FR3075369A1 - 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, la zone (3) sensible étant déformable et destinée à être exposée à la pression à mesurer, le capteur comprenant en outre un organe (4) électronique de mesure de la contrainte ou pression subie par la zone (3) sensible, l'organe (4) électronique de mesure de la contrainte étant relié à la zone (3) sensible et étant configuré pour convertir cette contrainte mesurée en une valeur de pression et pour générer un signal de pression mesurée, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre (5) contenant un fluide compressible interposée entre la zone (3) sensible et l'organe (4) électronique de mesure, c'est-à-dire que l'organe (4) électronique de mesure de la contrainte est relié à la zone (3) sensible via la chambre (5) contenant le fluide compressible
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, la zone sensible étant déformable et destinée à être exposée à la pression à mesurer, le capteur comprenant en outre un organe électronique de mesure de la contrainte ou pression subie par la zone sensible, l’organe électronique de mesure de la contrainte étant relié à la zone sensible et étant configuré pour convertir cette contrainte mesurée en une valeur de pression et pour générer un signal de pression mesurée.
Les capteurs de pression industriels destinés aux hautes pressions (par exemple supérieur à 100 bar) restent relativement complexes et coûteux pour les applications nécessitant un déploiement sur un nombre important de pièces (dizaines de milliers de pièces). Ce coût élevé est dû d’une part à une combinaison particulière de dispositifs électroniques et mécaniques et d’autre part à la nécessité de les caractériser à la fois en pression et température (étalonnage).
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 qu’il comporte une chambre contenant un fluide compressible interposée entre la zone sensible et l’organe électronique de mesure, c’est-à-dire que l’organe électronique de mesure de la contrainte est relié à la zone sensible via la chambre contenant le fluide compressible.
Cette structure permet une transformation de pression convertissant une pression élevée à mesurer (aux alentours de 200 bar ou plus) en une pression basse (aux alentours de la pression atmosphérique). Ceci permet l’emploi d’un capteur basse pression (par exemple selon la technologie MEMS) pour mesurer des pressions élevées.
L’industrie des semi-conducteurs produit en effet des capteurs divers, dont des capteurs de pression, en technologie « MEMS » (dispositif micro-électromécaniques) permettant d’atteindre une très grande qualité pour des grands volumes et à faible coût. Ces capteurs de pression « MEMs » sont configurés pour des gammes de pression beaucoup plus basses (typiquement autour de la pression atmosphérique, ceci pour permettre des applications d’altimétrie ou de barométrie). L’invention permet leur utilisation pour des mesures de pression élevées, notamment dans pour des stockages de fluide (gaz) sous pression tels que des bouteilles.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la zone sensible comprend au moins une paroi ou membrane élastique, cette zone sensible délimitant au moins une partie de la chambre contenant le fluide compressible,
- la paroi ou membrane élastique de la zone sensible comporte une portion plane et notamment en forme de disque,
- la paroi ou membrane élastique de la zone sensible comporte une portion de forme tubulaire, notamment cylindrique,
- la chambre contenant le fluide compressible comporte une portion de forme tubulaire, notamment cylindrique,
- la zone sensible est configurée pour se déformer et réduire le volume de la chambre lorsqu’elle est soumise une pression supérieure à un seuil et ainsi réduire le volume de la chambre, le fluide compressible étant configuré pour transférer un effort ou une contrainte déterminée à l’organe électronique de mesure qui est dépendant de cette variation de volume de la chambre,
- l’organe électronique de mesure est configuré pour mesurer la pression dans la chambre,
- le capteur comprend une butée mécanique limitant le débattement d’au moins une partie de la paroi ou membrane élastique de la zone sensible,
- la butée mécanique est constituée par le corps du capteur,
- la chambre contient un gaz, notamment un gaz neutre tel que de l’azote et/ou de l’argon et éventuellement un liquide tel qu’une huile électronique,
- l’organe électronique de mesure est un capteur de pression de type microélectro-mécaniques (« MEMS »), notamment un capteur de pression « basse pression », c'est-à-dire configuré pour mesurer une pression dans l’intervalle 0,1 à cinq bar,
- le capteur comporte un organe électronique de stockage et de traitement de données comprenant un microprocesseur ou une puce électronique reliée à ou comprenant l’organe électronique de mesure,
- le capteur comporte une sonde de température configurée pour mesurer la température ambiante ou la température dans la chambre, ladite sonde de température étant reliée à ou intégrée à l’organe électronique de stockage et de traitement de données,
- au moins l’organe électronique de mesure est en partie scellé dans une résine de maintien et de protection, le capteur comprend une connectique électrique faisant saillie hors de la résine.
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, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de réalisation possible d’un capteur selon l’invention,
- la figure 2 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un deuxième exemple de réalisation possible d’un capteur selon l’invention.
