Brevet FR2179885A1 — publié le 19731123

La présente invention a pour objet un détecteur de pression du type capacitif et vise, plus spécialement, son circuit électronique. L'invention convient particulièrement aux mesures de pression de fluide agissant à bord des véhicules en fait, ce type de détecteur de pression peut servir également à régler la pression d'huile à l'intérieur du moteur, ou encore à mesurer la pression qui règne dans le circuit hydraulique de freinage ou bien à mesurer la pression dans des réservoirs accumulateurs d'air comprimé pour installations pneumatiques de freinage, ou à d'autres fins. On connatts dans la technique antérieure, des détecteurs de pression du type capacitif, dans lesquels la variation de la pression d'un fluide provoque la variation de l'écartement entre les armatures d'un condensateur, ce qui en moditife par conséquent la capacité électrique : dans ces types de détecteurs, le condensateur est inséré dans une branche d'un pont normal de mesure d'impédance, et l'on calcule la variation de capacité d'après le déséquilibre subi par le pont Ce mode de mesurepré- sente des inconvénients, notamment une faible sensibilité et une certaine lenteur, à moins que l'on n'utilise des éléments extrêmement côuteux.Comme on le voit, ces inconvénients ne sont pas imputables au transducteur mécanique qui transforme la variation de pression en une variation de capacité électrique, mais il faut les attribuer plutôt au circuit qui élabore l'information et qui commande ensuite le déclenchement de l'instrument de signalisation. L'invention a pour objet un détecteur de pression du type capacitif, destiné en particulier à la mesure des fluides à bord de véhicules et permettant d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus, tout en étant beaucoup plus économique que les détecteur; connus de la technique antérieure. On parvient à ces résultats grâce au fait que le circuit électronique pour l'élaboration des signaux dus à la variation de capacité électrique est constitué par un intégrateur dont le pouvoir intégrateur est fonction de la capacité variable, cet intégrateur coopérant avec un circuit à seuil, dont l'impulsion de sortie commande un circuit monostable branché, d'une part, sur l'entrée du circuit intégrateur, de manière à fermer le circuit de réaction et, d'autre part, sur un circuit de puissance qui actionne un instrument indicateur. Comme cela apparaîtra plus clairement parla suite, l'idée fondamentale est de transformer la variation de capacité électrique en une variation du rapport plein-vide, en utilisant la capacité en question comme élément intégrateur, suivie d'un circuit de déclenchement à seuil, puis d'un multivibrateur monostable, qui à son tour commande l'étage intégrateur, fermant ainsi le circuit de réaction, et en même temps l'étage de puissance relié à un instrument indicateur, la valeur moyenne dusignal émis par le multivibrateur monostable est, en fait, proportionnelle à la variation de capacité et, par suite, à la variation de pression. Une autre caractéristique de l'invention, qui la rend beaucoup plus économique que les solutions, connues, réside dans le fait que les stades énumérés ci-dessus ne sont pas séparés mais que l'invention réunit une partie des fonctions de façon à utiliser trois transistors uniquement, rendant ainsi le circuit facilement intégrable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins - la figure 1 représente un circuit selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique du circuit de la figure 1. - les figures 3 à 7 sont des graphiques de formes d'ondes principales illustrant le fonctionnement du circuit. - les figures 8 et 9 représentent l'allure de la tension sur le condensateur variable et, - la figure 10 représente le circuit intégrateur. Sur la figure 1, la référence 100 désigne un générateur de tension continue pour l'alimentation du circuit, consistant, par exemple, en une batterie à bord d'un véhicule, ou bien un alternateur à pont redresseur, le pôle négatif de l'alimentation est mis à la masse et le pele positif alimente, au