronique de mesure capacitive (5) solidaire du support (4) et réalisant une mesure en continu de la capacité entre les électrodes (1) et (2), cette capacité étant fonction de la présence ou pas de liquide dans le tube (3), mais également du type de liquide circulant dans celui-ci, via sa constante diélectrique spécifique, le-dit dispositif permettant de là de détecter la présence ou l'absence de fluide dans le tube (3) et optionnellement de discriminer différents fluides de constantes diélectriques différentes. L'invention permet donc de détecter la présence ou l'absence d'un fluide dans un tube, et de discriminer différents types de fluides pourvu que ceux-ci aient des constantes diélectriques différentes. Cette capacité de discrimination du type de fluide est principalement apportée par la forme en U des électrodes (1) et (2) permettant un fort couplage capacitif avec le fluide associé à un faible écartement entre les électrodes par rapport au diamètre du tube. Par rapport à l'état de l'art, la solution présentée permet également d'éviter toute coupure du tube, le capteur pouvant être simplement clipsé sur celui-ci.
De préférence selon l’invention, le dispositif électronique de mesure capacitive (5) peut être réalisé de manière économique et performante en insérant la capacité à mesurer réalisée par les deux électrodes (1) et (2) dans un réseau déphaseur dissymétrique (6) situé entre un oscillateur de fréquence fixe (7) et une porte logique (8) utilisée pour la détection du déphasage. Le signal de sortie est de là un signal rectangulaire de rapport cyclique fonction de la capacité entre les électrodes (1) et (2) et peut si besoin être transformée en un signal analogique par un filtre passe-bas (9), le-dit signal analogique identifiant la présence ou l'absence de fluide dans le tube (3) et le cas échéant sa discrimination par différents niveaux de tension.
Cette variante de réalisation permet d'obtenir une information analogique sous forme d'un voltage compatible avec de multiples systèmes de supervision ou microcontrôleurs de gestion, tout en étant réalisable pour un coût extrêmement faible.
Présentation des figures
Les figures 1 et 2 représentent l’architecture globale du dispositif selon l'invention. La figure 3 représente une variante de réalisation du dispositif selon l'invention.
Nomenclature
Les références numériques portées sur les figures 1 et 2 correspondent aux moyens techniques suivants : 1 et 2 : Electrodes en U, fixes ou réalisées sous forme de deux parties articulées, clipsées sur le tube 3 : Tube dans lequel circule le fluide à détecter 4 : Support 5 : Dispositif électronique de mesure capacitive 6 : Déphaseur dissymétrique 7 : Oscillateur à fréquence fixe 8 : Porte logique 9 : Filtre passe-bas
Description détaillée d'un mode de réalisation D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description d'une variante de réalisation donnée ci-après à titre d’exemple indicatif et non limitatif et illustrés par la figure 3.
Dans cette variante de réalisation les électrodes (1) et (2) sont réalisées sous la forme de deux paires de clips métalliques en U référencés Jl, J2, J4 et J5, directement soudés sur un circuit imprimé formant le support (4) et supportant le dispositif électronique de détection capacitive (5). L'oscillateur à fréquence fixe (7) de même que la porte logique (8) sont réalisés par l'intermédiaire d'un circuit intégré miniature référencé U1 intégrant deux portes NAND à entrées de type trigger de Schmitt. Le déphaseur dissymétrique (6) est réalisé directement par la capacité formée par les deux électrodes (1) et (2) d'une résistance fixe référencée R8 et d'une diode référencée Dl, générant un retard fonction de la capacité entre les électrodes sur l'un des deux fronts du signal d'horloge. Une capacité fixe référencée C5 permet de définir le point de fonctionnement du détecteur en l'absence de fluide. Le filtre passe bas (9) est un filtre RC réalisé par les composants référencés RI et C2. La tension de sortie de ce filtre passe bas évolue de là entre la moitié de la tension d'alimentation et la tension d'alimentation selon la valeur de la capacité entre les électrodes. Un amplificateur opérationnel référencé U2 assure la mise à disposition d'une sortie de tension à basse impédance et un recalage de la plage de variation du signal analogique de sortie entre OV et la tension d'alimentation via les résistances référencées R3, R4, R7, R9, R5, R6 et le condensateur de filtrage référencé C6.
Applications industrielles potentielles L'invention est particulièrement adaptée à la conception de capteurs de liquide bas coût pour des applications industrielles et des produits grand public dans lesquels des tubes et des fluides sont employés. Des applications médicales sont également envisageables de part la possibilité de détection de manque de fluide dans un tube ou au contraire de présence de fluide dans un tube sensé transporter un gaz. L'invention est également applicable à des produits agro-alimentaires, le prototype ayant par exemple permis de discriminer sans ambiguïté et avec une grande fiabilité des fluides proches comme de l'eau, des jus de fruits ou des boissons alcoolisées.

Claims (2)

  1. Revendications
    1. Capteur capacitif clipsable sur un tube et permettant la détection de présence de fluide et son identification rapide, caractérisé en ce qu'il comporte : - Deux électrodes (1) et (2) en U, fixes ou réalisées sous forme de deux parties articulées, clipsables autour d'un tube (3), sans nécessiter sa coupure, ces électrodes étant solidaires d'un support (4) maintenant l'espacement entre les deux électrodes constant et significativement inférieur au diamètre du tube et ce de manière a maximiser le couplage capacitif entre les électrodes (1) et (2) et le fluide circulant le cas échéant dans le tube (3) ; - Un dispositif électronique de mesure capacitive (5) solidaire du support (4) et réalisant une mesure de la capacité entre les électrodes (1) et (2), cette capacité étant fonction de la présence ou pas de fluide dans le tube (3) et du type de fluide circulant dans celui-ci via sa constante diélectrique spécifique, le-dit dispositif permettant de là de détecter la présence ou l'absence de fluide dans le tube (3) et optionnellement de discriminer différents fluides de constantes diélectriques différentes.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1 ; ledit dispositif prévoyant que le dispositif électronique de mesure capacitive (5) soit réalisé en insérant la capacité à mesurer dans un réseau déphaseur dissymétrique (6) situé entre un oscillateur de fréquence fixe (7) et une porte logique (8) utilisée pour la détection du déphasage, générant un signal rectangulaire de rapport cyclique fonction de la capacité entre les électrodes (1) et (2) et si besoin transformé en un signal analogique par un filtre passe-bas (9), le-dit signal analogique identifiant la présence ou l'absence de fluide dans le tube (3) et le cas échéant sa discrimination par différents niveaux de tension.
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