Le capteur de pression, notamment pour la mesure d’une pression de fluide au sein d’un stockage, comprend un corps 2, par exemple métallique ou autre muni d’une zone 3 sensible à la pression.
La zone 3 sensible est déformable, notamment élastiquement et destinée à être exposée à la pression P à mesurer.
Cette zone 3 sensible comprend par exemple une paroi du corps ayant une épaisseur comprise entre 0,05mm et 2mm.
Cela peut être une paroi lisse ou une paroi à laquelle on a donné une forme ondulée (avec symétrie axiale par exemple) pour en augmenter le déplacement.
Le capteur comprend également un organe 4 électronique de mesure de la contrainte ou pression subie par la zone 3 sensible.
L’organe 4 électronique de mesure de la contrainte peut être un capteur absolu basse pression qui est relié à la zone 3 sensible et est configuré pour convertir cette contrainte mesurée en une valeur de pression et pour générer un signal de pression mesurée.
Selon une particularité avantageuse, le capteur 1 comporte une chambre 5 contenant un fluide compressible interposée entre la zone 3 sensible et l’organe 4 électronique de mesure. C’est-à-dire que l’organe 4 électronique de mesure de la contrainte est relié à la zone 3 sensible via la chambre 5 contenant le fluide compressible. Par exemple, la chambre 5 est reliée à l’organe 4 électronique de mesure via un canal 11 contenant le fluide.
Cette structure forme un réducteur ou diviseur de pression permettant donc de passer de pressions élevées (plusieurs dizaines de bar à plusieurs en centaines de bar) au niveau de la zone 3 sensible à une pression proche de quelques bar ou proche du bar au niveau de l’organe 4 électronique de mesure. Ceci permet l’utilisation d’un capteur 4 de basse pression dans un dispositif mesurant des hautes pressions.
En particulier, cette structure mécanique permettant d’abaisser par exemple une pression de la gamme 100-300 bar à une pression proche de la pression atmosphérique (0,33-1.0 bar par exemple). La basse pression au niveau de l’organe 4 de mesure peut alors être mesurée notamment par un capteur de type MEMS à faible coût.
Comme illustré, la zone sensible comprend une membrane ou paroi 3 (de préférence métallique) élastique 1 qui assure une séparation entre la zone où règne la haute pression à mesurer et la chambre 5 basse pression hermétique dont le volume variera du fait de la déformation élastique de la membrane 3.
La membrane 3 peut être plane et circulaire. La chambre 5 (basse pression), avant d’être hermétiquement fermée, peut être remplie d’un fluide compressible. Cette chambre remplie de fluide compressible permet de convertir la réduction de volume induite par le déplacement de la membrane 3 en présence d’une haute pression P, en une variation de pression beaucoup plus faible, mais sensiblement proportionnelle à la variation de la haute pression P.
L’organe 4 électronique de mesure (par exemple utilisant la technologie MEMS) peut être disposé en communication/contact avec la chambre 5 et donc d’en mesurer la pression.
De préférence, le débattement de la membrane 3 est limité par une butée 6 afin d’éviter tout risque de passage dans le domaine de déformation plastique. Cette butée 6 peut être assurée par une portion adjacente du corps 2 ayant une épaisseur plus importante que celle de la membrane 3. De cette façon, lorsque la pression P dépasse significativement la pression maximale à mesurer, la membrane 3 vient en appui sur la butée 6 et peut ainsi supporter les hautes pressions appliquées sans changement de caractéristiques mécaniques (utile par exemple lors d’essais de surpression).
La sensibilité du capteur 1 peut être directement liée au coefficient de compressibilité du fluide contenu dans la chambre 5 et au rapport des volumes de la chambre 5 dans le cas des pressions minimum et maximum à mesurer. Ce coefficient peut être ajusté précisément en remplissant la chambre partiellement d’un gaz, neutre de préférence, tel que l’azote ou l’argon, et éventuellement d’un fluide tel qu’une huile.
Pour garantir une meilleure étanchéité au dispositif, une configuration avantageuse peut consister à utiliser un gel capable de transmettre la pression avec une erreur (due à sa viscosité propre) négligeable et présentant une compressibilité connue, obtenue par exemple par inclusion de bulles de gaz inerte en proportion adéquate pour obtenir globalement la compressibilité recherchée.
Le capteur 1 peut comprendre une électronique de traitement comprenant par exemple un organe 7 électronique de stockage et de traitement de données comprenant un microprocesseur (microcontrôleur) ou une puce électronique reliée à ou comprenant l’organe 4 électronique de mesure. Ce dispositif peut être configuré pour assurer également éventuellement une mesure de température.
L’organe 4 électronique de mesure peut être disposé sur un circuit imprimé 10.
Tout ou partie de ces composants électronique et notamment le circuit imprimé 10 peuvent être scellés dans une résine 8.
