Brevet FR2006296A1 — publié le 19691226

La présente invention est relative aux circuits de détection comprenant des sondes capacitives.L'invention est plus particulièrement destinée à titre utilisée dans des dispositifs détecteurs de niveau de fluide mais elle est également applicable à la détection dtautres paramètres ,pour détecter par exemple la position linéaire d'un objet ou encore d'une vitesse de rotation Un circuit de détection suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un pont comportant deux bornes d'entrée,une première résistance d'une valeur R reliée en série avec la capacité inconnue entre les bornes d'entrée, cette capacité inconnue ayant une valeur maximale Cp qui décrott considérablement lorsque l'on détecte un paramètre, la jonction de la première résistance et de la capacité inconnue constituant une borne de sortie du pont, une seconde résistance et une capacité de référence reliées en série, l'ensemble étant monté en parallèle avec la première résistance et la capacité inconnue entre les bornes d'entrée, la jonction de la seconde résistance et de la capacité de référence constituant l'autre borne de sortie du pont, des moyens pour fournir une entrée de courant alternatif aux bornes d 'entrée avec une fréquence W, et un circuit de sortie branché aux bornes de sortie du pont pour indiquer le moment où la valeur Cp est réduite pendant la détection, la sensibilité du pont étant rendue à peu près indépendante des capacités parasites en construisant le pont de façon à ce qu'il satisfasse à la condition suivante W2Cp 2R2. î D'autres caractéristiques de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre faite en se référant au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et dans lequel : la Fig .1 est un schéma d'un mode de réalisation de l'in vent ; la Fig.2 est une vue partielle du pont représenté à la Fig.l. En se reportant à la Fig.l, il est prévu des conducteurs d'alimentation positif et négatif 11,12 qui peuvent par exemple recevoir de énergie de la batterie d'un véhicule routier, auquel cas le cofiducteur 12 est de préférence relié à la masse Une résistance R1 et une résistance R2 sont reliées en série entre les conducteurs 11,12, et un point situé entre ces résistances est@relié à la base d'un transistor T1 du type n-p-n dont l'émetteur est relié au conducteur 12 par l'intermédiaire d'une résistance R4 et dont le collecteur est relié au conducteur Il par l'intermédiaire d'une résistance R3.Le collecteur du transistor T1 est en outre relié à la base d'un transistor T2 du type n-p-n dont le collecteur est relié au conducteur 11 et dont l'émetteur est relié au conducteur 12 par l'intermédiaire d'une résistance R5, les émetteurs des transistors Tl,T2 étant reliés entre eux par l'intermédiaire d'un condensateur C1. La base du transistor T2 est en outre reliée au conducteur 12 par l'inter médiaire d'une résistance R6. Les émetteurs des transistors T1,T2 sont reliés respectivement aux bases d 'un transistor T4 du type p-n-p et d'un transistor T3 du type n-p-n, les émetteurs des transistors T3,T4 étant reliés entre eux par l'intermédiaire d'une résistance R7, le collecteur du transistor T4 étant relié au conducteur 12 par l'intermédiaire d'une résistance R8 et le collecteur du transistor T3 étant relié au conducteur 1l.Le collecteur du transistor T4 est en outre relié à la base d'un transistor T5 du type p-n-p dont le collecteur est relié au conducteur 12 et dont l'émetteur est relié au conducteur 11 par l'intermédiaire d'une résistance R9. L'émetteur du transistor T5 est relié au conducteur 12 par l'intermédiaire d'une résistance R10 et d'un condensateur variable Cp, un point situé entre cette résistance et ce condensateur variable étant relié à la base d'un transistor T6 du type n-p-n dont l's.metteur est relié au conducteur 12 par l'intermédiaire d'une résistance R13 et d'une résistance R15 en série ,L'émetteur du transistor T5 est de plus relié au conducteur 12 par l'lnter- médiaire d'une résistance 17 et d'un condensateur Cr en série et la Jonction de la résistance R17 et du condensateur Cr est reliée à la base d'un transistor T7 du type n-p-n dont l'émetteur est relié au conducteur 12 par l'intermédiaire d'une résistance R14 et de la résistance R15 en série .Le transistor-T7 a son collecteur relié au conducteur l1 par l'intermédiaire d'une résistance R14 et d'une résistance R15 en série . Le transistor T7 a son collecteur relié au conducteur 11 par l'intermédiaire d'une résistance R16, tandis que le collecteur