moyen d'un interrupteur 101, un premier transistor 102 du type NPN le collecteur 104 de ce transistor est branché à l'alimentation au moyen d'une résistance 106 avec, en parallèle, une diode 108 dont l'anode est relié;au collecteur 1G4 ; l'émetteur 110 est mIs à la masse au moyen d'une capacité 112 et il est bloqué par une résistance 104 vers la masse, et par la série de deux diodes 116 et 118 et une résistance 120, vers l'alimentation ; les deux diodes ont leurs anodes tournées vers l'alimentation. La base 122 est branchée sur l'alimentation par un circuit parallèle comprenant une résistance 124, un condensateur 126, une diode 128 dont l'anode est reliée à la baseS et une résistance 130. La cathode de la diode 128, c'est-à-dire le noeud 132, est branchée sur le collecteur 104, c'est-à-dire avec le noeud 134, au moyen d'une capacité 136 ; le circuit de la base 152 se ferme ensuite vers la masse au moyen de la capacité variable 138, en parallèle avec une diode 140 dont l'anode est à la masse ; la capacité variable 138 coopère avec le transducteur de pression 142, et elle est obtenue conformément à des procédés classiques, connus des spécialistes. Sa valeur varie en fonction des variations de la pression du fluide qui agit sur le transducteur 142 Un second transducteur 144 de type PNP a sa base 146 reliée à l'anode 134 ; le collecteur 148 est porté à la masse au moyen de la résistance 150, tandis que l'émetteur 152 est polarisé avec un répartiteur formé de deux résistances 154 et 156, respectivement vers l'alimentation et vers la masse Un troisième transistor 158 de type NPN a son collecteur 160 relié au noeud 132, et son émetteur 162 pilote la base 164 d'un quatrième transistor 166 de type NPN, qui fait partie de l'étage de puissance, dont l'émetteur 168 est mis à la masse et dont le collecteur 170 est branché sur un étage détecteur de valeur moyenne 172 de type connu, qui sert à actionner un instrument indicateur 174 et/ou éventuellement des dispositifs d'alarme (non représentés). Le collecteur 148 du transistor 144 est branché, au moyen du conducteur 176 à la base 178 du transistor 158. Avec une disposition du type tel que décrit, on peut reconnattre différents stades élémentaires coopérant entre eux, qu'on voit plus clairement sur la représentation schématique de la figure 2 La référence 200 désigne un étage intégrateur qui, dans le cas envisagé, est constitué par la résistance 124, le condensateur 16, la diode 128 et le condensateur variable 138 La référence 202 indique un déclencheur .àseuilsde commutation, qui comprend le transistor 102 et ses résistances de polarisation 114 et 120.LI référence 204 désigne un multivibrateur monostable, qui est constitué, en réalité, par deux transistors 144 et 158, par leurs résistances de polarisation 15D, 154, 156S par les résistances 106 et 130 et par le condensateur 136, caractéristique du circuit monostable et, enfin, par le transistor 166 qui constitue la charge de sortie. Sur la figure 2, on peut voir les principales con- nexions 132, 122, 104 et 102 (montrant comment se ferme le circuit de réaction) ainsi que l'étage de puissance 206 et l'instrument indicateur 174 L'alimenteur 100 peut donner une tension quelconque, et, dans l'exemple décrit, cette tension est choisie de l'ordre de 12 volts. Le transistor 102 est normalement bloqué en l'absence de signaux sursa base 122 ; en fait, les valeurs des résistances de polarisation de l'émetteur 110, à savoir 114 et 120, sont choisies de façon que la tension à l'émetteur VEl soit voisine de 5 volts Ainsi, la tension de seuil à la base 122 pour la commutation du transistor est de l'ordre de 5,5 volts En outre, ce transistor est choisi de façon que le gain de courant atteigne des valeurs très élevées tout de suite après que l'on a atteint le seuil de commutation : le transistor est saturé rapidement et sa commutation se produit en un temps très court Le transistor 144 est normalement bloqué : en fait, la tension de sa base 146 est de l'ordre de 12 volts et la pola- risation de l'émetteur 152, assur & ar le répartiteur à résistances 154, 