Les signaux électriques transportant l’information de pression peuvent être amenés au niveau des conducteurs 9 ou connectique, sous forme de fil ou de connecteur, à l’extérieur de la zone résinée.
Le microcontrôleur 7 peut avantageusement prendre en charge une fonction de compensation en température pour le calcul de la pression. La température du fluide compressible, qu’il soit un gaz ou un autre milieu fluide, a priori une influence sur la pression, qu’il convient de soustraire afin de donner une pression corrigée le cas échéant.
La figure 2 illustre une variante dans laquelle la chambre 5 et la zone sensibles comportent des portions de forme tubulaires concentriques notamment cylindriques).
L’espace tubulaire situé entre la membrane 3 tubulaire et le reste du corps 2 définit la chambre 5 remplie d’un fluide compressible.
Les dimensions (diamètres) de ces membrane 3 et paroi 3 sensible peuvent être dimensionnés de sorte que la paroi ou membrane 3 arrive au contact du reste du corps 2 en cas de pression supérieure à la pression maximum à mesurer (butée 6 comme précédemment). Dans ce cas, le « tube intérieur » vient en appui sur le « tube extérieur ».
De plus, l’épaisseur du tube 3 extérieur est configurée pour supporter les contraintes induites par une forte surpression (par exemple 3 fois la pression à mesurer).
Cette configuration permet de conserver une bonne sensibilité de mesure tout en assurant l’absence de déformation plastique de la zone 3 sensible lors des surpressions, levant ainsi une des difficultés de réalisation des capteurs de pression.
Claims (14)
1. 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, la zone (3) sensible étant déformable et destinée à être exposée à la pression à mesurer, le capteur comprenant en outre un organe (4) électronique de mesure de la contrainte ou pression subie par la zone (3) sensible, l’organe (4) électronique de mesure de la contrainte étant relié à la zone (3) sensible et étant configuré pour convertir cette contrainte mesurée en une valeur de pression et pour générer un signal de pression mesurée, caractérisé en ce qu’il comporte une chambre (5) contenant un fluide compressible interposée entre la zone (3) sensible et l’organe (4) électronique de mesure, c’est-à-dire que l’organe (4) électronique de mesure de la contrainte est relié à la zone (3) sensible via la chambre (5) contenant le fluide compressible.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone (3) sensible comprend au moins une paroi ou membrane élastique et en ce que cette zone (3) sensible délimite au moins une partie de la chambre (5) contenant le fluide compressible.
3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi ou membrane élastique de la zone (3) sensible comporte une portion plane et notamment en forme de disque.
4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la paroi ou membrane élastique de la zone (3) sensible comporte une portion de forme tubulaire, notamment cylindrique.
5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre (5) contenant le fluide compressible comporte une portion de forme tubulaire, notamment cylindrique.
6. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la zone sensible (3) est configurée pour se déformer et réduire le volume de la chambre (3) lorsqu’elle est soumise une pression supérieure à un seuil et ainsi réduire le volume de la chambre (3), le fluide compressible étant configuré pour transférer un effort ou une contrainte déterminée à l’organe (4) électronique de mesure qui est dépendant de cette variation de volume de la chambre (3).
7. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’organe (4) électronique de mesure est configuré pour mesurer la pression dans la chambre (3).
8. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend une butée (5) mécanique limitant le débattement d’au moins une partie de la paroi ou membrane élastique de la zone (3) sensible.
9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la butée (6) mécanique est constituée par le corps (2) du capteur.
10. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la chambre (5) contient un gaz, notamment un gaz neutre tel que de l’azote et/ou de l’argon et éventuellement un liquide tel qu’une huile électronique.
11. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l’organe (4) électronique de mesure est un capteur de pression de type micro-électro-mécaniques (« MEMS »), notamment un capteur de pression « basse pression », c'est-à-dire configuré pour mesurer une pression dans l’intervalle 0,1 à cinq bar.
12. Capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comporte un organe (7) électronique de stockage et de traitement de données comprenant un microprocesseur ou une puce électronique reliée à ou comprenant l’organe (4) électronique de mesure.
13. Capteur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte une sonde de température configurée pour mesurer la température ambiante ou la température dans la chambre 5, ladite sonde de température étant reliée à ou intégrée à l’organe (7) électronique de stockage et de traitement de données.
14. Capteur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’au moins l’organe (4) électronique de mesure est en partie scellé dans une résine (8) de maintien et de protection et en ce que le capteur comprend une connectique (9) électrique faisant saillie hors de la résine (8).
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2022254431A1 (fr) * | 2021-05-30 | 2022-12-08 | Ezmems Ltd. | Compensation du fluage/de la déformation pour capteurs |
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2017
- 2017-12-18 FR FR1762313A patent/FR3075369B1/fr active Active
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