FR3075368A1 - Capteur de pression - Google Patents
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Abstract
Capteur de pression, notamment pour la mesure d'une pression de fluide au sein d'un stockage, comprenant un corps (2) muni d'une zone (3) sensible à la pression destinée à être exposée à la pression à mesurer, la zone (3) sensible étant déformable et comprenant un matériau conducteur électrique ou magnétique, le capteur comprenant un organe (6) électronique de mesure de la contrainte ou la pression subie par la zone (3) sensible, caractérisé en ce que l'organe (6) électronique de mesure est configuré pour mesurer une grandeur capacitive fonction de la position relative entre une première électrode constituée par la zone (3) sensible et une seconde électrode (4) conductrice fixe située sur le corps (2).
Description
L’invention concerne un capteur de pression.
L’invention concerne plus particulièrement un capteur de pression, notamment pour la mesure d’une pression de fluide au sein d’un stockage, comprenant un corps muni d’une zone sensible à la pression destinée à être exposée à la pression à mesurer, la zone sensible étant déformable et comprenant un matériau conducteur électrique ou magnétique, le capteur comprenant un organe électronique de mesure de la contrainte ou la pression subie par la zone sensible.
Les capteurs de pression industriels destinés aux hautes pressions (par exemple pression supérieure à 100 bar) restent relativement complexes et coûteux pour les applications nécessitant une application à grande échelle (quelques dizaines de milliers de pièces par exemple).
Une part importante du coût est liée aux exigences métrologiques qui obligent à mener une caractérisation du capteur en pression et en température. Ces opérations sont à la fois longues en coûteuses. Par ailleurs, la plupart des solutions de capteurs comprennent une partie analogique et une partie digitale qui conduit à une consommation électrique relativement élevée quand l’objectif est d’équiper des objets mobiles dont l’électronique est alimentée par pile.
Pour cette raison il est généralement fait un compromis entre la réactivité du capteur et sa durée de vie. Ceci peut être pénalisant pour les applications dont l’autonomie doit être de plusieurs années sans changement de pile.
Ainsi, les capteurs industriels présentent généralement une incertitude faible qui est utile dans certaines applications, mais cette précision un impact fort sur le coût, en particulier le coût de l’étalonnage.
Une part importante de coût est liée à la caractérisation en température de chaque capteur. Celle-ci est difficilement envisageable dans une solution faible coût et pourrait être évitée (modèle fixe au moins pour la dépendance en température) si l’incertitude requise est moins stricte.
Dans les applications gaz, les objets complets doivent être testés sous pression, ce test est partiellement redondant avec les tests métrologiques, et permettraient directement d’assurer la caractérisation en pression.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le capteur selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l’organe électronique de mesure est configuré pour mesurer une grandeur capacitive fonction de la position relative entre une première électrode constituée par la zone sensible et une seconde électrode conductrice fixe située sur le corps.
Ceci permet une mesure de pression reposant sur une solution de détection capacitive de déplacement d’une zone sensible (membrane métallique ou autre) dont la calibration combinée aux essais de pression permet une précision comparable aux manomètres à tube de bourdon.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la zone sensible comprend une paroi du corps,
- la paroi du corps formant la zone sensible est obtenue par usinage du corps,
- le capteur comporte une chambre située entre la zone sensible et la seconde électrode,
- la chambre est étanche et remplie d’un volume de gaz, notamment un gaz inerte,
- l’organe électronique de mesure comprend un oscillateur configuré pour convertir grandeur capacitive mesurée en une valeur numérique,
- le capteur comporte une troisième électrode solidaire du corps, l’organe électronique de mesure est configuré pour mesurer la grandeur capacitive par rapport à une valeur de référence définie par la troisième électrode,
- les première seconde et troisième électrodes ont la même capacité électrique,
- le capteur comprend une liaison électrique entre une masse métallique de référence adjacente à la seconde électrode et une portion du corps conductrice de l’électricité,
- l’organe électronique de mesure est monté sur un circuit imprimé,
- moins la seconde électrode est formée sur le circuit imprimé,
- au moins une partie des composants électronique sont au moins partiellement noyés dans une résine assurant maintien et étanchéité,
- le capteur comporte des au moins un raccord électrique relié à l’organe électronique de mesure ou un contrôleur électronique, ledit au moins un raccord étant configuré pour permettre le transfert de données, notamment le au moins un raccord fait saillie au travers de la résine le cas échéant.
L’invention concerne également un robinet pour réservoir(s) de fluides sous pression ou un réservoir ou ensemble de réservoirs de fluide sous pression comprenant un tel capteur.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue en coupe transversale, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de réalisation possible d’un capteur selon l’invention,
- la figure 2 représente une vue des dessous, schématique et partielle, d’un détail de la figure 1 illustrant une géométrie possible des électrodes d’une partie circuit imprimé du capteur.