du transistor T6 est relié au conducteur 11 par l'intermédiaire d'une résistance R12, d'une diode D1 et d'une résistance Rîl en série .La jonction de la résistance R12 et de la diode D1 est reliée à l'émetteur d'un transistor T8 du type n-p-n dont la base est reliée au collecteur du transistor T7 et dont le collecteur est relié à la base d'un- transistor T9 du type p-n-p.La base du transister T9 est égale @@ @@@@ mentTraliée au conducteur 11 par l'intermédiaire d'une résistance ment reliée au conducteur 11 par l'intermédiaire d'une résistance R18 tandis que son émetteur l'est directement et son collecteur est relié par l'intermédiaire d'une résistance R19 et d'une réest relié par l'intermédiaire d'une résistance R19 et d'une ré @@@@@@@@ sistance R20 en série au conducteur 12. @ @@@@@ La jonction des résistances R19,R20 est reliée par l'inter La jonction des résistances R19,R20 est reliée par l'intermédiaire d'une diode D2 e.t..d'un condensateur C2 en série-au con- ducteur 12, la jonction de la diode D2 et. du condensateur C2 étant reliés à la base d'un transistor T10 du typen-p-n.dont l'émetteur est relié par l'intermédiaire d'une résistance-R21 au conducteur 12 et dont le collecteur est relié au conducteur 11 L'émetteur du transistor T10 est également relié à la base d'un transistor T11 du type n-p-n dont le collecteur est relié au conducteur 11 par l'intermédiaire d'une résistance R22 et est de plus relié à la base d'un transistor T12 dont le collecteur est relié au conducteur 11 par l'intermédiaire de résistances R25, R24 en série Les émetteurs des transistors Tll,T12 sont reliés au conducteur 12 par l'intermédiaire d'une résistance commune R23 tandis que la jonction des résistances R24,R25 est reliée à la base d'un transistor T13 du-type p-n-p ayant son émetteur relié au conducteur 11 et son collecteur relié par l'intermédiaire d'une résistance R26 à la base d'un transistor T14 du type n-p-n, dont l'émetteur est relié au conducteur 12 et dont le collecteur est re lié au conducteur 11 par l'intermédiaire d'une lampe-témein W. @@@@@@@@@@ @'d. @@@ Les circuits comprennent six étages qui sont indiqués au des- sin par des traits interrompus et ces étages comprennent, en considérant le dessin de gauche à droite, un oscillateur, un amplificateur, le détecteur et le pont, un circuit de redressement, un multi-vibrateur et l'étage de sortie .Le-fonctionnement du circuit est le suivant: OSCILLATEUR Les transistors T1,T2 et leurs organes associés constituent un oscillateur classique à couplage d'émetteur-qui engendre une onde de forme triangulaire aux bornes su condensateur Cl. La sortie d'un oscillateur de ce type est habituellement prise au col.lectçur du transistor T2 et présente une forme d'onde carrée mais il est préférable de prendre la sortie aux émetteurs des transistors T1 et T2 de telle sorte que cette sortie est de forme triangulaire .Cpendant si l'on désire obtenir dans un circuit particulier une sortie constituée -par une onde carrée, cette sor tie peut être prise au collecteur du transistor T2-et on peut utiliser un simple transistor comme amplificateur AMPLIFICATEUR Les transistors T3 et T4 sont-des transistors du type n-p-n et p-n-p respectivement, et du fait que leurs bases sont reliées respectivement aux émetteurs des transistors T2 et Tl, la forme d'onde aux bornes du condensateur C1 est amplifiée et appliquée à la base du transistor T5 qui agit comme montage à charge d'é -metteur pour les transistors T3,T4. et fournit la faible impédance de sortie nécessaire pour attaquer le détecteur DETECTEUR ET PONT Le circuit du pont comprend les résistances R10 et R17 et les condensateurs Cp et Cr, l'entrée étant appliquée entre l'émetteur du transistor T5 et le conducteur 12, et la sortie étant pri se entre les jonctions de la résistance RlO et du condensateur Cp et des résistanées R17 et du condensateur Cr, c'est-à-dire aux bases des transistors T6 et T7.Si l'on suppose que l'on désire mesurer le niveau d'un-liquide , des conducteurs sont prévus à partir du circuit, ces conducteurs conduisant au réservoir dans lequel le niveau doit être contrôlé , et le condensateur Cp a une valeur égale à celle de la capacité d'une sonde, se trouvant dans le liquide, plus toute capacité parasite . Le condensateur Cr fournit une capacité de référence et dans quelques cas peut être simplement.constituée par la capacité parasite du circuit,pourvu que les valeurs du circuit soient choisies-de façon appropriée On remarquera que les - valeurs 'des capacités