156, est telle que la tension de l'émetteur est inférieure à la valeur de seuil pour la commutation du transistor Les caractéristiques du transistor 144 sont les mêmes que celles du précédent, et que celles des transistors que l'on va décrire. Le transistor 158 est, lui aussi, normalement bloqué en fait, sa base 178 est au même potentiel par rapport à la masse que le collecteur 148 du transistor 144, c'est-à-dire un potentiel pratiquement nul, parce que, de son côté, le transistor 144 est bloqué. Le transistor 166 est bloqué, parce que sa base 164 est à un potentiel voisin de zéro ; son collecteur 170, polarisé par une résistance 171, est donc à un potentiel élevé. La diode 140 compense le courant Icb dans le transistor 102 ; les diodes 116 et 118 servent à compenser la tension Veb du transistor 102. La diode 108 permet au condensateur 136 de se décharger à chaque cycle, en le préparant pour le cycle suivant, et la diode 128 joue le même rôle-en ce qui concerne le condensateur 138. D'autres caractériques des éléments constitutifs du circuit seront exposées dans la description, donnée ci-après, du fonctionnement de ce circuit. En fermant le circuit à l'aide de l'interrupteur 101, on alimente les divers éléments, et en particulier le noeud 132 et le collecteur 160 du transistor 158 ; un palier positif de tension est donc appliqué à l'entrée de l'intégrateur 200, à l'instant tl, comme on peut le voir sur la figure 3. Comme on l'a déjà signalé et comme on le voit sur la figure 10, l'intégrateur 200 est constitué par une résistance 124 de valeur R, en parallèle avec un condensateur 126 de capacité C, et par un condensateur 138 de capacité Cx. Si Vi est la tension appliquée à l'entrée, on verifie aisément que la tension de sortie, en fonction du temps, a pour valeur : I) V (t) = Vi - Cx e - 1 t a 1 C+Cx R1(C+Cx) La tension augmente donc jusqu'à atteindre la valeur de seuil Vs de commutation du transistor 102 (figure 4). De la formule I, on peut déduire la valeur de l'inter- valle de temps nécessaire T. II) T = (C+Cx) log - Cx . (Vi-Vs) e(C+Cx) L'argument du logarithme est constant si C est nulle, et, par conséquent, dans ce cas T serait proportionnel à Cx. Toutefois, pour que l'instrument 174 fonctionne, C est indispensable, comme on le verra plus loins Tout de suite après t2, le transistor 102 est saturé rapidement ; la tension àson collecteur 104 ainsi que celle de la base 146 du transistor 144 qui lui est reliée diminuent, de telle manière que le transistor 144 commute en.se saturant rapidement La tension de son collecteur 148 et, par suite, celle de sa base 178augmentent d'une quantité qui fait commuter, à son tour, le transistor 158, et par suite le transistor 166.Ceci augmente la réaction positive sur la base 146, dont le potentiel tombe pratiquement à zéro, à travers le condensateur 136 et les transistors 158 et 166 ; par suite, la tension au noeud 134 a l'allure représentée sur la figure 5, avec une chute brutale jusqu'à zéro à l'instant t2 ; en même temps, la tension à la base 178 et à l'émetteur 162 est celle qui est représentée sur la figure 6, tandis que la tension au collecteur 170 est représentée sur la figure 7. Tout de suite après l'instant t2, le condensateur 138 se décharge à travers la diode 128 et les transistors 158 et 166, tandis que le condensateur 136, qui auparavant s'était déchargé à travers la diode 108, la résistance 130 et les transistors 158 et 166, commence à se décharger à travers la résistance 106 et les deux transistors mentionnés ci-dessus ; du fait que la capacité de 156et la valeur de la résistance 106 sont fixes, l'exponentielle de charge est toujours fixe et, par suite, le temps T',pour que la tension au noeud 134 a, et par suite à la base 146, atteignant la valeur de seuil Vs du transistor 144, est fixe. Ayant atteint cette valeur à l'instant t3, le transistor 144 commute rapidement et la tension à sa base présente un palier ss V (figure 4) ; au même instant, tous les autres transistors commutent et, comme on le voit sur les schémas, on retourne à la condition de départ décrite par rapport à