Le capteur 1 de pression, notamment pour la mesure d’une pression de fluide au sein d’un stockage (bouteille) comprend comprenant un corps 2 muni d’une zone 3 sensible à la pression destinée à être exposée à la pression à mesurer.
La zone 3 sensible étant déformable et comprenant un matériau conducteur électrique ou magnétique. Par exemple, la zone sensible est une paroi mince du corps 2 métallique du capteur (épaisseur par exemple comprise entre 0,05mm et 2mm). Cette paroi est par exemple usinée dans le corps 2 métallique du capteur. Cette paroi 3 peut être également encastrée sur son pourtour (circulaire par exemple).
Le capteur 1 comprend un organe 6 électronique de mesure de la contrainte ou la pression subie par la zone 3 sensible. L’organe 6 électronique de mesure est configuré pour mesurer une grandeur capacitive fonction de la position relative entre une première électrode constituée par la zone 3 sensible déformable et une seconde électrode 4 conductrice fixe située sur le corps 2.
C’est-à-dire qu’il y détection de façon capacitive du déplacement d’une membrane (paroi 3). La paroi 3 comprend de préférence une face débouchant dans une cavité soumise à la pression P à mesurer.
L’autre face de la paroi 3 peut déboucher dans une chambre 5 à une pression égale ou proche de la pression atmosphérique et dans laquelle peut être mesuré le déplacement de la paroi 3.
La mesure du déplacement de la paroi 3 peut en particulier être réalisée par un circuit 6 de mesure comprenant par exemple un oscillateur permettant une conversion directe de capacité mesurée en une valeur numérique (signal numérique).
La paroi 3 sensible à la pression constitue une première électrode. Une seconde électrode 4 est formée sur le capteur 1. La seconde électrode 4 comprend par exemple une plage conductrice située sur un circuit imprimé 8 placé en regard et à faible distance de la paroi 3 sensible.
L’organe 6 électronique de mesure la capacité électrique entre ces deux électrodes 3, 4. Cette capacité peut être inversement proportionnelle au déplacement de la paroi 3 sensible.
Le capteur 1 comporte de préférence une troisième électrode 7 mise en regard d’une partie non mobile ou faiblement mobile du capteur 1.
La troisième électrode 7 est par exemple une portion circulaire proche de l’encastrement de la paroi 3 sensible mais opérant exactement dans les mêmes conditions (en particulier pour la température).
La troisième électrode 7 peut ainsi servir de référence et peut permettre de détecter et éliminer les variations autres que celle de la mesure elle-même.
De préférence, les électrodes 3, 4 de mesure et l’électrode 7 de référence ont les mêmes ou sensiblement les mêmes surfaces. De cette façon ces électrodes 3, 4, 7 ont les mêmes valeurs de capacité électrique.
Une liaison électrique est de préférence réalisée entre une masse de référence 10 conductrice (électrode de masse située sur le circuit de mesure) et le corps 2 métallique du capteur 1.
Ceci peut être réalisé via par exemple à une plage 10 métallisée en contact avec le corps 2 du capteur 1.
Comme illustré aux figures, l’organe 6 de mesure, la seconde électrode 4, la troisième électrode 7 et la masse 10 de référence peuvent être avantageusement situés sur un circuit imprimé 8, par exemple des plages concentriques de formes circulaires (cf. figure 2). Comme illustré à la figure 2, chaque électrode 4, 7 peut être formée par une plage conductrice circulaire sur une face (inférieure). L’autre face (supérieure) du circuit imprimé 8 peut comporter les autres composants électrique (l’organe 6 électronique de mesure, une puce électronique, microprocesseur(s), raccord(s) électriques...).
La liaison entre le corps 2 du capteur 1 (supposé métallique) et le circuit imprimé peut être réalisée par contact direct, avec éventuellement soudage ou collage conducteur, pour que l’électrode 10 de masse soit en contact électrique avec le corps 2.
Afin d’assurer la protection de l’ensemble vis-à-vis des diverses agressions, les composants/circuits peuvent être recouverts d’un résine 9 assurant à la fois étanchéité, maintien mécanique et robustesse de l’ensemble.
Les signaux électriques produits permettant la lecture de la mesure de pression peuvent être disponibles au niveau de conducteurs traversant la résine 9.
Pour augmenter la précision du dispositif (peut être sensible à la température), le circuit de mesure peut incorporer une mesure de température (un capteur de température) permettant de compenser/corriger (par exemple au premier ordre) les effets de la variation de température sur la mesure de pression.
A cet effet, le circuit de mesure peut comprendre un micro contrôleur ayant un circuit de mesure capacitif (organe électronique de mesure), un circuit de mesure de température, et un circuit de communication (filaire et/ou sans fil).
Le capteur peut fonctionner de la façon décrite ci-dessous.