parasites, par exemple dans un véhicule routier, sont relativement élevées comparées à la capacité de la sonde lorsque cette dernière est à sec .La va leur de la capacité Cr est de préférence choisie de façon à être égale à la valeur de la capacité Cp, lorsque la sonde est à sec, et les deux condensateurs- sont; de préférence situés au mEme point sur un véhicule routier, de sorte que les capacités aux bornes et les capacités des conducteurs à la masse menant aux dieux condensateurs doivent être égales Pour obtenir la précision maximal du détecteur, il est es sentiel que la tension de sortie du pont soit indépendante des capacités parasites et soit seulement fonction d'une variation de la valeur de la capacité Cp, de sorte qutune sortie notable est obtenue du pont dès le moment où la sonde est mouillée par le liquide .Le pont est représenté à la Fig.2 avec ses bornes d'entrée 21,22 et ses bornes de sortie 2D,24 et l'on supposera que la fréquence d'entrée est W, la valeur de la résistance R10 est R, les courants traversant les rsistances R10 et R17 sont lp et Ir respectivement, et les potentiels aux bornes 23 et 24 sont respectivement E2 et El.Si l'on part de conditions statiques , on suppose alors que le condensateur Cp a une valeur qui croît de Cp à Cp +# Cp.Ceci produit un déséquilibre #E aux bor -nes 23,24, où = = El - E2 La sensibilité S du pont est définie comme étant # E et on désire rendre cette sensibilité à peu près indépendante de la valeur absolue de Cp. Ir On constate que El = = est une constance si Cr est constant Si l'on suppose que la tension appliquée est V, on a, suivant la loi d'OHM Si l'on remplace Ip par sa valeur on obtient E2 ; Ensuite , du fait que El est constant ,# E = -# E2, et si l'on divise les deux termes par # Cp # E = - # E2 = - dE2 à la limite , lorsque # Cp # Cp Cp E2 O Si l'on différencie l'expression pour E2 par rapport à Cp on obtient En récrivant et en substituant E = - E2 on a Si l'on multiplie le numérateur et le dénominateur par (-j) on a dE =VWR dCp 2WCpR + J (W2Cp2R2- 1) Pour obtenir une expression de la sensibilité on doit considérer seulement la valeur de l'expression .L'expression est de forme A B +jC Dont la valeur est On obtient ainsi D'où : Ii-ressort de cette équation que le pont peut être réalisé de façon à être à peu près indépendant de la capacité parasite pourvu que :: W2Cp2R2 1 On peut assurer de façon satisfaisante dans un mode de réalisation caractéristique que W2Cp2R2 représente moins de 1% du dénominateur .En pratique, W et Cp ne peuvent être modifiés facillement, mais on ne rencontre pas de grande difficulté pour choisir une valeur de R appropriée ainsi dans un exemple, W et Cp ont des valeurs de 400 KHz et 250 pF respectivement , de telle sorte que pour satisfaire à la condition du 1% on peut facilement déduire que R ne doit pas être supérieur à 1000 ohms .En utilisant un tel potit , des variations égales des valeurs de Cp et Cr résultant des capacités parasites laissent la sensibilité du pont à peu près inchangée .Ainsi, si le montage décrit est fabriqué en série et monté sur différents véhicules routiers, les variations inévitables des capacités parasites d'un véhicule à un autre n'affectent pas le fonctionnement du détecteur La sortie du pont est amplifiée par le circuit pseudo-symétrique à résistance cathodique commune T6,T7 ( "long tailed pair"), le gain à cet étage étant déterminé par le rapport des résistances R16 et R14, et par le rapport des résistances Rîl et R13.0n obtient une sortie du transistor T8 seulement lorsque les collecteurs des transistors T6 et T7 ont une tension qui diffère d'une valeur prédéterminée , qui est déterminée par le rapport des résistances RIl, R16. La diode Di absorbe la chute de tension base-émetteur du transistor T8 et assure que la tension différentieLle nécessaire est cpnstante avec la température . La résistance R12 travaille à la façon dtun montage à charge d'émetteur pour T8. Ainsi, la capacité de la sonde doit changer d'une quan tité définie fixée avant que soit fourni un signal de sortie, et c'est par suite de cette caractéristique que le condensateur de référence peut être constitué par les capacités parasites Si en fonctionnement la tension d'alimentation croît, la sortie de 1'oscillateur croit , mais cet-accroissement est com pensé par l'accroissement de la tension inverse appliquée au tran sistor T8 par les résistances R16 et Roll. Cette caractéristique assure que le circuit fonctionne dans une large gamme de tensions d'alimentation aux conducteurs 