l'instant tl, En définitive, on note que la tension au collecteur 170 du transistor 166, c'est-à-dire, en pratique, la tension de sortie témoin décrite, présente une forme d'ondes composées alternativement de pleins et de vides Alors que l'intervalle de temps T' est fixe, l'intervalle T, comme on l'a démontré, varie en fonction de Cx, c'est-à-dire en fonction de la pression de mesure : donc, le circuit détecteur de valeur moyenne 172 pilote l'instrument 174 en fonction de la variation de Cx. Entant donné que l'instrument fonctionne d'autant mieux que I'o réussit à fournir davantage de courant, il faut que les intervalles T soient suffisamment étroits cela est rendu possible par la présence de la capacité 126 ; en fait, pour les valeurs élevées de la capacité 138, T serait manifestement très grand, ce qui donnerait un rapport pleinsvides tout a fait défavorable ; la présence de la capacité 12o a pour effet que, dans cette situation, à l'instant tl, la tension au noeud 132 se répartit entre les deux capacités (figures 8 et 9); et produit une action immédiate, due au partage, qui se poursuit avec l'exponentielle : on voit comment, de cette façon, l'intervalle de temps-T" nécessaire pour que la tension atteigne la valeur de seuil Vs est nettement inférieur au temps T nécessaire sans l'aide du condensateur 126. Dans le mode de réalisation pratique, le condensateur 126 présente une capacité variable de 10 pF à 47pF ; un condensateur 128 d'une capacité de 15 pF est suffisant pour assurer les avantages décrits. I1 va de soi que l'invention a été décrite ci-dessus à titre explicatif mais nullement limitatif, et que l'on pourra y apporter toutes modifications de détail sans sortir de son cadre. R E v E N D I C A T I O g S 1. Détecteur de pression du type capacitif, destiné en particulier aux mesures effectuées sur des fluides à bord de véhicules. et comprenant une capacité électrique variable commandée par un transducteur relié au fluide et coopérant avec un circuit électrique de détection capable de détecter la variation de ladite capacité, ce détecteur étant caractérisé par le fait que le circuit électrique de détection comprend un intégrateur dont le pouvoir intégrateur est fonction de la capacité variable, cet intégrateur coopérant avec un circuit à seuil, dont l'impul- sion de sortie commande un circuit monostable branché, d'une part, sur l'entrée du circuit intégrateur, de manière à fermer le circuit de réaction et, d'autre part, sur un circuit de puissance qui actionne un instrument indicateur. 2. Détecteur de pression selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit intégrateur comprend, en parallèle, une résistance. un condensateur et une diode dont la cathode est tournée vers la borne d'entrée, ce circuit parallèle étant porté vers la masse de la capacité variable commandée par un transducteur, comportant en parallèle une diode dont l'anode est à la masse, la sortie du circuit intégrateur étant reliée à la base d'un premier transistor NPN dont l'émetteur est mis à la masse de la capacité.et est polarisé par deux résistances, respectivement à la masse et à l'alimentation. et dont le collecteur est relié à l'alimentation par une diode en parallèle avec une résistance, ledit collecteur étant relié à la base d'un second transistor PNP, dont le collecteur est polarisé par deux résistances respectivement vers l'alimentation et vers la masse, la base étant ensuite reliée à la borne d'entrée de l'intégrateur au moyen d'un condensateur relié à l'alimentation d'une résistance, le circuit de détection étant, de plus, caractérisé par le fait que l'entrée de l'intégrateur est reliee au collecteur d'un troisième transistor NPN, dont la base est pilotée par des signaux sur le collecteur du second transistor PNP susdit, grâce à un conducteur, et dont l'émetteur commande un étage de puissance constitué par un quatrième transistor NPN dont l'émetteur est à la masse et dont le collecteur est à l'alimentation ce collecteur étant relié à un circuit détecteur de valeur moyenne de type connu, dont la sortie commande un instrument indicateur.