Sous l’effet de la pression P, la paroi 3 formant la zone sensible (qui est par exemple une plaque/membrane circulaire se déforme/fléchit en se rapprochant de l’électrode 9 de mesure. La paroi est dimensionnée pour se déformer tout en restant dans le domaine de déformation élastique et selon une loi connue fonction de la géométrie et du matériau utilisé.
Cette flexion réduit la distance entre la paroi 3 (première électrode) et a seconde électrode 4 (faible déplacements de l’ordre de quelques centièmes de mm à 1mm par exemple). Ceci provoque une augmentation de la capacité électrique entre la paroi 3 et la seconde électrode 4, et donc une différence mesurable par rapport à la troisième électrode 7 de référence. Les mesures de capacité de l’ordre du pF (pico Farad) peuvent être réalisées via un processeur de faible consommation énergétique.
La troisième électrode 7 de référence est conçue pour fonctionner dans les mêmes conditions que la seconde électrode 4 de mesure mais avec une influence de la pression P nulle ou beaucoup plus faible.
Ainsi les principales sources de dérive de la mesure sont éliminées grâce à la configuration particulière des électrodes 3, 4, 7.
Afin d’assurer un fonctionnement fiable, le dispositif peut être noyé dans un matériau qui peut être « coulé » tel qu’une résine qui se solidifie assurant fixation mécanique et protection contre la migration d’humidité, sans pour autant pénétrer dans la chambre 5 comprise entre la première 3 et seconde électrode 4. Cette chambre 5 peut avantageusement fermée hermétiquement et remplie d’un gaz neutre comme l’azote ou l’argon pour minimiser le risque de présence d’humidité et de fuite.
Lors de la première utilisation du capteur 1, et en particulier lors de la première pressurisation, par exemple lorsque le capteur est monté sur un réservoir pressurisé (notamment sur un robinet) et testé en pression, le comportement en fonction de la pression pourra être identifié et enregistré dans une mémoire du circuit de mesure, à minima sous forme d’une loi de variation affine. L’influence de la température (notamment ambiante) pourra être caractérisée un fois pour toutes au préalable et appliquée à tous les capteurs 1 présentant la même géométrie.
L’utilisation d’une troisième électrode 7 de référence et donc d’une capacité de référence dont la valeur est physiquement fixe et permet de ‘recaler’ la mesure, compensant ainsi les dérives fonction du temps et/ou de la température.
Le capteur possède ainsi une très bonne précision qui est stable dans le temps.
Le capteur permet une mesure de pression faible coût et faible consommation permettant d’envisager une installation en « première monte » sur des objets. La très faible consommation intrinsèque d’une mesure de capacité (qui peut être assurée en quasi continu pour avec un courant de quelques micro
Ampères, par exemple en utilisant un microcontrôleur de type EFM8SB1) permet d’envisager la réalisation d’une sonde de mesure de pression téléalimenté par l’énergie d’une onde radioélectrique (par exemple utilisant la RFID HF ou UHF).
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Capteur de pression, notamment pour la mesure d’une pression de fluide au sein d’un stockage, comprenant un corps (2) muni d’une zone (3) sensible à la pression destinée à être exposée à la pression à mesurer, la zone (3) sensible étant déformable et comprenant un matériau conducteur électrique ou magnétique, le capteur comprenant un organe (6) électronique de mesure de la contrainte ou la pression subie par la zone (3) sensible, caractérisé en ce que l’organe (6) électronique de mesure est configuré pour mesurer une grandeur capacitive fonction de la position relative entre une première électrode constituée par la zone (3) sensible et une seconde électrode (4) conductrice fixe située sur le corps (2).
- 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone (3) sensible comprend une paroi du corps (2).
- 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi du corps (2) formant la zone (3) sensible est obtenue par usinage du corps (2).
- 4. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comporte une chambre (5) située entre la zone (3) sensible et la seconde électrode (3).
- 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre (5) est étanche et remplie d’un volume de gaz, notamment un gaz inerte.
- 6. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’organe (6) électronique de mesure comprend un oscillateur configuré pour convertir grandeur capacitive mesurée en une valeur numérique.
- 7. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte une troisième électrode (7) solidaire du corps (2) et en ce que l’organe (6) électronique de mesure est configuré pour mesurer la grandeur capacitive par rapport à une valeur de référence définie par la troisième électrode (7).
- 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les première (3) seconde (4) et troisième (7) électrodes ont la même capacité électrique.
- 9. Capteur selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu’il comprend une liaison électrique entre une masse (10) métallique de référence adjacente à la seconde électrode et une portion du corps (2) conductrice de l’électricité.5 10.Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’organe (6) électronique de mesure est monté sur un circuit imprimé (8).11.Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’au moins la seconde électrode (4) est formée sur le circuit (8) imprimé.
- 10 12.Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu’au moins une partie des composants électronique (6) sont au moins partiellement noyés dans une résine (9) assurant maintien et étanchéité.
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