11,12. La sortie du transistor T8 est amplifiée par le transistor T9. @ erjê CIRCUIT DE REDRESSEMENT lsq èt@@@ La diode D2 et le condensateur C2 servent seulement à re dresser les impulsions de haute fréquence dans le transistor Tg et fournissent un niveau de courant continu au transistor T10 qui fournit un signal amplifié à l'étage suivant MULTIVIBRATEUR @@@@@@@Ce circuit est constitué par un multivibrateur bistable dans lequel soit le transistor TIl soit le transistor T12 est conduc teur en fonction du niveau de la tension à émetteur du transis tor T10. Lorsqu'il n'y a pas de sortie au transistor T8, la tension à l'émetteur du transistor T10 est nulle et le transistor T11 est non conducteur, de sorte que le transistor T12 est con ducteur. @@@@ ETAGE DE SORTIE @@@@ L'étage de sortie est constitué simplement par un transis tor T13 qui, lorsque le transistor T12 conduit, reçoit un courant de base et est ainsi conducteur, rendant ainsi conducteur le tran als-tor T14 pour allumer la lampe W.Lorsque le transistor T8 four nit une sortie, le niveau de la tension à émetteur du transis tor T10 change de sorte que le transistor TIl est conducteur, et les transistors T12, T13, T14 sont tous non conducteurs de sorte que-la lampe W est éteinte Le relue du circuit multivibrateur est d'assurer que le transistor T14 agit toujours soit dans son tat.eomplètement conducteur soit dans son état complètement non conducteur, et ainsi ne dissipe pas une énergie notable On remarquera bien entendu que le circuit peut etre agencé suivant un certain nombre de façons pour fournir l'information nécessaire dans différentes conditions .Par. exemple, le pont peut être équilibré avec une sonde immergée, un étage inverseur peut être prévu dans ce cas . Si nécessaire, la sonde et le détecteur peuvent être incorporés dans un dispositif à-boucle fermée grâce à quoi une correction-peut Btre faite au paramètre variable L'oscillateur peut être utilisé pour alimenter en énergie un certain nombre de circuits, comme représenté, pour fournir un certain nombre d'indications différentes . Ainsi, sur un véhicule routier, les niveaux des liquides dans différents réservoirs peuvent gtre contrôlés avec un seul oscillateur REVENDICATIONS l-Circuit détecteur comprenant une sonde capacitive,caractérisé en ce qu'il comprend un pont ayant deux bornes d'entrée,une première résistance d'une valeur R reliée en série avec la capacité inconnue entre les bornes d'entrée, la capacité inconnue ayant une valeur maximale Cp qui décroît de façon considérable lorsqu'un parametre est détectésla jonction de la première résistance et de la capacité inconnue constituant une borne de sortie du pont, une seconde résistance et une capacité de référence reliées en série, l'ensemble étant monté en parallèle avec la première résistance et la capacité inconnue entre les bornes d'entrée, la Jonction de la seconde résistance et de la capacité de réfdrene ce constituant l'autre borne de sortie du pont, des moyens fournissant une entrée de courant alternatif à la borne d'entrée avec une fréquence W, et un circuit de sortie connecté aux bornes de sortie du pont pour indiquer le moment auquel la valeur Cp est réduite au cours de la détection, la sensibilité du pont étant rendue b peu près indépendante des capacités parasites en réalisant le pont de façon à satisfaire à la condition W2Cp2R2 2-Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de sortie comprend un circuit pseudo-symétrique à résistance cathodique commune comprenant deux transistors(" long tailed pair") dont les bases sont reliées aux bornes de sortie du pont respectivement et dont les résistances de collecteur sont choisies de telle sorte que la capacité inconnue doit changer de valeur d'une quantité prédéterminée fixée avant qu'une indication ne soit fournie 3-Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les deux transistors dudit circuit pseudo-symétrique à résistance cathodique commune commandent un autre transistor dont le circuit base-émetteur comprend une diode fournissant une compensation de température de sorte que ladite quantité prédéterminée fixée est à peu près indépendante de la température 4-Circuit suivant la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la capacité de référence est constituée par les capacités parasites 5-Circuit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérise en ce que l'entrée du pont provient d'un oscillateur qui fournit également une entrée à un ou à plusieurs autres ponts et au circuit de sortie associé